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本文來自格隆匯專欄：半導體行業觀察 作者： SRC

2021年1月發佈的SRC十年計劃概述了模擬電子技術的新發展軌跡。在路線圖這一章節中，總結了模擬信號處理的短期、中期和長期前景，因為它涉及驅動模擬硬件的新興應用和趨勢。模擬組件硬件對世界機器接口、傳感、感知和推理系統至關重要。來自物理世界的信息是模擬的，世界上數量呈指數級增長的傳感器正在創建大量模擬輸入，這些信號的數字化將創建一個龐大的數字數據負載，這幾乎不可能在下游數字處理器中使用。模擬信號處理或“模擬邊緣”處理可以幫助減少必須數字處理的信號數量。在以下小節中，我們將介紹：

1.模擬和混合信號計算必須如何進行縮放以適應“模擬邊緣”處理

2.適應更大帶寬、更高吞吐量和更精細分辨率所需的數據轉換器的發展方向

3.物理電纜和管芯到管芯接口；安全傳感器融合；計時系統；以及功率減輕技術。

在許多需要模擬/混合信號領域創新的應用驅動因素中，主要驅動因素包括跨通信網絡和計算的低成本和能量優化，以及高通量、低延遲和高帶寬6G無線通信傳感和高性能數據中心。

上述新興應用的性能和功率效率要求推動2.5D/3D架構，這帶來了成本、設計方法和熱管理方面的挑戰。技術節點正朝着5納米以下的節點發展，這些節點包括柵極晶體管、納米片和基於叉片的器件。先進的封裝在將大型系統縮小到納米級實施中也發揮着重要作用。

在本節中，我們將回顧模擬和混合信號處理的各個方面，以及在未來五到十年中，每個方面的進展情況。每一個不同的領域都概述了規範和指標在十年內的發展。

模擬和混合信號計算

未來十年，模擬電路將不斷髮展，以利用成千上萬的專用於模擬任務的設備。前幾年的模擬設計取決於一些設備的詳細性能：放大器的輸入級，或典型PLL電路的元件——這些可以作為電路圖繪製，並通過仔細檢查單個設備的行為來理解和改進。

未來十年裏，在非常小的器件中，這種已知的模擬設計技術可以通過多個小器件的串並聯來繼續，實際上，就是使用小型器件陣列來近似模擬更復雜的器件。

然而，由於使用了成千上萬的小型器件，它們的連接方式不必是簡單的串聯或並聯形式。模擬設計的一個新領域可以使用複雜的互連。舉個例子，無處不在的吉爾伯特乘數是六個器件的某種連接，產生乘數作用；在先進技術中，將連接數萬個器件以創建例如FFT或語音活動檢測器等。我們現在已經超越了原理圖時代，進入了一個新的可能基於高級語言的設計框架，該框架將支持這些形式的模擬設計。

模擬FFT是一種先進製程的新模擬方法的示例，在一項研究中，通過輸出數萬個具有複雜互連的設備的工具和技術，演示了模擬FFT在模擬域中以>12位、低延遲性能運行的可能性。這樣的設計主要是佈局的偽影：金屬間電容等，以及其他只有在佈局完成後才可見的寄生效應。因此，為了實現這些新的模擬設計，需要CAD工具來創建原型佈局，並允許工程師始終對物理佈局造成的工件進行估計。

新的模擬設計師將把版圖作為設計流程的一部分，這在足夠複雜的CAD工具下是可以實現的，與其將佈局偽影視為障礙，不如在設計中使用它們來降低功耗並提高精度。例如，在模擬FFT處理器的設計中，必須滿足兩個挑戰：每個模擬神經元的係數值以及到下一層的非常複雜的連接。複雜的連接引入了明顯降低性能的磁道間電容，但一個足夠複雜的CAD工具實際上可以使用這些寄生效應在FFT中創建所需的係數。因此，我們目前的階段是，在設計圖完成之前，模擬設備的功能甚至不是很明顯。

諸如模擬FFT之類的模擬信號處理塊可以對與數據轉換器之類的模擬數據處理塊交互的模塊施加新的要求。許多模數轉換器（ADC）的傳統時分複用可以用頻分複用代替，當這樣做時，ADC的要求是信號的創新，而不是由時分複用引入的任意高速。在電信系統中，ODFM的任何給定頻率中的創新遠遠小於當前系統的載波或時分複用作用。因此，這樣可以節省功率並提高速度。

高級節點和模擬信號處理的其他方面：有限柵極電流（隧穿電流）

在現有技術的放大器中，採用了某些基極電流減小技術。這些是通過使用鏡像等佈局的基極電流的開環估計，以近似抵消放大器的輸入電流。該方法可用於先進的薄柵FET工藝中，以實現不止一階抵消。具體來説，可以創建完全電容耦合的連續時間信號鏈，其中DC工作點由放大器輸入處的可變隧穿電流控制。這樣做的優點是信號路徑元件不產生噪聲，並且開關電容器設計中通常存在的kT/C噪聲被限制在信號的子帶區域。這是目前在醫療設備中使用的技術，但如果用受控的柵極隧穿電流代替已知技術的電阻FETS，將導致更低的功率和更高的性能。這是另一個例子（類似於上面提到的軌道間電容），可以被認為是先進技術節點上可以提高性能的有益效果。

圖1 未來五到十年的模擬信號處理

新興模擬信號處理

近年來，基於邊緣計算的物聯網系統中已經出現了用於AI/ML的模擬內存計算，這正是得益於其低能耗運行。由於計算或傳感動作的納米級性質，基於生物傳感和生物計算的新興組件需要模擬處理。當採用跨模擬和數字領域的混合處理方法時，大規模MIMO陣列處理已經實現了最佳能效運行，並充分利用了兩者的優點。完全同態加密和隱式邏輯是模擬計算的一個巨大機會，在模擬計算中，輸入端沒有DAC，輸出端沒有ADC，從而實現隱式方程解。

近零功率處理

對於通常在需要較低功率ADC/DAC的生物醫學應用中看到的能量採集系統，需要接近零功率處理。這要求每個信號的傳輸線使用有限，並且要求對信號路徑中的一階單極不敏感的信號能夠做到快速穩定。也可能需要增加隱性信號的使用。

總結

模擬/混合信號處理中出現的共同主題是，當模擬處理機會出現時，必須利用這些機會，大膽地將模擬和數字之間的傳統邊界移動到模擬信號領域，並在能效或性能保證做出這樣的決定時，移動邊界以實現模擬信號領域的更多處理。

數據轉換器

如SRC半導體十年計劃中所述，數據轉換器（即模數轉換器ADC和數模轉換器DAC）將在從智能傳感到邊緣計算的廣泛應用（如機器學習）中發揮越來越重要的作用，未來幾年將需要性能範圍極其廣泛的數據轉換器（見圖2）。

圖2:數據轉換器領域：程序、分辨率和吞吐量

要達到這些性能水平，需要在工藝技術、應用程序和系統級架構以及數據轉換器架構本身等各個方面進行創新。工藝技術的進步通常有巨大作用，因為在大多數情況下，隨着幾何形狀的縮小，晶體管變得更快，能夠更有針對性地對模擬/混合信號應用提供一些顯著的優點，例如改進的隔離和嚴格控制的閾值電壓的高速雙極晶體管。然而，在針對高性能數字應用的CMOS技術（例如，5nm CMOS）的情況下，電源電壓持續收縮，佈局依賴效應（LDE）變得更加普遍，實際上使得設計具有所需性能的數據轉換器更具挑戰性，這推動了系統和數據轉換器體系結構層面的創新需求。

如圖2所示，有非常廣泛的新興應用程序需要有顯著改進的數據轉換器性能。例如，考慮先前提出的用於模擬域中更多信號處理的模擬和混合信號計算技術，以及用於邊緣處理的數據轉換器架構，如SRC十年計劃第1章所述，實現了對模擬到信息的高效和低延遲感測。新興應用的另一個示例是在使用幾百伏的EV電池管理應用中準確地感測低頻/DC電流信號，像這樣的應用需要專門的模擬前端處理技術和架構。

在中頻範圍內（例如，100KSPS至500MSPS），隨着體積和所需性能的增加，從高保真數字音頻到醫療應用（例如MRI和超聲）到汽車應用（例如，電機控制和安全（例如，安全氣囊控制））的應用也將需要顯著改進的性能（例如，成本、功率、精度、魯棒性等）。由於這些應用中的許多要求高精度、低失真性能，以及抗干擾性，並且在廣泛的操作條件下特別可靠，因此以低成本和低功率滿足這些要求的數據轉換器架構將變得越來越重要。另一個例子是ADC的車載無線電接收器，它從接收到的信號中產生高保真音頻。在這種情況下，無雜散動態範圍（SFDR）是關鍵規範。對於可能影響人們健康和生活質量的醫療和安全應用，此類要求變得更加重要。可能應用於該應用領域的新數據轉換器架構包括人工智能（AI）、機器學習（ML）輔助、基於時間的混合SAR/流水線ADC等。

此外，還有極為廣泛的新興應用，從5G/6G通信到高速串行鏈路，再到需要超高速、高性能數據轉換器的FMCW/PMCW汽車雷達。例如，對於6G小基站和用户駐地設備（CPE）使用情況，需要具有約10b、10G/s性能的ADC和DAC。鑑於此應用需要大量的信號處理，數據轉換器必須在與信號處理相同的SOC上實現，這就提出了“劃分”的關鍵問題。在許多情況下，不斷改進的異構封裝能力使關鍵IP能夠以該IP的最佳工藝技術開發，然後與其他系統組件一起封裝，這些組件也已經以不同但最佳的工藝技術實現，以實現最佳的整體解決方案。但是，如上文所述的6G小基站/CPE使用案例所示，也有一些情況下，關鍵數據轉換器必須以非最佳的工藝技術開發。

用於汽車雷達的數字調製雷達（DMR）（例如，PMCW）代表了另一個示例，其中所需的數字信號處理要求將數據轉換器集成在同一芯片上。因此，一方面，需要儘可能利用具有超高速和分辨率的優化工藝技術（例如FDSOI或SiGe BiCMOS）的ADC和DAC，另一方面，在主要用於數字（例如，5nm CMOS）的工藝技術中也需要超高速和高分辨率ADC和DAC。當最佳工藝技術可用時，可以優化諸如連續時間∑-Δ或流水線ADC等常見的架構，以滿足應用需求，但隨着應用需求的增加，特別是當使用非最佳工藝技術時，就必須開發新的創新架構。

用於超高速應用的新興架構的示例包括由Analog Devices發佈的連續時間流水線ADC、由俄勒岡州立大學和IMEC的研究人員發佈的基於環形放大器的架構，以及基於時域的ADC架構，如加州大學聖地亞哥分校和德克薩斯A&M大學的研究人員發表的那些。對最佳時間交錯技術的廣泛研究正在進行中，未來依舊需要繼續。還必須指出，在高速、高性能應用領域，對相應高性能時鐘的需求同樣至關重要。例如，上面描述的用於6G小基站/CPE的10-b、10Gs/s ADC使用情況將需要ADC採樣電路的時鐘具有~40fs rms抖動，這顯然不是一個簡單的要求。這一需求還將推動數據轉換器和時鐘IP開發人員之間的密切合作。

對於上述所有應用/使用情況，最重要的衡量標準是所開發的數據轉換器是否能在預期應用中在工藝、電壓和温度上實現高產量、穩健/安全的長期運行。例如，在FMCW雷達收發機中，最關鍵的規範之一是SFDR，因為在處理之後，來自目標的接收信號在ADC輸出中顯示為雜散，並且由ADC自身生成的雜散明顯低於來自任何目標的雜散是非常關鍵的。一旦驗證數據轉換器在預期應用中工作，則可以使用Walden或Schreier FOM等其他性能指標（FOM）來比較性能。

為了穩健/安全運行，需要改進模擬/分析工具以滿足上述即將到來的數據轉換器需求。例如，如《角落模型：最佳時不準確，而它只會變得最差》中所述，用於模擬/混合信號設計的傳統PVT仿真技術不準確且不充分，需要更加魯棒的統計仿真技術。此外，隨着所需數據轉換器的速度和分辨率的提高，以及所使用的工藝技術變得越來越複雜，具有所需精度的模擬變得越來越難完成，並且需要更長的時間。另一個關鍵的仿真需求是需要隨着器件的老化對電路行為進行建模和預測。因此，還需要通過數據轉換器設計者和工具開發人員之間的協作來增強仿真、建模和佈局能力。

用於蜂窩應用的數據轉換器

蜂窩數據轉換器可以大致分為基站和用户設備（UE）。在這兩種情況下，都強烈希望用一個ADC或DAC覆蓋整個頻帶，這應該是未來研究的重點。對於ADC來説，這通常意味着數100MHz的帶寬，而對於DAC來説，這大約是帶寬的4到5倍。DAC必須具有比信道更多的帶寬的原因是通常採用PA預失真和/或包絡跟蹤，這需要更寬帶寬的 DAC。

動態範圍要求為中等硬度，約70-75dB/100MHz載波。低功率和低成本（即小面積）對於所有用户設備情況以及基站數據轉換器來説都非常重要，儘管程度稍低。對於ADC轉換器，趨勢是向RF採樣靠近，這意味着RF信號將直接由ADC採樣。

隨着無線電向越來越小的節點移動，與模擬計數器部件相比，數字邏輯的相對成本、面積、功率和速度都有所提高。未來的研究可以探討如何利用數字的力量來改進數據轉換器。一個例子是DAC內部的噪聲消除，以避免DAC之後昂貴的外部濾波和ADC的數字校準，以使其更好的容錯性。

通常，對於蜂窩ADC，關鍵度量不是SNDR，而是ADC在存在帶外干擾信號時處理帶內載波的能力。對於DAC的相似性，目標通常是生成良好的帶內信號，同時產生最小量的帶外（即RX頻帶）噪聲。

總結

未來幾年將需要性能範圍極其廣泛的數據轉換器，以滿足新興應用的廣泛系統需求。採用5nm以下的數字中心CMOS技術設計的數據轉換器將面臨更普遍的佈局依賴效應（LDE），這使得高性能數據轉換器設計更具挑戰性，需要更多的“數字化”，並將需要在系統和數據轉換器架構層面進行創新。6G系統需要高分辨率（>10位）和至少10GS/s的性能；鑑於將需要大量的信號處理，數據轉換器將需要以相同的數字技術實現，甚至可能集成一些數字前端信號處理任務。預計FoM將根據應用需求進行調整。

有線物理接口

驅動應用：網絡、存儲、汽車、高性能計算和加速器

關鍵性能指標：數據速率[Gb/s]、插入損耗[dB]、功率/能量效率[mW/Gb/s]/[pJ/bit]、誤碼率（BER）、調製類型/階數。

網絡和加速器應用的總帶寬需求不斷增加，導致所需的每通道數據速率急劇上升。多種有線標準已宣佈每通道數據速率超過50Gbps，目前最高為224Gb/s。按照這些趨勢，每條傳輸線的數據傳輸率似乎每三到四年翻一番。為了滿足或甚至改善這些數據速率預測，需要創新的解決方案，包括I/O區域和能效、電路複雜性、可靠性、低抖動時鐘生成和分配等問題。雖然高數據速率導致了上述問題，但每一個問題的解決方案都會受到指定數據速率下信道丟失的嚴重影響。因此，通常圍繞信道範圍（信道損耗的電流替代）組織架構和電路選擇的討論。

長距離傳輸

長距離應用的特點是非常高的信道損耗和笨重的信道分佈。這些特性排除了簡單的線性均衡器，以支持高階（有時是非線性）均衡。目前的實現已經集中在複雜的數字均衡器上，需要超高速ADC。這種選擇需要在混合信號前端和數字均衡方法中進行創新，以保持面積和能量效率。滿足所需採樣率所需的高度交錯數據轉換器（使用PAM4，100GS/s滿足200Gb/s/通道）也驅動時鐘生成和分配塊的精度要求。

展望未來，一條很有前途的道路是在光鏈路方面取得必要的進步，以便在目前被歸類為遠距離的應用中使用這種鏈路。由持續的形狀因數和光子學成本降低提供動力的共封裝光學，將使光子鏈路能夠用於長距離應用。接口電路中的最小混合信號設計技術將確保能量效率，使數據速率被大幅縮放。更重要的是，混合信號設計技術可以重新聚焦於解決集成問題，如共封裝光學器件中的接收器靈敏度降低或與PVT的調製器的不一致性。PDK或建模方法能夠實現這種緊湊的代碼設計，並促進信號完整性和性能評估，這將是該方法成功的關鍵。

中/短距離傳輸

成本和形狀因素約束可能不支持用於介質損耗信道分佈的光學解決方案。在這些情況下，對收發器架構進行重新評估，遠離數字實現，將為每通道數據速率擴展掃清道路。創新的混合信號均衡器和低複雜度數字均衡器可以在保持高能效方面發揮主要作用。在混合信號域中實現的以相關信道編碼（或1+αD）、最大似然序列估計（MLSE）和基於深度神經網絡（DNN）的均衡器為中心的新方法將為高數據速率應用中的ADC/DSP收發器提供替代方案。將更傳統的DSP技術摺疊到混合信號接收機中，將確保提高能量效率。

芯片到芯片互連

這類有線鏈路將受益於積極擴大長距離變體數據速率所需的所有創新。這裏的數據速率和可靠性限制將與封裝、外圍組件和電路縮放以適應I/O密度限制的進步程度有關。需要進行創新以顯著減小ESD尺寸，或開發一種封裝方法，以允許在較少保護的情況下組裝和部署組件。還需要將接口重新設計為不需要終端的更簡單的RC互連。

[可能需要參考數據轉換器部分中關於100GS/s數據轉換器的額外段落]

EDA 工具

隨着AMS電路的性能、能量和麪積需求的增加，以及製造技術的進步，設計者正在探索一個日益複雜的設計空間來滿足這些需求。

工藝進步。隨着我們轉移到更小的工藝節點並遷移到深納米尺度區域，這使得超高頻模擬電路的開發成為可能。然而，這些較小的技術節點會經歷更大的失配（相對於器件參數）、降低的增益，並且對電路佈局表現出更高的靈敏度。這些挑戰使電路設計複雜化，幾乎沒有留下容納誤差的餘地。

專用電路。人們對利用AMS系統執行傳感器處理任務、在內存中和內存附近執行計算以及啟用新形式的計算非常感興趣——這些用途通過直接對感興趣的信號執行計算來減少數據移動。實現這些系統的一個挑戰是確定模擬和數字處理元件之間的正確計算劃分，並確定最佳的功能要求、品質因數和設計約束以指導設計。

新興製造和器件技術。近年來，出現了一系列新的設備技術和先進的集成工藝，這些技術有望帶來顛覆性的性能和能源效益，並實現新的計算形式。由於這些技術的設計基礎設施以及我們對相關物理過程的理解仍在不斷髮展，因此使用新設備的架構設計具有挑戰性。

如果評估設計的成本是免費的，這將從根本上改變設計過程。為了設計下一代AMS電路，設計者必須仔細優化電路的設計、尺寸和佈局，以實現良好的電路設計。目前，由於缺乏自動化，模擬設計人員有效評估和優化候選設計的成本過高。由於必須考慮電路動力學的複雜性、工具的可擴展性以及精確電路模擬的相對成本，目前很少有模擬設計在實踐中真正實現自動化。因此，設計者必須花費大量的人力來構建、優化和佈局潛在的電路設計——這種高設計成本極大地限制了可以探索的電路空間。

因此，我們必須投資於下一代AMS設計生產力工具，使設計師能夠在所有抽象層次上佈局、探索、優化和驗證模擬設計。這些新一代工具應使設計人員能夠有效地探索技術和流程節點日益複雜的設計空間，以確定最適合其用例的設計。

設計規範

設計者通常首先從客户處引出所需電路的行為描述（例如，simulink模型）和一組設計要求（例如，增益和帶寬要求）。這個設計啟發過程需要將系統級設計目標轉化為電路級的表達。

系統級設計目標：通常，要優化的端到端度量（例如分類精度、推斷時間）是一個複雜的系統級度量，需要在更廣泛的計算系統的上下文中評估電路。

電路的品質因數：模擬設計者通常會優化特定於電路的優值，即表徵電路性能的量化度量。需要將上述系統級度量轉換為對這些品質因數的設計約束。

協商電路的設計要求通常是有成效的，因為降低功能規範的複雜性和放鬆強加的設計約束可以簡化電路的設計，並可能使設計者能夠更積極地優化成本和資源利用。

在實踐中，協商這些規範是具有挑戰性的，因為它需要與通常不是電路專家的領域專家進行溝通。有效地向非專家傳達不同的設計權衡，並結合專家反饋，需要在各專業之間跨越一個不小的溝通差距。

早期設計生產工具：對於這些用例，開發早期設計生產力工具（功能抽象、早期設計探索工具），以使其它領域專家和電路專家能夠匯聚在一個仍然實現系統級設計目標的適當靈活的設計規範上。數字設計師利用這種協同設計技術，設計出以靈活性換取性能的特定領域加速器。

仿真

模擬電路仿真對於評估電路的行為和了解其性能特性至關重要。然而，精確模擬和計算效率高的模擬之間存在着根本的緊張關係。由於通常需要高度詳細的物理模型和高級模擬過程（例如統計模擬）來真實地評估設計，因此對於較小工藝節點處的電路來説，這種緊張會加劇。使用這些更高級的模型顯著增加了模擬設計所需的時間。類似地，在更高的頻率和更高的電路複雜性下，以所需的精度執行模擬變得越來越耗時。因此，需要增強的仿真和建模能力來有效評估下一代電路設計。

電路設計優化和佈局

模擬設計過程包括構建電路設計、優化器件參數和構建電路佈局，以最小化資源使用並減輕非理想性。這些設計步驟相互影響——更改設備參數可能需要更改佈局。在商業設計流程中，電路設計和佈局是手動完成的，參數優化通常是部分自動化的。此外，模擬電路設計通常高度專用於所使用的工藝節點、製造設施和器件技術，因此難以將其模塊化。這些因素使得即使是對設計進行微小的更改，成本也很高，並且難以重用設計。這些問題都隨着技術結點的縮小和設備的物理效應的增強而加劇。這種模塊化和自動化的缺乏使得模擬電路設計比數字電路設計更加困難。

研究人員探索了一系列加快模擬電路設計、優化和佈局的技術：

模擬設計語言。最近，研究人員設計了硬件生成器，可以按程序生成特定類別電路的設計和佈局（Berkeley模擬生成器）。這些基於生成器的設計方法需要模擬設計人員進行大量的前期工作，優點在於能夠開發可重複使用的電路，這些電路可以針對不同的工藝節點進行動態再生。

自動電路優化器。研究人員此前還研究了自動執行給定電路的參數優化和佈局的按鈕方法。這些方法利用基於電路仿真的黑盒和灰盒優化器來評估參數化。這些性能問題的出現是因為精確的電路模擬需要大量計算，而黑盒和灰盒優化器需要多次迭代才能收斂。

儘管已經做了一些工作，但在實現實際電路設計的完全自動化優化和佈局之前，還有很長的路要走。我們建議擴展上述方法，並設計出適合自動化的新設計方法。此外，如果讓更多人可以加入這個問題領域，可能會取得更多進展：

工具流開源：這一問題領域將受益於可擴展、開源AMS設計工具和開放PDK的持續開發。這些技術促進了勞動力的發展，因為個人可以在不需要昂貴的專有CAD工具許可證或與製造設施的特殊關係的情況下做出貢獻。目前，已經有許多人在努力開發開源流程設計套件、低成本磁帶輸出（Global Foundries/Skywater）和開源/免費設計工具（CMC Electronics）。這些開放的工具流可以降低硬件開發成本，從而使模擬設計人員能夠解決可能從AMS中受益的中小型應用用例的長尾問題。

評估指標和基準集：為了引導更廣泛的社羣努力解決商業電路設計中的問題並建立評估標準，開發現實的、開源的模擬電路基準供社區使用將是有益的。包括數字設計自動化在內的許多領域都使用標準基準集來系統地評估不同方法的有效性。這裏的一個關鍵問題是，如何評估以大型開源工藝節點為目標的自動化技術是否能很好地轉化為先進的納米級流程。

電路驗證和有效性確認

模擬驗證和有效性驗證-Verilog AMS，模型檢查器

目的：發現模擬數字設計中的系統級缺陷，根據功能規範驗證模擬設計，避免模擬組件中出現了引人注目的錯誤。

挑戰：通常這是通過對Verilog AMS模型的詳盡模擬來完成的。這對於涉及許多模擬和數字組件的複雜設計來説變得不切實際。

連接/安全：暴力測試不足以抵禦對手。

潛在方向：可擴展模擬驗證，以在設計過程早期發現設計缺陷。

電源管理、電源分配和功率器件

來自European Roadmap的表11.3.1總結了應用和驅動指標。

表11.3.1：功率器件和驅動器的應用領域

如表所示，寬帶隙器件的優勢在於：

1） 可以增加功率，減小裝置的體積和重量

2） 可高效運行，從而減少靜態損耗

3） 非常堅固

4） 具有高温能力

5） 高度可靠

寬帶隙材料和器件

在過去的10年中，寬帶隙器件已經成為硅在許多高壓/大電流應用中的替代技術。今天商業上感興趣的主要材料是硅（Si）、碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN），它們通常與氮化鎵和氮化鋁（AlxGa1-xN）的合金結合。目前，類SiC Si被實現為其自身襯底上的垂直器件，而GaN通常被實現為Si襯底上的橫向器件。SiC器件通常用於最高電壓應用，而GaN器件具有

• 極高功率下的最終擊穿電壓和設備運行參數

• 單個設備與串並聯組合

• Si上GaN與GaN上GaN

• Ga2O3

未來的主要挑戰是：

• 繼續解決設備可靠性和耐用性問題。問題包括短路雪崩性能和寬帶隙器件JEDEC規範的開發。

• 全集成GaN功率電子器件的開發。當前的GaN功率器件以與Si技術的混合形式存在。為了解決芯片上系統面臨的挑戰（柵極驅動器和實時診斷），需要以消除電感為目標。

• GaN材料技術對實現垂直器件技術提出了許多挑戰。其中包括1）開發低成本、低缺陷、大面積基板。2） 離子注入和退火技術的持續發展以及3）器件的更好邊緣終端。

• 儘管SiC材料技術相對成熟，但由於襯底缺陷，如螺紋位錯和基面位錯，仍限制了可用器件面積。MOS器件的進一步柵極氧化物仍然存在挑戰。

電源電路架構

關鍵問題：

1.轉換率與效率之間的權衡

2.不同功率等級的互連

3.垂直送電

4.適用於寬帶隙的更好的器件模型

5.數據中心當前轉換電壓在48和12 V之間，我們可以低於12 V嗎

納米功率

納米功率正變得越來越普遍。關鍵應用包括物聯網（IOT）和處理個人醫療數據收集的可穿戴應用。在醫學領域，數據收集目前集中在心臟病學方面，但我們預計未來將使用血液、汗液和唾液監測生化指標。大多數應用使用鋰離子電池，這些應用通常需要寬動態範圍的功率和在該動態範圍內的高效率。

關鍵問題：

1.優化尺寸和成本。

2.形狀因素

3.電感器功率不足

4.未來的電力類型可能包括生物燃料電池

5.在動態範圍內具有良好的功率效率

6.大負載步驟（如從微安快速變為毫安）需要一個好的控制器快速響應

儲能元件

儲能/無源元件是功率轉換電路的關鍵部分，無論是單片集成、作為模塊的一部分還是外部。這些組件的技術進步（尺寸/密度、處理更高電壓/電流/熱條件的能力）可能對電力管理/配電系統產生重大影響。

•電容器

•電感器

•壓電

射頻到太赫茲器件、電路和系統

在為無線系統開發基礎技術（IC技術、插入器、封裝等）制定十年計劃時，我們必須首先預測未來十年可能開發的系統類型。然而，所部署的系統類型不僅取決於技術因素，還取決於無線通信市場的增長、部署成本以及部分或完全波束阻塞引起的傳播損耗水平。其中許多因素超出了無線路線圖委員會主要半導體和電路專家的專業知識範圍。因此，我們試圖列出一些可能導致這些技術在商業部署中成功或失敗的新興技術和因素。

應用、頻帶和無線設備

應用包括汽車雷達、移動無線端點（即向移動終端用户傳送信號）和固定無線端點（例如向家庭和企業等固定位置傳送數據）。它們都通過無線集線器與無線終端用户設備通信；集線器可以通過光纖或無線回程連接到主網絡。當集線器間隔較近時，回程鏈路將具有較短的距離和較低的數據容量：這稱為無線前端傳，這種鏈路需要前端和後端收發器。

現在或將來用於這些的頻帶包括亞6GHz、28GHz和39GHz，這些是當前5G硬件的一部分。其他已分配用於無線通信和/或雷達或感興趣的頻帶包括~75-85 GHz、~90-95 GHz、~135-175 GHz和210-310 GHz。

頻帶選擇

在汽車雷達中，較短的波長為給定的雷達天線陣列區域提供了更好的角度分辨率。改進的角度分辨率可以更好地識別重要的相鄰物體，例如，停在橋下的摩托車手，或站在道路旁的一些行人。因此，如果IC和封裝工作良好且成本低，則需要更高的載波頻率。雖然增加載波頻率會增加最壞情況下的大氣衰減，但汽車雷達不需要在很長的範圍內工作。例如，當汽車以67英里/小時的速度行駛時，300米範圍的雷達將提供10秒的危險警吿。在如此短的範圍內，甚至可以適應極端降雨的衰減；此外，即使雷達能讓駕駛員看到前方，也可以允許雷達距離在極端天氣下減小，因為如果在極端天氣中以67英里/小時的速度行駛，是無法安全控制汽車的。

更高的載波頻率也使MIMO系統更小，因此更易於部署。MIMO系統使用多個天線來輻射多個獨立的信號波束，每個波束攜帶單獨的數據。無線電頻譜被多次重複使用，在給定的分配帶寬中支持更大的容量。在MIMO集線器中，陣列寬度隨頻率的倒數而變化。在MIMO回程和端點鏈路中，MIMO陣列長度隨頻率的平方根倒數而變化；更高的頻率使得高容量MIMO系統更緊湊，因此更實用。

在無線通信中，政府可能會在更高的頻率上分配更多的頻譜，因為那裏有更多的可用頻譜。分配的頻譜越寬，在給定的功率效率下可行的數據傳輸速率就越大：更復雜的調製允許在給定帶寬內更快的數據傳輸，但我們必須使輻射的功率以指數方式增加。

高頻系統的缺點包括髮射器和接收器IC的成本更高、性能更差、最壞情況下的大氣衰減減小範圍增加、發射器和接收器之間的物體（包括樹葉和樹木）阻擋波束的可能性更大。

由於大氣衰減較大，高頻系統通常支持較短的傳播範圍。濕熱天氣中的水蒸氣衰減在300GHz以上變得極端。在300GHz以上運行的系統必須是極短的距離，必須避開世界上炎熱潮濕的天氣，或者必須在較高的海拔運行，避免空氣及其濕氣。

高頻無線信號更容易被阻斷。在距離接收器距離R處的目標，即第一菲涅耳區區域，將阻擋大部分功率。這種堵塞可能發生在離散物體上，也可能發生在許多小物體的共同作用下，例如，樹木上的樹葉導致光束堵塞。高頻信號更容易被阻斷。

汽車雷達載頻的選擇

鑑於汽車雷達不需要支持超長距離，增加大氣衰減並不是一個實質性的缺點。更高頻率的系統提供更好的角度分辨率，但IC和封裝性能較差（和/或更昂貴）。75GHz頻帶的汽車雷達如今已廣泛銷售。140GHz汽車雷達在低成本生產CMOS和高容量SiGe BiCMOS技術中很容易實現；200GHz似乎是當今低成本大眾市場IC技術的上限。

考慮到進一步提高角分辨率的潛力，200 GHz以上（可能高達300 GHz）的汽車雷達系統可能具有商業價值。這將需要使用功率增益截止頻率（500-600 GHz）高於當前大容量CMOS和SiGe BiCMOS技術的~300 GHz的半導體技術。已在低容量實驗室和/或導頻線工藝中證明了700GHz（SiGe HBT）、1100GHz（InP HBT）和1500GHz（InP-HEMT）的功率增益截止頻率。200 GHz以上的汽車雷達系統的大規模生產需要將其中一種材料用於高產量、低成本的製造。異構集成技術可能是一個有利的解決方案，因為它將允許這樣的收發器僅使用先進高頻IC的非常小的管芯來構建，而絕大多數IC區域是VLSI CMOS。

無線通信載波頻率的選擇

隨着5G系統的出現，公眾可以使用28GHz和39GHz收發器的手機。然而，在2020-2022年期間，全球範圍內此類硬件的採用一直緩慢。這可能不僅僅反映了高容量無線市場的緩慢發展，它也反映了高頻傳播的基本困難。

移動無線端點將集線器連接到手機。這些鏈接的路徑隨着用户的移動而變化很大，因此可能會因阻塞而丟失路徑。這是高頻系統的高路徑損耗和高阻塞概率帶來最大困難的應用。儘管28GHz和39GHz系統的商業部署正在進行，但未來的移動無線終端鏈路可能會遷移到較低的頻率，在當前的亞6GHz和28GHz頻帶之間，以最小化路徑損耗和波束阻塞概率。為了以較低的載波頻率提供所需的容量，因此需要較低的帶寬，將需要大規模MIMO。因此，未來十年移動無線終端的一條路徑是微波大規模MIMO。另一方面，28GHz和39GHz的緩慢採用可能僅僅反映了無線數據傳輸市場的緩慢增長。如果是這樣，隨着28GHz和39GHz的容量耗盡，在未來十年，移動無線終端可能會遷移到70-75GHz，甚至可能遷移到135-145GHz。

對於移動終端，載波頻率的選擇很大程度上取決於市場增長。如果信息密度（Gb/s/平方公里）較低，則無線集線器應間距較大，以保持基礎設施成本較低。如果信息密度很高，蜂窩區域（即中心間距）將減少，以減少每個中心的總數據容量。然後，集線器和用户之間的傳播距離變小，高大氣衰減和更大的波束阻塞概率成為高頻系統不太嚴重的限制。

無線回程和前端將集線器連接到互聯網主幹。低頻系統提供更大的範圍，更高頻率的系統可以提供更大的容量，這既來自於更多的可用頻譜，也來自於能夠支持更小維度陣列中的MIMO。考慮到上述降雨衰減的頻率依賴性，在未來十年中，提供超過1公里範圍的系統將很可能使用<35 GHz的載波頻率，隨着頻率的降低，範圍將增加；則可行的數據速率為10Gb/s或更低。75、140、210或甚至280 GHz的系統可以支持100-1000 Gb/s的數據速率，但超過700 m的範圍將很難支持。由於傳播路徑是已知的，所以在這樣的系統中光束阻塞問題較小。固定無線端點將使用類似於前端傳輸的硬件和部署，但每個端點鏈路所需的容量將小於後端鏈路。28、39、75，甚至140 GHz的載波頻率是可行的；即使是75GHz頻帶也應足以提供>50 Gb/s/鏈路，足以滿足未來十年許多固定目的地的需求。

IC技術

射頻優化的大規模生產CMOS VLSI技術今天提供300GHz的功率增益截止頻率。CMOS晶體管噪聲係數和CMOS晶體管RF輸出功率足以支持100GHz以下的高性能RF/無線移動收發器。對於工作在100GHz以下的集線器和回程收發器，CMOS芯片組可以補充GaN HEMT或SiGe HBT功率放大器。在100-160 GHz之間，CMOS IC的性能足以用於較短距離的鏈路。將CMOS與InP HBT、SiGe HBT或GaN HEMT功率放大器或InP HEMT低噪聲放大器結合將允許更大範圍或更高容量的鏈路。

大規模生產的SiGe BiCMOS具有類似於CMOS的截止頻率，高性能SiGe HBT已被報道為實驗室演示或試點生產技術。隨着這些過渡到大規模生產，更高頻率的系統將在硅技術中變得可行。

InP HBT技術目前已在小批量試生產中建立，可輕鬆實現100-300 GHz功率放大器的創紀錄功率和效率。如果市場需求能夠支撐這樣做的成本，InP HBT技術的生產版本可能會出現。

InP HEMT技術目前已在軍事和科學應用的小批量試生產中建立，是迄今為止任何頻率下噪聲係數最低的晶體管技術。如果市場需求能夠支撐這樣做的成本，InP HEMT技術的生產版本可能會出現。

在100GHz以下，GaN HEMT技術提供了創紀錄的RF輸出功率和效率。全世界都在進行研發工作，以擴展和提高GaN HEMT作為100GHz以上高效功率技術的性能。

封裝技術

目前已經開發出使用倒裝芯片鍵合和Cu螺柱的IC插入器接口，用於將微處理器連接到存儲器和其他數字IC。高密度銅柱倒裝芯片技術即使在DC-300GHz上也表現良好。因此，這為無線系統提供了極好的基線封裝技術。

用於支持高效天線和低損耗傳輸線的無線系統（尤其是30-300GHz）的封裝也需要至少一個低介電常數材料平面。封裝的介電材料必須具有高導熱性，以支持IC和功率放大器晶體管的散熱，或者必須提供密集的散熱孔陣列。通常，封裝必須同時支持高密度、低介電常數和高導熱性。

在未來十年中，許多無線系統將集成CMOS發射器和接收器IC，這些IC與非常小的非CMOS（SiGe HBT、InP HBT、In P HEMT、GaN HEMT）功率放大器和低噪聲放大器IC緊密集成。該組件必須支持這些組件的密集集成、適當的熱管理和適當的高頻連接。在高頻陣列中，封裝設計變得更加困難，其中RF信道和天線通常必須以半波長橫向（水平）間距放置。在固定基礎設施收發器中，例如用於集線器和前向和回程收發器的收發器，所需的垂直波束轉向範圍大大小於180度，因此，儘管陣列元件橫向間距可以被限制為半波長，但陣列元件垂直間距可以是幾個波長。由於每個RF通道的可用面積更大，對封裝集成密度和熱密度的要求有所放鬆。

相關技術：無線電處理器

具有GHz帶寬和低延遲要求的大型陣列系統的信號處理產生了一些獨特和極端的處理需求。在許多情況下，這些處理器可能需要針對其需求進行優化，並且可能不同於常規高性能計算甚至GPU/AI工作負載所需的處理器。我們將參考第10章的工作，但也將跟蹤這些高性能GHz帶寬系統的具體發展。