5G et GaN :futures innovations

Il est facile d'oublier que le GaN est encore une technologie relativement jeune. Nous sommes encore dans les premières générations de développement avec beaucoup de potentiel d'amélioration et de raffinement. Cet article examine certaines des innovations GaN à l'horizon et prédit leur impact sur l'alimentation de la station de base au cours des prochaines années.

Densité de puissance

Nous nous attendons à ce qu'au cours des trois à cinq prochaines années, nous constations des améliorations des capacités de densité de puissance déjà substantielles du GaN. Il existe déjà des moyens d'atteindre une densité de puissance plus élevée en utilisant GaN aujourd'hui, mais les coûts sont extrêmes là où cela n'a pas été faisable d'un point de vue commercial. Par exemple, mettre du GaN sur du diamant au lieu du carbure de silicium. C'est possible, mais les dépenses ne le rendent pas réaliste pour les stations de base. Pourtant, il existe d'autres processus rentables en cours de recherche qui amélioreront la densité de puissance brute du matériau au cours des années à venir.

L'attrait sur le marché des infrastructures 5G est évident :des stations de base moins chères, plus efficaces et à plus large bande passante. Il y a aussi un vif intérêt de la part d'autres industries. Les applications radar en particulier en bénéficieraient, car elles visent à générer autant de puissance et d'efficacité que possible dans un espace donné. À mesure que le GaN prolifère dans ces sous-marchés, les économies d'échelle augmentent et le prix continuera de baisser.

Linéarité

Sans aucun doute, la plus grande priorité de l'industrie des semi-conducteurs GaN pour les stations de base est l'augmentation de la puissance linéaire. Les efforts de R&D sont tous axés sur l'amélioration de l'efficacité linéaire au cours des deux prochaines années.

Dans le même temps, nous nous attendons à ce que les schémas de modulation des stations de base ne changent pas de manière significative au cours des trois à cinq prochaines années. Cela se résume à un simple calcul de bits par hertz. Que vous exécutiez 256 QAM ou 1024 QAM, un système va obtenir un certain nombre de bits par hertz de bande passante. Si ces chiffres ne changent pas de manière significative, le moyen idéal de générer davantage d'un système consiste à améliorer l'efficacité linéaire.

Cela ne veut pas dire qu'il ne peut pas être traité avec une puissance accrue de l'appareil fondamental. Même sans amélioration de la linéarité, l'efficacité énergétique globale du PA fournira toujours des améliorations de signal. Cela aide également les concepteurs à réduire les systèmes, car ils nécessitent moins de puissance système et moins de réseaux d'antennes. Bien que les solutions de puissance supplémentaire ou de deuxième niveau fonctionnent, l'objectif des fournisseurs de GaN de l'industrie est de réduire les effets de piégeage afin que les systèmes deviennent aussi simples que possible.

Température

La température des stations de base continue d'augmenter avec le temps. Il y a cinq ans, la norme était de spécifier des appareils à 85 °C. Les équipementiers ont poussé ce chiffre jusqu'à 105 °C, et l'on s'attend à ce que les concepteurs de stations de base soient invités à s'adapter à des températures de 125 °C. La plupart des appareils GaAs ont une température maximale de 150 °C, ce qui ne vous donne qu'une élévation de 25 °C pour travailler à l'intérieur. Les fournisseurs de GaN devront travailler en étroite collaboration avec les concepteurs de systèmes pour trouver des moyens créatifs de garder les éléments intégrés au frais. Cette pression sera plus aiguë dans les unités extérieures plus petites avec des matrices MIMO massives. Des solutions créatives existent aujourd'hui, mais pas à un prix rentable. Nous nous attendons à ce que cela change au cours des prochaines années.

Solutions holistiques

Chaque fournisseur de GaN affine la physique des dispositifs GaN pour améliorer l'efficacité linéaire, la densité de puissance et la fiabilité tout en réduisant les effets négatifs du piégeage, de l'effondrement du courant et de la dérive du courant, par exemple. Cela peut être fait dans une certaine mesure au niveau de l'appareil, mais pour atteindre leur plein potentiel, les systèmes RFFE de station de base doivent être développés en tandem avec la chaîne d'architecture totale, et c'est là que nous voyons beaucoup d'activités prospectives aujourd'hui.

Ceci est particulièrement critique alors que l'industrie passe des solutions LDMOS aux solutions GaN. La technologie est fondamentalement différente. Ce n'est pas aussi simple que de remplacer par un PA GaN et d'attendre une meilleure efficacité de 10 points. Il existe différents problèmes de système et solutions. Une station de base optimisée pour LDMOS peut ne pas être appropriée pour un PA GaN, et vice versa. L'optimisation des systèmes de stations de base pour GaN doit être effectuée de manière holistique.

Nous commençons à voir cette tendance maintenant, et nous nous attendons à une adoption plus large au cours des prochaines années, car les résultats de performance parlent d'eux-mêmes. Les concepteurs intégrés qui travaillent avec les fournisseurs pour combler cet écart de conception holistique se positionneront comme des leaders de l'industrie. Les équipementiers diront bien sûr qu'ils utilisent déjà une approche au niveau des systèmes. Nous ne contesterions pas ce fait, mais nous pensons qu'il y a d'autres gains à faire, d'autant plus que les parties RF de la chaîne deviennent plus intelligentes et plus intégrées.

RF intelligent et intelligence artificielle

L'atténuation des pièges a été un problème pour tous les matériaux semi-conducteurs, et le GaN ne fait pas exception. Les applications de commutation à grande vitesse peuvent créer des environnements de piégeage extrêmement difficiles pour les amplificateurs de puissance GaN. La résolution de ces effets de piégeage peut être complexe car les comportements du PA peuvent dépendre des signaux précédents reçus par le PA. L'approche traditionnelle consisterait à l'aborder au niveau de la couche physique, jusqu'au substrat, pour s'attaquer à la cause du comportement problématique. La technologie actuelle n'a pas encore été en mesure d'atténuer complètement le piégeage de cette manière, mais elle est toujours à l'étude en R&D.

Une autre méthode pourrait consister à utiliser des algorithmes logiciels pour prédire les variations qui conduisent au piégeage. Avec des contrôleurs RF intelligents et une compréhension suffisamment approfondie des conditions préexistantes, les appareils pourraient potentiellement identifier les modèles de trafic et prédire le prochain pic d'activité. Ou, reconnaissez une baisse d'activité et modifiez les choses au niveau du contrôleur pour réduire la consommation d'énergie. Cela a été fait pendant de nombreuses années dans les stations de base, mais des efforts continus sont en cours pour améliorer les techniques.

C'est pourquoi les équipementiers envisagent de mettre en œuvre l'intelligence artificielle au niveau radio. Les systèmes RFFE pourraient s'optimiser au fil du temps. Théoriquement, si une radio sur le terrain génère un défaut, elle pourrait auto-identifier l'erreur et « apprendre » de l'erreur. Ensuite, la prochaine fois, cela pourrait empêcher la série d'événements qui ont créé le défaut, ou potentiellement le réparer. Il ne serait pas nécessaire de signaler le transporteur, d'envoyer un camion et de mettre des personnes dans la tour pour résoudre des problèmes mineurs. Comme vous pouvez l'imaginer, cela éviterait des temps d'arrêt et des dépenses importants.

6G

Même si la 5G n'en est qu'au début de son déploiement, les discussions pour la 6G commencent déjà. Les premières prédictions suggèrent que la 6G sera livrée dans des bandes de fréquences bien supérieures à 100 GHz, fréquences que nous savons prendre en charge par GaN. Très probablement, ce type de solution ne sera pas un déploiement traditionnel de tour de téléphonie cellulaire, mais quelle que soit la forme qu'elle prendra, nous pensons que l'efficacité de GaN à hautes fréquences et sur de larges bandes passantes rend essentielle la transformation de la 6G en réalité.

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Roger Hall est le directeur général des solutions de haute performance chez Qorvo, Inc., et dirige la gestion de programmes et l'ingénierie d'applications pour les marchés de l'infrastructure sans fil, de la défense et de l'aérospatiale, et de la gestion de l'alimentation.

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