Redirect= СВЧ. Что вместо закона Мура?

СВЧ. Что вместо закона Мура?

№ 1’2020
PDF версия
Разработка новых недорогих потребительских РЧ-устройств для массового рынка начинается не на производственной площадке. Это происходит гораздо раньше, когда теоретические умозаключения из физики и математики получают воплощение в виде прототипа, позволяющего показать практическую осуществимость концепции. После такой первоначальной демонстрации дальнейшие работы над новой технологией должны сделать ее предсказуемой, воспроизводимой, стабильной, недорогой и экономически оправданной. Каждый из этих последующих шагов, как правило, является сложной и трудной инженерной задачей, решение которой требует значительных затрат времени, денег и усилий. Лишь после того, как все три ресурса будут направлены на решение каждого из инженерных вопросов, технология сможет достичь готовности к внедрению в крупносерийное производство. Этот путь к зрелости технологии сложен и длителен, но его необходимо пройти, прежде чем новые технологии смогут успешно использоваться в крупносерийном производстве недорогих радиоустройств.

Зрелость технологии — не единственное препятствие, которое R&D‑компании должны преодолеть, чтобы успешно вывести потребительский товар на рынок. Проектирование, производство, маркетинг и сбыт должны поддерживать стратегические планы и планы выпуска продукции, иначе этот продукт потерпит неудачу. Инженер по СВЧ-технике, занимающийся внедрением потребительского продукта, часто обнаруживает, что для его работы полезно понимание всех аспектов такой головоломки, а не только конструкторских проблем проектирования СВЧ-техники.

 

Зрелость технологии. Дорожная карта

План достижения зрелости технологии (рис. 1) показывает многие из ключевых характеристик, которые необходимо учесть, чтобы новая технология смогла пройти путь от проверки концепции (на рисунке слева) до крупносерийного производства (на рисунке справа) [1, 2]. На рисунке показано несколько отдельных и независимых аспектов, связанных с процессом разработки: технические возможности, целевое применение, максимально допустимое время для завершения проектирования продукта или выполнения задач разработки, стоимость и объемы производства. Кроме того, представлены типичные частотные диапазоны, существующие сегодня на разных стадиях зрелости.

Диаграмма, представляющая план достижения зрелости РЧ-технологии. NRE: однократная разработка; RE: повторяющиеся разработки; ТГц: терагерцовый диапазон; мм-волны: миллиметровые волны; ГГц: гигагерцовый диапазон

Рис. 1. Диаграмма, представляющая план достижения зрелости РЧ-технологии. NRE: однократная разработка; RE: повторяющиеся разработки; ТГц: терагерцовый диапазон; мм-волны: миллиметровые волны; ГГц: гигагерцовый диапазон

На рис. 1 предпринята попытка дать общее описание процесса развития технологии от стадии проверки концепции до стадии массового производства, хотя для разных технологий этот процесс идет по-разному. Прогресс развития технологий не линеен. Он зависит как от сферы применения продукта, так и от отрасли промышленности. Для различных технологий проблемы зрелости могут решаться по-разному, но все они должны быть надлежащим образом реализованы до внедрения технологии в продукты массового потребления. Необходимые шаги на пути к зрелости технологии редко выполняются в одной лаборатории или организации. Первые шаги нередко осуществляют исследователи из одной организации, последующие — часто имеющие целью конкретный продукт с превосходными характеристиками, предназначенный для мелкосерийного производства — проектировщики из другой организации. Например, разработчики военных или спутниковых систем часто адаптируют новую технологию для ее внедрения в новый продукт, который ранее был предназначен только для проверки концепции. В таких случаях объем производства может ограничиваться лишь одной единицей, в то время как стоимость изделия очень высока. Усилия по внедрению новой технологии в реальный продукт приведут к повышению зрелости технологии. Технологическому прогрессу часто способствуют другие организации — обладающие навыками в области тестирования, снижения затрат и повышения технологичности. Кроме того, могут разрабатываться и изготавливаться различные мелкосерийные продукты, что способствует дальнейшему развитию формирующейся технологии до тех пор, пока она будет готова для массового производства.

Обратите внимание, что проблемы в верхней части плана достижения зрелости технологии могут быть рассмотрены сразу в нескольких из перечисленных отраслей промышленности или применений. Так, надежность нужна для любого изделия, возможно, за исключением прототипов. Однако конкретные требования к надежности и методы, необходимые для ее достижения, сильно различаются, если, например, сравнивать сферы применений, показанные в левой и правой частях графика на рис 1. В частности, испытания на надежность, предусмотренные для спутниковых компонентов, могут быть важным шагом на пути достижения зрелости технологии, но могут не подойти для удовлетворения требований к изделиям массового назначения.

Изучая не только техническую литературу, но и профессиональные новости и рекламные материалы, можно в некоторой степени понять процесс достижения зрелости технологии и временные рамки, в которых этот процесс протекает. Рецензируемая техническая литература является хорошим инструментом для понимания состояния зрелости технологии, пока новая технология находится на ранних стадиях развития. Однако по мере приближения технологии к моменту внедрения ее в крупносерийное производство такие источники уже не уделяют технологии какого-либо внимания. Когда организации начинают получать прибыль от внедрения новых технологий, они, как правило, менее всего заинтересованы в публикации подробных технических объяснений того, как они добились успеха.

Типичные источники информации, позволяющие получить представление о зрелости технологии, относящейся к правой части изображения на рис. 1, включают пресс-релизы, описания из Интернета и публикации в профессиональных журналах. Кроме того, для получения полной картины прогресса зрелости технологии могут быть полезны знания, полученные из таких источников, как патенты и переговоры по контрактам с производителями материалов и оригинального оборудования. Однако имейте в виду, что эти источники часто не столь надежны, полны и точны, как рецензируемая литература. Корпорации часто публикуют пресс-релизы, которые скорее оптимистичны, чем достоверны. Но в сочетании с рецензируемой литературой и знанием о реальной доступности продукта такая информация может помочь создать ценную картину о зрелости технологии на более поздних стадиях. Знание того, какие отрасли промышленности в настоящее время используют новую технологию, а также основных проблем, над решением которых они работают, помогает оценить, насколько далеко технология продвинулась за пределы первоначальной проверки концепции и насколько близка эта технология к крупносерийному производству.

 

Радиочастотные и цифровые системы.  Стратегическое планирование

Понимание процесса эволюции и процесса достижения зрелости технологии важно для технологов, участвующих в планировании, обеспечении ресурсами и распределении основных усилий по разработке продуктов. Чтобы новое изделие стало успешным, план разработки должен предусматривать использование оптимальных технологий и определять приоритеты исследований, нацеленных на развитие технологических возможностей. Оптимальная технология для продукта, производимого сегодня, не может остаться оптимальной и через несколько лет. Аналогичным образом, оборудование и технологические возможности, адекватные современным продуктам, могут существенно ограничить технологический процесс производства, необходимый для конкурентоспособных систем в будущем.

С 1960‑х годов основное внимание в разработке радиочастотных и цифровых систем уделялось производству интегральных схем (ИС), которые являются более сложными, дешевыми, быстрыми и надежными, чем изделия предыдущего поколения. Из-за чрезвычайно быстрого уменьшения размеров устройств и увеличения сложности схем постановка целей проектирования, обращенных на несколько месяцев в будущее, может быть затруднена. Если технологическая задача чересчур амбициозна, внедрение продукта может оказаться запоздалым, что приведет к потере дохода и даже рынков. Если технологическая задача слишком несмелая, то полученный продукт не сможет достойно конкурировать с более амбициозными продуктами конкурентов.

Уже более 50 лет технологи, работающие над цифровыми изделиями электроники, обладают значительным преимуществом в выполнении задач стратегического планирования благодаря направлениям, вытекающим из закона Мура [3, 4]. Закон Мура предоставил производителям цифровых микросхем очень конкретное технологическое руководство для установки целей, реализации планов выпуска продукции и разработки производственных стратегий. Знание сложности цифровой схемы, необходимой для выпуска продукта в будущем, указывает, куда должны быть направлены инженерные ресурсы (то есть то, что способствует процессу или технологии, должно быть усовершенствовано для достижения требуемой сложности, определенной законом Мура). Применение закона Мура сделало переход к миниатюризации цифровых систем чрезвычайно упорядоченным и эффективным. Помимо функциональных характеристик закон Мура также устанавливает цели для характерного размера топологии, диаметра полупроводниковых пластин, допусков и даже чистоты окружающей среды в наших чистых помещениях. Перечисленные цели оказывают влияние и на требования к проценту выхода годной продукции и производительности производственных мощностей. Закон Мура определил темпы развития цифровых устройств не только с точки зрения размера и количества транзисторов, но и во многих других аспектах полупроводниковой технологии [5].

У разработчиков радиочастотной техники нет правила, даже отдаленно похожего на закон Мура, способного направлять их. Уменьшение размеров радиочастотных устройств (при общем тренде сокращения размеров и веса, цены, а также повышения скорости) не приблизилось к тому, что достигнуто для цифровых схем. Есть фундаментальные технические причины, по которым развитие радиочастотной технологии так не похоже на развитие цифровой технологии. В цифровых системах основной единицей функциональной электрической конструкции является бит. Ни один бит не является слишком маленьким до тех пор, пока электронное устройство способно различить состояние «1» и состояние «0». В то время как размеры устройств уменьшаются, никаких фундаментальных изменений в конструкции электронной логики не требуется. Новые, меньшие биты просто становятся более эффективными версиями старых, больших битов.

В отличие от этого, одним из основных единиц радиочастотных/беспроводных систем можно считать ватт. Для достижения энергетического запаса линии связи на приемнике от передатчика требуется определенное количество энергии. В некоторых случаях для уменьшения требования к питанию применяют направленные антенны, но необходимый уровень мощности не так масштабируем, как бит. «Меньший ватт» не является приемлемой концепцией, и, чтобы соответствовать энергетическому запасу, устройство должно вырабатывать всю требуемую мощность. Это различие между битами и ваттами еще более усугубляется тем фактом, что по мере масштабирования цифровых устройств рабочее напряжение тоже уменьшается. Для цифровых систем это снижение требуемого напряжения питания не оказывает существенного влияния на качество бита. Однако в случае РЧ-устройств снижение напряжения питания означает, что для поддержания заданного уровня мощности требуется пропорциональное увеличение тока. Часто это достигается фактическим увеличением размера устройства.

В то время как рынок оказывает давление, стимулирующее усложнение радиочастотных интегральных схем (с цифровыми ИС ситуация та же), инженерное сообщество, занимающееся РЧ-устройствами, не имеет конкретных указаний относительно того, насколько агрессивно нужно устанавливать цели проектирования радиочастотных интегральных схем следующего поколения. Не менее сложным вопросом является принятие решений о выделении ресурсов на исследования и разработки. Без закона, эквивалентного закону Мура, который можно было бы использовать в качестве ориентира, разработчик РЧ-устройств не имеет четкого представления о том, какие параметры понадобятся в дальнейшем для производства конкурентоспособной продукции. Вся эта сложность и отсутствие инструкции по масштабированию делают прогресс в РЧ-технологии более медленным, менее упорядоченным и предсказуемым.

Вместо того чтобы сосредоточиться на масштабировании и функциональности, разработчики радиочастотных устройств должны рассмотреть гораздо более сложное поле переменных. Оценки РЧ-технологии были даны во многих ранее вышедших статьях, посвященных обзору технологий в рецензируемой литературе [6–10]. Например, Haddad и Trew [6] в своей комплексной оценке полупроводниковых СВЧ-устройств рассмотрели характеристики различных двух- и трехполюсных устройств, а также полупроводниковых материалов и вакуумных устройств. Важная часть их исследования содержит обобщающую диаграмму, отображающую средний уровень мощности в сравнении с частотой для всех устройств и материалов, которые они исследовали. Хотя характеристика «мощность-частота» является одним из наиболее важных показателей для многих радиочастотных устройств, Haddad и Trew также определили и рассмотрели и другие показатели, в том числе соотношение уровня шума и частоты. Зависимость наилучших достижимых на сегодняшний день радиочастотных характеристик от частоты нередко становится первым шагом, используемым разработчиками радиочастотного оборудования при выборе оптимальных технологий для новых устройств.

К другим важным параметрам, которые следует рассматривать при оценке технологий в рамках долгосрочного планирования, можно отнести частотные характеристики плотности мощности, показателя добавленной мощности и коэффициента усиления [7]. В некоторых случаях рассматривают такие уникальные характеристики, как сопротивление канала, точка пересечения третьего порядка [8], а также частотные зависимости сопротивления и добротности интегрированных пассивных устройств [9].

В то время как тщательный поиск по литературе может охватить текущие технологические возможности, он, однако, не дает никаких указаний на то, как быстро технологический прогресс может улучшить характеристики до заданного или требуемого уровня. Наилучшие характеристики, наблюдаемые сегодня, могут быть получены с использованием очень зрелой технологии и представлять собой параметры, близкие к теоретическому пределу для этой технологии. С другой стороны, наилучшие на сегодня характеристики могут быть просто ранним результатом технологии, которая скоро достигнет зрелости и значительно улучшится. Критически важное влияние на выбор оптимальных технологий для будущих продуктов оказывает прогноз технологических возможностей на дату внедрения продукта, а не просто оценка того, какие показатели достигнуты к настоящему моменту.

Для того чтобы рассмотреть важность скорости технического прогресса и уровня зрелости, Cressler в своей оценке кремний-германиевых (SiGe) гетеропереходных биполярных транзисторов провел анализ зависимости максимально достижимой частоты fT от даты [10]. Такой анализ дает некоторое представление о темпах развития технологии, которое можно использовать в процессе стратегического планирования.

Технические характеристики и назначение изделия часто определяют, какие критические характеристики необходимо исследовать для точного стратегического планирования. При оценке эффективности новых технологий стратегический планировщик РЧ-устройств должен оценить все параметры, способные повлиять на интересующие продукты.

 

Частота. Пищевая пирамида

На первый взгляд можно было бы ожидать, что расширение полосы пропускания приведет к внедрению радиочастотных систем, работающих на все больших частотах — по аналогии с законом Мура, который управляет размером топологии микросхем и скоростью передачи битов в цифровых системах. Однако в отличие от цифровых битов распределение частот беспроводной связи диктуется правительственными правилами. Например, в то время как увеличение скорости переключения цифровой ИС на 10% обеспечивает конкурентное преимущество для проектировщика цифровых ИС, для проектировщика РЧ-систем увеличение РЧ на 10% не приносит никакой пользы. Радиочастоты определяются нормативными актами, а не технологическими возможностями. В целом, с течением времени диапазон частот, используемых для коммерческих применений, действительно расширяется, но темпы этого расширения определяются не только развитием технических возможностей.

В то время как частота является критической характеристикой практически в каждом радио/беспроводном устройстве и особенно важна для реализации многих функций и возможностей новых радиочастотных систем, исследование влияния расширения рабочих частот на стратегическое планирование радиочастотных систем является очень трудной задачей. Возможности расширения частот для проверки концепций и для малосерийных, дорогостоящих радиосистем не такие же, как для недорогих, крупносерийных продуктов широкого потребления. Как показано на рис. 1, миллиметровые и даже терагерцевые технологии находятся преимущественно на стадии прототипирования и имеют пока очень ограниченное применение (что соответствует левой части графика), но никаких крупносерийных радио- и беспроводных продуктов, работающих за пределами нескольких гигагерц, пока нет.

На рис. 2 представлена история коммерческого использования частот в беспроводной связи для многих из наиболее успешных потребительских крупносерийных радиоустройств начиная с момента внедрения транзисторных радиоприемников с амплитудной модуляцией в 1954 году. Сбор таких данных проблематичен и содержит спорные моменты. В то время как рецензируемая литература перед публикацией изучается и оценивается техническими экспертами, что гарантирует ее соответствие определенным стандартам научного доказательства, такие события, как вывод на рынок первого продукта, в основном объявляются в пресс-релизах или в профессиональных изданиях, обычно не включающих процесс рецензирования. Источники данных, изображенных на рис. 2, приведены в таблице. Еще больше усложняет анализ тот факт, что понятие «большой объем» для потребительских радиоустройств значительно эволюционировало с 1954 года. Общее количество произведенных транзисторных АМ-приемников первого поколения, например, составило всего 0,5 млн единиц (согласно источнику, указанному в таблице). Это лишь малая доля от объемов производства, прогнозируемых для мобильных устройств 5G. Аналогично, точка GSM, показанная на рис. 2 (обозначенная «2G»), соответствует первым двум представленным мобильным устройствам GSM 2G, но ни одно из этих устройств фактически не реализовало свои рекламируемые функции: улучшенное обслуживание или время автономной работы по сравнению с существующими аналоговыми телефонами. Не все из этих инновационных продуктов смогли успешно реализоваться на рынке — среди них есть те, что получили ужасные отзывы и быстро ушли с рынка. Применение более эффективных схем модуляции в некоторых современных радиоприемниках также повлияло на эффективность использования полосы частот, что отсрочило необходимость увеличения максимальной частоты. Наконец, график также показывает, что некоторые продукты используются только в качестве приемников. Наиболее сложные проблемы проектирования радиочастотных устройств нередко связаны с усилителем мощности, не входящим в состав приемников.

График, показывающий историю использования частот в крупносерийных потребительских радиоустройствах. Также показаны две самые низкие полосы частот для 5G

Рис. 2. График, показывающий историю использования частот в крупносерийных потребительских радиоустройствах. Также показаны две самые низкие полосы частот для 5G

Таблица. Наивысшая частота работы при первом внедрении продукта для конкретных устройств широкого потребления

Компания

Продукт или стандарт Wi-Fi

Дата первого продукта / публикации

Наивысшая частота (МГц)

Веб-источники информации

Комментарии к веб-источникам

Texas Instruments

АМ транзисторный радиоприемник TR-1

1954

0,16

Википедия.

smithsonianmag.com

«Regency TR-1 был анонсирован 18 октября 1954 года подразделением Regency I.D.E.A., выпущен в продажу в ноябре 1954 года и стал первым полностью транзисторным радиоприемником, выпущенным в сколько-нибудь значительных количествах».

Fisher/Sony

Транзисторный радиоприемник

с частотной

модуляцией (FM) 400Т, TFM-110

1963

108

Sony;

Википедия.

«Модель TFM-110 отличалась черно-серебристым дизайном, типичным для «Solid State 11».

«Его шикарный дизайн и беспрецедентно высокая чувствительность сделали TFM-110 бестселлером. Между 1963 и 1964 годами компания Fisher представила свой первый полностью транзисторный стереофонический приемник — Fisher 400T».

Motorola

Пейджер Pageboy

1964

475

Википедия.

«Pageboy компании Motorola был представлен

в 1964 году и мог выборочно передавать

радиосообщение конкретному человеку».

Motorola

Аналоговый мобильный

телефон

DynaTAC 8000X

1984

894

Википедия.

«В год коммерческого выпуска — 1984 — телефон Motorola DynaTAC …

был оценен в 3995 долл. США».

Megellan

Портативный

GPS-навигатор

GPS NAV 1000

1989

1575,42

Википедия.

«В 1989 году Magellan Navigation Inc. представила свой Magellan NAV 1000, первый в мире коммерческий портативный GPS-приемник».

Nokia/Motorola

GSM-Nokia 1011

и Morotola 3200

1992

900

www.gsmhistory.com;

Википедия.

«Motorola 3200 — первый мобильный телефон класса GSM-4 (который сегодня мы определяем как ручной портативный телефон)».«Nokia 1011 (NHE-2X5, NHE-2XN) — первый серийно выпускаемый GSM-телефон. Он продавался также под названием Mobira Cityman 2000. Номер типа отсылает к дате запуска — 10 ноября 1992 года».

Wi-Fi Alliance

Wi-Fi 802.11b

1997

2400

Википедия;

blog.aerohive.com.

«Wi-Fi был изобретен и впервые представлен потребителям в 1997 году, когда был создан комитет под названием 802.11. Это привело к созданию стандарта IEEE 802.11, входящему в серию стандартов беспроводных локальных сетей (WLAN)».

Wi-Fi Alliance

Wi-Fi 802.11a

1999

5000

www.cablefree.net

«Первая версия протокола 802.11 была выпущена

в 1997 году и обеспечивала скорость соединения

до 2 Мбит/с. В 1999 году выпущено обновление 802.11b, позволившее повысить скорость соединения до 11 Мбит/с, обеспечив популярность».

NEC

3G телефон e606

2001

2155

Википедия.

«Первый коммерческий запуск 3G был также осуществлен NTT DoCoMo в Японии 1 октября 2001 года».

XM/Sirius

Спутниковое радио

2002

2300

Википедия.

«Первый спутник системы связи XM был запущен

18 марта 2001 года, второй — 8 мая того же года.

Его первая передача состоялась 25 сентября

2001 года, почти за четыре месяца до Sirius.

14 февраля 2002 года Sirius запустила первую фазу своей службы в четырех городах, а 1 июля 2002 года распространилась на остальные прилегающие территории Соединенных Штатов».

HTC

Мобильный

телефон

WiMAX MAX 4G

2008

1900

Википедия.

«12 ноября 2008 года компания HTC анонсировала первый мобильный телефон с поддержкой WiMAX — Max 4G».

Samsung

LTE-PCS,

Craft SCH-R900

2010

2155

Википедия;

www.phonescoop.com

«Передача данных по стандарту LTE стала предлагаться главными североамериканскими операторами, причем Samsung SCH-r900 стал первым в мире мобильным телефоном LTE с 21 сентября 2010 года, а Samsung Galaxy Indulge — первым в мире смартфоном LTE с 10 февраля 2011 года, оба предлагались MetroPCS, а HTC ThunderBolt предлагался компанией Verizon, начиная со второго коммерческого смартфона LTE».

Скорость роста частоты, показанного на рис. 2, составляет всего около 45 МГц в год, определяется она не только развитием технологий и ограничениями. Поскольку частотные полосы регулируются законодательно, скорость расширения частот представляет собой нижнюю границу прогресса — готовности технологии для крупносерийных коммерческих приложений. Несмотря на сложность и противоречивость данных, представленных в таблице и на рис. 2, их изучение может оказаться полезным для стратегического планирования радиочастотных устройств. На рис. 2 видно, что самый низкий диапазон технологии 5G — 3,4 ГГц — в некоторой степени соответствует историческому прогрессу частот потребительских радиоустройств. Однако и следующая самая высокая полоса — 6 ГГц — по-видимому, также не противоречит скорости прогресса, учитывая, что устройства, соответствующие стандарту IEEE 802.11a/h/j/n/ac/ax, с частотой 5 ГГц уже производятся.

На рис. 3 представлены те же данные, что и на рис. 2, но масштаб соответствует миллиметровым волнам (24, 26, 28, 38, 60 и 84 ГГц), предполагаемым для устройств 5G. Из этого графика ясно, что в обозримом будущем технологии потребуются исторически беспрецедентные темпы, чтобы достичь уровня зрелости, отвечающего крупносерийному производству потребительских продуктов.

График, показывающий историю использования частот в крупносерийных потребительских радиоустройствах. Также показан диапазон предлагаемых полос миллиметровых волн для 5G

Рис. 3. График, показывающий историю использования частот в крупносерийных потребительских радиоустройствах. Также показан диапазон предлагаемых полос миллиметровых волн для 5G

 

Сроки достижения зрелости технологий. Исторические примеры

Некоторое понимание темпов развития РЧ-технологий можно получить, используя большой объем технической литературы и простые концепции больших данных. На стадии исследования (проверки концепции) новой технологии мерой прогресса конкретной микроволновой технологии является количество рецензируемых статей, опубликованных в IEEE Microwave Theory and Techniques Society (MTT-S) в единицу времени, касающихся каких-либо аспектов этой технологии [11]. Хотя такой показатель и не идеален, он позволяет понять, сколько раз за год исследователям удавалось достичь значительных успехов в новой технологии. На рис. 4 показано количество статей, описывающих MESFET (металл-полупроводниковые полевые транзисторы), HEMT (транзисторы с высокой подвижностью электронов), III–V HBT (биполярные транзисторы на гетеропереходе A3B5) и устройства SiGe HBT (кремний-германиевые транзисторы), опубликованных в IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques на временной шкале. Сведения были собраны с использованием базы данных IEEE Xplore и поиска метаданных T‑MTT по типу устройства с пятилетним шагом, начиная с 1971 года. Отбор данных осуществлялся только в отношении тех технологий, которые использовались в РЧ- и микроволновых устройствах. В каждом случае более ранние публикации по каждому типу устройств часто указывают на более ранние технологические усилия по созданию устройств, которые не были специально нацелены на радиочастотные диапазоны.

Количество статей в Т-МТТ по конкретным СВЧ полупроводниковым транзисторам — распределение по типу и году выпуска

Рис. 4. Количество статей в Т-МТТ по конкретным СВЧ полупроводниковым транзисторам — распределение по типу и году выпуска

Данные показывают увеличение активности научно-исследовательских работ по микроволновым MESFET, достигшей пика в конце 1980‑х годов, а затем медленно снижающейся. Поиск по статьям, посвященным HEMT, показывают аналогичный рост активности, начинающийся примерно через 10 лет и непосредственно перед снижением активности упоминаний MESFET. Активность, связанная с III–V HBT и SiGe HBT, наступает еще позже.

Показатель, отображенный на рис. 4 (число публикаций за единицу времени), может быть дополнен включением в него других публикаций, пример таких данных показан на рис. 5 для микроволновых MESFET. На рис. 5 представлены другие публикации в MTT-S, посвященные микроволновым технологиям, а также материалы конференций, в названии которых фигурирует термин «микроволновый». Включение этих данных, публикаций конференций и статей журнала IEEE Microwave Magazine сдвигает пик кривой зрелости технологии на более позднее время по сравнению с данными, показанными на рис. 4, но демонстрирует такую же картину роста, насыщения, а затем и уменьшения числа исследований в конце 1980‑х или начале 1990‑х годов. Снижение количества статей о MESFET также сопровождается ростом числа опубликованных научных статей об устройствах HEMT и HBT (которые начали заменять многие MESFET в микроволновых схемах по мере появления новых устройств). Отметим, что наблюдаемое смещение пика в чуть более поздние времена, вероятно, произошло потому, что по сравнению с более фундаментальными исследованиями или доказательствами концепции публикации, периодические издания, конференции и статьи в IEEE Microwave Magazine являются лучшей мерой для дальнейшего развития и использования (то есть эти публикации касаются активности, относящейся к дальнейшему продвижению по правой стороне графика развития технологии). Эта схема иллюстрирует и сроки появления первого действительно массового потребительского продукта, основанного на технологии MESFET, который появился более чем через 20 лет после первых исследований микроволновых MESFET и примерно через 25 лет после первой статьи об устройстве MESFET. Это показывает, сколько времени требуется новым технологиям для того, чтобы они прошли путь от этапа доказательства концепции (слева) до серийного производства массового продукта (справа).

Количество статей о микроволновых MESFET по годам (все публикации IEEE Xplore плюс конференции с термином «микроволновый» в названии).  Также показано первое внедрение MESFET в крупносерийное потребительское радиоустройство

Рис. 5. Количество статей о микроволновых MESFET по годам (все публикации IEEE Xplore плюс конференции с термином «микроволновый» в названии).
Также показано первое внедрение MESFET в крупносерийное потребительское радиоустройство

Сопоставимые сроки достижения зрелости технологии наблюдаются и у других технологий, указанных на рис. 4, и для других пассивных технологий, таких как фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ) (рис. 6). На рис. 6 также показана активность публикаций для фильтров на объемных акустических волнах (ОАВ), на основе микроэлектромеханических систем (MEMS). Для разработчиков технологий, еще не нашедших ниши в сфере массовых потребительских устройств (то есть не прошедших дорожную карту зрелости технологии слева направо), изучение последних публикаций поможет найти ссылку на отрасли, в настоящее время развивающие технологии, и задачи, которые находятся в центре их работы.

Количество статей об устройствах ПАВ, ОАВ и MEMS по годам (все публикации IEEE Xplore плюс конференции с термином «микроволновый» в названии).  Также показано первое внедрение ПАВ-фильтров в телевизоры и сотовые телефоны (т. е. в массовые потребительские устройства)

Рис. 6. Количество статей об устройствах ПАВ, ОАВ и MEMS по годам (все публикации IEEE Xplore плюс конференции с термином «микроволновый» в названии).
Также показано первое внедрение ПАВ-фильтров в телевизоры и сотовые телефоны (т. е. в массовые потребительские устройства)

На рис. 7 представлен график публикаций, посвященных LDMOS (смещено-диффузная МОП-технология) и нитрид-галлиевым (GaN) HEMT — двум технологиям, которые непосредственно не применялись в крупносерийных потребительских радиоустройствах. Обе они нацелены на применение в беспроводной инфраструктуре. Уровень зрелости технологии, необходимый для этой области использования, не столь взыскателен с точки зрения стоимости или технологичности, как это требуется для гораздо более массовых мобильных устройств, поддерживаемых такой инфраструктурой. Период между первой публикацией, посвященной разработке радиоустройства с LDMOS, и внедрением такого устройства в базовые станции составил около восьми лет, хотя технология еще недостаточно зрелая, чтобы достичь крайней правой части графика. Отметим также, что между первой публикацией о LDMOS-устройстве и внедрением подобных решений в инфраструктуру прошло значительно больше времени (почти 20 лет).

Статьи о LDMOS и GaN HEMT устройствах по годам (все публикации IEEE Xplore плюс конференции с термином «микроволновый» в названии). Обратите внимание, что ни одно из этих устройств не внедрено в массовые изделия, но оба считаются потенциально важными технологиями для сотовой инфраструктуры

Рис. 7. Статьи о LDMOS и GaN HEMT устройствах по годам (все публикации IEEE Xplore плюс конференции с термином «микроволновый» в названии). Обратите внимание, что ни одно из этих устройств не внедрено в массовые изделия, но оба считаются потенциально важными технологиями для сотовой инфраструктуры

Анализ процесса достижения зрелости для нескольких технологий, представленных на рис. 5–7, уже внедренных в крупносерийное производство, показывает, что эволюция новых технологий от концепции до крупносерийного производства обычно занимает несколько десятилетий.

 

Маркетинг, конкуренция и демография на примерах 5G и Интернета вещей

Помимо внедрения технологий, обладающих достаточной зрелостью и технологичностью, важно, чтобы новые радиоустройства были востребованы потребителями. Идеально функционирующий, легко производимый продукт, не предлагающий, однако, никаких преимуществ или убедительных особенностей по сравнению с существующими устройствами, вряд ли будет продаваться. Для достижения продуктом успеха конкурентов часто приходится вытеснять, а это предполагает заметные преимущества, а не незначительные улучшения. Кроме того, для достижения желаемых продаж должна существовать достаточно большая потенциальная клиентская база. По этим причинам при стратегическом планировании часто приходится оценивать демографические показатели клиентов и маркетинговые прогнозы.

Среди наиболее привлекательных новых потребительских радиоустройств, обсуждаемых сегодня — мобильные устройства 5G и loT-устройства с беспроводным управлением. IoT («Интернет вещей») и 5G, а также общее использование Интернета тесно связаны между собой. Прогнозы рынка показывают, что в ближайшем будущем будет установлено более 20 млрд подключенных к сети IoT-устройств [12], и доступ к ним будет осуществляться в основном с помощью 5G и других мобильных устройств [13].

Текущие планы по развертыванию 5G и прогнозы на ближайшую перспективу предполагают, что в скором времени появится ошеломляющее количество радиостанций. Согласно максимальным оценкам, прогнозы говорят о сотнях радиоустройств на человека по всему миру. При таких объемах только относительно зрелые технологии с исключительной технологичностью и надежностью могут рассматриваться для применения в этих продуктах. Большая часть прогнозируемого роста в технологиях 5G и IoT будет приходиться на менее развитые регионы. Эти регионы, скорее всего, будут ориентированы не на дорогие высококачественные продукты, а на дешевые и функциональные устройства.

Основной привлекательностью IoT-устройств является прогнозируемый рост в этой области, обусловленный несколькими факторами. Одним из важных факторов является рост мирового населения. Согласно данным фонда Анненберга, почти все потребности в увеличении объемов продукции, связанные с глобальным ростом населения, будут возникать в слаборазвитых регионах [14].

Рост IoT также тесно связан с глобальным использованием Интернета. Таким образом, еще более важным фактором роста IoT является получение мировым населением доступа к Интернету [15]. На рис. 8 показано, что повышение числа пользователей Интернета увеличивается примерно в 2,5 раза быстрее по сравнению с ростом численности населения. К 2020 году в мире насчитывается почти 4,1 млрд пользователей Интернета.

Недавний и прогнозируемый глобальный рост населения, пользователей Интернета и подключенных loT-устройств

Рис. 8. Недавний и прогнозируемый глобальный рост населения, пользователей Интернета и подключенных loT-устройств

Как уже упоминалось, сегодня доступ в Интернет осуществляется в основном с помощью мобильных устройств. В частности, доступ более чем к половине всех интернет-страниц в 2017 году осуществлялся через мобильные решения, и этот процент продолжает расти [13]. В связи с этим развитие Интернета также является основным драйвером при разработке требований к устройствам 5G.

Безусловно, наиболее существенным фактором роста «Интернета вещей» является увеличение количества IoT-устройств, а не просто пользователей. К 2017 году количество установленных IoT-устройств превысило все население планеты и продолжает расти, включая термостаты, дверные звонки и камеры видеонаблюдения [12]. К 2020 году установлено более 20 млрд подключенных к сети устройств, и доступ к ним осуществляется, как правило, с помощью мобильных устройств 5G.

 

Заключение

Дорожная карта зрелости технологии может служить одним из важных инструментов стратегического планирования РЧ-технологий. Ранние исследования в области РЧ-технологии, публикуемые в рецензируемых журналах, и прототипы — это лишь первый шаг к готовой для массового использования технологии. Продвижение новой технологии к уровню зрелости, необходимому для массовых продуктов, происходит благодаря целенаправленным усилиям многих инженеров и R&D‑компаний, работающих над созданием различных устройств в течение многих лет.

Отсутствие в РЧ/СВЧ-отрасли правила, эквивалентного закону Мура, усложняет стратегическое планирование РЧ-технологий по сравнению с планированием цифровых систем. Планировщики РЧ-технологий должны для каждой новой технологии учитывать гораздо более сложные условия. Примеры таких критических условий, приведенные в литературе, включают изучение частотных характеристик, средней мощности, коэффициента усиления, линейности и эффективности. В сочетании с детальным поиском по литературе такой анализ позволяет получить представление о текущих возможностях конкурирующих технологий, но не определить уровень или степень зрелости.

История потребительского использования РЧ-устройств показывает, что, в то время как более низкие частотные диапазоны 5G согласуются с прошлыми достижениями, прогресс в диапазонах миллиметровых волн, предлагаемых для 5G, требует беспрецедентных темпов развития.

Для установления временных рамок достижения зрелости нескольких технологий были использованы большие данные из базы данных IEEE Xplore. Установлено, что сроки развития РЧ-технологии от прототипа к крупносерийному производству составляют порядка нескольких десятилетий. Сроки для других отраслей с меньшим объемом производства могут составлять несколько лет.

Наконец, были рассмотрены вопросы демографии и рынков с использованием в качестве примеров 5G и IoT. Огромный потенциал для роста делает IoT- и 5G-устройства привлекательными целями для инженеров РЧ/СВЧ. Прогнозируется, что рост IoT и 5G произойдет в основном в слаборазвитых регионах мира, где фундаментальным требованием является низкая стоимость и где устройства с дополнительной функциональностью и большей ценой вряд ли будут продаваться.

 

Сокращение сроков зрелости технологии

Для того чтобы РЧ-технология достигла зрелости, требуется немало времени, о чем свидетельствуют публикации. По крайней мере одной из причин столь продолжительного периода, составляющего несколько десятилетий, является то, что зрелость технологии почти никогда не координируется одной организацией, имеющей целью удовлетворить потребности крупносерийного производства. Ведь исследователи одной организации работают над доказательством концепции и публикацией результатов, а затем переходят к следующему проекту. Инженеры в другой компании, занимающиеся продвижением технологии для очень специфического применения и одного конкретного набора требований, продолжают первоначальное исследование. Различные организации используют предыдущие достижения, применяя технологию к другому набору характеристик и требований. Дальнейшее увеличение сроков обусловлено тем, что деятельность разных организаций, посвященная определенной тематике, необязательно продолжается непрерывно и может включать промежутки времени между успехом одной инженерной группы и началом работы другой. Весь процесс иногда еще больше затрудняется образом мышления «изобретено-не-здесь», когда компании проявляют сильное предубеждение против идей, родившихся вне их собственной организации. Часто такой скептицизм наблюдается даже в отношении различных отделов внутри одной компании.

Улучшение координации научно-исследовательских и опытно-конструкторских предприятий может помочь сократить сроки достижения зрелости технологии. Инженерные компании, способные принять важность всех исследований и вкладов в общий процесс достижения зрелости технологии, способны преодолеть это препятствие и ускорить темпы достижения зрелости.

Литература
  1. Golio M. Strategic planning for RF technologies: Implications for 5G and loT emerging radio products. JEEE MTT-S Latin America Microwave Conf/(LAMC). Arequipa, Peru, Dec. 2018.
  2. Golio M., Newguard B. The history and future of GaAs devices in commercial wireless products. IEEE Emerging Technologies Symp. Broadband Communications for the Internet Era Symp. Dig., Richardson, TX, Sept. 10–11, 2001.
  3. Moore G. E. Cramming more components onto integrated circuits//Electronics. Vol. 38. No. 8. Apr. 19.
  4. Moore G. E. Progress in digital integrated electronics. Dig. IEEE Int. Electron Devices Meeting, 1975.
  5. Golio M. Fifty years of Moore’s law//Proc.  Oct. 2015. vol. 103. No. 10.
  6. Haddad G. I., Trew R. J. Microwave solid-state devices//IEEE Trans. Theory Techn. Mar. 2002. Vol. 50. No. 3.
  7. Fricke K., Gatti G., Hartnagel H. L., Krozer V., Wurfl J. Performance capabilities of HBT devices and circuits for satellite communication//JEEE Trans Microw. Theory Techn. June 1992. Vol. 40. No. 6.
  8. Caverly R. Distortion properties of gallium arsenide and silicon RF and microwave switches, in Proc. IEEE MTT-S Symp. Technologies for Wireless Applications Dig., Vancouver, BC, Canada, Feb. 1997.
  9. Li Y., Wang C., Kim N.-Y. An optimized process of high-performance integrated passive devices (IPDs) on Si-GaAs substrate for RF applications. Asia-Pacific Microwave Conf Proc. (APMC), Seoul, South Korea, Nov. 5–8, 2013.
  10. Cressler J. D. SiGe HBT technology: A new contender for Si-based RF and microwave circuit applications//IEEE Trans. Microwave Theory and Tech. May 1998. Vol. 46. No. 5.
  11. Golio M., Dunleavy L., Gneiting T. History and state-of-the-art in large signal modeling for RF microwave power amplifier development. IEEE MTT-S Int. Microwave Symp., Phoenix, AZ, May 17–22, 2015.
  12. Gartner says 8.4 billion connected ‘things’ will be in use in 2017, up 31 percent from 2016, Gartner Newsroom, Gartner, Inc., Egham, UK, Feb. 7, 2017.
  13. Percentage of all global web pages served to mobile phones from 2009 to 2018, Statista, 2018.
  14. The habitable planet: Unit 5‑Human population dynamics, Annenberg Learner, Annenberg Foundation, Los Angeles, 2017.
  15. Internet growth statistics: Today’s road to e‑commerce and global trade, Internet Tech. , Miniwatts Marketing Group, Bogota, Colombia, June 2, 2018.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *