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在新冠疫情中升溫的5G基地台電子元件商機
高頻高速與Massive MIMO技術

【作者: 籃貫銘】   2020年06月02日 星期二

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在全球新冠肺炎(COVID-19)疫情升溫之際,歐美多數國家皆採取了封城與出入管制的措施,許多的工廠與經濟活動直接停擺,也造成百業幾近蕭條的局面。但在此之際,5G建設卻逆勢成長,成為疫情之下最受注目的發展。


此次的新冠病毒可說徹底的改變了人與人互動的行為,各種商業與製造生產的活動,都被迫以新的形態進行,而首當其衝的,就是人們每日上班上課的需要。也因此,遠距離的作業模式變成了產業界的新標準,而其背後所需的,就是更大的頻寬與更加靈活的網路技術服務,5G就是這些需求的解答。


也因此,即使在疫情緊張的情況下,全球各地的5G建設仍持續地進行,甚至還加速了進度,中國是其中最大的發動者。目前中國政府已啟動了5G二期標案測試採購,甚至下達了「推動5G加快發展的通知」,全力加速5G基礎建設的腳步。包含中國移動與中國聯通,相繼宣布將在今年各自布建20萬個5G基地台。



圖一 : 新冠病毒疫情大幅加速了5G發展的進度,先前所預測的發展進程,都將因此而縮短數月有餘。(source:3GPP)
圖一 : 新冠病毒疫情大幅加速了5G發展的進度,先前所預測的發展進程,都將因此而縮短數月有餘。(source:3GPP)

而受到5G基礎建設的拉抬與終端消費者市場的推動,全球高速網路相關的元件、設備與數位內容市場都將會呈現大量的成長。國際光學元件市場研究機構LightCounting就指出,2020~2021年的新冠肺炎大流行,將導致「數位經濟」趨勢的加速發展。


採Massive MIMO技術 基地台RF元件改朝換代

5G要實際運轉的第一步,當然是5G基地台的布建。然而,5G網路的技術架構與4G並不相同,因此其核心網路與基地台的系統也不盡相同。就技術應用來看,5G為了實現高頻寬、低延遲與大連結的目標,其天線模組採用了全新的設計。


首先,由於上述的需求,5G基地台將導入Massive MIMO的技術,而其天線的陣列數將大幅增加,通道數也會大幅提高(較4G增加8倍),也因此會把處理射頻的遠端射頻模組RRU(Remote Radio Unit),以及相關的連接線路整合成一個天線模組,稱為AAU(Active Antenna Unit)的主動天線模組。


而由於天線與陣列性能的提升,其模組內的電子元件的架構與設計也會隨之不同,不僅規格需要提升,搭載的數量也會大幅增加,包括功率放大器(PA)、低雜訊放大器(LNA)、濾波器(Filter)等通訊應用元件將會有龐大的需求。而依據資料顯示,以天線陣列模組為例,5G基地台所使用的RF元件數量,將會是過去的數倍之多。


此外,雖然各項元件的應用數量增加,但這並不意味著體積也可以同時放大,相對的,反而是要在有限的體積內進行設計,也因此更先進的元件微型化與整合式設計,就成了5G晶片供應商的必備條件,其不僅要具備高質量,同時晶片的體積也要小。


高頻高速 邏輯運算系統也需大升級

5G本質上是高速傳輸的應用,這意味著龐大的數據和資料需要被運算與傳遞,而對基地台來說,更高階的邏輯與儲存元件也是必備的要求。


在處理器方面,針對5G基地台應用特性來開發專用的產品已成顯學,例如中國的海思半導體,就推出了一款專用的「天罡」晶片,提供給華為用於5G基地台的開發。處理器大廠英特爾,也在日前發表了5G基地台專用的「Atom P5900」單晶片,用以因應5G高頻寬低延遲的需求。而這些晶片都是採用最高等級的製程生產,足見5G的商用潛力龐大。



圖二 : 由於使用了Massive MIMO的技術,5G基地台就要把RRU和天線模組整成主動式天線模組AAU(Active Antenna Unit)的形式。
圖二 : 由於使用了Massive MIMO的技術,5G基地台就要把RRU和天線模組整成主動式天線模組AAU(Active Antenna Unit)的形式。

在記憶體方面,同樣在高頻寬低延遲的場景下,5G基地台應用的記憶體在讀取的速度與穩定度方面也無法妥協,也因此具備較佳讀取速度的NOR Flash記憶體,就成為5G基地台的首選。然而5G基地台的頻寬大,數據傳輸量也大,所以需要的記憶體容量和密度也要大,一般而言,至少是從1GB起跳。而目前市場上能夠供應如此大容量的NOR Flash的業者並不多,引此呈現供不應求的局面,近期台灣的旺宏的產能全滿就是最好的例子。


電源元件與散熱系統是運行穩定性的關鍵

高速高頻(RF訊號頻寬須達1GHz),往往也代表著高功耗,而5G基地台就是這麼一回事。以目前的設計來看,一個5G基地台的電耗較4G高上約3倍,需要的基本功率從數十增加到數百瓦特,因此其電源元件的性能與數量要求也較4G為嚴峻,各種電源控制器、升壓轉換器、功率控制器等,都將是5G基地台的關鍵零組件。此外,由於高壓高頻的應用特性,非常考驗元件的穩度定與耐用度,於是使用氮化鎵(GaN)和碳化矽(SiC)材料的功率元件,則成為5G設備採用的首選。


另一方面,高功率通常也會伴隨著高運行溫度,也因此散熱元件的使用與設計,在5G基地台也扮演著重要的角色。尤其是5G基地台的電路設計更加緊湊,散熱系統的設計難度也將更高,如何在有限的空間內,建置高效能的散熱系統,以排出更多的熱能,直接影響了5G基地台的運行穩定度。


5G基地台雖然有高頻寬與低延遲的優勢,但因所使用的無線技術特性,因此傳送的距離較短,覆蓋的距離也較小,而為了彌補這個弱項,5G就必須要建置更多的基地台。再者,5G的系統容量高,較4G有1000倍之多,也因此提高網路密度,也是基礎建設部署的方向。


在這兩個前提之下,5G基地台的數量就會比4G多上許多,不僅是傳統的大型基地台的形式,在城市中也會有更多的公共設施整合5G基地台的功能,例如紅綠燈和路燈等。再者,為了增加系統容量,5G小型基地台(Small Cell)的使用也會大幅的增加,預料再接下來的3~5年內,這種小型5G基地台的數量將為成長數倍。


而一個完整的網路構成,當然不只會有天空的無線部分,地下光纖網路的部分,更是要率先完成,才能夠把錯落在各個區域間的站點完美串接。尤其5G世代的傳輸速度高達1Gbps,超高速的光纖骨幹就得要先行佈建,因此相關的光通訊設備有將會有大幅的需求,包含GPON和EPON等光通訊設備、光收發模組、電纜線等,也會有龐大的需求。


結語

此番新冠病毒疫情,已大幅加速了5G發展的進度,先前所預測的發展進程,都將因此而縮短數月有餘,尤其是今年下半年之後,加速的力道將會更加明顯,並一路持續到2021年。


在此期間,5G基地台將會是最主要的推進項目。由於5G使用新的無線技術,5G基地台的RF元件的數量與性能,也需要大幅提升,而高頻寬與高功率的特性,也需要使用更高效能的運算和電源管理系統。在全方位的功能提升的前提之下,將大幅帶動相關電子元件的市場。


而在5G 基礎建設的提前佈建完之後,更龐大的5G終端市場也將隨之而來,電子元件廠又可望迎來新的一波成長契機。


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