6G開啟的芯片春天

作者：九林

從1G到5G的發(fā)展過程中，1G定義了語音；2G實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)通信語音業(yè)務(wù)以及一些數(shù)字消息業(yè)務(wù)；3G定義了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)；4G則是發(fā)展了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)最佳的解決方案；5G的到來開始推動(dòng)智能家居、遠(yuǎn)程醫(yī)療等應(yīng)用的發(fā)展。

在兩會(huì)期間，工信部部長(zhǎng)金壯龍表示：我國已經(jīng)建成規(guī)模最大、技術(shù)最先進(jìn)的5G網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)在我們國家5G方面已經(jīng)名列世界前列，未來將加強(qiáng)國際合作，加快6G技術(shù)的研發(fā)。

5G規(guī)模化商用進(jìn)入快車道，世界主要國家和地區(qū)紛紛啟動(dòng)6G研究。我國同樣也提出“前瞻布局第六代移動(dòng)通信（6G）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)儲(chǔ)備，加大6G技術(shù)研發(fā)支持力度，積極參與推動(dòng)6G國際標(biāo)準(zhǔn)化工作”。

6G的不斷推進(jìn)，將給芯片行業(yè)帶來更多的市場(chǎng)與機(jī)會(huì)。

6G將開啟萬物智聯(lián)

與5G相比，6G不僅僅是提升通信傳輸速度這么簡(jiǎn)單，如果說5G是打通了平面世界中的“萬物互聯(lián)”，那么6G即將打造立體世界的“萬物智聯(lián)”。也正因此，6G被賦予了更多的性能，強(qiáng)調(diào)“隨時(shí)隨地隨心的智慧網(wǎng)絡(luò)”的理念。

與5G相比，6G將包含移動(dòng)蜂窩、衛(wèi)星通信、無人機(jī)通信、可見光通信等多種網(wǎng)絡(luò)接入方式，構(gòu)建空天海地一體化網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)全球無縫連接。不僅在傳輸速率、端到端時(shí)延、可靠性、連接數(shù)密度等方面比5G會(huì)有大幅度提升，6G還將與人工智能技術(shù)深度融合，構(gòu)建智能化網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)物理世界和虛擬世界的鏈接，實(shí)現(xiàn)人-機(jī)-物-虛擬空間互聯(lián)互通，為元宇宙打下堅(jiān)實(shí)根基。

5G與6G的性能對(duì)比 來源：物理學(xué)報(bào)

相比5G，6G峰值速率將提升10倍，用戶體驗(yàn)速率將提升2倍至3倍。在傳輸性能上，根據(jù)ITU的IMT-2020要求定義，5G的峰值理論數(shù)據(jù)速率最高可達(dá)20Gbps下行和最高10Gbps上行，6G的理論上的下行鏈路數(shù)據(jù)速率可能高達(dá)每秒1太比特（1Tbps或1000Gbps），延遲以微秒為單位。

提升數(shù)據(jù)傳輸速率需要頻譜資源的支持，需要更高的頻段、更寬的頻譜。在頻譜方面，6G將支持5G使用的所有頻段——低頻段(<1GHz)、中頻段(1-7GHz)和毫米波(24-100GHz)，此外還涵蓋了最高達(dá)3000GHz太赫茲。由于其更廣泛的頻譜使用范圍，將提供更好的覆蓋范圍和更高的可靠性。

6G路線圖2021-2041

為了實(shí)現(xiàn)6G無線通信技術(shù)，世界各國提出了各種技術(shù)方案，關(guān)鍵的技術(shù)包括太赫茲(THz)技術(shù)、新型波束技術(shù)、多址接入技術(shù)、信道編碼技術(shù)、大規(guī)模多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)及頻譜管理等。

6G芯片工藝技術(shù)需求

在晶圓制造的進(jìn)程中，移動(dòng)通信的市場(chǎng)需求一直在驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體工藝的發(fā)展。由于越先進(jìn)的制程能夠帶來更好的芯片性能和更低的功耗，在5G時(shí)代，終端芯片廠商都在追求更先進(jìn)的制程。目前市場(chǎng)的5G手機(jī)搭載的通信芯片中7nm的制程已經(jīng)成為廠商的首選。高通驍龍865Plus、華為海思麒麟9905G、聯(lián)發(fā)科天璣1000+均采用7nm工藝制程。

7nm制程的通信芯片表現(xiàn)不俗，根據(jù)中國移動(dòng)發(fā)布的2020年《5G芯片評(píng)測(cè)》，華為麒麟990平均下載速率已經(jīng)達(dá)到800Mbps，高通驍龍865、聯(lián)發(fā)科天璣1000+平均下載速率也達(dá)到700Mbps。

到了6G時(shí)代，終端芯片廠商對(duì)于芯片工藝的追求將再次提高，開始朝著1nm甚至是更低的節(jié)點(diǎn)邁進(jìn)。

紫光展銳的首席技術(shù)專家潘振崗在接受采訪時(shí)也提到：“5G時(shí)代使用的是12nm FinFET，預(yù)計(jì)7nm、5nm將延續(xù)較長(zhǎng)的時(shí)間，之后將進(jìn)入3nm GAA、2nm GAA時(shí)代。6G時(shí)代將始于1.5nm GAA，在與1nm和0.7nm GAA等效后實(shí)現(xiàn)大發(fā)展?！?/p>

在芯片的集成方面，未來6G終端將會(huì)面臨高集成度、高復(fù)雜度、小型化、低功耗以及芯片器件異構(gòu)等需求，SoC和SiP兩種方案結(jié)合可以在追求半導(dǎo)體工藝提升、器件材料創(chuàng)新的同時(shí)，創(chuàng)造更多應(yīng)用價(jià)值。

不過，芯片工藝的復(fù)雜對(duì)于我國終端芯片來說仍然是一大挑戰(zhàn)。中國工程院院士鄔賀銓曾分析：“5G時(shí)代終端復(fù)雜性高，要處理多頻多模、大規(guī)模天線，操作系統(tǒng)復(fù)雜，對(duì)算力有比較高的要求，對(duì)芯片工藝要求高。6G終端如果按同樣的邏輯會(huì)更復(fù)雜，對(duì)中國來說終端芯片的短板會(huì)更加突出?！?/p>

6G帶來的芯片機(jī)會(huì)

上文提到了6G芯片將會(huì)采取多種頻譜，而其中涵蓋的波頻包括毫米波與太赫茲頻率(100-1000GHz)都能給射頻類核心芯片帶來新的機(jī)遇。

毫米波芯片

毫米波芯片是能夠?qū)崿F(xiàn)在毫米波頻段進(jìn)行信號(hào)收發(fā)的IC器件。由于毫米波相控陣芯片集成了毫米波技術(shù)和相控陣原理，技術(shù)難度高，在過去主要應(yīng)用在軍工領(lǐng)域。得益于5G、6G通訊的快速迭代，毫米波才得以打開民用市場(chǎng)，成為全球通信產(chǎn)業(yè)的一大發(fā)展方向。

任正非曾表示：“華為在5G技術(shù)方面的成功，是因?yàn)檠褐欣迕撞ǎ欢?G的毫米波是大方向?！?/p>

毫米波芯片方面，英特爾于2017年11月發(fā)布了XMM80605G多模基帶芯片，該芯片同時(shí)支持6GHz以下頻段和28GHz毫米波頻段。

2020年，高通發(fā)布了第三代5G調(diào)制解調(diào)器到天線的解決方案--驍龍X60。驍龍X60使用5nm制程的5G基帶，同時(shí)也支持毫米波和Sub-6GHz聚合的解決方案

國內(nèi)的進(jìn)展方面，華為首款毫米波AI超感傳感器已經(jīng)正式亮相。中興通訊基于RIS毫米波，進(jìn)行了RIS的街區(qū)覆蓋場(chǎng)景的探索。試驗(yàn)表明，無RIS的場(chǎng)景，會(huì)限制有效覆蓋范圍，而增加了RIS的情況下，覆蓋范圍得到了增強(qiáng)和擴(kuò)展。

太赫茲波芯片

作為6G發(fā)展的關(guān)鍵頻段，在通信的傳播方面，太赫茲波有很大優(yōu)勢(shì)。

首先，是太赫茲波對(duì)于不同環(huán)境適應(yīng)能力更強(qiáng)，它能夠?qū)馐M(jìn)行跟蹤和校準(zhǔn)，能夠穿透木料、陶瓷、塑料、脂肪等阻擋物；其次，太赫茲波的能量較小，對(duì)于人體不易造成傷害，有更高的安全性；最后，太赫茲波的性能決定了未經(jīng)授權(quán)的用戶很難從較窄的THz波束中進(jìn)行竊聽,這保證了消息的機(jī)密性。

通過使用當(dāng)前的硅制造工藝設(shè)計(jì)和生產(chǎn)小型化平臺(tái)，新型高速THz互連芯片將很容易集成到電子和光子電路設(shè)計(jì)中，并將有助于將來THz的廣泛采用，包括：大數(shù)據(jù)中心、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、大型多核計(jì)算芯片、遠(yuǎn)程通信、大氣與環(huán)境監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)生物信息提取與醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域。因此，在太赫茲波發(fā)展的過程中，能夠帶動(dòng)太赫茲波相關(guān)的芯片。

目前國際上已有相關(guān)公司在太赫茲波芯片方面有了進(jìn)展。

2013年,德國弗勞恩霍夫應(yīng)用固體物理研究所研制了工作頻段在600 GHz以上的THz單片集成電路(TMIC), 該芯片采用35 nm In0.80Ga0.20As/In0.52Al0.48As高電子遷移率晶體管(HEMT)制作工藝, 并且測(cè)量出w波段(75—110 GHz)經(jīng)6倍頻器后, 可以實(shí)現(xiàn)在580—625 GHz頻段內(nèi)–16 dBm的平均輸出功率。

基于此項(xiàng)芯片制作技術(shù),2015年德國斯圖加特大學(xué)在發(fā)射和接收射頻前端使用完整的MMIC芯片集進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn), 發(fā)現(xiàn)在300 GHz的載波頻率上可傳輸高達(dá)64 Gbit/s的QSPK (正交相移控鍵)數(shù)據(jù)速率。

2019年，日本NTT集團(tuán)開發(fā)出了太赫茲射頻芯片，實(shí)現(xiàn)了峰值100Gbit/s的傳輸速度。

2020年,南洋理工大學(xué)Ranjan Singh教授團(tuán)隊(duì)和大阪大學(xué)Masayuki Fujita、Tadao Nagatsuma教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合研發(fā)一款超高速太赫茲無線芯片，實(shí)現(xiàn)了高效、可集成、低成本的THz拓?fù)涔鈱W(xué)片上通信, 并利用該芯片實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)傳輸未壓縮的4 K高清視頻。

850吉赫單路外差式接收機(jī)部分芯片實(shí)物圖

2021年國內(nèi)航天科工通信研究院研制出850吉赫太赫茲芯片，采用國內(nèi)自主研發(fā)工藝單片設(shè)計(jì)，采用單片電路集成，電路實(shí)現(xiàn)與裝配方案在國內(nèi)均處于領(lǐng)先水平等。2022年6月，國內(nèi)首家實(shí)現(xiàn)頻率超300GHz CMOS太赫茲芯片公司太景科技（南京）有限公司正式宣布完成數(shù)千萬元Pre-A輪融資。

不過，現(xiàn)在用于長(zhǎng)距離通信的太赫茲射頻芯片主要還是使用III－V族半導(dǎo)體HEMT和HBT晶體管實(shí)現(xiàn)射頻相關(guān)的工作。由于赫茲射頻芯片仍然不太成熟，輸出功率無法大范圍覆蓋，小型化程度不高，還達(dá)不到6G網(wǎng)絡(luò)商業(yè)化的要求。未來較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)5G仍是流量主要承載網(wǎng)。

6G什么時(shí)候到來？

國內(nèi)的6G布局很早。2019年開始，華為就在加拿大渥太華成立了6G研發(fā)實(shí)驗(yàn)室，開始研發(fā)6G技術(shù)，與5G技術(shù)齊頭并進(jìn)。后來，中興也表示開始向著6G網(wǎng)絡(luò)的方向進(jìn)行研發(fā)。清華大學(xué)和中國移動(dòng)在2020年5月30日表示將會(huì)共同開展面向6G的未來移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、下一代互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等重點(diǎn)領(lǐng)域的研究。

現(xiàn)在，工信部也表示將全力推進(jìn)6G創(chuàng)新發(fā)展，優(yōu)化芯片、新材料等支撐產(chǎn)業(yè)的發(fā)展布局。如果6G的發(fā)展按照歷史上的10年節(jié)奏進(jìn)行，我們可以期待在2030年左右看到第一個(gè)商業(yè)網(wǎng)絡(luò)——也許在世界上較早部署5G網(wǎng)絡(luò)的部分地區(qū)，例如中國。

6G的春風(fēng)吹起，芯片企業(yè)開始動(dòng)了。