5G
是德加入6G旗艦計畫啟動尖端無線通訊研究
是德科技(Keysight)日前宣布以創始會員的身份加入6G旗艦計畫,支援比5G更進化的無線通訊研究。該計畫獲得芬蘭科學研究院支持,由芬蘭奧盧大學(University of Oulu)統籌執行。
6G旨在加速推動經濟和社會的數位化,讓全世界向全球化數位社群的美好願景邁進。這項計畫為期8年,預計在2030年建立一個由大量資料驅策整體運作的社會,並享受近乎即時且不受限制的無線網路。基礎研究必須比產業標準提早10~15年, 而醫療、製造、能源、運輸和公共安全等產業早已少不了網路,因此6G將奠基於5G即將為前述垂直產業提供的功能,並進一步擴充,以大幅提升網路使用體驗。
是德科技通訊解決方案事業群資深副總裁Satish Dhanasekaran表示,我們很高興能夠加入6G旗艦計畫並成為創始會員,以便共同展開革命性的6G研究。該計畫預示一個新時代的來臨,屆時無線通訊技術將打破高速和高頻寬應用的限制。是德科技是唯一受邀參加該計劃的量測大廠,充分證明我們在引領科技浪潮與克服設計挑戰方面佔有一席之地。
是德科技擁有業界最齊備的設計、模擬和驗證解決方案,使其能夠投入早期研究,以協助該計畫達成全方位目標,包括加速垂直產業採用 5G 技術、開發人工智慧和智慧UX等6G的基礎技術,最終實現社會數位化的理想。
芬蘭奧盧大學無線通訊中心(CWC)6G旗艦計畫主持人Matti Latva-aho教授表示,我們期待和是德科技維持長期合作關係,以透過產學協作完成全球第一個 6G 跨領域研究計畫。
5G之後的下一代無線通訊,預計將採用高於毫米波的頻譜,稱為兆赫波(Terahertz Wave),頻率介於300 GHz~3 THz之間。它是讓資料速率達到每秒1 TB 並實現超低延遲的關鍵。是德科技具有支援這些頻段所需的專業技術和解決方案,並且在高速數位技術、網路安全、裝置特性分析及網路測試等領域建立了領導地位,有助於加速推展6G計畫的四項策略性研究:無線網路、分散式無線智慧運算、裝置與電路技術、垂直應用和服務。
明基/佳世達備戰贏向5G智慧製造
5G如何改變未來製造?第五代行動通訊5G被視為未來產業智慧化的核心技術,其大頻寬、高網速與低延遲特色,將在不同領域中創造出多元應用,又以智慧製造為首屈一指的重要場域。根據IHS Markit報告,5G將在2035年創造 12.3兆美元的全球經濟產值,而製造業是最大受益者,占整體經濟活動28%、達到3.4兆美元。
佳世達智能方案事業群總經理李昌鴻表示,5G從概念到商業化運轉,將成為強大引擎,促使工業4.0落地。明基/佳世達看準趨勢,聯合策略夥伴研發能量,加上自身完整智慧解決方案與工廠製造實務經驗,配合基礎建設期、商用導入期和商用普及期等階段,可將技術與經驗逐步擴展到客戶夥伴。
明基/佳世達智慧工廠解決方案聯盟包括其陽科技、明泰科技及友通資訊等,於2019年台灣機器人與智慧自動化展聯手展出5G技術在智慧製造之應用。
其陽科技推出使用Intel Denverton平台,專為軟體定義廣域網路(SD-WAN) 所設計的SCB-6990。此一產品針對不同CPU SKU TDP,採用無風扇設計,並支援Intel QAT加密功能,通訊介面採用網路傳輸介面6 x RJ45 & 2 x SFP GbE,並支持2 x M.2 B/E key for LTE/5G/WiFi module with 3x...
提升設備連網效率/產能/安全有撇步 大數據促智慧工廠再升級
設備資料有效上雲端 升級智慧工廠平步青雲
MOXA市場開發副理林昌翰(圖1)指出工廠自動化目前的挑戰,由於工廠內有太多不同廠牌、種類的設備,該如何整合各種設備,如何收集資料、監控設備是第一個問題;第二個則是不同資料的擷取。例如設備商將設備賣到全球,要如何管理監測也是一大挑戰。
圖1 MOXA市場開發副理林昌翰表示,AI大數據時代,升級智慧工廠首要任務就是讓設備資訊上雲。
林昌翰進一步說明,AI大數據時代,所有設備都要收集資訊,因此需要大量感測器。目前常見廠商用可程式控制器(Programming Logical Controller, PLC)收集資料,但這會出現幾個問題,用PLC來擷取資料可能會造成過大的負擔,因為資料量太大。在上傳資料到雲端時如果要執行邊緣運算甚至上傳到公有雲,都要耗費很多精力,因此MOXA認為要把資料擷取到雲端,讓設備做該做的事。
比方說,串列轉換器要連網時可以使用串列設備連網伺服器,另外若是複數感測器要連網,則可使用支援雲端技術的IIoT控制器。林昌翰表示,未來MOXA的設備都會支援雲端,可以快速布建模組化設計,易於進行故障排除。而這樣做的好處就是可以直接進行邊緣運算,不用把所有資料都上傳雲端,先進行前端處置,讓設備連網更有效率。
林昌翰解釋,至於工廠自動化的第二個挑戰,業者將設備賣到國外要如何監控,則可以利用雲端技術,在設備銷售時就搭配可遠端連接的閘道器(Remote Connect Gateway)。業者可提供一個USB給廠商,設備發生問題時再進行連接,此時業者就能從遠端處理經過加密的資料。這樣的做法就可以彈性地使用並能大量部署。
5G驅動工業4.0 蜂巢科技成長可期
所謂工業4.0可以分為四個階段,第一階段就是收集設備上感測器的資訊,而後分析收集到的資料做格式化、圖型化的轉換,再對這些經過整理的資訊進行預測。最後一個則是視覺化(Visualization),包括攝影機、光學電視等具有高數據資料量的應用,而與5G通訊結合的工業應用也因此變得更加重要。
美商優北羅(u-blox)商業開發主任林世澤(圖2)表示,在工業與車用方面,隨著電信資費的降價、5G基地台越來越普及,將有更多的設備商會直接透過蜂巢(Cellular)科技,將資料上傳到基地台。根據Machina Research的預測,到了2025年蜂巢式網路的物聯網設備連接數目將會達到220萬。
圖2 u-blox商業開發主任林世澤表示,蜂巢式網路的物聯網設備連接數目正大幅成長。
林世澤指出,對u-blox來說5G應用包括了三大應用場景,物聯網、定位與V2X。在工業物聯網領域,現今應該都還是透過Wi-Fi、ZigBee等通訊協定將感測器資料傳送到設備供應商,供應商再藉由有線上傳雲端或是利用NR、NB-IoT等傳到基地台,但是u-blox在這裡看到了Wi-Fi、5G蜂巢通訊的機會,利用蜂巢式網路就可以直接將資料傳送到基地台;定位方面利用GPS和蜂巢技術的結合,從衛星收到GPS訊號,再藉由5G傳回基地台;最後一個則是V2X,車與車之間或是車與交通設施之間的資訊交換可以直接藉由蜂巢技術傳回基地台。
故障預診斷提升產能/設備稼動率
進行了資料的收集、整合,並上傳到資料中心之後,若能針對設備故障預先診斷,也能大幅提升產能並降低相關成本。
工研院巨量資訊科技中心資料分析技術部副經理賴建良(圖3)表示,善用AI和大數據可以創造智慧製造新價值。在產線端可以導入故障預診斷(PHM)技術,提升產線效率同時降低維修成本。
圖3 工研院巨量資訊科技中心資料分析技術部副經理賴建良表示,在產線端導入PHM技術,可以提升產能減少成本。
賴建良說明,工業製造的產線設備維護包含了預測和進廠管理兩個部分。預測的其中一個問題就是過度保養,有時設備零件還沒壞,保養時間到還是馬上更換,造成資源以及開銷的浪費。另一個問題則是非預期性停機,即使已經定期更換零件,設備依然有可能意外停機,停機以後就須要進行清機和調機等作業,進而會影響產能和設備稼動率。
賴建良進一步說明,利用生產過程中機台相關的資料與維修紀錄,可以進行故障預診斷。收集關鍵零件的健康指標,了解零件與正常狀態的差距,進行健康狀態評估,即可快速找出故障源進行排除,關鍵零件健康狀態一目了然;另外,藉由相關資料的收集分析,可以進行故障預測,避免零件無預警故障造成非預期性停機,在故障點前提早預測到,事先進行零件的更換與維修,減少無預期故障帶來的原料損失。
工業電源設計更安全 隔離式控制器不可少
以上談到了物聯網時代智慧工廠的應用趨勢,但同樣不可忽視的,就是工廠環境最重視的安全問題,在工業電源系統中,隔離(Isolate)是一個不容忽視的議題。
茂宣企業(亞德諾ADI)應用工程經理陳俞阡(圖4)表示,進行隔離不外乎幾個原因,其中一個就是安全,為了防止人員碰觸而形成迴路引發安全危險;二則是有時會有電壓主位轉移(Shift)的發生,因此有些人會使用一些隔離的電源來做電壓/電平轉換器(Level Shift, LS);另外,電流的路徑永遠都是從哪裡出發就回到哪裡,所以透過隔離的做法可以確保電流方向,設計可以因此更乾淨簡潔;最後一個理由則是透過隔離來避免電流的浪湧(Surge)與雷擊的狀況發生。
圖4 茂宣企業應用工程經理陳俞阡表示,工業電源設計要安全,做好隔離很重要。
在工業系統的隔離有許多不同的電源設計,在工業用PLC系統等有電源設計需求的應用中,常見的拓撲以馳返式(Flyback)架構為主,因為Flyback的架構簡單而且成熟,但傳統的Flyback架構會遇到幾個問題,就是線路太複雜、零件太多、備料太麻煩。
為解決上述問題,ADI把所有元件全部整合到單一晶片,做一次側電流0電流的檢測,一次側電流到達到0的時候,才針對晶片內部MOSFET的切換,來達到最終混壓的效果。其好處是在PLC的系統裡面一次側和二次側的電流設定可以變得非常簡單,而不會出現太過複雜的線路,例用低廉的成本達到一樣的效果,讓工業電源設計既安全又經濟。
聯發科攜手T-Mobile實現5G SA聯網通話
聯發科技和美國知名電信運營商T-Mobile宣佈,在多家廠商共同測試的環境(Multi-vendor Network Environment )之下,日前成功完成全球首次5G獨立組網(SA)的聯網通話對接,引領5G生態建設邁出關鍵里程碑。
本次合作的國際級產業夥伴包括核心網路供應商諾基亞和思科、基站供應商愛立信,加上終端晶片供應商聯發科技及電信運營商T-Mobile,在共同合作測試的環境下,實現了全球第一個獨立組網的聯網通話,成功地模擬T-Mobile網絡中的實際5G部署,帶動獨立組網架構商用目標邁出了重要的一步。
聯發科技無線通訊事業部總經理李宗霖表示,這項成就顯示了聯發科技以突破性的5G技術,讓北美市場的消費者得以使用最先進的 5G網路。我們將持續保持技術的先行行列,扮演全球5G產業生態圈的重要角色,致力加速5G商轉時程。」這是聯發科技今年五月份與電信基站廠商愛立信成功完成獨立組網通話測試後,另一項重大的進展。
本次通話測試使用了聯發科技5G多模數據機晶片M70。聯發科技於今年五月推出了第一顆5G系統單晶片(SoC),該晶片採用 7奈米製程,可為首批旗艦型5G高端智慧手機提供超快速連接和極致的用戶體驗。聯發科技 5G 系統單晶片整合M70 的數據及全球先進的技術,包括安謀最新的Cortex-A77 CPU、Mali-G77 GPU和聯發科技最先進的獨立AI處理器(APU),可適用於5G獨立式和非獨立式組網(SA/NSA)及Sub-6GHz 頻段,並支援2G到5G各世代的通訊。
即將在2020年廣泛部署的5G獨立組網,相較於非獨立組網更有效率。非獨立組網是與前代LTE之混合組網,在5G獨立組網架構下才能支援完整的5G功能,包括超低延遲、高覆蓋率、高承載率的優點,並支援多項的應用如AR/VR、線上遊戲、智慧工廠、智慧電表、車聯網等,滿足需要即時回應及大量連結的應用,超快速連接也讓消費者能享受更佳的效能與流暢度。
聯發科技的5G多模數據機晶片M70適用於5G獨立與非獨立組網架構,最高下載速度4.7Gps(Sub-6GHz頻段),支援新無線電的空中介面New Radio(NR)及載波聚合(CA),讓電信運營商享有更多部署上的彈性。
格芯發布3D測試晶片/技術加入異質整合戰局
為滿足資料中心、人工智慧(AI)、5G等新興技術發展,半導體設計除持續朝微縮製程邁進之外,異質整合技術也成為下一波IC晶片創新動能。為此,IC設計業者、晶圓代工廠等皆紛紛投入發展,例如格芯(GLOBALFOUNDRIES)近期便宣布旗下基於Arm架構的高密度3D測試晶片已成功流片生產,可滿足資料中心、邊緣運算和高端消費性電子產品應用的需求。
據悉,此款晶片可提升AI、機器學習(ML)和高端消費性電子及無線解決方案等的運算系统性能與效能,其採用該公司12nm Leading-Performance(12LP)FinFET製程製造,並運用Arm 3D網狀互連技術,讓資料數據更直接地傳輸至其他内核,達到延遲最小化,提高資料傳輸速率,滿足資料中心、邊緣運算和高端消費性電子產品應用的需求。
此外,兩公司還驗證了一種3D可測試設計(Design-for-Test, DFT)方法,使用格芯的混合式晶圓對晶圓接合,每平方公厘多達100萬個3D連接,拓展12nm設計在未來的應用。
格芯發言人表示,3D可測試設計方法為屬於異質整合技術,該公司和Arm共同驗證了此一測試設計方法,使用格芯的混合式晶圓對晶圓接合,每平方公厘多達 100萬個3D連接。用於3D IC的DFT架構實現了各種晶片的模組測試方法,其中具有嵌入式IP核心、基於穿透矽通孔的晶粒間互連和外部I/O可作為獨立的單元進行測試,從而可靈活優化的3D IC測試流程。DFT是一項能夠採用3D技術的重要測試設計方法而3D DFT架構具備支持板級互連測試的特色;而該公司的差異化F2F晶圓鍵合技術為工程設計人員提供了異構邏輯和邏輯/記憶體整合。
格芯發言人說明,3D晶圓架構具有減少線長的本質能力,是減輕下一代微型處理器設計中互連問題的最有潛力的解決方案之一;而3D技術和異質整合功能為新設計方法提供了低延遲、高帶寬的優勢。對於異質整合來說,雖然沒有其餘的技術層面挑戰,但針對規劃、執行和驗證2.5D和3D IC的設計工具、薄晶圓處理技術、熱管理和測試等,這些製程仍需要更好的解決方案。
由於目前異質整合生態系統成熟緩慢,主要的挑戰在於單位成本高昂、低產量和實行風險,業界正在努力降低製程成本並簡化整個行業合作。未來格芯會與所有主要EDA合作夥伴密切合作,將3D IC放置在庫中,然後使用晶圓對晶圓鍵合進行組裝,使複雜的晶圓設計和組裝成果更快且更低成本。
格芯推3D IC提升邊緣運算、高端消費性等電子產品應用需求。
寬頻延伸/低延遲 5G實現醫療多元可能性
就醫療應用來看,考量現實市場性與醫療領域科技導入較慢之特性後,預期應不易出現專門針對5G技術而新發展出之醫療應用。以下所指稱之5G醫療應用,主要係基於兩種原因採用5G:
一、5G可顯著提升現有應用之效能:現有醫療應用可能基於5G具大量連線、大頻寬與低延遲之三大特性,預期升級為5G連線後,將產生比4G連網應用更加之效能,故升級使用5G連線。
二、網路服務自然演進至5G:人們或因5G網路普及,而在日常生活中採用5G行動網路,使得聯網醫療應用轉為使用5G網路進行。此狀況下,採用5G之原因未必是預期應用效能之提升,而較可能是使用者現有可得之網路服務已為5G所導致。
在這兩種採用原因下,資策會MIC預估2026年全球5G醫療市場規模將達179.9億美元,其中5G導入可能性高之醫療應用主要為遠距醫療(包含遠距會診與遠距生理監控)、醫療通訊專網、行動救護車與軍用行動急救設備。
5G讓救護車成為急診室延伸
緊急醫療處置越早施行,患者的存活率越高。在此前提下,若能將救護車變成急診室之延伸,使救護車具有對急救傷患進行診斷並做出適當處置(如運送與固定方式)之能力,且讓醫院急診室依診斷結果立刻進行準備(如準備手術器械與召集手術團隊),將能縮短緊急醫療處置所需時間,提升急救患者存活率。
然而,救護車之人員配置之救護員為主,未必配有具資格進行診斷等醫療行為之醫護人員。在此情況下,若救護車具有行動寬頻連網能力,並配置行動超音波、心電圖等可攜式醫療器材,及高畫質視訊設備,將可於急救現場透過行動寬頻網路將傷患的醫療診察影像傳送至醫院,由醫院內的急診醫生或專科醫生,對醫療診察影像進行判讀、提出診斷,藉高畫質即時視訊指導現場人員如何處置,並同步讓急診醫院開始進行相關準備。
目前國際上已有在救護車上搭載4G網路,並進行相關作業之案例,如英國全國緊急醫療服務(Emergency Medical Services, EMS)已使用4G行動救護車,美國則有44個州的EMS團隊由網路設備商Cradlepoint,在FirstNet網路下提供EMS網路服務(包含4G行動救護車與緊急醫療平台)。台北市、新北市與高雄市等縣市也已有部分救護車具有4G行動連網能力。
由於相較於4G,5G將提供更大的頻寬與更低的延遲率,預期將提升應用之效能,使救護車得以更快速傳送高畫質醫療診斷影像,並使醫院能以高畫質即時視訊指導救護員進行急救處置方式,因而具有升級為5G之需求,如美國AT&T與Cradlepoint已宣布將合作為用戶提供5G FirstNet。
基於緊急救難、分秒必爭之需求可透過5G網路加以滿足,預期未來各類緊急服務應都會升級為5G網路,故5G導入於救護車之可能性極大。
遠距會診/生理監控為遠距醫療兩大項目
遠距會診乃指以通訊或視訊連線方式進行之各種醫療診察,如偏鄉離島區域之醫療院所邀請外地專科醫生以通訊方式為偏鄉離島病患進行會診,或醫生以通訊方式直接為病患看診皆屬之。此外,以通訊或視訊方式指導醫療處置、急救處置與手術等作為之進行,例如由專科醫生在遠距外透過即時語音視訊指導現場醫生如何進行手術,也屬於遠距會診之範疇。
遠距生理監控乃指以連網醫療器材(如血壓計、血糖機、耳溫槍等)或智慧穿戴裝置(如智慧手表、智慧手環等)收集個人生理數據,經上傳至特定平台後,由醫護人員或人工智慧對生理數據進行解讀與判斷,提出健康狀況之警示或提醒,並依判讀結果對用戶提供健康狀態關懷與醫療諮詢等服務。例如以智慧手表進行心率與睡眠狀態之監控,資訊上傳至某平台後,在心率過高、過低或睡眠品質不佳時主動對用戶進行提醒,並提供健康促進或就醫之建議。
歐美國家早已有遠距醫療之作法。以美國為例,梅約診所(Mayo Clinic)與克里夫蘭醫學中心(Cleveland Clinic)等美國大型醫院皆已用行動寬頻、固網或Wi-Fi等方式提供遠距醫療服務,如梅約診所推出產前照護線上服務系統OB Nest,讓孕婦在家裡便能進行產前護理與胎兒生理監測,可避免孕婦舟車勞頓。美國醫院協會(American Hospital Association, AHA)之調查也指出2017年美國有76%的醫院有提供遠距醫療服務。
遠距醫療服務原則上並不限制用戶透過何種網路服務進行連線,任何可得連線方式如寬頻固網、Wi-Fi或行動寬頻網路等皆可使用。然而若以4G網路進行連線,受4G頻寬限制,較難提供視訊影像外的其他資訊、如心音、痰音、觸感等生理資訊,且各項生理數據之監控與上傳也並未做到完全即時。相比之下,5G之大頻寬與低延遲特性將能提升看診時之視訊影像品質、增加傳送更多生理資訊,且可讓生理數據傳遞之延遲率下降,進而使醫生得到更多且更即時的資訊,有助提升診斷之品質。
由於已有4G遠距醫療之基礎,在5G商用化後,預期5G網路使用者將直接使用5G網路連線取得遠距醫療服務,故5G遠距醫療將在5G商用化後就出現。此外,因歐、美、日與中國政府目前持續推動遠距醫療,如美國政府持續放寬遠距醫療項目與保險核銷比例,而美國聯邦通訊委員會也以億美元以上的資金規模推動遠距醫療計畫,希望使鄉村地區可得到遠距醫療服務,故遠距醫療市場預期將持續成長。
隨遠距醫療市場持續成長,加上5G持續布建、提升覆蓋率,遠距醫療採用5G之人數也預料將上升,預計2023年以後5G應會達到一定程度以上的區域覆蓋,5G遠距醫療進入大量使用階段,市場開始起飛。
醫院基於方便性與移動性之考量,會進行無線化,但有些醫院因為歷史悠久,難以在老舊建物內拉出有線寬頻網路並轉成無線訊號,甚至可能因不能損傷歷史建物外觀或結構,因而採用行動寬頻網路來達成無線化之需求。例如羅許大學醫學中心(Rush University Medical Center)與AT&T合作設立全球首例醫院5G專網即是為了使歷史超過百年的醫院建物進行無線化,故採用5G專網,且預計在5G專網下提供5G等級的醫療應用。
此外,醫院不管是內部員工、患者或家屬都有進行連絡之需求,有些醫院的行動通訊訊號品質不佳,因而產生在醫院內建立行動通訊網路之需求。例如專網業者ADRF便使用分離式天線系統(Distributed Antenna System, DAS)為部份美國醫院建立通訊專網,以改善訊號品質不佳之問題,滿足醫院的通訊需求。
5G醫療專網建置機會高
基於無線化以及改善通訊品質等兩種理由,4G時代已有醫院通訊專網之需求,預期此需求在5G時代下依然存在,部分醫院將藉建立5G專網來滿足此需求。
且現存的4G醫療專網在5G時代下預期將升級為5G。綜合上述原因,預期5G醫療通訊專網存在相當程度之採用可能,然而建立5G醫療專網未必代表專網使用者將針對5G開發相關醫療應用,其主要意義應解讀為使用5G進行連網,能提供5G醫療應用為擁有5G專網後可進一步的延伸。
2013年時美國陸軍醫學研究和裝備司令部(U.S. Army Medical Research and Materiel Command)便曾撥款1,400萬美元開發以行動網路或衛星網路連網,進行戰場遠距醫療的整合性設備LifeBot。2018年美國國防部也撥款資助普渡大學(Purdue University)的開發一套擴增實境系統,用以在戰爭或災害現場等危急狀況透過網路與遠距外的醫療專家連線,醫療專家可以隔空畫線,讓現場人員透過AR顯示器上看到重疊在病人身上的線,指引其從病患某個部位切開、插入管子,救人一命。
在軍事與救災上除對行動急救設備具有需求外,也對遠距醫療平台存有需求。如2018年美國陸軍醫療物資局(Army...
模擬方案/服務雙管齊下 毫米波天線/設備整合難度遞減
5G應用於2019年啟動,在6GHz以下頻段成功商用之後,電信商、半導體業者也紛紛加快毫米波(mmWave)頻段的應用開發。不過,由於毫米波頻段偏高,加上導入波束成形(Beamforming)技術,5G毫米波天線與產品的整合難度因而大幅上揚,為加快整合時程並降低成本,不僅模擬工具重要性隨之增加,與此同時模擬工具供應商也進而衍生出新的服務模式。
毫米波應用挑戰在於天線/設備整合
安矽思(ANSYS)資深應用工程師林鳴志(圖1)表示,5G毫米波設計目前最主要的挑戰在於,如何找出「激發相位(Excitation Phase)」。由於5G導入了多重天線(MU-MIMO)設計,使得天線的數量大幅增加,例如2×4的規格就有8根天線,為了使天線獲得最好的共振效果,天線在產品中擺放的位置也比以往更加講究,不同的相位,天線的增益效果也會不同。
圖1 ANSYS資深應用工程師林鳴志表示,激發相位(Excitation Phase)是目前5G毫米波應用開發的最大挑戰。
林鳴志指出,因此,目前5G毫米波產品最大的設計挑戰在於「摸清」相位的排列組合,不同的設備、材料或是擺放位置,都有可能會影響訊號的穩定性和性能。所以,在進行5G模組與產品整合時,就必須重新尋找一次相位,由於相位的擺放沒有固定位置,只要換個終端設備、材料等,相位的排列組合就會改變,設計人員就因而須再花時間找尋最合適的相位。
另外,5G也導入了波束成形的技術,對於系統廠商而言,在進行天線與裝置的整合測試時,必須要分析這些波束(Beams)的功率密度,以及如何組合才能達到最好的效果,這可能須經過數十遍的測試。而不論是找尋相位或是分析波束組合,都需花上許多人力、物力還有時間,為了改善此一狀況,模擬工具的重要性也與日俱增。
達梭系統(Dassault Systèmes)大中華區通路技術總監馮升華(圖2)則說明,毫米波相關裝置電磁高,機器的精密程度、製程要求高,驅使天線與裝置間的整合要求更高;而天線也從單天線轉變為天線陣列,因而催生了許多設計挑戰。
圖2 達梭系統大中華區通路技術總監馮升華指出,5G的落實需要網路基礎設施的升級、軟硬體的升級和最佳化、包括基地台設備、天線、網路建構技術等都須提升。
馮升華指出,在毫米波通訊系統中,因毫米波訊號的傳播損耗較高,使得RF元件對微弱訊號具有較高的靈敏度,同時,為保證RF元件對微弱的毫米波訊號能快速回應,還須增大工作電流,因而使得RF元件功耗增加。另外,毫米波訊號波長接近或小於裝置導線的長度,可能出現線路阻抗不匹配時的「傳輸線效應」,發生訊號反射、干涉、衰減、疊加等各種訊號畸變,因而影響訊號的傳播。
另外,從整個RF模組來看,模組化程度日益複雜;而從產品整合角度來看,毫米波RF元件主要的關卡有電磁干擾、散熱、功耗等等,這和5G的工作模式有關,所以設計人員需要從電磁、散熱、外觀、材料等等這些方面共同努力突破關卡。
克服天線整合挑戰 模擬工具扮要角
5G所使用的頻段偏高,加上導入波束成形技術,增添了產品設計工程師在整合天線時的複雜度,也因此,如何善用模擬工具遂成為加快設計時程的關鍵要素,模擬工具業者也積極推動旗下5G模擬解決方案。
例如安矽思旗下的ANSYS HFSS軟體,提供三維全波精度的模擬技術,從而實現RF和高速設計,透過高級電磁場求解器和高效諧波平衡和瞬態電路求解器之間的動態連結,進而加快反覆運算和物理原型製作的時程,滿足工程團隊於天線、RF微波元件、高速互連、連接器、IC封裝和PCB等設計需求。
馮升華指出,5G時代的天線設計有諸多挑戰,比如在IoT智慧終端機,智慧型手機和車載智慧系統中,天線需要在更狹小的空間和更複雜的電磁環境中保持高性能。模擬工具須具備足夠的深度,也就是在演算法和專業上要滿足5G毫米波設計模擬的要求;第二個是廣度,模擬解決方案應該涵蓋多物理場,不僅要在電磁解決方案上有完整度,也要在結構、重力、碰撞、疲勞、熱學、聲學、流體、多體等各個學科,甚至在材料、城市級部署、工藝、系統工程、控制等領域,實現模擬自動化和總體最佳化。
為此,達梭致力提供端到端的數位連續解決方案,例如BIOVIA提供原子級新材料研發和模擬能力,SIMULIA提供系統級的電磁3D模擬、結構類比、熱類比、流體模擬等等,CATIA System Engineering提供系統工程設計與模擬。
簡化整合/設計難度 模擬業者催生新服務
林鳴志表示,上述提到,5G毫米波設計挑戰在於與裝置間的整合,而模擬工具供應業者除了提供相關模擬解決方案,加快系統廠整合速度外,如何協助系統業者進行模擬後的分析處理,是另一個重點。
林鳴志說明,進行5G天線與裝置的整合測試,在有了模擬工具之後,其實不用花費太多的時間,至多一天就會有結果。然而,要分析模擬出來的數據並製作成分析報告卻是個繁瑣的過程,例如模擬結果可能有數種可能,因而有數千張圖,截圖、分析然後製作成報告也須花費許多人力和時間。
也因此,為了不讓分析報告成為系統業者開發5G產品的瓶頸,安矽思目前也在研發專門處理分析報告的自動化程式(基於HFSS模擬工具),也就是在獲得模擬數據後,能自動進行分析,篩選出最佳或最糟的結論,使得系統業者不僅能順利進行5G天線與設備的整合,並且加快其分析報告製作時間。
馮升華則表示,隨著產品的複雜程度不斷提升,產品反覆運算速度越來越快,對軟體的性能要求越來越高,尤其對於5G RF元件的研發,涉及到的電磁場、溫度場、流體對高性能計算的要求非常高,也因此,即買即用的雲端軟體為產品的研發提供了很大的便利。
馮升華進一步解釋,5G RF元件研發設計和類比軟體的雲端化,降低了企業IT營運維護的成本,提升了IP資料的安全性,集中了高性能計算。因此,達梭系統推出支援產品研發設計、類比、製造的端到端3D體驗平台,並同時支援雲端部署和企業部署;從購買到使用,只需一個小時的下載安裝時間,即可使用,一站式解決5G RF元件的設計和模擬需求。
總結來說,5G毫米波應用的實現關鍵在於天線與設備的整合難度,雖說仍有許多挑戰待克服,但也非無法逾越的高牆。馮升華指出,5G的應用依賴於整個5G生態的發展。通常會經歷5G裝置測試、3GPP標準制定、國家發放5G牌照、行動網路營運商建立5G基地台並建構網路技術、行動終端應用、車聯網暨物聯網應用等環節。在Sub-6GHz下營運的5G網路覆蓋率是毫米波5倍以上,同時Sub-6GHz只需要在原有4G基地台上加裝5G基地台即可,大大節省了部署成本。
馮升華進一步說明,由於從覆蓋到成本,Sub-6GHz頻段遠勝於毫米波頻段,因此Sub-6GHz成為5G早期優勢頻段,產業鏈相對更成熟。因此支援sub-6GHz頻段的商用5G智慧型手機上市先於毫米波頻段的手機。比如HUAWEI Mate 20 X等。然而,毫米波頻段的手機發展進度也並沒有落後太多,比如三星Galaxy S10 5G就支援6GHz以下、28/39GHz毫米波頻段,而相容Sub-6GHz頻段和毫米波頻段的手機也將會在明年出現。
網路切片致安全風險 5G網路安全措施不可輕忽
為促進5G安全技術的改進,解決商業無線網路中的網路安全威脅,5G Americas日前發布了「5G的安全演變」(The Evolution of Security in 5G)白皮書,其中定義了5G安全的威脅和標準的演進。
5G Americas總裁Chris Pearson表示,安全性仍然是全球5G網路商業化初期的重要議題,目前已有23個商用標準化5G網路,5G新技術的轉型能力將影響人們工作、生活和娛樂的方式。
Pearson進一步說明,5G複雜的網路切片可能增加惡意攻擊的風險。新的5G安全措施透過多個網路層隔離這些切片,並藉由身份驗證架構提供端到端安全性。網路切片和大規模物聯網的發展,使安全風險提升,因此應該對不斷增加的設備和感測器保持高度警惕。
第三代合作夥伴計劃(3GPP)一直致力於這些5G安全技術標準的開發,包括5G網路的加密、相互身份驗證、完整性保護、隱私和網路可用性的相關安全措施。3GPP已經確立了一個統一的認證架構,可以支援不同的連接技術;同時為防止威脅擴散到其他網路切片,制定了安全服務架構(Service-Based Architecture ,SBA)和隔離優化安全性;並增加了對SoR的原生支援,以改善客戶體驗,降低漫遊費用並防止利用漫遊的詐騙。
現在5G安全性的改進是建立在現有4G的強大安全控制之上,並再進一步強化其安全性。3GPP先前的安全性改良包括版本8(Release 8)的增強,透過節點向伺服器和版本11(Release 11)添加安全/認證機制,以提升核心網路的安全性。
然而,隨著5G網路變得越來越複雜,新的威脅和漏洞增加了安全風險。設備、無線電接網(RAN)、行動裝置、邊緣裝置、網路核心、安全網關網路局域網(LAN)防火牆等等都是攻擊的潛在目標。物聯網(IoT)的服務、應用程式、節點/平台、網路/傳輸或物聯網設備本身都使安全風險擴大。
對此,AT&T和白皮書工作團隊的聯合負責人Sankar Ray表示,使用AI動態安全系統取代預設的安全措施,可以有效因應複雜的5G網路安全威脅。使用可見、分區和緩解控制來保護5G網絡,並透過自動化、協調、分布式網路架構和營運、策略分析等技術使安全性威脅更易於管理。
物聯網的發展以及網路切片技術的應用使網路安全暴露於更多危險中,因此相關應對措施也顯得更加重要。
結合雲端高運算/低成本/靈活特性 先進製程IC設計複雜度驟降
多元新興應用(AI、5G等)崛起,使得IC不僅要高效能,同時還要小體積、低功耗,這也使得IC設計的複雜度與時間大增。要達到這些條件,IC設計時所需的運算資源是過去的數倍,面對高運算、成本效益的考量,加上為了加快IC設計時程,半導體產業開始結合雲端技術,將雲作為IC設計平台,雲端技術用來輔助IC開發的契機也因而湧現。
台積電推雲端聯盟引領IC設計上雲風潮
台積電在2018年宣布首度在開放創新平台(Open Innovation Platform, OIP)上提供「虛擬設計環境(Virtual Design Environment, VDE),協助客戶靈活運用雲端運算環境,充分使用台積電的OIP設計基礎建設,安全地在雲端進行晶片設計。
OIP VDE是台積電與OIP上最新成立的「雲端聯盟」的創始成員合作,包括亞馬遜雲端服務(AWS)、益華電腦(Cadence)、微軟Azure(Microsoft Azure)以及新思科技(Synopsys)的合作成果,在雲端提供RTL-to-GDSII的數位設計以及schematic capture-to-GDSII的客製化設計能力。
OIP VDE裡的數位設計以及客製化設計流程,皆於雲端運算的環境上,結合製程技術檔(Process Technology File)、製程設計套件(Process Design Kit, PDK)、基礎矽智財(Foundation IP),以及設計參考流程(Reference Flows)等的OIP晶片設計輔助資料檔,並通過了充分的測試。
同時,為了降低客戶首度採用雲端的門檻,並且確保客戶獲得充分的技術支援,Cadence與Synopsys將扮演單一窗口的角色,協助客戶架設VDE並且提供第一線的支援。
台積電技術發展副總經理侯永清表示,雲端無所不在,並且會全面影響未來晶片設計的進行。台積電是第一家與設計生態環境夥伴與雲端服務公司合作提供雲端設計解決方案的專業積體電路製造服務公司。OIP VDE提供客戶彈性、安全,透過矽晶認證的雲端設計解決方案,能夠幫助他們按照需求有效地擴充運算設備,進而加速下一代系統晶片的上市時間。
而台積電在2018年推出OIP雲端聯盟後,也持續擴增其規模,添加更多合作夥伴,像是明導國際(Mentor)便成為新的聯盟生力軍,拓展此一平台生態系統的規模。
台積電指出,Mentor已成功通過台積電的認證成為雲端聯盟的新成員,其於雲端保護矽智財的程序皆符合台積電的標準。此外,台積電驗證了Mentor Calibre實體驗證電子設計自動化解決方案,能夠有效地藉由雲端運算的擴展性加速完成晶片實體驗證。
侯永清指出,自從台積電率先成立雲端聯盟後,已經看到越來越多的晶片設計業者採用雲端解決方案。因此,我們更進一步擴大雲端聯盟的規模,並且深化夥伴關係。看到不同規模的客戶在利用台積電的先進製程進行設計時,藉由雲端運算來提高生產力。目前已經有客戶採用雲端聯盟的解決方案完成7奈米的產品設計定案。此外,台積電也利用雲端來進行5奈米的開發,以更快速地提供記憶體、標準元件庫、以及電子設計自動化設計基礎架構給客戶,幫助客戶取得競爭優勢,更快的將產品上市,並且達到更高的品質。
降成本/高運算需求增雲端方案趁勢起
晶片設計日趨複雜是推動雲端設計的主要動力之一。Cadence雲端業務開發副總裁Craig Johnson指出(圖1),每種應用領域各有其需要解決的獨特問題。此外也有一些是關於改用先進製程節點、提升產能以及符合嚴苛時程要求等共通挑戰。像是5G這樣的領域追求對於整合極限的突破,因此從事此類設計的公司最為積極採用先進製程技術。這些業者需要製程所能提供的性能及處理能力,相應而來的問題是最新製程節點通常需要成熟時間,而在此過渡時期可能出現意料之外的狀況。至於AI設計的應用在於提供高度客製化的高性能晶圓,因此數量上持續成長,這為過去視為合併至多功能裝置的半導體產業帶來新的機會。
圖1 Cadence雲端業務開發副總裁Craig Johnson指出,雲端已受到越來越多的關注,而Cadence也推出各式雲端產品組合因應市場需求。
整體而言,雲端已受到越來越多的關注,已有許多企業正在評估研擬雲端策略。雲端資源吸引人之處在於能夠利用幾乎無限的運算資源,大幅提高產能並且加快產出時間,而毋須購入以約4年作為最大限度使用投資回報率的衡量標準。此外,企業可以選擇將其IT焦點從硬體的管理轉移到應用程式的管理。這些任務的區分可更趨明確,提升支出效益。
Cadence台灣區總經理宋栢安(圖2)則說,如今IC設計開始朝雲端發展,有幾個重要因素。首先是上述提到的,晶片設計愈來愈複雜的情形。隨著AI、5G和物聯網(IoT)等新興應用崛起,晶片的設計複雜度、難度明顯增加,而在難度大增的情況下,IC設計和分析所需的運算能力也越來越多。另一個原因則是為了因應短期而大量的設計需求,比如說當IC設計公司接到的案子是要在一個月內完成,但沒有這麼強大的系統因應晶片設計時所需的大量驗證與運算時,便可以租用雲端方案,採用雲端業者的高運算系統進行IC設計。
圖2 Cadence台灣區總經理宋栢安說明,雲端技術不僅提供高運算方案,也可因應短期且大量的產品設計需求。
像是新創晶片設計公司 SiFive已採用OIP VDE平台完成28奈米製程的單晶片設計。此設計架構由SiFive與Cadence於微軟Azure運算雲端平台上聯手完成,搭載SiFive自行開發的64位元多核開放原始碼指令集架構(Multi-Core...
專訪Digi-key全球業務副總裁Tony Ng Digi-key助攻台廠搶食IoT商機
Digi-key全球業務副總裁Tony Ng表示,工業、醫療及IoT應用多半是少量多樣的特性,代工廠若要爭取訂單,報價、原型(Prototype)製作及備貨的速度都得要快,因此在零件採購的思維上,是迥異於PC、消費性電子等大量生產的產品。
以工業、醫療產品為例,產品生命週期較長,但終端客戶多半無法提前告知要貨時間,通常一下單就很快要貨,備貨時間(Lead Time)很短,再加上每次要貨量不多,可能只有500、1,000顆。因為訂單需求急又小量,且難以預知下一筆訂單何時發生,代工廠不太可能備好現貨來因應,更何況還有呆料的風險。
為協助代工廠搶進工業、醫療、IoT等少量多樣應用市場,Digi-key不斷致力豐富能供應的現貨,且隨時備有超過170萬件現貨,能從美國明尼蘇達州Thief River Falls總部即時出貨,因此現貨產品無需備貨時間,99%的訂單皆可在訂單成立當天出貨。
不僅如此,Ng更透露,Digi-key正在興建一座新倉庫,地點在該公司總部旁邊,面積約200萬平方英尺,是目前倉庫的一倍之多,可看出該公司對落實現貨供應承諾的用心。新倉庫自2018年動工至今已有一部分已封頂,接下來還會再建置自動化基礎設施,預計2020年正式完工啟用。
另一方面,Digi-key也持續擴增代理線,以提高客戶每筆物料清單(BOM)的現貨涵蓋比例。Ng談到,該公司近2~3年代理了許多模組類產品線,如射頻、感測器模組等,這類產品尤其適合少量多樣的應用,不但可大幅減少客戶自行設計的時間,還能提高獲利空間。
Ng還強調,除了快速以及自動報價、訂購、出貨等服務外,Digi-key亦可針對特定客戶提供放帳、月結等增值服務;希冀以更完善服務,協助台灣代工業者成功搭上IoT時代商機列車。
Digi-key新的倉庫占地約200萬平方英尺,是目前倉庫的一倍之多,預計2020年完工啟用。