Table of Contents

Актуальность, окружающая беспроводные сети шестого поколения (6G), ощутима, обусловлена приложениями, которые фундаментально изменят взаимодействие человека и компьютера. В отличие от предыдущих поколений, 6G стремится работать по спектру субтерагерца (суб-THz) и терагерца (THz) (100 ГГц до 3 ТГц), частотный диапазон, который предлагает огромную полосу пропускания, но представляет собой крайние проблемы для проектирования оборудования. Стержневой момент для осуществления этого скачка заключается в тихой трансформации, происходящей в микроэлектронике. Без фундаментальных инноваций в том, как мы проектируем, изготавливаем и интегрируем полупроводниковые устройства, цели производительности 6G - скорости передачи данных, превышающие 100 Гбит / с, микросекундная задержка и точная локализация на уровне сантиметра - останутся строго теоретическими.

Конкретный акцент на D-диапазоне (110-170 ГГц) и H-диапазоне (220-330 ГГц) не является произвольным. Эти частотные окна соответствуют более низкому атмосферному затуханию, что делает их жизнеспособными для расстояний сотовой связи до 300-500 метров, при условии, что может быть достигнут существенный коэффициент усиления антенны. Этот коэффициент, однако, по своей сути требует физически больших апертур или очень высокоэффективных электронно управляемых массивов. Микроэлектроника обеспечивает единственный путь для сжатия этих массивных апертурных массивов в форм-фактор смартфона или компактной радиоголовки. В этой статье рассматриваются критические микроэлектронные достижения, которые превращают объемные, энергоемкие прототипы в миниатюрные, энергоэффективные приемопередатчики, необходимые для широкого развертывания 6G.

Беспрецедентные требования 6G к микроэлектронике

Переход от 5G к 6G качественно отличается от предыдущих скачков. 5G в значительной степени выдавливает производительность из существующих технологий CMOS за счет масштабирования и умного формирования луча. 6G, однако, толкает к физическим пределам кремния. На частотах выше 100 ГГц паразитная емкость и сопротивление стандартных транзисторов создают значительные потери, затрудняя генерацию достаточной выходной мощности или достижение разумного показателя шума.

Для удовлетворения рамок IMT-2030 Международного союза электросвязи (МСЭ), которые задают видение для 6G, приемопередатчики должны поддерживать экстремальные показатели [1]. Ожидается, что пиковые скорости передачи данных достигнут 200 Гбит/с, что потребует мгновенной полосы пропускания в несколько гигагерц, которые можно найти только в суб-THz диапазонах. Задержки на 0,1 мс требуют почти мгновенной обработки сигнала и фазово-когерентного управления лучом. Эти требования делают традиционные, громоздкие, дискретно-компонентные приемопередатчики устаревшими.

Рассмотрим задачу формирования луча напрямую. Базовая станция 6G может иметь 1024-элементную или даже 4096-элементную фазированную матрицу. Интеграция 4096 полностью функциональных цепей приемопередатчика (PA, LNA, фазовый переключатель, аттенюатор, переключатель) в один модуль является огромной микроэлектронной задачей. Каждая цепь должна быть идеально подобрана по коэффициенту усиления и фазе в зависимости от температуры и изменений процесса. Это приводит к необходимости самотестирования на чипе и калибровочных схем (BIST), добавляя дополнительную сложность к конструкции монолитной микросхемы миллиметровой волны (MMIC). Промышленность вынуждена интегрировать антенну, RF-интерфейс и обработку базовой полосы в один очень компактный модуль.

Разделение архитектуры системы

С точки зрения системной архитектуры возникает вопрос о разделении. Используем ли мы полностью цифровое формирование луча (максимальная гибкость, максимальное энергопотребление), аналоговое формирование луча (нижняя мощность, низкая гибкость) или гибридное формирование луча (компромисс)? Текущий консенсус склоняется к гибридному лучевому формированию для первого поколения оборудования 6G, но достижения в области маломощных высокоскоростных DAC и ADC толкают отрасль к полностью цифровым поддисплеям. Они предлагают значительно превосходную пространственную производительность мультиплексирования, но предъявляют огромные требования к двигателю цифровой обработки, расположенному всего в микрометрах от чувствительного аналогового интерфейса.

Полупроводниковые революции материалов для суб-ТГц и ТГц

Ни один полупроводниковый материал не идеален для всей цепи приемопередатчиков 6G. В то время как цифровая обработка базовой полосы останется областью агрессивно масштабируемой CMOS (например, 3 нм и ниже), аналоговый и радиочастотный фронтальный интерфейс требуют материалов с различными свойствами. Ключевыми показателями являются подвижность электронов, напряжение пробоя и теплопроводность.

Нитрид галлия (GaN) и арсенид галлия индия (InGaAs)

GaN уже зарекомендовал себя в инфраструктуре 5G благодаря высокой плотности мощности и эффективности. Для 6G GaN-on-SiC выталкивается в D-диапазон (110-170 ГГц) и за его пределами. Его высокое напряжение пробоя позволяет получать более высокую выходную мощность от усилителей мощности (PA), что имеет решающее значение для преодоления высокой потери пути на частотах THz. Исследователи из таких учреждений, как Институт Фраунгофера, продемонстрировали усилители мощности GaN, работающие в D-диапазоне с выходными мощностями, превышающими 20 дБм, что является необходимой вехой для жизнеспособных базовых станций 6G [2]. Аналогично, в HEMTs (High-Electron-Mobility Transistors) проявляют чрезвычайные характеристики с низким уровнем шума, что делает их идеальными для фронтальных LNA, которые должны обнаруживать невероятно слабые сигналы, отраженные от отдаленных объектов или пользовательских устройств.

Индиевый фосфат (InP) для Ultimate Speed

Помимо GaN и SiGe, HBTs и HEMTs с инфузионным фосфидом (InP) остаются золотым стандартом для достижения самых высоких скоростей транзисторов (фут выше 1 ТГц). InP особенно важен для осцилляторов и микшеров, которые должны работать непосредственно в полосе THz. Однако пластины InP меньше и более хрупкие, чем кремний или даже GaN, что делает крупномасштабную интеграцию сложной. Исследователи активно проводят гетерогенные методы интеграции, чтобы связать тонкий InP, умереть на кремниевом интерпостере, сочетая производительность материалов III-V с плотностью CMOS.

Кремниевый германий (SiGe) BiCMOS

Для приложений, требующих баланса между производительностью и сложностью интеграции, SiGe BiCMOS служит мостовой технологией. Она позволяет интегрировать высокоскоростные гетеропереходные биполярные транзисторы (HBT) с ft/fmax более 500 ГГц вместе со стандартной логикой CMOS. Это особенно привлекательно для схем со смешанными сигналами, таких как высокоскоростные ADC и DAC, необходимые для оцифровки массивных полос частот THz.

Новые 2D-материалы для гибкой и сверхбыстрой электроники

Заглядывая дальше, материалы, такие как графен и дихалькогениды переходных металлов (TMD), такие как дисульфид молибдена (MoS2), теоретически предлагают огромную мобильность носителей. В то время как все еще на стадии исследований, частотные множители и детекторы на основе графена продемонстрировали работу до нескольких ТГц. Потенциал гибких, прозрачных или носимых приемопередатчиков 6G является мощным мотиватором для продолжения инвестиций в эту область, несмотря на значительные производственные препятствия, которые остаются.

Расширенная интеграция и упаковка: путь к миниатюризации

Меньшие, более быстрые транзисторы бесполезны, если они не могут быть плотно связаны и охлаждены. Миниатюризация системы требует отхода от традиционной 2D-упаковки. Узкое место межсоединения, где потери сигнала между чипами значительны, является основным препятствием, которое непосредственно затрагивает передовую упаковку.

Неоднородная интеграция и 3D-стекление

Гетерогенная интеграция - это практика сборки отдельно изготовленных компонентов в сборку более высокого уровня (SiP), обеспечивающая большую гибкость и производительность. Для приемопередатчиков 6G это означает укладку интерфейса GaAs или GaN RF непосредственно поверх стадии промежуточной частоты SiGe (IF), которая сама укладывается на цифровой процессор CMOS с глубоким нанометром. Используя медное гибридное соединение и сквозные силиконовые связки (TSV), эти стеки достигают невероятно коротких, низкопотери межсоединений [3] . Это резко снижает паразитную индуктивность и емкость по сравнению с решениями, связанными проводами, что позволяет более широкую работу полосы пропускания и более низкое энергопотребление.

Промышленность объединяется вокруг открытых стандартов для интеграции чиплетов, таких как Universal Chiplet Interconnect Express (UCIe) [4] Для приемопередатчиков 6G это означает, что компания может разработать специализированный чиплет GaN RF, чиплет SiGe IF и цифровой чиплет CMOS, все взаимосвязанные через передовую упаковочную подложку высокой плотности. Этот дезагрегированный подход снижает стоимость разработки и риск, позволяя каждой функции быть построенной в своем оптимальном технологическом узле. Сам интерпостер становится критическим микроэлектронным компонентом, требующим линий передачи сверхнизких потерь и маршрутизации высокой изоляции для предотвращения помех между мощными выходами PA и чувствительными входами LNA.

Antenna-in-Package (AiP) и интеграция с Metasurface

На частотах ТГц длина волны находится в субмиллиметровом диапазоне, то есть сами антенны становятся микроскопическими. Естественная прогрессия заключается в их интеграции непосредственно в чиповый пакет (AiP) или даже на сам кремний кристалл (AoC). Современные конструкции AiP для 6G используют многослойные подложки для встраивания фазированных массивов с сотнями или даже тысячами элементов. Включение реконфигурируемых метаповерхностей непосредственно на модуле приемопередатчика позволяет осуществлять динамическое формирование луча и рулевое управление без необходимости громоздких механических подвесок, что позволяет осуществлять связь нелинейного обзора (NLOS) THz и пространственное мультиплексирование в сложных средах.

Прорывы на уровне цепи для трансиверов следующего поколения

На фундаментальном уровне схемы несколько инноваций позволяют перейти к 6G. Эти инновации сосредоточены на генерации энергии, преобразовании сигналов и исправлении несовершенств на частотах, где кремний традиционно выходит из строя.

Энергогенерация и усиление на частотах ТГц

Генерировать значительную выходную мощность выше 100 ГГц, как известно, сложно. Полупроводниковое устройство получает падение по мере приближения частоты к транзистору ft. Исследователи внедрили цепочки частотных множителей, которые принимают низкочастотный, мощный сигнал и генерируют гармоники в диапазоне ТГц. На стороне усилителя мощности архитектуры Доэрти и топологии распределенных усилителей адаптируются для работы с суб-THz для максимизации эффективности при компенсации ограниченного усиления устройства.

Низкопроизводительная и высокоскоростная цифровая конверсия

Огромные полосы пропускания сигналов 6G оказывают огромное давление на аналоговые-цифровые преобразователи (ADC). Традиционные ADC с частотой Nyquist потребляют непомерно большое количество энергии. Вместо этого исследования приемопередатчиков 6G фокусируются на ADC с временным интервалом, чтобы пошатнуть нагрузку на преобразование и частотно-перемежаемую архитектуру, которые разбивают широкополосный сигнал на более мелкие, более управляемые поддиапазоны. Машинное обучение встраивается непосредственно в цепочку приемников для выполнения цифрового пре-искажения (DPD) и выравнивания, корректируя аналоговые несовершенства в микроэлектронике и ослабляя требования линейности фронтального оборудования [5].

Навигация по ключевым вызовам: сложность термического, тестового и дизайнерского дизайна

Поскольку компоненты сжимаются и работают на более высоких частотах, законы физики накладывают серьезные ограничения. Наиболее актуальной проблемой является управление температурой. Усилитель мощности GaN, работающий в D-диапазоне, может генерировать тепловые потоки, превышающие 1 кВт / см2 в пределах матрицы шириной всего несколько миллиметров. Традиционных радиаторов недостаточно; микрофлюидные каналы, встроенные непосредственно в подложку SiC или кремниевый интерпостер, становятся необходимыми для эффективного извлечения тепла и предотвращения ухудшения производительности.

Кризис дефицита плотности и доходности

Для изготовления приемопередатчика 6G требуется объединение нескольких материалов с различным коэффициентом теплового расширения (CTE) на одном кристалле или упаковке. Этот производственный процесс резко увеличивает плотность дефектов по сравнению со стандартным монолитным чипом CMOS. Одна пин-холла в интерфейсе связывания или микропустота в TSV может сделать дорогостоящий модуль бесполезным. Достижение коммерчески жизнеспособных выходов (выше 50 процентов) для этих сложных 3D-структур является одной из наиболее значительных нерешенных микроэлектронных проблем, стоящих перед отраслью 6G.

Испытания и характеристики бутылок

Испытания и характеристики создают еще одно критическое узкое место. Стандартные коаксиальные разъемы и кабели не могут работать на частотах ТГц. Ваферные станции должны быть оснащены передовыми частотными расширителями, а надвоздушные (OTA) испытательные установки перемещаются в безэховые камеры, способные обрабатывать сигналы суб-THz. Сложность конструкции также требует нового подхода к EDA. Инструменты интегрируют электромагнитное (EM) моделирование, тепловое моделирование и оптимизацию на основе машинного обучения непосредственно в поток проектирования для управления сложными взаимодействиями в приемопередатчике с 3D-стеком ТГц.

Социальные и промышленные преобразования, которые могут быть осуществлены с помощью миниатюрных 6G-приемников

Когда приемопередатчики уменьшаются до размера рисового зерна или гибкого пластыря, их потенциальные приложения взрываются. Мы можем ожидать сближения возможностей связи, зондирования и визуализации в одном модуле малой мощности.

  • Цифровая и расширенная реальность (XR): По-настоящему иммерсивные гарнитуры дополненной реальности требуют огромной пропускной способности данных и сверхнизкой задержки для визуализации фотореалистичных цифровых двойников в режиме реального времени. Миниатюрные приемопередатчики THz могут обеспечить беспроводную связь между гарнитурой пользователя и краевым облаком, устраняя привязку и обеспечивая высокоточную тактильную обратную связь.
  • Продвинутые MedTech: имплантируемые 6G-трансиверы могут обеспечить непрерывный, высокоточный биологический мониторинг, подключение нейронных интерфейсов, интеллектуальных протезов и глотаемых эндоскопов к сетям здравоохранения с беспрецедентной точностью и безопасностью.
  • Автономные системы: Транспортные средства и беспилотники полагаются на надежный синтез датчиков. Приемопередатчик THz может служить комбинированным каналом связи и радаром визуализации с высоким разрешением, позволяя транспортным средствам «видеть» сквозь туман и пыль, одновременно обмениваясь данными с другими транспортными средствами (V2X).
  • Умные среды: Встраивание миллионов невидимых, без батарей приемопередатчиков в строительные материалы, дорожные поверхности и инфраструктуру позволяет по-настоящему интеллектуальным городам чувствовать заполняемость, структурную целостность и условия окружающей среды в режиме реального времени.
  • Промышленные цифровые двойники: Завод, заполненный миниатюрными приемопередатчиками 6G, может создавать динамическую цифровую копию всей сборочной линии в реальном времени для моделирования, прогнозного обслуживания и оптимизации. Это слияние связи и зондирования (JCAS) является определяющей особенностью требований к приемопередатчику 6G.

Дорога впереди: сближение дисциплин

Путь к полностью миниатюрному приемопередатчику 6G - это не просто вопрос масштабирования существующих компонентов. Он требует фундаментального переосмысления стека приемопередатчиков - от материаловедения и физики полупроводниковых устройств до архитектуры схем, упаковки и проектирования на системном уровне. Наиболее успешные прорывы происходят на перекрестках: ученые-материалисты, сотрудничающие с РЧ-дизайнерами для оптимизации процесса GaN-on-SiC или инженеры по упаковке, работающие с цифровыми архитекторами для разработки эффективных систем с 3D-укладкой.

Коммерциализация 6G в 2030-х годах будет определяться не одним «приложением-убийцей», а базовыми возможностями сети. Эта способность полностью зависит от микроэлектроники в приемопередатчике. Переход от громоздких дискретных конструкций к миниатюрным интегрированным модулям с использованием гетерогенных материалов и передовой 3D-упаковки является определяющей инженерной задачей следующего десятилетия. Овладев этой конвергенцией материалов, схем и систем, отрасль откроет спектр приложений, которые действительно соединяют физический и цифровой миры, делая невидимую инфраструктуру 6G одним из самых значительных технологических достижений 21-го века.