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6G开启的芯片春天
发布时间：
2023-03-21
作者：
恩纳基智能科技
6G的春风吹起，芯片企业开始动了。
从1G到5G的发展过程中，1G定义了语音；2G实现了移动通信语音业务以及一些数字消息业务；3G定义了移动互联网；4G则是发展了移动互联网最佳的解决方案；5G的到来开始推动智能家居、远程医疗等应用的发展。
在两会期间，工信部部长金壮龙表示：我国已经建成规模最大、技术最先进的5G网络，现在我们国家5G方面已经名列世界前列，未来将加强国际合作，加快6G技术的研发。
随着5G规模化商用进入快车道，世界主要国家和地区纷纷启动6G研究。我国同样也提出“前瞻布局第六代移动通信（6G）网络技术储备，加大6G技术研发支持力度，积极参与推动6G国际标准化工作”。
6G的不断推进，将给芯片行业带来更多的市场与机会。
01、6G将开启万物智联
与5G相比，6G不仅仅是提升通信传输速度这么简单，如果说5G是打通了平面世界中的“万物互联”，那么6G即将打造立体世界的“万物智联”。也正因此，6G被赋予了更多的性能，强调“随时随地随心的智慧网络”的理念。
与5G相比，6G将包含移动蜂窝、卫星通信、无人机通信、可见光通信等多种网络接入方式，构建空天海地一体化网络，实现全球无缝连接。不仅在传输速率、端到端时延、可靠性、连接数密度等方面比5G会有大幅度提升，6G还将与人工智能技术深度融合，构建智能化网络，实现物理世界和虚拟世界的链接，实现人-机-物-虚拟空间互联互通，为元宇宙打下坚实根基。
5G与6G的性能对比 来源：物理学报
相比5G，6G峰值速率将提升10倍，用户体验速率将提升2倍至3倍。在传输性能上，根据ITU的IMT-2020要求定义，5G的峰值理论数据速率最高可达20Gbps下行和最高10Gbps上行，6G的理论上的下行链路数据速率可能高达每秒1太比特（1Tbps或1000Gbps），延迟以微秒为单位。
提升数据传输速率需要频谱资源的支持，需要更高的频段、更宽的频谱。在频谱方面，6G将支持5G使用的所有频段——低频段(<1GHz)、中频段(1-7GHz)和毫米波(24-100GHz)，此外还涵盖了最高达3000GHz太赫兹。由于其更广泛的频谱使用范围，将提供更好的覆盖范围和更高的可靠性。
6G线路图（2021-2041）
为了实现6G无线通信技术，世界各国提出了各种技术方案，关键的技术包括太赫兹(THz)技术、新型波束技术、多址接入技术、信道编码技术、大规模多输入多输出(MIMO)技术及频谱管理等。
02、6G芯片工艺技术需求
在晶圆制造的进程中，移动通信的市场需求一直在驱动半导体工艺的发展。由于越先进的制程能够带来更好的芯片性能和更低的功耗，在5G时代，终端芯片厂商都在追求更先进的制程。目前市场的5G手机搭载的通信芯片中7nm的制程已经成为厂商的首选。高通骁龙865Plus、华为海思麒麟9905G、联发科天玑1000+均采用7nm工艺制程。
7nm制程的通信芯片表现不俗，根据中国移动发布的2020年《5G芯片评测》，华为麒麟990平均下载速率已经达到800Mbps，高通骁龙865、联发科天玑1000+平均下载速率也达到700Mbps。到了6G时代，终端芯片厂商对于芯片工艺的追求将再次提高，开始朝着1nm甚至是更低的节点迈进。
紫光展锐的首席技术专家潘振岗在接受采访时也提到：“5G时代使用的是12nm FinFET，预计7nm、5nm将延续较长的时间，之后将进入3nm GAA、2nm GAA时代。6G时代将始于1.5nm GAA，在与1nm和0.7nm GAA等效后实现大发展。” 在芯片的集成方面，未来6G终端将会面临高集成度、高复杂度、小型化、低功耗以及芯片器件异构等需求，SoC和SiP两种方案结合可以在追求半导体工艺提升、器件材料创新的同时，创造更多应用价值。
不过，芯片工艺的复杂对于我国终端芯片来说仍然是一大挑战。中国工程院院士邬贺铨曾分析：“5G时代终端复杂性高，要处理多频多模、大规模天线，操作系统复杂，对算力有比较高的要求，对芯片工艺要求高。6G终端如果按同样的逻辑会更复杂，对中国来说终端芯片的短板会更加突出。”
03、6G带来的芯片机会
上文提到了6G芯片将会采取多种频谱，而其中涵盖的波频包括毫米波与太赫兹频率(100-1000GHz)都能给射频类核心芯片带来新的机遇。
毫米波芯片
毫米波芯片是能够实现在毫米波频段进行信号收发的IC器件。由于毫米波相控阵芯片集成了毫米波技术和相控阵原理，技术难度高，在过去主要应用在军工领域。得益于5G、6G通讯的快速迭代，毫米波才得以打开民用市场，成为全球通信产业的一大发展方向。任正非曾表示：“华为在5G技术方面的成功，是因为押中厘米波；而6G的毫米波是大方向。”
毫米波芯片方面，英特尔于2017年11月发布了XMM80605G多模基带芯片，该芯片同时支持6GHz以下频段和28GHz毫米波频段。2020年，高通发布了第三代5G调制解调器到天线的解决方案--骁龙X60。骁龙X60使用5nm制程的5G基带，同时也支持毫米波和Sub-6GHz聚合的解决方案。国内的进展方面，华为首款毫米波AI超感传感器已经正式亮相。中兴通讯基于RIS毫米波，进行了RIS的街区覆盖场景的探索。试验表明，无RIS的场景，会限制有效覆盖范围，而增加了RIS的情况下，覆盖范围得到了增强和扩展。
太赫兹波芯片
作为6G发展的关键频段，在通信的传播方面，太赫兹波有很大优势。
首先，是太赫兹波对于不同环境适应能力更强，它能够对光束进行跟踪和校准，能够穿透木料、陶瓷、塑料、脂肪等阻挡物；其次，太赫兹波的能量较小，对于人体不易造成伤害，有更高的安全性；最后，太赫兹波的性能决定了未经授权的用户很难从较窄的THz波束中进行窃听,这保证了消息的机密性。通过使用当前的硅制造工艺设计和生产小型化平台，新型高速THz互连芯片将很容易集成到电子和光子电路设计中，并将有助于将来THz的广泛采用，包括：大数据中心、物联网设备、大型多核计算芯片、远程通信、大气与环境监测、实时生物信息提取与医学诊断等领域。
因此，在太赫兹波发展的过程中，能够带动太赫兹波相关的芯片。
2020年,南洋理工大学Ranjan Singh教授团队和大阪大学Masayuki Fujita、Tadao Nagatsuma教授团队联合研发一款超高速太赫兹无线芯片，实现了高效、可集成、低成本的THz拓扑光学片上通信, 并利用该芯片实现了实时传输未压缩的4 K高清视频。
850吉赫单路外差式接收机部分芯片实物图
2021年国内航天科工通信研究院研制出850吉赫太赫兹芯片，采用国内自主研发工艺单片设计，采用单片电路集成，电路实现与装配方案在国内均处于领先水平等。2022年6月，国内首家实现频率超300GHz CMOS太赫兹芯片公司太景科技（南京）有限公司正式宣布完成数千万元Pre-A轮融资。
不过，现在用于长距离通信的太赫兹射频芯片主要还是使用III－V族半导体HEMT和HBT晶体管实现射频相关的工作。由于赫兹射频芯片仍然不太成熟，输出功率无法大范围覆盖，小型化程度不高，还达不到6G网络商业化的要求。未来较长一段时间内5G仍是流量主要承载网。
04、6G什么时候到来？
国内的6G布局很早。2019年开始，华为就在加拿大渥太华成立了6G研发实验室，开始研发6G技术，与5G技术齐头并进。后来，中兴也表示开始向着6G网络的方向进行研发。清华大学和中国移动在2020年5月30日表示将会共同开展面向6G的未来移动通信网络、下一代互联网和移动互联网、工业互联网、人工智能等重点领域的研究。
现在，工信部也表示将全力推进6G创新发展，优化芯片、新材料等支撑产业的发展布局。如果6G的发展按照历史上的10年节奏进行，我们可以期待在2030年左右看到第一个商业网络——也许在世界上较早部署5G网络的部分地区，例如中国。
6G的春风吹起，芯片企业开始动了。
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