不仅行动网路　推动5G革命需面面俱到

若要推动整个5G革命，需要的不仅仅是5G手机和行动网路。本文将重点介绍一些5G技术、最新消息和相关挑战的范例。在这一段时间里，我们一直在新闻中听到有关5G部署和装置的消息。在我们的脑海中，通常会想到最喜欢的品牌的下一款5G手机。有些人已经查觉到，若要推动整个5G革命，需要的不仅仅是5G手机和行动网路。本文将重点介绍一些5G技术、最新消息和相关挑战的范例。
为5G革命提供动力
所有的电子装置皆始于电源。随着装置进化为5G系统，执行5G的电源也需要升级。目前功率半导体领域中的最新宠儿正是由碳化矽(SiC)和氮化镓(GaN)驱动的宽能隙(WBG)元件。
虽然我们将许多事情视为理所当然，不过全球各地仍有许多工程师和科学家仍持续地使用SiC和GaN等材料开发更先进的电源系统，推动全新5G革命的电力电子系统、混合动力和电动车的元件和模组车辆、军事和航太系统，以及用于运算和消费产品。但是SiC和GaN的意义何在？如何应对使用这些材料时所面临的测试挑战？
经过多年的研究和设计，SiC和GaN电源装置的可行性变得越来越高。向SiC和GaN的转变正在推动全新的设计。SiC具有在高电压下驱动高功率应用的能力，而GaN则具有适用于中低功率应用的超高功率密度，两者联手正在推动矽基设计在效率和功率密度上的极限。例如，SiC适合用于更高功率、更高电压设计的应用，例如汽车、机车和太阳能逆变器中的马达驱动器。由于具有许多相同的属性，使GaN非常适合用于功率转换应用，因此，这项新技术同时亦撼动了射频功率放大器的世界。GaN正在资料中心电源、无线电源、消费类电源供应器，以及汽车和军事/政府电力电子装置等领域中占据一席之地。
这些装置虽然具有高效能的特性，但同时也对设计人员带来了不小的挑战。撇开成本和可靠性不谈，这些电源装置并不是矽装置的直接替代品。而半导体研发工程师亦正在努力验证和分析新元件的特性，驱动器制造商正在开发新的闸极驱动器，以满足更快的切换、EMI管理和更复杂拓扑等需求。这些公司的制造工程师正忙于因应晶圆测试挑战，必须在比以往更宽的电压和电流范围内彻底测试更小的装置。
若要手动分析用于电气效能的晶片和封装零件层级装置的特性，需了解用于低位准量测的新技术、装置和探测基础设施(例如，在存在高崩溃电压的情况下pA等级的漏电流量测)。
使用SiC和GaN装置的最大挑战之一就是闸极驱动要求。SiC需要更高的闸极电压(Vgs)和负偏压才能关断。另一方面，GaN的阈值电压(Vth)低得多，需要严格的闸极驱动设计。由于其物理性质，宽能隙装置亦具有更高的内接二极体压降，这需要对停滞时间和开启/关闭转换进行更严格的控制。
对于我们而言，解决这些挑战可能是一件困难的任务。在分析这些高压装置的特性时，拥有准确的输出和量测测试至关重要，这样才能及时做出正确的设计决策。增加设计的容许度和过度设计只会增加成本并降低效能。而且，由于涉及高电压(通常> 200V)，让科学家和工程师远离有害电压非常重要。
提升资料处理、传输和储存的效能
从虚拟实境(VR)到人工智慧(AI)，从云端运算到物联网(IoT)，5G正在推动新技术及其创造的资料的成长。除了驱动资料处理的新CPU、GPU、ASIC和FPGA外，系统的其他部分也正随之发展。
随着有越来越多的资料需要储存和快速存取，这意味着像DDR5这样的技术前所未有地重要。资料中心需要不断地储存、传输和处理这些资料，这不仅推动高速讯号传输的极限，同时也带来了迄今为止记忆体中从未见过的测试挑战。
DDR5与DDR4非常不同，更像是LPDDR4。看看DDR5带来的九个变化：
1.速度更快
首先，资料速率高达6.4Gbps，而DDR4仅停留在3.2Gbps。规格中还规定在未来几年内将速度限制提高到8Gbps以上。通道结构类似于LPDDR4，其中有两个独立且具有ECC的40位元通道，还拥有更高的预取、更高的突发长度和更多的储存区群组。这一切都是为了提升效率并启用高速模式。
2.DDR5是写入并非对齐中心
DQS和DQ之间有一个固定的偏移量。这意味着不能仅在示波器上量测DQS和DQ之间的延迟，并确定其是读取或是写入。这种奢侈已不复存在，读写突发分离都设定得更加复杂。
3.全新的时脉抖动量测
DDR5导入了Rj、Dj和Tj量测来代替周期和逐周期抖动量测。Rj的规格在最大资料速率下非常严格。拥有良好的讯号完整性才能自信地量测这些参数。
4.去嵌入将变得十分重要
去嵌入是一种移除探棒和中介层负载的技术，亦用于将探棒点从DRAM球虚拟移动到DRAM晶片，以大幅地减少反射。若要成功建立去嵌入滤波器档案或传递函数，则需要很多的s-par档案。目前的想法是透过将s-par模型用于SoC封装、电路板模型、DRAM封装、中介层、探棒，以及IO设定(如Tx驱动强度和Rx ODT，如适用)来尽可能忠实地模拟DDR通道。在没有s-par模型的情况下，还可以透过量测示波器荧幕上的反射来使用简单的传输线参数，例如传播延迟和特性阻抗。
5.第一次在接收器中使用Rx等化、4-Tap DFE
DDR5中资料速率的增加是在不将DQ汇流排移动到差动讯号的情况下实现，即DQ汇流排仍为单端(与DDR3/4相同)。然而，记忆体通道有许多阻抗不相符点，这会由于反射而增加整体的ISI。当资料速率高于4,800Mbps时，DRAM球上的资料眼预计会关闭。在DDR5 DRAM Rx中实作一个4-Tap DFE，以协助等化DQ讯号，并在接收器锁存资料后开启资料眼图。此外，RCD的CA Rx亦需要DFE来确保可靠的讯号撷取。
6.DDR5包含一个回路通道
如果查看DDR5的针脚图，会发现专用的DQS/DQ回路针脚。这将用于启用独立的DRAM Rx/Tx特性分析。回路通道十分重要。事实上，这就是我们如何知道接收器实际即时做出的位元决定。这是一条在所有不同接收器之间共享的单线，因为其讯号完整性很差，出于这个原因和其他原因，所以只会在每第四位元或每第二位元传回一次，以便有足够的时间能够确保外部接收器或是误码侦测器可以100%准确地检查片上Rx的品质。
7.需使用BERT和/或灵活的模式产生器进行独立DRAM Rx/Tx测试
这开启了一套全新的测试，包括电压和频率灵敏度，以及DDR3/4中不存在的压力眼图测试。概念很简单——任何人都应能使用标准化的JEDEC夹具，遵循JEDEC定义的测试程序，并执行标准测试来确定DRAM Rx/Tx的健康状况。
8.准确的压力校准将成为DDR5 Rx测试的大问题
即获得准确的S参数模型，必须对所有区段进行估计和量测。另一个关键功能是能够对量测深度和示波器记录大小做出准确或良好的猜测，这样就不会浪费太多时间。
9.DRAM Rx/Tx测试将带来庞大的资料库管理问题
自动化和管理大量s-par档案、去嵌入模型和量测结果将是一场恶梦。想像一下，针对来自不同供应商的多个DIMM组态，以不同的速度等级测试80多个针脚。这将极为困难。
高速串列汇流排
下一代创新带来了下一代挑战。硬体内子系统之间的高速通讯通常是建构于备受信赖的PCI Express汇流排之上。随着PCI Express标准从第4代(16.0GT/s)发展到第5代(32.0GT/s)，工程师面临着资料速率翻倍所带来的各种新验证挑战：
克服更高的通道损耗和符号间的干扰现象(ISI)；设计晶片和平台以在更受限的环境中以更小的余裕运作；在实体层和通讯协定层进行除错；若要赶上下一代资料速率和储存标准的步伐，需要能扩展到32.0GT/s的端到端解决方案，同时提供由业界专家设计和维护的目前功能。光学高速公路
借助5G，到2025年交易的资料量将成长50%以上。这推动了全球对高效能资料中心基础设施和云端运算的快速成长和需求。为了跟上这种严苛的需求，开发人员正转向采用400G技术，以实现更小、更快、每位元成本更低的解决方案。
目前有几种核心技术支援400G (甚至800G)，包括使用高阶调变和高达56GBaud的更高资料速率。这种新的调变方案提供四级脉波振幅调变(PAM4)，每个符号传输两个位元，与传统的NRZ相比，资料速率成长了一倍。
PAM4讯号具有较低的讯号杂讯比，且振幅仅为等效NRZ的三分之一，需要更先进的工具和功能才能成功验证。
最大的挑战之一是在满足所需规格的同时，尽可能降低每台装置的测试成本。与NRZ讯号相较，PAM4讯号所需的测试数量增加了10倍以上，因此需要快速提供量测以最佳化调谐的解决方案，同时具有最低杂讯以最大化生产良率。
5G消费端的演进
消费运算产业还需要一种新形式的IO，可以实现对未来需求的愿景。这些需求包括提高视讯和音讯品质，例如2K、4K和8K显示器，缩小系统外形尺寸，让我们可以设计出更薄、更轻的笔记型电脑和灵活的效能。Thunderbolt技术满足了便利的标准型多功能精巧外形的竞争需求，当然还有更快的资料速率。
从根本上说，Thunderbolt是一种隧道架构，旨在采用一些底层通讯协定并将其组合到一个介面中，以便可在这些通讯协定的底层用法之间共享连接的总速度和效能。无论是资料、显示器或是其他，Thunderbolt 1和2都是建立在一个mini-DisplayPort连接器上，并提供10Gbps的实体资料速率。透过聚合两个通道，Thunderbolt 2可将资料翻倍至20Gbps。现在，Thunderbolt 3则是构建在USB Type-C连接器上，透过聚合两个20Gbps的通道，将资料速率再次翻倍至每个方向40Gbps。Thunderbolt 3支援基本的USB 2.0和USB 3.1供电模式。简而言之，Thunderbolt 3提供了最佳的单电缆对接解决方案。
Thunderbolt 3规格已发布到USB-IF，用于在USB4规格的开发中免授权使用。现在，Thunderbolt 4和USB4产品将使用相同的底层通讯协定规格。Thunderbolt 4提供40Gbps双向的最大资料速率，并为装置提供相同的15瓦或100瓦的充电功率。
Thunderbolt 4系统要求是使用4条PCIe Gen-3通道的32Gbps资料。若提到Thunderbolt 4的电气验证，则其和Thunderbolt 3相同。从最终使用者的角度来看，Thunderbolt 4周边装置将有四个连接埠：一个向上连接埠(UFP)和三个向下连接埠(DFP)。Thunderbolt 4电缆可与任何USB-C连接埠配合使用，并可支援Thunderbolt 3、USB 2.0或USB 3.1/3.2和DisplayPort Type-C装置。
下一代应用程式
预计5G还将推动多种新应用，这些应用需要在终端节点和更广泛的智慧环境之间进行智慧通讯。智慧庄园将拥有下一代物联网，可实现预测性维护、智慧监控、废弃物和能源管理。
制造业将与人工智慧和更智慧的机器人技术更加紧密地联系在一起，以提高效率和效力。陆地和海上的行动性可望透过更多的资料共享变得更加智慧，进而将更先进的任务自动化并获得更好的管理。
结合下一代技术
5G是现在常听到的一个流行词，但支援5G的底层技术却往往被低估了。随着透过无数的新技术来确保整个生态系统的运作，首要任务就是了解复杂性的变化，但支援这些技术的复杂性也带来了新的测试挑战。
量测不一定是件艰难又复杂的工作。有了一套良好的量测、特性分析工具和相关知识，工程师现在就能知道装置失败和正常运作的原因。现在可以加倍发挥我们的力量，并透过良好的量测计划和工具提供的知识和资料，从错误中吸取宝贵的教训。与此同时，量测工具也会透过软体和云端发展为更加自动化的工具。这使工程师的生活变得更加轻松。
这些工具的演变使工程师能够以更快速、更具系统性的方式掌握资料，以进行分析和协作。这些知识和资料随后将成为我们构建和设计更美好未来的关键基石。