模擬芯片的未來(lái)十年

2021年1月發(fā)布的SRC十年計(jì)劃概述了模擬電子技術(shù)的新發(fā)展軌跡。在路線圖這一章節(jié)中，總結(jié)了模擬信號(hào)處理的短期、中期和長(zhǎng)期前景，因?yàn)樗婕膀?qū)動(dòng)模擬硬件的新興應(yīng)用和趨勢(shì)。模擬組件硬件對(duì)世界機(jī)器接口、傳感、感知和推理系統(tǒng)至關(guān)重要。來(lái)自物理世界的信息是模擬的，世界上數(shù)量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的傳感器正在創(chuàng)建大量模擬輸入，這些信號(hào)的數(shù)字化將創(chuàng)建一個(gè)龐大的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)負(fù)載，這幾乎不可能在下游數(shù)字處理器中使用。模擬信號(hào)處理或“模擬邊緣”處理可以幫助減少必須數(shù)字處理的信號(hào)數(shù)量。在以下小節(jié)中，我們將介紹：

1.模擬和混合信號(hào)計(jì)算必須如何進(jìn)行縮放以適應(yīng)“模擬邊緣”處理

2.適應(yīng)更大帶寬、更高吞吐量和更精細(xì)分辨率所需的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的發(fā)展方向

3.物理電纜和管芯到管芯接口；安全傳感器融合；計(jì)時(shí)系統(tǒng)；以及功率減輕技術(shù)。

在許多需要模擬/混合信號(hào)領(lǐng)域創(chuàng)新的應(yīng)用驅(qū)動(dòng)因素中，主要驅(qū)動(dòng)因素包括跨通信網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算的低成本和能量?jī)?yōu)化，以及高通量、低延遲和高帶寬6G無(wú)線通信傳感和高性能數(shù)據(jù)中心。

上述新興應(yīng)用的性能和功率效率要求推動(dòng)2.5D/3D架構(gòu)，這帶來(lái)了成本、設(shè)計(jì)方法和熱管理方面的挑戰(zhàn)。技術(shù)節(jié)點(diǎn)正朝著5納米以下的節(jié)點(diǎn)發(fā)展，這些節(jié)點(diǎn)包括柵極晶體管、納米片和基于叉片的器件。先進(jìn)的封裝在將大型系統(tǒng)縮小到納米級(jí)實(shí)施中也發(fā)揮著重要作用。

在本節(jié)中，我們將回顧模擬和混合信號(hào)處理的各個(gè)方面，以及在未來(lái)五到十年中，每個(gè)方面的進(jìn)展情況。每一個(gè)不同的領(lǐng)域都概述了規(guī)范和指標(biāo)在十年內(nèi)的發(fā)展。

模擬和混合信號(hào)計(jì)算

未來(lái)十年，模擬電路將不斷發(fā)展，以利用成千上萬(wàn)的專用于模擬任務(wù)的設(shè)備。前幾年的模擬設(shè)計(jì)取決于一些設(shè)備的詳細(xì)性能：放大器的輸入級(jí)，或典型PLL電路的元件——這些可以作為電路圖繪制，并通過仔細(xì)檢查單個(gè)設(shè)備的行為來(lái)理解和改進(jìn)。

未來(lái)十年里，在非常小的器件中，這種已知的模擬設(shè)計(jì)技術(shù)可以通過多個(gè)小器件的串并聯(lián)來(lái)繼續(xù)，實(shí)際上，就是使用小型器件陣列來(lái)近似模擬更復(fù)雜的器件。

然而，由于使用了成千上萬(wàn)的小型器件，它們的連接方式不必是簡(jiǎn)單的串聯(lián)或并聯(lián)形式。模擬設(shè)計(jì)的一個(gè)新領(lǐng)域可以使用復(fù)雜的互連。舉個(gè)例子，無(wú)處不在的吉爾伯特乘數(shù)是六個(gè)器件的某種連接，產(chǎn)生乘數(shù)作用；在先進(jìn)技術(shù)中，將連接數(shù)萬(wàn)個(gè)器件以創(chuàng)建例如FFT或語(yǔ)音活動(dòng)檢測(cè)器等。我們現(xiàn)在已經(jīng)超越了原理圖時(shí)代，進(jìn)入了一個(gè)新的可能基于高級(jí)語(yǔ)言的設(shè)計(jì)框架，該框架將支持這些形式的模擬設(shè)計(jì)。

模擬FFT是一種先進(jìn)制程的新模擬方法的示例，在一項(xiàng)研究中，通過輸出數(shù)萬(wàn)個(gè)具有復(fù)雜互連的設(shè)備的工具和技術(shù)，演示了模擬FFT在模擬域中以>12位、低延遲性能運(yùn)行的可能性。這樣的設(shè)計(jì)主要是布局的偽影：金屬間電容等，以及其他只有在布局完成后才可見的寄生效應(yīng)。因此，為了實(shí)現(xiàn)這些新的模擬設(shè)計(jì)，需要CAD工具來(lái)創(chuàng)建原型布局，并允許工程師始終對(duì)物理布局造成的工件進(jìn)行估計(jì)。

新的模擬設(shè)計(jì)師將把版圖作為設(shè)計(jì)流程的一部分，這在足夠復(fù)雜的CAD工具下是可以實(shí)現(xiàn)的，與其將布局偽影視為障礙，不如在設(shè)計(jì)中使用它們來(lái)降低功耗并提高精度。例如，在模擬FFT處理器的設(shè)計(jì)中，必須滿足兩個(gè)挑戰(zhàn)：每個(gè)模擬神經(jīng)元的系數(shù)值以及到下一層的非常復(fù)雜的連接。復(fù)雜的連接引入了明顯降低性能的磁道間電容，但一個(gè)足夠復(fù)雜的CAD工具實(shí)際上可以使用這些寄生效應(yīng)在FFT中創(chuàng)建所需的系數(shù)。因此，我們目前的階段是，在設(shè)計(jì)圖完成之前，模擬設(shè)備的功能甚至不是很明顯。

諸如模擬FFT之類的模擬信號(hào)處理塊可以對(duì)與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器之類的模擬數(shù)據(jù)處理塊交互的模塊施加新的要求。許多模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的傳統(tǒng)時(shí)分復(fù)用可以用頻分復(fù)用代替，當(dāng)這樣做時(shí)，ADC的要求是信號(hào)的創(chuàng)新，而不是由時(shí)分復(fù)用引入的任意高速。在電信系統(tǒng)中，ODFM的任何給定頻率中的創(chuàng)新遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于當(dāng)前系統(tǒng)的載波或時(shí)分復(fù)用作用。因此，這樣可以節(jié)省功率并提高速度。

高級(jí)節(jié)點(diǎn)和模擬信號(hào)處理的其他方面：有限柵極電流（隧穿電流）

在現(xiàn)有技術(shù)的放大器中，采用了某些基極電流減小技術(shù)。這些是通過使用鏡像等布局的基極電流的開環(huán)估計(jì)，以近似抵消放大器的輸入電流。該方法可用于先進(jìn)的薄柵FET工藝中，以實(shí)現(xiàn)不止一階抵消。具體來(lái)說(shuō)，可以創(chuàng)建完全電容耦合的連續(xù)時(shí)間信號(hào)鏈，其中DC工作點(diǎn)由放大器輸入處的可變隧穿電流控制。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)路徑元件不產(chǎn)生噪聲，并且開關(guān)電容器設(shè)計(jì)中通常存在的kT/C噪聲被限制在信號(hào)的子帶區(qū)域。這是目前在醫(yī)療設(shè)備中使用的技術(shù)，但如果用受控的柵極隧穿電流代替已知技術(shù)的電阻FETS，將導(dǎo)致更低的功率和更高的性能。這是另一個(gè)例子（類似于上面提到的軌道間電容），可以被認(rèn)為是先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)上可以提高性能的有益效果。

圖1 未來(lái)五到十年的模擬信號(hào)處理

新興模擬信號(hào)處理

近年來(lái)，基于邊緣計(jì)算的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中已經(jīng)出現(xiàn)了用于AI/ML的模擬內(nèi)存計(jì)算，這正是得益于其低能耗運(yùn)行。由于計(jì)算或傳感動(dòng)作的納米級(jí)性質(zhì)，基于生物傳感和生物計(jì)算的新興組件需要模擬處理。當(dāng)采用跨模擬和數(shù)字領(lǐng)域的混合處理方法時(shí)，大規(guī)模MIMO陣列處理已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了最佳能效運(yùn)行，并充分利用了兩者的優(yōu)點(diǎn)。完全同態(tài)加密和隱式邏輯是模擬計(jì)算的一個(gè)巨大機(jī)會(huì)，在模擬計(jì)算中，輸入端沒有DAC，輸出端沒有ADC，從而實(shí)現(xiàn)隱式方程解。

近零功率處理

對(duì)于通常在需要較低功率ADC/DAC的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中看到的能量采集系統(tǒng)，需要接近零功率處理。這要求每個(gè)信號(hào)的傳輸線使用有限，并且要求對(duì)信號(hào)路徑中的一階單極不敏感的信號(hào)能夠做到快速穩(wěn)定。也可能需要增加隱性信號(hào)的使用。

總結(jié)

模擬/混合信號(hào)處理中出現(xiàn)的共同主題是，當(dāng)模擬處理機(jī)會(huì)出現(xiàn)時(shí)，必須利用這些機(jī)會(huì)，大膽地將模擬和數(shù)字之間的傳統(tǒng)邊界移動(dòng)到模擬信號(hào)領(lǐng)域，并在能效或性能保證做出這樣的決定時(shí)，移動(dòng)邊界以實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)領(lǐng)域的更多處理。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器

如SRC半導(dǎo)體十年計(jì)劃中所述，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器（即模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC和數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC）將在從智能傳感到邊緣計(jì)算的廣泛應(yīng)用（如機(jī)器學(xué)習(xí)）中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，未來(lái)幾年將需要性能范圍極其廣泛的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器（見圖2）。

圖2:數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域：程序、分辨率和吞吐量

要達(dá)到這些性能水平，需要在工藝技術(shù)、應(yīng)用程序和系統(tǒng)級(jí)架構(gòu)以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器架構(gòu)本身等各個(gè)方面進(jìn)行創(chuàng)新。工藝技術(shù)的進(jìn)步通常有巨大作用，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下，隨著幾何形狀的縮小，晶體管變得更快，能夠更有針對(duì)性地對(duì)模擬/混合信號(hào)應(yīng)用提供一些顯著的優(yōu)點(diǎn)，例如改進(jìn)的隔離和嚴(yán)格控制的閾值電壓的高速雙極晶體管。然而，在針對(duì)高性能數(shù)字應(yīng)用的CMOS技術(shù)（例如，5nm CMOS）的情況下，電源電壓持續(xù)收縮，布局依賴效應(yīng)（LDE）變得更加普遍，實(shí)際上使得設(shè)計(jì)具有所需性能的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器更具挑戰(zhàn)性，這推動(dòng)了系統(tǒng)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器體系結(jié)構(gòu)層面的創(chuàng)新需求。

如圖2所示，有非常廣泛的新興應(yīng)用程序需要有顯著改進(jìn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器性能。例如，考慮先前提出的用于模擬域中更多信號(hào)處理的模擬和混合信號(hào)計(jì)算技術(shù)，以及用于邊緣處理的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器架構(gòu)，如SRC十年計(jì)劃第1章所述，實(shí)現(xiàn)了對(duì)模擬到信息的高效和低延遲感測(cè)。新興應(yīng)用的另一個(gè)示例是在使用幾百伏的EV電池管理應(yīng)用中準(zhǔn)確地感測(cè)低頻/DC電流信號(hào)，像這樣的應(yīng)用需要專門的模擬前端處理技術(shù)和架構(gòu)。

在中頻范圍內(nèi)（例如，100KSPS至500MSPS），隨著體積和所需性能的增加，從高保真數(shù)字音頻到醫(yī)療應(yīng)用（例如MRI和超聲）到汽車應(yīng)用（例如，電機(jī)控制和安全（例如，安全氣囊控制））的應(yīng)用也將需要顯著改進(jìn)的性能（例如，成本、功率、精度、魯棒性等）。由于這些應(yīng)用中的許多要求高精度、低失真性能，以及抗干擾性，并且在廣泛的操作條件下特別可靠，因此以低成本和低功率滿足這些要求的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器架構(gòu)將變得越來(lái)越重要。另一個(gè)例子是ADC的車載無(wú)線電接收器，它從接收到的信號(hào)中產(chǎn)生高保真音頻。在這種情況下，無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）是關(guān)鍵規(guī)范。對(duì)于可能影響人們健康和生活質(zhì)量的醫(yī)療和安全應(yīng)用，此類要求變得更加重要?？赡軕?yīng)用于該應(yīng)用領(lǐng)域的新數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器架構(gòu)包括人工智能（AI）、機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）輔助、基于時(shí)間的混合SAR/流水線ADC等。

此外，還有極為廣泛的新興應(yīng)用，從5G/6G通信到高速串行鏈路，再到需要超高速、高性能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的FMCW/PMCW汽車?yán)走_(dá)。例如，對(duì)于6G小基站和用戶駐地設(shè)備（CPE）使用情況，需要具有約10b、10G/s性能的ADC和DAC。鑒于此應(yīng)用需要大量的信號(hào)處理，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器必須在與信號(hào)處理相同的SOC上實(shí)現(xiàn)，這就提出了“劃分”的關(guān)鍵問題。在許多情況下，不斷改進(jìn)的異構(gòu)封裝能力使關(guān)鍵IP能夠以該IP的最佳工藝技術(shù)開發(fā)，然后與其他系統(tǒng)組件一起封裝，這些組件也已經(jīng)以不同但最佳的工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)，以實(shí)現(xiàn)最佳的整體解決方案。但是，如上文所述的6G小基站/CPE使用案例所示，也有一些情況下，關(guān)鍵數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器必須以非最佳的工藝技術(shù)開發(fā)。

用于汽車?yán)走_(dá)的數(shù)字調(diào)制雷達(dá)（DMR）（例如，PMCW）代表了另一個(gè)示例，其中所需的數(shù)字信號(hào)處理要求將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器集成在同一芯片上。因此，一方面，需要盡可能利用具有超高速和分辨率的優(yōu)化工藝技術(shù)（例如FDSOI或SiGe BiCMOS）的ADC和DAC，另一方面，在主要用于數(shù)字（例如，5nm CMOS）的工藝技術(shù)中也需要超高速和高分辨率ADC和DAC。當(dāng)最佳工藝技術(shù)可用時(shí)，可以優(yōu)化諸如連續(xù)時(shí)間∑-Δ或流水線ADC等常見的架構(gòu)，以滿足應(yīng)用需求，但隨著應(yīng)用需求的增加，特別是當(dāng)使用非最佳工藝技術(shù)時(shí)，就必須開發(fā)新的創(chuàng)新架構(gòu)。

用于超高速應(yīng)用的新興架構(gòu)的示例包括由Analog Devices發(fā)布的連續(xù)時(shí)間流水線ADC、由俄勒岡州立大學(xué)和IMEC的研究人員發(fā)布的基于環(huán)形放大器的架構(gòu)，以及基于時(shí)域的ADC架構(gòu)，如加州大學(xué)圣地亞哥分校和德克薩斯A&M大學(xué)的研究人員發(fā)表的那些。對(duì)最佳時(shí)間交錯(cuò)技術(shù)的廣泛研究正在進(jìn)行中，未來(lái)依舊需要繼續(xù)。還必須指出，在高速、高性能應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)相應(yīng)高性能時(shí)鐘的需求同樣至關(guān)重要。例如，上面描述的用于6G小基站/CPE的10-b、10Gs/s ADC使用情況將需要ADC采樣電路的時(shí)鐘具有~40fs rms抖動(dòng)，這顯然不是一個(gè)簡(jiǎn)單的要求。這一需求還將推動(dòng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和時(shí)鐘IP開發(fā)人員之間的密切合作。

對(duì)于上述所有應(yīng)用/使用情況，最重要的衡量標(biāo)準(zhǔn)是所開發(fā)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器是否能在預(yù)期應(yīng)用中在工藝、電壓和溫度上實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)量、穩(wěn)健/安全的長(zhǎng)期運(yùn)行。例如，在FMCW雷達(dá)收發(fā)機(jī)中，最關(guān)鍵的規(guī)范之一是SFDR，因?yàn)樵谔幚碇?，?lái)自目標(biāo)的接收信號(hào)在ADC輸出中顯示為雜散，并且由ADC自身生成的雜散明顯低于來(lái)自任何目標(biāo)的雜散是非常關(guān)鍵的。一旦驗(yàn)證數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器在預(yù)期應(yīng)用中工作，則可以使用Walden或Schreier FOM等其他性能指標(biāo)（FOM）來(lái)比較性能。

為了穩(wěn)健/安全運(yùn)行，需要改進(jìn)模擬/分析工具以滿足上述即將到來(lái)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器需求。例如，如《角落模型：最佳時(shí)不準(zhǔn)確，而它只會(huì)變得最差》中所述，用于模擬/混合信號(hào)設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)PVT仿真技術(shù)不準(zhǔn)確且不充分，需要更加魯棒的統(tǒng)計(jì)仿真技術(shù)。此外，隨著所需數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的速度和分辨率的提高，以及所使用的工藝技術(shù)變得越來(lái)越復(fù)雜，具有所需精度的模擬變得越來(lái)越難完成，并且需要更長(zhǎng)的時(shí)間。另一個(gè)關(guān)鍵的仿真需求是需要隨著器件的老化對(duì)電路行為進(jìn)行建模和預(yù)測(cè)。因此，還需要通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)者和工具開發(fā)人員之間的協(xié)作來(lái)增強(qiáng)仿真、建模和布局能力。

用于蜂窩應(yīng)用的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器

蜂窩數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器可以大致分為基站和用戶設(shè)備（UE）。在這兩種情況下，都強(qiáng)烈希望用一個(gè)ADC或DAC覆蓋整個(gè)頻帶，這應(yīng)該是未來(lái)研究的重點(diǎn)。對(duì)于ADC來(lái)說(shuō)，這通常意味著數(shù)100MHz的帶寬，而對(duì)于DAC來(lái)說(shuō)，這大約是帶寬的4到5倍。DAC必須具有比信道更多的帶寬的原因是通常采用PA預(yù)失真和/或包絡(luò)跟蹤，這需要更寬帶寬的 DAC。

動(dòng)態(tài)范圍要求為中等硬度，約70-75dB/100MHz載波。低功率和低成本（即小面積）對(duì)于所有用戶設(shè)備情況以及基站數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)都非常重要，盡管程度稍低。對(duì)于ADC轉(zhuǎn)換器，趨勢(shì)是向RF采樣靠近，這意味著RF信號(hào)將直接由ADC采樣。

隨著無(wú)線電向越來(lái)越小的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)，與模擬計(jì)數(shù)器部件相比，數(shù)字邏輯的相對(duì)成本、面積、功率和速度都有所提高。未來(lái)的研究可以探討如何利用數(shù)字的力量來(lái)改進(jìn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。一個(gè)例子是DAC內(nèi)部的噪聲消除，以避免DAC之后昂貴的外部濾波和ADC的數(shù)字校準(zhǔn)，以使其更好的容錯(cuò)性。

通常，對(duì)于蜂窩ADC，關(guān)鍵度量不是SNDR，而是ADC在存在帶外干擾信號(hào)時(shí)處理帶內(nèi)載波的能力。對(duì)于DAC的相似性，目標(biāo)通常是生成良好的帶內(nèi)信號(hào)，同時(shí)產(chǎn)生最小量的帶外（即RX頻帶）噪聲。

總結(jié)

未來(lái)幾年將需要性能范圍極其廣泛的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，以滿足新興應(yīng)用的廣泛系統(tǒng)需求。采用5nm以下的數(shù)字中心CMOS技術(shù)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器將面臨更普遍的布局依賴效應(yīng)（LDE），這使得高性能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)更具挑戰(zhàn)性，需要更多的“數(shù)字化”，并將需要在系統(tǒng)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器架構(gòu)層面進(jìn)行創(chuàng)新。6G系統(tǒng)需要高分辨率（>10位）和至少10GS/s的性能；鑒于將需要大量的信號(hào)處理，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器將需要以相同的數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)，甚至可能集成一些數(shù)字前端信號(hào)處理任務(wù)。預(yù)計(jì)FoM將根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行調(diào)整。

有線物理接口

驅(qū)動(dòng)應(yīng)用：網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)、汽車、高性能計(jì)算和加速器

關(guān)鍵性能指標(biāo)：數(shù)據(jù)速率[Gb/s]、插入損耗[dB]、功率/能量效率[mW/Gb/s]/[pJ/bit]、誤碼率（BER）、調(diào)制類型/階數(shù)。

網(wǎng)絡(luò)和加速器應(yīng)用的總帶寬需求不斷增加，導(dǎo)致所需的每通道數(shù)據(jù)速率急劇上升。多種有線標(biāo)準(zhǔn)已宣布每通道數(shù)據(jù)速率超過50Gbps，目前最高為224Gb/s。按照這些趨勢(shì)，每條傳輸線的數(shù)據(jù)傳輸率似乎每三到四年翻一番。為了滿足或甚至改善這些數(shù)據(jù)速率預(yù)測(cè)，需要?jiǎng)?chuàng)新的解決方案，包括I/O區(qū)域和能效、電路復(fù)雜性、可靠性、低抖動(dòng)時(shí)鐘生成和分配等問題。雖然高數(shù)據(jù)速率導(dǎo)致了上述問題，但每一個(gè)問題的解決方案都會(huì)受到指定數(shù)據(jù)速率下信道丟失的嚴(yán)重影響。因此，通常圍繞信道范圍（信道損耗的電流替代）組織架構(gòu)和電路選擇的討論。

長(zhǎng)距離傳輸

長(zhǎng)距離應(yīng)用的特點(diǎn)是非常高的信道損耗和笨重的信道分布。這些特性排除了簡(jiǎn)單的線性均衡器，以支持高階（有時(shí)是非線性）均衡。目前的實(shí)現(xiàn)已經(jīng)集中在復(fù)雜的數(shù)字均衡器上，需要超高速ADC。這種選擇需要在混合信號(hào)前端和數(shù)字均衡方法中進(jìn)行創(chuàng)新，以保持面積和能量效率。滿足所需采樣率所需的高度交錯(cuò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器（使用PAM4，100GS/s滿足200Gb/s/通道）也驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘生成和分配塊的精度要求。

展望未來(lái)，一條很有前途的道路是在光鏈路方面取得必要的進(jìn)步，以便在目前被歸類為遠(yuǎn)距離的應(yīng)用中使用這種鏈路。由持續(xù)的形狀因數(shù)和光子學(xué)成本降低提供動(dòng)力的共封裝光學(xué)，將使光子鏈路能夠用于長(zhǎng)距離應(yīng)用。接口電路中的最小混合信號(hào)設(shè)計(jì)技術(shù)將確保能量效率，使數(shù)據(jù)速率被大幅縮放。更重要的是，混合信號(hào)設(shè)計(jì)技術(shù)可以重新聚焦于解決集成問題，如共封裝光學(xué)器件中的接收器靈敏度降低或與PVT的調(diào)制器的不一致性。PDK或建模方法能夠?qū)崿F(xiàn)這種緊湊的代碼設(shè)計(jì)，并促進(jìn)信號(hào)完整性和性能評(píng)估，這將是該方法成功的關(guān)鍵。

中/短距離傳輸

成本和形狀因素約束可能不支持用于介質(zhì)損耗信道分布的光學(xué)解決方案。在這些情況下，對(duì)收發(fā)器架構(gòu)進(jìn)行重新評(píng)估，遠(yuǎn)離數(shù)字實(shí)現(xiàn)，將為每通道數(shù)據(jù)速率擴(kuò)展掃清道路。創(chuàng)新的混合信號(hào)均衡器和低復(fù)雜度數(shù)字均衡器可以在保持高能效方面發(fā)揮主要作用。在混合信號(hào)域中實(shí)現(xiàn)的以相關(guān)信道編碼（或1+αD）、最大似然序列估計(jì)（MLSE）和基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN）的均衡器為中心的新方法將為高數(shù)據(jù)速率應(yīng)用中的ADC/DSP收發(fā)器提供替代方案。將更傳統(tǒng)的DSP技術(shù)折疊到混合信號(hào)接收機(jī)中，將確保提高能量效率。

芯片到芯片互連

這類有線鏈路將受益于積極擴(kuò)大長(zhǎng)距離變體數(shù)據(jù)速率所需的所有創(chuàng)新。這里的數(shù)據(jù)速率和可靠性限制將與封裝、外圍組件和電路縮放以適應(yīng)I/O密度限制的進(jìn)步程度有關(guān)。需要進(jìn)行創(chuàng)新以顯著減小ESD尺寸，或開發(fā)一種封裝方法，以允許在較少保護(hù)的情況下組裝和部署組件。還需要將接口重新設(shè)計(jì)為不需要終端的更簡(jiǎn)單的RC互連。

[可能需要參考數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器部分中關(guān)于100GS/s數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的額外段落]

EDA 工具

隨著AMS電路的性能、能量和面積需求的增加，以及制造技術(shù)的進(jìn)步，設(shè)計(jì)者正在探索一個(gè)日益復(fù)雜的設(shè)計(jì)空間來(lái)滿足這些需求。

工藝進(jìn)步。隨著我們轉(zhuǎn)移到更小的工藝節(jié)點(diǎn)并遷移到深納米尺度區(qū)域，這使得超高頻模擬電路的開發(fā)成為可能。然而，這些較小的技術(shù)節(jié)點(diǎn)會(huì)經(jīng)歷更大的失配（相對(duì)于器件參數(shù)）、降低的增益，并且對(duì)電路布局表現(xiàn)出更高的靈敏度。這些挑戰(zhàn)使電路設(shè)計(jì)復(fù)雜化，幾乎沒有留下容納誤差的余地。

專用電路。人們對(duì)利用AMS系統(tǒng)執(zhí)行傳感器處理任務(wù)、在內(nèi)存中和內(nèi)存附近執(zhí)行計(jì)算以及啟用新形式的計(jì)算非常感興趣——這些用途通過直接對(duì)感興趣的信號(hào)執(zhí)行計(jì)算來(lái)減少數(shù)據(jù)移動(dòng)。實(shí)現(xiàn)這些系統(tǒng)的一個(gè)挑戰(zhàn)是確定模擬和數(shù)字處理元件之間的正確計(jì)算劃分，并確定最佳的功能要求、品質(zhì)因數(shù)和設(shè)計(jì)約束以指導(dǎo)設(shè)計(jì)。

新興制造和器件技術(shù)。近年來(lái)，出現(xiàn)了一系列新的設(shè)備技術(shù)和先進(jìn)的集成工藝，這些技術(shù)有望帶來(lái)顛覆性的性能和能源效益，并實(shí)現(xiàn)新的計(jì)算形式。由于這些技術(shù)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)設(shè)施以及我們對(duì)相關(guān)物理過程的理解仍在不斷發(fā)展，因此使用新設(shè)備的架構(gòu)設(shè)計(jì)具有挑戰(zhàn)性。

如果評(píng)估設(shè)計(jì)的成本是免費(fèi)的，這將從根本上改變?cè)O(shè)計(jì)過程。為了設(shè)計(jì)下一代AMS電路，設(shè)計(jì)者必須仔細(xì)優(yōu)化電路的設(shè)計(jì)、尺寸和布局，以實(shí)現(xiàn)良好的電路設(shè)計(jì)。目前，由于缺乏自動(dòng)化，模擬設(shè)計(jì)人員有效評(píng)估和優(yōu)化候選設(shè)計(jì)的成本過高。由于必須考慮電路動(dòng)力學(xué)的復(fù)雜性、工具的可擴(kuò)展性以及精確電路模擬的相對(duì)成本，目前很少有模擬設(shè)計(jì)在實(shí)踐中真正實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。因此，設(shè)計(jì)者必須花費(fèi)大量的人力來(lái)構(gòu)建、優(yōu)化和布局潛在的電路設(shè)計(jì)——這種高設(shè)計(jì)成本極大地限制了可以探索的電路空間。

因此，我們必須投資于下一代AMS設(shè)計(jì)生產(chǎn)力工具，使設(shè)計(jì)師能夠在所有抽象層次上布局、探索、優(yōu)化和驗(yàn)證模擬設(shè)計(jì)。這些新一代工具應(yīng)使設(shè)計(jì)人員能夠有效地探索技術(shù)和流程節(jié)點(diǎn)日益復(fù)雜的設(shè)計(jì)空間，以確定最適合其用例的設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)規(guī)范

設(shè)計(jì)者通常首先從客戶處引出所需電路的行為描述（例如，simulink模型）和一組設(shè)計(jì)要求（例如，增益和帶寬要求）。這個(gè)設(shè)計(jì)啟發(fā)過程需要將系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)目標(biāo)轉(zhuǎn)化為電路級(jí)的表達(dá)。

系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)目標(biāo)：通常，要優(yōu)化的端到端度量（例如分類精度、推斷時(shí)間）是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)級(jí)度量，需要在更廣泛的計(jì)算系統(tǒng)的上下文中評(píng)估電路。

電路的品質(zhì)因數(shù)：模擬設(shè)計(jì)者通常會(huì)優(yōu)化特定于電路的優(yōu)值，即表征電路性能的量化度量。需要將上述系統(tǒng)級(jí)度量轉(zhuǎn)換為對(duì)這些品質(zhì)因數(shù)的設(shè)計(jì)約束。

協(xié)商電路的設(shè)計(jì)要求通常是有成效的，因?yàn)榻档凸δ芤?guī)范的復(fù)雜性和放松強(qiáng)加的設(shè)計(jì)約束可以簡(jiǎn)化電路的設(shè)計(jì)，并可能使設(shè)計(jì)者能夠更積極地優(yōu)化成本和資源利用。

在實(shí)踐中，協(xié)商這些規(guī)范是具有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)樗枰c通常不是電路專家的領(lǐng)域?qū)＜疫M(jìn)行溝通。有效地向非專家傳達(dá)不同的設(shè)計(jì)權(quán)衡，并結(jié)合專家反饋，需要在各專業(yè)之間跨越一個(gè)不小的溝通差距。

早期設(shè)計(jì)生產(chǎn)工具：對(duì)于這些用例，開發(fā)早期設(shè)計(jì)生產(chǎn)力工具（功能抽象、早期設(shè)計(jì)探索工具），以使其它領(lǐng)域?qū)＜液碗娐穼＜夷軌騾R聚在一個(gè)仍然實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)目標(biāo)的適當(dāng)靈活的設(shè)計(jì)規(guī)范上。數(shù)字設(shè)計(jì)師利用這種協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)，設(shè)計(jì)出以靈活性換取性能的特定領(lǐng)域加速器。

仿真

模擬電路仿真對(duì)于評(píng)估電路的行為和了解其性能特性至關(guān)重要。然而，精確模擬和計(jì)算效率高的模擬之間存在著根本的緊張關(guān)系。由于通常需要高度詳細(xì)的物理模型和高級(jí)模擬過程（例如統(tǒng)計(jì)模擬）來(lái)真實(shí)地評(píng)估設(shè)計(jì)，因此對(duì)于較小工藝節(jié)點(diǎn)處的電路來(lái)說(shuō)，這種緊張會(huì)加劇。使用這些更高級(jí)的模型顯著增加了模擬設(shè)計(jì)所需的時(shí)間。類似地，在更高的頻率和更高的電路復(fù)雜性下，以所需的精度執(zhí)行模擬變得越來(lái)越耗時(shí)。因此，需要增強(qiáng)的仿真和建模能力來(lái)有效評(píng)估下一代電路設(shè)計(jì)。

電路設(shè)計(jì)優(yōu)化和布局

模擬設(shè)計(jì)過程包括構(gòu)建電路設(shè)計(jì)、優(yōu)化器件參數(shù)和構(gòu)建電路布局，以最小化資源使用并減輕非理想性。這些設(shè)計(jì)步驟相互影響——更改設(shè)備參數(shù)可能需要更改布局。在商業(yè)設(shè)計(jì)流程中，電路設(shè)計(jì)和布局是手動(dòng)完成的，參數(shù)優(yōu)化通常是部分自動(dòng)化的。此外，模擬電路設(shè)計(jì)通常高度專用于所使用的工藝節(jié)點(diǎn)、制造設(shè)施和器件技術(shù)，因此難以將其模塊化。這些因素使得即使是對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行微小的更改，成本也很高，并且難以重用設(shè)計(jì)。這些問題都隨著技術(shù)結(jié)點(diǎn)的縮小和設(shè)備的物理效應(yīng)的增強(qiáng)而加劇。這種模塊化和自動(dòng)化的缺乏使得模擬電路設(shè)計(jì)比數(shù)字電路設(shè)計(jì)更加困難。

研究人員探索了一系列加快模擬電路設(shè)計(jì)、優(yōu)化和布局的技術(shù)：

模擬設(shè)計(jì)語(yǔ)言。最近，研究人員設(shè)計(jì)了硬件生成器，可以按程序生成特定類別電路的設(shè)計(jì)和布局（Berkeley模擬生成器）。這些基于生成器的設(shè)計(jì)方法需要模擬設(shè)計(jì)人員進(jìn)行大量的前期工作，優(yōu)點(diǎn)在于能夠開發(fā)可重復(fù)使用的電路，這些電路可以針對(duì)不同的工藝節(jié)點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)再生。

自動(dòng)電路優(yōu)化器。研究人員此前還研究了自動(dòng)執(zhí)行給定電路的參數(shù)優(yōu)化和布局的按鈕方法。這些方法利用基于電路仿真的黑盒和灰盒優(yōu)化器來(lái)評(píng)估參數(shù)化。這些性能問題的出現(xiàn)是因?yàn)榫_的電路模擬需要大量計(jì)算，而黑盒和灰盒優(yōu)化器需要多次迭代才能收斂。

盡管已經(jīng)做了一些工作，但在實(shí)現(xiàn)實(shí)際電路設(shè)計(jì)的完全自動(dòng)化優(yōu)化和布局之前，還有很長(zhǎng)的路要走。我們建議擴(kuò)展上述方法，并設(shè)計(jì)出適合自動(dòng)化的新設(shè)計(jì)方法。此外，如果讓更多人可以加入這個(gè)問題領(lǐng)域，可能會(huì)取得更多進(jìn)展：

工具流開源：這一問題領(lǐng)域?qū)⑹芤嬗诳蓴U(kuò)展、開源AMS設(shè)計(jì)工具和開放PDK的持續(xù)開發(fā)。這些技術(shù)促進(jìn)了勞動(dòng)力的發(fā)展，因?yàn)閭€(gè)人可以在不需要昂貴的專有CAD工具許可證或與制造設(shè)施的特殊關(guān)系的情況下做出貢獻(xiàn)。目前，已經(jīng)有許多人在努力開發(fā)開源流程設(shè)計(jì)套件、低成本磁帶輸出（Global Foundries/Skywater）和開源/免費(fèi)設(shè)計(jì)工具（CMC Electronics）。這些開放的工具流可以降低硬件開發(fā)成本，從而使模擬設(shè)計(jì)人員能夠解決可能從AMS中受益的中小型應(yīng)用用例的長(zhǎng)尾問題。

評(píng)估指標(biāo)和基準(zhǔn)集：為了引導(dǎo)更廣泛的社群努力解決商業(yè)電路設(shè)計(jì)中的問題并建立評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)現(xiàn)實(shí)的、開源的模擬電路基準(zhǔn)供社區(qū)使用將是有益的。包括數(shù)字設(shè)計(jì)自動(dòng)化在內(nèi)的許多領(lǐng)域都使用標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)集來(lái)系統(tǒng)地評(píng)估不同方法的有效性。這里的一個(gè)關(guān)鍵問題是，如何評(píng)估以大型開源工藝節(jié)點(diǎn)為目標(biāo)的自動(dòng)化技術(shù)是否能很好地轉(zhuǎn)化為先進(jìn)的納米級(jí)流程。

電路驗(yàn)證和有效性確認(rèn)

模擬驗(yàn)證和有效性驗(yàn)證-Verilog AMS，模型檢查器

目的：發(fā)現(xiàn)模擬數(shù)字設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)級(jí)缺陷，根據(jù)功能規(guī)范驗(yàn)證模擬設(shè)計(jì)，避免模擬組件中出現(xiàn)了引人注目的錯(cuò)誤。

挑戰(zhàn)：通常這是通過對(duì)Verilog AMS模型的詳盡模擬來(lái)完成的。這對(duì)于涉及許多模擬和數(shù)字組件的復(fù)雜設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)變得不切實(shí)際。

連接/安全：暴力測(cè)試不足以抵御對(duì)手。

潛在方向：可擴(kuò)展模擬驗(yàn)證，以在設(shè)計(jì)過程早期發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷。

電源管理、電源分配和功率器件

來(lái)自European Roadmap的表11.3.1總結(jié)了應(yīng)用和驅(qū)動(dòng)指標(biāo)。

表11.3.1：功率器件和驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用領(lǐng)域

如表所示，寬帶隙器件的優(yōu)勢(shì)在于：

1） 可以增加功率，減小裝置的體積和重量

2） 可高效運(yùn)行，從而減少靜態(tài)損耗

3） 非常堅(jiān)固

4） 具有高溫能力

5） 高度可靠

寬帶隙材料和器件

在過去的10年中，寬帶隙器件已經(jīng)成為硅在許多高壓/大電流應(yīng)用中的替代技術(shù)。今天商業(yè)上感興趣的主要材料是硅（Si）、碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN），它們通常與氮化鎵和氮化鋁（AlxGa1-xN）的合金結(jié)合。目前，類SiC Si被實(shí)現(xiàn)為其自身襯底上的垂直器件，而GaN通常被實(shí)現(xiàn)為Si襯底上的橫向器件。SiC器件通常用于最高電壓應(yīng)用，而GaN器件具有

• 極高功率下的最終擊穿電壓和設(shè)備運(yùn)行參數(shù)
• 單個(gè)設(shè)備與串并聯(lián)組合
• Si上GaN與GaN上GaN
• Ga2O3

未來(lái)的主要挑戰(zhàn)是：

繼續(xù)解決設(shè)備可靠性和耐用性問題。問題包括短路雪崩性能和寬帶隙器件JEDEC規(guī)范的開發(fā)。
全集成GaN功率電子器件的開發(fā)。當(dāng)前的GaN功率器件以與Si技術(shù)的混合形式存在。為了解決芯片上系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)（柵極驅(qū)動(dòng)器和實(shí)時(shí)診斷），需要以消除電感為目標(biāo)。
GaN材料技術(shù)對(duì)實(shí)現(xiàn)垂直器件技術(shù)提出了許多挑戰(zhàn)。其中包括1）開發(fā)低成本、低缺陷、大面積基板。2） 離子注入和退火技術(shù)的持續(xù)發(fā)展以及3）器件的更好邊緣終端。
盡管SiC材料技術(shù)相對(duì)成熟，但由于襯底缺陷，如螺紋位錯(cuò)和基面位錯(cuò)，仍限制了可用器件面積。MOS器件的進(jìn)一步柵極氧化物仍然存在挑戰(zhàn)。

電源電路架構(gòu)

關(guān)鍵問題：

1.轉(zhuǎn)換率與效率之間的權(quán)衡

2.不同功率等級(jí)的互連

3.垂直送電

4.適用于寬帶隙的更好的器件模型

5.數(shù)據(jù)中心當(dāng)前轉(zhuǎn)換電壓在48和12 V之間，我們可以低于12 V嗎

納米功率

納米功率正變得越來(lái)越普遍。關(guān)鍵應(yīng)用包括物聯(lián)網(wǎng)（IOT）和處理個(gè)人醫(yī)療數(shù)據(jù)收集的可穿戴應(yīng)用。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，數(shù)據(jù)收集目前集中在心臟病學(xué)方面，但我們預(yù)計(jì)未來(lái)將使用血液、汗液和唾液監(jiān)測(cè)生化指標(biāo)。大多數(shù)應(yīng)用使用鋰離子電池，這些應(yīng)用通常需要寬動(dòng)態(tài)范圍的功率和在該動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的高效率。

關(guān)鍵問題：

1.優(yōu)化尺寸和成本。

2.形狀因素

3.電感器功率不足

4.未來(lái)的電力類型可能包括生物燃料電池

5.在動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)具有良好的功率效率

6.大負(fù)載步驟（如從微安快速變?yōu)楹涟玻┬枰粋€(gè)好的控制器快速響應(yīng)

儲(chǔ)能元件

儲(chǔ)能/無(wú)源元件是功率轉(zhuǎn)換電路的關(guān)鍵部分，無(wú)論是單片集成、作為模塊的一部分還是外部。這些組件的技術(shù)進(jìn)步（尺寸/密度、處理更高電壓/電流/熱條件的能力）可能對(duì)電力管理/配電系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響。

• 電容器
• 電感器
• 壓電

射頻到太赫茲器件、電路和系統(tǒng)

在為無(wú)線系統(tǒng)開發(fā)基礎(chǔ)技術(shù)（IC技術(shù)、插入器、封裝等）制定十年計(jì)劃時(shí)，我們必須首先預(yù)測(cè)未來(lái)十年可能開發(fā)的系統(tǒng)類型。然而，所部署的系統(tǒng)類型不僅取決于技術(shù)因素，還取決于無(wú)線通信市場(chǎng)的增長(zhǎng)、部署成本以及部分或完全波束阻塞引起的傳播損耗水平。其中許多因素超出了無(wú)線路線圖委員會(huì)主要半導(dǎo)體和電路專家的專業(yè)知識(shí)范圍。因此，我們?cè)噲D列出一些可能導(dǎo)致這些技術(shù)在商業(yè)部署中成功或失敗的新興技術(shù)和因素。

應(yīng)用、頻帶和無(wú)線設(shè)備

應(yīng)用包括汽車?yán)走_(dá)、移動(dòng)無(wú)線端點(diǎn)（即向移動(dòng)終端用戶傳送信號(hào)）和固定無(wú)線端點(diǎn)（例如向家庭和企業(yè)等固定位置傳送數(shù)據(jù)）。它們都通過無(wú)線集線器與無(wú)線終端用戶設(shè)備通信；集線器可以通過光纖或無(wú)線回程連接到主網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)集線器間隔較近時(shí)，回程鏈路將具有較短的距離和較低的數(shù)據(jù)容量：這稱為無(wú)線前端傳，這種鏈路需要前端和后端收發(fā)器。

現(xiàn)在或?qū)?lái)用于這些的頻帶包括亞6GHz、28GHz和39GHz，這些是當(dāng)前5G硬件的一部分。其他已分配用于無(wú)線通信和/或雷達(dá)或感興趣的頻帶包括~75-85 GHz、~90-95 GHz、~135-175 GHz和210-310 GHz。

頻帶選擇

在汽車?yán)走_(dá)中，較短的波長(zhǎng)為給定的雷達(dá)天線陣列區(qū)域提供了更好的角度分辨率。改進(jìn)的角度分辨率可以更好地識(shí)別重要的相鄰物體，例如，停在橋下的摩托車手，或站在道路旁的一些行人。因此，如果IC和封裝工作良好且成本低，則需要更高的載波頻率。雖然增加載波頻率會(huì)增加最壞情況下的大氣衰減，但汽車?yán)走_(dá)不需要在很長(zhǎng)的范圍內(nèi)工作。例如，當(dāng)汽車以67英里/小時(shí)的速度行駛時(shí)，300米范圍的雷達(dá)將提供10秒的危險(xiǎn)警告。在如此短的范圍內(nèi)，甚至可以適應(yīng)極端降雨的衰減；此外，即使雷達(dá)能讓駕駛員看到前方，也可以允許雷達(dá)距離在極端天氣下減小，因?yàn)槿绻跇O端天氣中以67英里/小時(shí)的速度行駛，是無(wú)法安全控制汽車的。

更高的載波頻率也使MIMO系統(tǒng)更小，因此更易于部署。MIMO系統(tǒng)使用多個(gè)天線來(lái)輻射多個(gè)獨(dú)立的信號(hào)波束，每個(gè)波束攜帶單獨(dú)的數(shù)據(jù)。無(wú)線電頻譜被多次重復(fù)使用，在給定的分配帶寬中支持更大的容量。在MIMO集線器中，陣列寬度隨頻率的倒數(shù)而變化。在MIMO回程和端點(diǎn)鏈路中，MIMO陣列長(zhǎng)度隨頻率的平方根倒數(shù)而變化；更高的頻率使得高容量MIMO系統(tǒng)更緊湊，因此更實(shí)用。

在無(wú)線通信中，政府可能會(huì)在更高的頻率上分配更多的頻譜，因?yàn)槟抢镉懈嗟目捎妙l譜。分配的頻譜越寬，在給定的功率效率下可行的數(shù)據(jù)傳輸速率就越大：更復(fù)雜的調(diào)制允許在給定帶寬內(nèi)更快的數(shù)據(jù)傳輸，但我們必須使輻射的功率以指數(shù)方式增加。

高頻系統(tǒng)的缺點(diǎn)包括發(fā)射器和接收器IC的成本更高、性能更差、最壞情況下的大氣衰減減小范圍增加、發(fā)射器和接收器之間的物體（包括樹葉和樹木）阻擋波束的可能性更大。

由于大氣衰減較大，高頻系統(tǒng)通常支持較短的傳播范圍。濕熱天氣中的水蒸氣衰減在300GHz以上變得極端。在300GHz以上運(yùn)行的系統(tǒng)必須是極短的距離，必須避開世界上炎熱潮濕的天氣，或者必須在較高的海拔運(yùn)行，避免空氣及其濕氣。

高頻無(wú)線信號(hào)更容易被阻斷。在距離接收器距離R處的目標(biāo)，即第一菲涅耳區(qū)區(qū)域，將阻擋大部分功率。這種堵塞可能發(fā)生在離散物體上，也可能發(fā)生在許多小物體的共同作用下，例如，樹木上的樹葉導(dǎo)致光束堵塞。高頻信號(hào)更容易被阻斷。

汽車?yán)走_(dá)載頻的選擇

鑒于汽車?yán)走_(dá)不需要支持超長(zhǎng)距離，增加大氣衰減并不是一個(gè)實(shí)質(zhì)性的缺點(diǎn)。更高頻率的系統(tǒng)提供更好的角度分辨率，但I(xiàn)C和封裝性能較差（和/或更昂貴）。75GHz頻帶的汽車?yán)走_(dá)如今已廣泛銷售。140GHz汽車?yán)走_(dá)在低成本生產(chǎn)CMOS和高容量SiGe BiCMOS技術(shù)中很容易實(shí)現(xiàn)；200GHz似乎是當(dāng)今低成本大眾市場(chǎng)IC技術(shù)的上限。

考慮到進(jìn)一步提高角分辨率的潛力，200 GHz以上（可能高達(dá)300 GHz）的汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)可能具有商業(yè)價(jià)值。這將需要使用功率增益截止頻率（500-600 GHz）高于當(dāng)前大容量CMOS和SiGe BiCMOS技術(shù)的~300 GHz的半導(dǎo)體技術(shù)。已在低容量實(shí)驗(yàn)室和/或?qū)ьl線工藝中證明了700GHz（SiGe HBT）、1100GHz（InP HBT）和1500GHz（InP-HEMT）的功率增益截止頻率。200 GHz以上的汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的大規(guī)模生產(chǎn)需要將其中一種材料用于高產(chǎn)量、低成本的制造。異構(gòu)集成技術(shù)可能是一個(gè)有利的解決方案，因?yàn)樗鼘⒃试S這樣的收發(fā)器僅使用先進(jìn)高頻IC的非常小的管芯來(lái)構(gòu)建，而絕大多數(shù)IC區(qū)域是VLSI CMOS。

無(wú)線通信載波頻率的選擇

隨著5G系統(tǒng)的出現(xiàn)，公眾可以使用28GHz和39GHz收發(fā)器的手機(jī)。然而，在2020-2022年期間，全球范圍內(nèi)此類硬件的采用一直緩慢。這可能不僅僅反映了高容量無(wú)線市場(chǎng)的緩慢發(fā)展，它也反映了高頻傳播的基本困難。

移動(dòng)無(wú)線端點(diǎn)將集線器連接到手機(jī)。這些鏈接的路徑隨著用戶的移動(dòng)而變化很大，因此可能會(huì)因阻塞而丟失路徑。這是高頻系統(tǒng)的高路徑損耗和高阻塞概率帶來(lái)最大困難的應(yīng)用。盡管28GHz和39GHz系統(tǒng)的商業(yè)部署正在進(jìn)行，但未來(lái)的移動(dòng)無(wú)線終端鏈路可能會(huì)遷移到較低的頻率，在當(dāng)前的亞6GHz和28GHz頻帶之間，以最小化路徑損耗和波束阻塞概率。為了以較低的載波頻率提供所需的容量，因此需要較低的帶寬，將需要大規(guī)模MIMO。因此，未來(lái)十年移動(dòng)無(wú)線終端的一條路徑是微波大規(guī)模MIMO。另一方面，28GHz和39GHz的緩慢采用可能僅僅反映了無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸市場(chǎng)的緩慢增長(zhǎng)。如果是這樣，隨著28GHz和39GHz的容量耗盡，在未來(lái)十年，移動(dòng)無(wú)線終端可能會(huì)遷移到70-75GHz，甚至可能遷移到135-145GHz。

對(duì)于移動(dòng)終端，載波頻率的選擇很大程度上取決于市場(chǎng)增長(zhǎng)。如果信息密度（Gb/s/平方公里）較低，則無(wú)線集線器應(yīng)間距較大，以保持基礎(chǔ)設(shè)施成本較低。如果信息密度很高，蜂窩區(qū)域（即中心間距）將減少，以減少每個(gè)中心的總數(shù)據(jù)容量。然后，集線器和用戶之間的傳播距離變小，高大氣衰減和更大的波束阻塞概率成為高頻系統(tǒng)不太嚴(yán)重的限制。

無(wú)線回程和前端將集線器連接到互聯(lián)網(wǎng)主干。低頻系統(tǒng)提供更大的范圍，更高頻率的系統(tǒng)可以提供更大的容量，這既來(lái)自于更多的可用頻譜，也來(lái)自于能夠支持更小維度陣列中的MIMO?？紤]到上述降雨衰減的頻率依賴性，在未來(lái)十年中，提供超過1公里范圍的系統(tǒng)將很可能使用<35 GHz的載波頻率，隨著頻率的降低，范圍將增加；則可行的數(shù)據(jù)速率為10Gb/s或更低。75、140、210或甚至280 GHz的系統(tǒng)可以支持100-1000 Gb/s的數(shù)據(jù)速率，但超過700 m的范圍將很難支持。由于傳播路徑是已知的，所以在這樣的系統(tǒng)中光束阻塞問題較小。固定無(wú)線端點(diǎn)將使用類似于前端傳輸?shù)挠布筒渴?，但每個(gè)端點(diǎn)鏈路所需的容量將小于后端鏈路。28、39、75，甚至140 GHz的載波頻率是可行的；即使是75GHz頻帶也應(yīng)足以提供>50 Gb/s/鏈路，足以滿足未來(lái)十年許多固定目的地的需求。

IC技術(shù)

射頻優(yōu)化的大規(guī)模生產(chǎn)CMOS VLSI技術(shù)今天提供300GHz的功率增益截止頻率。CMOS晶體管噪聲系數(shù)和CMOS晶體管RF輸出功率足以支持100GHz以下的高性能RF/無(wú)線移動(dòng)收發(fā)器。對(duì)于工作在100GHz以下的集線器和回程收發(fā)器，CMOS芯片組可以補(bǔ)充GaN HEMT或SiGe HBT功率放大器。在100-160 GHz之間，CMOS IC的性能足以用于較短距離的鏈路。將CMOS與InP HBT、SiGe HBT或GaN HEMT功率放大器或InP HEMT低噪聲放大器結(jié)合將允許更大范圍或更高容量的鏈路。

大規(guī)模生產(chǎn)的SiGe BiCMOS具有類似于CMOS的截止頻率，高性能SiGe HBT已被報(bào)道為實(shí)驗(yàn)室演示或試點(diǎn)生產(chǎn)技術(shù)。隨著這些過渡到大規(guī)模生產(chǎn)，更高頻率的系統(tǒng)將在硅技術(shù)中變得可行。

InP HBT技術(shù)目前已在小批量試生產(chǎn)中建立，可輕松實(shí)現(xiàn)100-300 GHz功率放大器的創(chuàng)紀(jì)錄功率和效率。如果市場(chǎng)需求能夠支撐這樣做的成本，InP HBT技術(shù)的生產(chǎn)版本可能會(huì)出現(xiàn)。

InP HEMT技術(shù)目前已在軍事和科學(xué)應(yīng)用的小批量試生產(chǎn)中建立，是迄今為止任何頻率下噪聲系數(shù)最低的晶體管技術(shù)。如果市場(chǎng)需求能夠支撐這樣做的成本，InP HEMT技術(shù)的生產(chǎn)版本可能會(huì)出現(xiàn)。

在100GHz以下，GaN HEMT技術(shù)提供了創(chuàng)紀(jì)錄的RF輸出功率和效率。全世界都在進(jìn)行研發(fā)工作，以擴(kuò)展和提高GaN HEMT作為100GHz以上高效功率技術(shù)的性能。

封裝技術(shù)

目前已經(jīng)開發(fā)出使用倒裝芯片鍵合和Cu螺柱的IC插入器接口，用于將微處理器連接到存儲(chǔ)器和其他數(shù)字IC。高密度銅柱倒裝芯片技術(shù)即使在DC-300GHz上也表現(xiàn)良好。因此，這為無(wú)線系統(tǒng)提供了極好的基線封裝技術(shù)。

用于支持高效天線和低損耗傳輸線的無(wú)線系統(tǒng)（尤其是30-300GHz）的封裝也需要至少一個(gè)低介電常數(shù)材料平面。封裝的介電材料必須具有高導(dǎo)熱性，以支持IC和功率放大器晶體管的散熱，或者必須提供密集的散熱孔陣列。通常，封裝必須同時(shí)支持高密度、低介電常數(shù)和高導(dǎo)熱性。

在未來(lái)十年中，許多無(wú)線系統(tǒng)將集成CMOS發(fā)射器和接收器IC，這些IC與非常小的非CMOS（SiGe HBT、InP HBT、In P HEMT、GaN HEMT）功率放大器和低噪聲放大器IC緊密集成。該組件必須支持這些組件的密集集成、適當(dāng)?shù)臒峁芾砗瓦m當(dāng)?shù)母哳l連接。在高頻陣列中，封裝設(shè)計(jì)變得更加困難，其中RF信道和天線通常必須以半波長(zhǎng)橫向（水平）間距放置。在固定基礎(chǔ)設(shè)施收發(fā)器中，例如用于集線器和前向和回程收發(fā)器的收發(fā)器，所需的垂直波束轉(zhuǎn)向范圍大大小于180度，因此，盡管陣列元件橫向間距可以被限制為半波長(zhǎng)，但陣列元件垂直間距可以是幾個(gè)波長(zhǎng)。由于每個(gè)RF通道的可用面積更大，對(duì)封裝集成密度和熱密度的要求有所放松。

相關(guān)技術(shù)：無(wú)線電處理器

具有GHz帶寬和低延遲要求的大型陣列系統(tǒng)的信號(hào)處理產(chǎn)生了一些獨(dú)特和極端的處理需求。在許多情況下，這些處理器可能需要針對(duì)其需求進(jìn)行優(yōu)化，并且可能不同于常規(guī)高性能計(jì)算甚至GPU/AI工作負(fù)載所需的處理器。我們將參考第10章的工作，但也將跟蹤這些高性能GHz帶寬系統(tǒng)的具體發(fā)展。