Mit MMICs und HF-SoCs effiziente 5G-Ausrüstungen designen

| Autor / Redakteur: Tony Fischetti * / Michael Eckstein

Großflächig: Aus mehreren HF-Funktionsgruppen-Kacheln aufgebautes 5G-Antennen-Array in einer HF-Strahlungsmesskammer.
Großflächig: Aus mehreren HF-Funktionsgruppen-Kacheln aufgebautes 5G-Antennen-Array in einer HF-Strahlungsmesskammer. (Bild: MACOM)

Hochintegrierte GaN-on-Si-Komponenten sorgen nicht nur für mehr Tempo im HF- und Netzwerkbereich, sondern ermöglichen auch effizientere Schaltungsdesigns. Das senkt die Systemkosten.

Das Einführen der neuen 5G-Technik bedingt erhebliche Veränderungen in der Mobilfunkbranche – von den Halbleiterbausteinen über die Systemarchitekturen der Basisstationen bis hin zu den Netzwerk-Topologien. Dieser Beitrag zeigt auf, welche Vorteile auf Silizium-Substrat integrierte Galliumnitrid-Schaltkreise (GaN-on-Si) für multifunktionale „Monolithic Microwave Integrated Circuits“ (MMICs) und SoCs (Systems-on-a-Chip) für Hochfrequenz-(HF)-Anwendungen sowie optische Transport-Architekturen bieten. Die Verfügbarkeit dieser Bauteile ist entscheidend für den Auf- und Ausbau der Infrastrukturen für den zukünftigen 5G-Mobilfunk.

Im Halbleiterbereich hat die Kommerzialisierung der GaN-on-Si-Technologie den Weg zu mehr Leistungsdichte, Platzersparnis und Energieeffizienz bei Hochfrequenzkomponenten geebnet. Hinzu kommt: Bei höheren Stückzahlen liegen die Produktionskosten auf dem Niveau von LDMOS (Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor) und weit unter dem von GaN-on-SiC (Galliumnitrid auf Siliziumkarbid). Parallel dazu haben sich die Anwendungsmöglichkeiten für GaN erweitert. Sie gehen heute weit über die Einsatzgebiete diskreter Leistungstransistoren für HF-Anwendungen hinaus. Die mit dem Vordringen von GaN in die kommerzielle 4G-LTE-Infrastruktur erzielten Skalenfaktoren haben die Voraussetzungen für die Migration von GaN in den Markt für MMICs (Monolithic Microwave Integrated Circuit) geschaffen. Diese Technologie gibt Systemdesignern die Möglichkeit an die Hand, für zukünftige 5G-Systeme einen höheren Grad an Funktionalität und Integration zu erzielen.

Multifunktionale MMICs sparen Platz und senken Kosten

Das Entwickeln von HF-SoCs mit integrierten HF-, Analog- und Digitalschaltungen hat eine enorme Steigerung der Datenverarbeitungs-Geschwindigkeit über einen sehr weiten Frequenzbereich hinweg ermöglicht. Dies ermöglicht den Einsatz fortschrittlicher Direct-Sampling-Techniken. Auf Leiterplatten-Ebene gestattet dies den Verzicht auf diskrete Datenwandler, die nur in sehr spezifischen Frequenzbereichen arbeiten. Entwickler können somit Systeme designen, die weniger Platz beanspruchen und die hohe Flexibilität digitaler Systeme mit mehr I/O-Kanälen verbinden.

Auf der Ebene der Netzwerkknoten stellen zukünftige Mobilfunktechniken wie 5G sehr hohe Anforderungen an die Netzwerktechnik sowohl im Zugangs- (Edge) als auch im Kernnetz (Core). Denn je nach Anwendung stehen bei 5G sehr hohe Datenraten oder extrem kurze Latenzzeiten im Vordergrund. Durch eine ganzheitliche Sicht auf das Netzwerk von der Basisstation bis zu den Lichtwellenleitern – also gewissermaßen „from RF to Light“ – können Systemdesigner ein besseres Verständnis für die Herausforderungen und Chancen gewinnen, die sich mit einer Zusammenführung beider Technologien ergeben.

Mit GaN-on-Si GaN- und CMOS-Bauelemente auf einem Substrat fertigen

Die hohe Dichte umfangreicher MIMO-Antennenkonfigurationen (Massive Multiple-Input, Multiple-Output) – immerhin sind an einer 5G-Basisstation mehr als 256 Sende- und Empfangselemente möglich – macht die verfügbare Leiterplattenfläche besonders bei höheren Frequenzen zu einem raren Gut. Deshalb ersetzt man diskrete ICs und auf eine Funktion beschränkte MMICs in 5G-Basisstationen mehr und mehr durch multifunktionale MMICs. Neben der Platzersparnis durch die Integration mehrerer Funktionen in einem Bauteil sinken auch die Kosten, weil weniger Einzelgehäuse benötigt werden, die Designs weniger komplex sind und auch der Prüf- und Montageaufwand geringer wird. Außerdem profitiert die mechanische Zuverlässigkeit von der geringeren Anzahl an Schnittstellen.

Vor diesem Hintergrund kommt das Vordringen von GaN-on-Si in den kommerziellen Halbleitermarkt zu einem sehr günstigen Zeitpunkt. Die Skalierbarkeit von GaN-on-Si auf 8- und 12-Zoll-Wafer ermöglicht einen Grad an Kosteneffizienz, der für GaN-on-SiC unerreichbar ist. Bei einer Leistungsdichte, die mit LDMOS nicht realisierbar ist. Immerhin lässt sich die Leistung pro Flächeneinheit um mehr als das Vier- bis Sechsfache steigern. Mit GaN-on-Si lassen sich GaN-Bauelemente und CMOS-basierte Bausteinen auf einem Chip integrieren. Das ist mit GaN-on-SiC aufgrund prinzipieller prozessbedingter Restriktionen nicht möglich. So werden mit GaN-on-Si multifunktionale, digital unterstützte HF-MMICs möglich, die mit eingebauten digitalen Steuerungs- und Kalibrierfunktionen, integrierten Stromverteilungs-Netzwerken und mehr ausgestattet werden können.

HF-SoCs verarbeiten Signale sehr effizient

Infrastrukturausrüstungen für 5G-Basisstationen profitieren von solchen multifunktionalen HF-MMICs auf GaN-on-Si-Basis. Durch das Einbinden von HF-Datenwandlern, die Abtastraten von mehreren Gigasamples pro Sekunde (GS/s) für eine schnelle Datenverarbeitung über einen sehr breiten Frequenzbereich erreichen, ermöglichen HF-SoCs eine rationellere Implementierung der Daten-Pipeline und eine Skalierung der HF-Kanäle. Mittlerweile werden HF-SoCs auch auf dem kommerziellen Markt angeboten.

In Empfängern mit konventioneller Superheterodyn-Architektur müssen die Signale zunächst zu Basisband-Signalen umgesetzt werden, was einen Mischer und zusätzliche Schaltungen erfordert. Ein HF-Signal von 2,4 GHz beispielsweise für 4G-LTE müsste also in den Megahertzbereich transformiert werden, damit es von einem herkömmlichen, langsameren A/D-Wandler (ADC) abgetastet werden könnte. Damit der gesamte Frequenzgehalt in das erste Nyquist-Band fällt, muss die Abtastung innerhalb des ADCs mit der dreifachen Frequenz des HF-Signals erfolgen. Ein 2,6-GHz-Signal müsste dafür also mit nahezu 8 GS/s quantisiert werden. Dies aber übersteigt die Fähigkeiten konventioneller ADCs bei weitem. Diese erreichen typisch nur maximal 3 GS/s im Bereich von 400 MHz.

Direktes Abtasten von HF-Signalen mit bis zu 56 GS/s

Eine neue Generation von HF-SoCs überwindet diese Hürde dank der Fähigkeit zum Abtasten von Signalen mit bis zu 56 GS/s. Dies macht das direkte Abtasten von HF-Signalen mit sehr hohen Frequenzen möglich, wobei die Option zum Downsampling besteht. Die Möglichkeit der digitalen Abtastung erlaubt den Verzicht auf herkömmliche Superheterodyn-Empfänger und diskrete Datenwandler. Gleichzeitig wird auch die für Superheterodyn-Lösungen erforderliche Exciter-Technik entbehrlich.

HF-SoCs können viele Kanäle auf wenig Platz unterbringen. Von der Funktion her lassen sich in einem rund 12 mm x 12 mm großen IC zwischen 4 und 16 Kanäle implementieren – dafür sind bei einem herkömmlichen Aufbau mehrere Leiterplatten erforderlich. Das ist vergleichbar mit der Verringerung des Platzbedarfs und der Verbesserung der I/O-Fähigkeiten, die sich durch die Entwicklung vom Wählscheibentelefon zum mobilen Smartphone ergeben hat. Angesichts der absehbaren Umstellung auf HF-CMOS-Technologie mit 7-nm-Strukturen wird außerdem die Kanaldichte weiter zunehmen und die Leistungsaufnahme sinken.

HF-SoCs ermöglichen kohärentes Beamforming

Langfristig werden HF-SoCs weitgehend verzerrungsfreie Signale zur Realität. Mehrdeutigkeiten und Mängel, die früher nicht korrigierbar waren, werden sich umgehend beheben lassen. Auf der Systemebene wird die Integration mehrerer Funktionen und der reduzierte Bauteileaufwand zu entscheidenden Verringerungen des Platzbedarfs, des Stromverbrauchs und der Kosten führen, um bezahlbare 5G-Infrastrukturen möglich zu machen.

Darüber hinaus werden HF-SoCs den Aufbau von Systemen ermöglichen, die kohärentes Beamforming unterstützen. Diese aktive Phased-Array-Antennentechnik kommt in fortschrittlichen Radarsystemen zum Einsatz und kann die Leistungsfähigkeit von Basisstationen im Bereich unterhalb von 6 GHz maßgeblich verbessern. Beim kohärenten Beamforming arbeitet jedes Sende- und Empfangselement eines massiven MIMO-Arrays mit anderen zusammen, um die Sendeleistung und Empfängerempfindlichkeit in Richtung der jeweiligen Teilnehmer dynamisch zu steigern. Gleichzeitig werden hierdurch Rauschen, Störungen und Reflexionen von anderen Quellen unterdrückt. Mit einer Kombination aus GaN-on-Si, HMICs (Heterolithic Microwave Integrated Circuits) und kohärentem Beamforming können Systemdesigner unter Einhaltung der engen Größenbeschränkungen massiver MIMO-Arrays ein hohes Maß an Energieeffizienz erzielen.

Von der Luftschnittstelle zum Lichtwellenleiter

Betreiber von Mobilfunknetzen und Hyperscale-Rechenzentren stehen auf dem Weg zur 5G-Technik vor der Aufgabe, Daten so schnell und so kosteneffizient wie möglich zu transportieren. Wenn man die parallelen Fortschritte im Bereich der HF-Technik und der optischen Lösungen vereint und integriert, wird sich deutlicher abzeichnen, auf welche Weise Innovationen im Bereich der einen Technologie Auswirkungen auf die Entwicklung der jeweils anderen haben können.

Die schnellere Datenverarbeitung und der gesteigerte Durchsatz der HF-Basisstationen bedingen beispielsweise das Umstellen der optischen Transceiver-Module von 100G auf 400G. Ganz besonders gilt dies für Rechenzentren, in denen die Portdichte angesichts schnell zunehmender Datenvolumina fortlaufend gesteigert werden muss.

Der allgemeine Trend zu höheren Integrationsgraden und weniger Bauteileaufwand ist ein entscheidender Faktor auf dem Weg zu 400G-Modulen, bei denen das Single-Lambda- oder Single-Wavelength-Modulationsverfahren PAM-4 für einen Wandel bei den Modularchitekturen sorgt. 100G-Transceivern kommen dank der Single-Lambda-PAM-4-Technik mit nur noch einm Laser aus. Optisches Multiplexing ist zudem nicht länger nötig.

Hohes Innovationstempo in der "Silicon-Photonics"-Technologie

Die Tatsache, dass für 400G-Implementierungen nur noch vier optische Baugruppen benötigt werden, bietet den Betreibern von Rechenzentren die Chance, ihre Kosten mithilfe eines extrem kompakten und energieeffizienten Moduls zu senken. Diese Innovation im Bereich der Hyperscale-Rechenzentren wird in nicht allzu ferner Zukunft auch die drahtlosen Netzwerkknoten erfassen.

Bei den Halbleitern wird das zunehmende Innovationstempo im Bereich der „Silicon-Photonics“-Technik die Zusammensetzung der nächsten Generation multifunktionaler MMICs verändern, indem etablierte CMOS-Prozesse zur Herstellung Tausender optischer Bauteile auf einmal genutzt werden, wenn sich On-Wafer-Substrate auf kommerzielle Fertigungstechniken stützen. Durch die kosteneffiziente Integration GaN-basierter HF-Bauelemente mit optischen Komponenten auf ein und demselbem Siliziumsubstrat sind deutlich weniger Schnittstellen zwischen HF- und Opto-Komponenten erforderlich. Insgesamt führt die Technik zu saubereren Signalen, die auch noch schneller über das Netzwerk übertragen werden.

Bis es so weit ist, werden die kontinuierlichen Fortschritte in der GaN-on-Si-Technologie sowie bei den Multifunktions-MMICs und HF-SoCs der HF- und Mikrowellenbranche die Möglichkeit geben, auf dem Weg zur 5G-Konnektivität elegantere, höher integrierte und kosteneffektivere Mobilfunk-Systemarchitekturen zu realisieren.

* Tony Fischetti ist Vice President und Chief Architect von MACOM

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