平顺的网络:一个需要强大射频解决方案的大趋势

平顺的网络、虚拟化和分层人工智能,这三大技术趋势将改变我们的生活和工作方式。本文围绕平顺的网络而展开,是系列文章的一部分,该系列文章将探讨格芯®(GLOBALFOUNDRIES®)解决方案如何让这些大趋势得以实现。

尽管晶体管在近75年前就首次亮相,为固态集成电路铺平了道路,并迎来了电子革命,但过去两年可能才是行业历史上最重要的两年。

2019年,地缘政治的紧张局势使人们更加关注全球半导体供应链的优势和短板。由于各种产品都需要可靠的芯片供应,半导体突然成为工业、商业和外交政策的一个热点。

随后,在2020年新冠疫情的推动下,人们愈发认识到全球数字化基础设施的强大力量,因为人们变得比以往任何时候都更加依赖它来对抗疫情、远程运营公司、开展线上教学、社交,以及处理许多其他大小事情。

Tom Caulfield格芯首席执行官Tom Caulfield表示,自从社会意识到供应链问题和疫情不是短期危机以来,人们对数字技术的重要性及其将如何永远改变我们生活的认识便不断加深。

他说:“令人惊讶的是,虽然数字化基础设施在过去的十年里变得如此普及和富有弹性,但直到新冠肺炎疫情的爆发,它的潜力才得以充分发掘。我们开始想象的不是‘新常态’,而是‘更好的常态’。这种更好的常态就是利用我们广泛普及的能力扩展和改进数字化基础设施。....这不仅是我们行业的发展良机,也是我们的使命。”

因此,Caulfield说道,格芯发现在这个进程中出现了三个大趋势和一个大阻碍,而格芯解决方案对所有这些都至关重要。第一个大趋势是平顺的网络,这是一种无处不在的“全天候、不间断、7X24小时的安全智能化连接”——我们将在本文稍后更深入地探讨这个问题。

第二个大趋势是虚拟化部署的普及。Caulfield说:“网络功能虚拟化(NFV)就是一个非常好的例子。在这些领域,网络处理在云端进行,且数据从‘哑’接入点传输至云端进行处理。这样就产生了巨大的规模优势,类似于我们现在享受的云存储和云计算价值主张。NFV能够以明显更低的成本和功率大幅提升网络带宽和速度。同时,鉴于虚拟化网络的灵活特性,部署新服务所需的时间和精力得以缩减,因为新功能将通过向用户进行软件‘推送’而不是硬件升级的方式来实现。”

最后一个大趋势是从器件到传感器、从网络边缘到云端的分层人工智能,也即“无处不在的人工智能”。Caulfield表示:“数据是一种新型黄金,但只有当我们将数据从一种原始、非结构化格式中提取出来,并利用它来获得见解、采取行动和做出决策时,才能找到金矿。仅过去两年产生的结构化和非结构化数据的数量就比之前产生的所有数据都要多,然而我们只使用了所有这些数据中的3%。分层人工智能是从大量非结构化数据中提取价值的关键,它通过解析数据来提取重要信息,然后压缩数据以提高计算和存储的传输效率。”

虽然每个大趋势都有其自身的阻碍和挑战,而降低功耗是决定所有大趋势成败的一个关键问题,但向数字化未来的发展步伐是势不可挡的。

平顺的网络即将到来

Peter Gammel格芯移动和无线基础架构业务部副总裁兼首席技术官Peter Gammel表示:“我们对未来网络连接的设想是,您甚至不用知道要连接什么网络,您的设备会自动找到它,对它进行认证,并针对带宽、延迟和其他关键属性进行优化。我们之所以称之为平顺的网络,是因为当我们谈到随着无线系统使用越来越快的射频和毫米波频谱,我们要如何看待未来几年的连通方式时,我们不想迷失在5G、6G、Wi-Fi、蓝牙或其他一些网络协议的细节中。”

“关键在于:无论您通过什么方式连接,网络和设备之间的最后一跳都是采用无线方式,”他说。“这意味着,即使各种设备中的射频(RF)内容已经有了实质性的爆炸增长,但这一趋势只会加速。”

Gammel表示,不仅仅是智能手机、平板电脑和个人电脑将依赖于平顺网络功能。各种不同的产品都将需要它来发挥作用,比如工业4.0(即自动化智能制造)应用、物联网(IoT)、可穿戴医疗保健设备、先进驾驶辅助(ADAS)等汽车系统,以及众多其他应用。

挑战是巨大的。Gammel在2021年IEEE国际可靠性物理学研讨会(IEEE International Reliability Physics Symposium)的主题演讲中说道,关键网络枢纽的数据流量会急剧增长,在某些情况下增长高达40%,而且这些比率在未来几年只会更高。“未来的网络将需要极高的容量和数据速率、更高的频谱效率、超低延迟、更高的可靠性和强大的安全性。”

出色的射频技术将扛起大旗

一切听起来都是那么好,但任何经历过网络连接困难的人可能都会想,我们要如何达到平顺的网络状态。要怎样才能实现这个目标呢?

Gammel说:“我已经在这个行业工作了40年,在这里,衡量成功的方法从未变过,那就是:最后都要归结于在射频技术方面的领导地位,这对前端模块(FEM)及功率放大器的性能和功耗至关重要,而这些又是无线通信系统中最关键的元件。”

他说道,为了最大限度地利用可用频谱,我们正在努力使输出功率尽可能地接近可靠性极限。这就发挥了格芯作为多种不同射频技术的长期领导者的优势,包括RF-SOI(射频绝缘体上硅)、FD-SOI(全耗尽绝缘体上硅)和SiGe(硅锗)解决方案。

Gammel说:“我们的RF SOI解决方案是5G基站和智能手机中集成FEM和波束形成器的首选。同时,由于我们的22FDX™ FD-SOI解决方案将射频、模拟、嵌入式存储器和先进逻辑整合到一个芯片中,它们为数据转换器、LNA、功率放大器(PA)和带收发器的开关等FEM元件的集成提供了出色的峰值性能和能效。”

此外,他表示,格芯的SiGe解决方案广泛用于Wi-Fi和蜂窝功率放大器,SiGe技术为未来网络架构所需的太赫兹频率提供了一条途径。

“更好的还在后头”

Gammel提出了他认为平顺的网络中必不可少的其他因素。他说:“随着行业向太赫兹频率发展,统包式组装和测试能力将变得更加重要,因为电路和封装之间的接口对性能而言变得更加关键。是把天线放在封装上还是放在裸片上?最好的配置是什么?”

另一个必要因素是开放式接口。他说:“专有接口协议永远不会占上风。开放式接口对于构建生态系统至关重要,我们已经在网络基础设施和标准制定活动中看到了这一点。”一个例子是5G开放式无线接入网(Open RAN)倡议。

此外,利用近地轨道(LEO)星座卫星的非地面网络是向信号覆盖不佳的地区提供连接的关键所在。他说:“LEO星座的商业部署不是科幻小说,而是现实。来自SpaceX的星链(Starlink)星座就是一个例子。”

Gammel表示:“要利用从100 GHz到1 THz的大量尚未开发的频谱,还有很多工作要做,并需要进行技术创新,但我们已经取得了很大的进展,更好的还在后头。”

本系列的下一篇文章将重点介绍虚拟化大趋势。敬请期待!