來(lái)源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察

       麻省理工學(xué)院研究人員設(shè)計(jì)的一種新型芯片組件有望將物聯(lián)網(wǎng)的覆蓋范圍拓展至5G。這一發(fā)現(xiàn)代表著基于5G的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將得到更廣泛的推動(dòng)——利用該電信標(biāo)準(zhǔn)的低延遲、高能效以及海量設(shè)備連接能力。這項(xiàng)新研究也標(biāo)志著物聯(lián)網(wǎng)朝著更小、低功耗的 健康監(jiān)測(cè)器、智能相機(jī)和工業(yè)傳感器等應(yīng)用邁出了重要一步。

       更廣泛地說(shuō)，將物聯(lián)網(wǎng)遷移到 5G 的前景意味著更多設(shè)備能夠以更快的速度連接，從而可能帶來(lái)更高的數(shù)據(jù)傳輸速度和更低的電池消耗。這也意味著，在數(shù)據(jù)流背后，需要更復(fù)雜、更棘手的電路來(lái)支撐。

       所有這些均采用5G 標(biāo)準(zhǔn)，而非同等水平的4G/LTE或Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，這意味著物聯(lián)網(wǎng)正在拓展其覆蓋范圍和規(guī)模。它正在從相對(duì)中等規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)部署，邁向擁有數(shù)百個(gè)甚至更多節(jié)點(diǎn)潛力的更廣闊網(wǎng)絡(luò)。

       然而，需要澄清的是，麻省理工學(xué)院電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)博士生Soroush Araei表示，IoT-over-5G 并不意味著網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)突然獲得自己的電話號(hào)碼。

       “我們的主要目標(biāo)是，你擁有一個(gè)可以重復(fù)用于不同應(yīng)用的單一無(wú)線電接收器，”Araei 說(shuō)，“你擁有一個(gè)靈活的單一硬件，并且可以通過(guò)軟件在很寬的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)諧。”

       使用 5G標(biāo)準(zhǔn)而不是5G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可以讓物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備跳頻、節(jié)省電池電量，并使用大規(guī)模連接技巧，每平方公里最多可容納一百萬(wàn)臺(tái)設(shè)備。

如何制作 5G 物聯(lián)網(wǎng)芯片

       另一方面，物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)商迄今為止采用 5G 的速度一直很慢，這凸顯了硬件挑戰(zhàn)有多么困難。

       荷蘭恩斯赫德特溫特大學(xué)集成電路設(shè)計(jì)副教授 Eric Klumperink 表示： “對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)而言，電源效率至關(guān)重要。你希望以極低的功耗實(shí)現(xiàn)良好的無(wú)線電性能——[使用]小型電池，甚至能量收集。”

       但隨著越來(lái)越多的設(shè)備連接到越來(lái)越多的網(wǎng)絡(luò)（5G 或其他網(wǎng)絡(luò)），其他問(wèn)題也隨之出現(xiàn)。

       位于德克薩斯州奧斯汀的L&T 半導(dǎo)體技術(shù)公司技術(shù)研究員維托·詹尼尼 (Vito Giannini)表示：“在一個(gè)無(wú)線信號(hào)日益飽和的世界里，干擾是一個(gè)主要問(wèn)題。” （詹尼尼和克倫佩林克均未參與麻省理工學(xué)院研究小組的研究。）

       Araei 表示，使用 5G 標(biāo)準(zhǔn)有可能解決這兩個(gè)問(wèn)題。具體來(lái)說(shuō)，他表示，麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)的新技術(shù)依賴于已為物聯(lián)網(wǎng)和其他應(yīng)用開(kāi)發(fā)的精簡(jiǎn)版 5G。它被稱為“5G 精簡(jiǎn)容量”（或 5G RedCap）。

       他說(shuō)：“5G RedCap 物聯(lián)網(wǎng)接收器可以跨頻率跳變。但它們不需要像頂級(jí) 5G 應(yīng)用（包括智能手機(jī)）那樣低延遲。”

       相比之下，使用Wi-Fi的最簡(jiǎn)單的物聯(lián)網(wǎng)芯片將依賴單一頻段（可能是 2.5 或 5 千兆赫），并且如果太多其他設(shè)備使用同一信道，則可能會(huì)出現(xiàn)卡住的情況。

       然而，跳頻需要強(qiáng)大的無(wú)線電通信硬件，該硬件可以按照網(wǎng)絡(luò)指示在頻道之間快速切換，然后確保跳頻與網(wǎng)絡(luò)指令和時(shí)間一致。

       這顆微小的芯片中集成了大量的硬件和軟件智能，而這顆芯片可能只是整個(gè)倉(cāng)庫(kù)托盤上數(shù)百個(gè)微塵中的一個(gè)。

       但 Araei 表示，這樣的功能只是開(kāi)胃菜而已。

       任何可行的 5G RedCap 芯片的核心都是能夠在各種頻率范圍內(nèi)靈活工作的硬件，同時(shí)仍保持極低的功耗和適中的設(shè)備總成本。（麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)的技術(shù)只能用于接收傳入信號(hào)；要實(shí)現(xiàn)同樣寬的頻率范圍傳輸，則需要其他芯片組件。）

       研究人員借鑒了模擬電路和電力電子領(lǐng)域的一些技巧。但這項(xiàng)研究并非像陶瓷電容器那樣采用層層疊放的塊狀元件，而是將這些技巧集成到片上系統(tǒng)中，從而以低成本高效地實(shí)現(xiàn)射頻跳頻的小型化。研究人員上個(gè)月在舊金山舉行的IEEE射頻集成電路研討會(huì)上展示了他們的研究成果。

       “這有點(diǎn)像開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)，”Araei 說(shuō)，“你周期性地依次打開(kāi)和關(guān)閉這些電容，這被稱為‘N 路徑結(jié)構(gòu)’。這通常會(huì)形成一個(gè)低通濾波器。”

       這意味著，該團(tuán)隊(duì)不是在電路中使用單個(gè)電容器，而是使用微型電容器組來(lái)根據(jù)電路接收的頻率范圍的需要打開(kāi)和關(guān)閉。

       由于他們將所有這些頻率濾波技術(shù)都集成到電路前端，即放大器接觸信號(hào)之前，因此該團(tuán)隊(duì)報(bào)告稱，其能夠高效地屏蔽干擾。他們報(bào)告稱，與傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)接收器相比，他們的電路可以濾除30倍以上的干擾，而功耗僅為個(gè)位數(shù)毫瓦。

       換句話說(shuō)，該團(tuán)隊(duì)似乎設(shè)計(jì)了一些相當(dāng)有效的低功耗5G物聯(lián)網(wǎng)接收器電路。那么，誰(shuí)能設(shè)計(jì)出同樣巧妙的發(fā)射器呢？

       Klumperink 表示，如果兩者都做到，總有一天會(huì)有人從中獲利。“物聯(lián)網(wǎng)在 5G（或 6G）上的應(yīng)用是有爭(zhēng)議的，”他說(shuō)，“因?yàn)橄啾扰R時(shí) Wi-Fi 連接，頻譜的分配和管理更加便捷。”

這是未來(lái) 5G IoT 芯片的本質(zhì)嗎？

       Klumperink 表示，麻省理工學(xué)院研究小組的電路可以在主流芯片廠生產(chǎn)。

       Klumperink 表示： “由于該電路采用主流CMOS技術(shù)實(shí)現(xiàn)，我認(rèn)為不會(huì)遇到太大障礙。”（該團(tuán)隊(duì)的電路僅需 22 納米制造工藝，因此根本不需要采用尖端代工廠。）

       Araei 表示，該團(tuán)隊(duì)的下一步目標(biāo)是消除對(duì)電池或其他專用電源的需求。

       “是否有可能擺脫電源，基本上利用環(huán)境中現(xiàn)有的電磁波來(lái)發(fā)電？”Araei 問(wèn)道。

       他說(shuō)，他們還希望擴(kuò)展接收器技術(shù)的頻率范圍，使其覆蓋整個(gè) 5G 信號(hào)頻率范圍。“在這個(gè)原型中，我們能夠?qū)崿F(xiàn)從 250 兆赫到 3 GHz 的低頻，”他說(shuō)。“那么，是否有可能將該頻率范圍擴(kuò)展至 6 GHz，從而覆蓋整個(gè) 5G 頻段呢？”

       Giannini 表示，如果這些即將出現(xiàn)的障礙能夠被克服，一系列應(yīng)用很可能在短期內(nèi)出現(xiàn)。“它在中距離和中等帶寬場(chǎng)景中，為移動(dòng)性、可擴(kuò)展性和安全的廣域覆蓋提供了優(yōu)勢(shì)，”他談到麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)的工作時(shí)說(shuō)道。他還補(bǔ)充道，新電路的 5G 物聯(lián)網(wǎng)適應(yīng)性可以使該技術(shù)非常適合“工業(yè)傳感器、一些可穿戴設(shè)備和智能相機(jī)”。