本文來自半導(dǎo)體行業(yè)觀察，作者/李飛。
隨著5G的逐漸普及，下一代通信技術(shù)——6G的研發(fā)也在緊鑼密鼓的進行中。無論是中國，美國，歐盟還是日韓，目前在通信領(lǐng)域領(lǐng)先的國家都在加大6G方面研發(fā)的投入。根據(jù)目前的研發(fā)目標(biāo)，6G預(yù)計將實現(xiàn)5G十倍以上的通信速率，并且預(yù)計在2026年左右推出相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。在相關(guān)應(yīng)用方面，6G預(yù)計將繼續(xù)5G的道路，將覆蓋個人通信的同時，繼續(xù)覆蓋物聯(lián)網(wǎng)和智能工業(yè)應(yīng)用，包括超高速工廠內(nèi)無線接入等。
為了支持更大的通信速率，根據(jù)香農(nóng)定律，信道容量必須相應(yīng)增加，通常而言這意味著需要增加通信帶寬。為了增加通信帶寬，最直接的方法就是提升載波頻率，而這也是太赫茲在6G領(lǐng)域得到特別關(guān)注的原因。一般來說，太赫茲（THz）是指載波頻率在300 GHz-3 THz范圍內(nèi)的頻段，而sub-THz則是指100 GHz-300 GHz左右的頻段。而在6G的相關(guān)語境中，一般太赫茲同時指THz頻段和sub-THz頻段。
目前，各個國家都在積極研發(fā)6G相關(guān)的太赫茲技術(shù)，并且在開放相關(guān)頻段。中國早在2019年底就開始了6G技術(shù)研發(fā)推進工作組，而華為也在今年早些時候公布了使用太赫茲技術(shù)實現(xiàn)的通信距離達(dá)到500米的6G原型系統(tǒng)；美國在2019年也決定開放95 GHz-3 THz的6G實驗頻譜；韓國政府在大力投入6G研發(fā)，三星和LG也都在積極開發(fā)相關(guān)技術(shù)，LG在今年九月初宣布和德國夫瑯和費研究所合作實現(xiàn)了通信距離在200米以上的太赫茲通信原型機，其輸出功率高達(dá)20 dBm。
綜上，我們認(rèn)為隨著6G技術(shù)的興起，為了滿足高通信速率的需求，載波頻率繼續(xù)提升到太赫茲頻段將成為6G的關(guān)鍵技術(shù)，而相關(guān)的半導(dǎo)體芯片和系統(tǒng)則將是支撐太赫茲和6G通信的核心。
半導(dǎo)體太赫茲通信芯片現(xiàn)狀和前瞻
如上所述，太赫茲通信芯片將成為6G的技術(shù)核心。太赫茲通信相關(guān)的芯片可以分為兩大類，一個是射頻芯片，而另一類是基帶芯片。
就射頻芯片而言，太赫茲首先需要能工作在高頻段（太赫茲頻段）而且?guī)捄艽蟮碾娐?。為了滿足這個要求，目前用于長距離通信的太赫茲射頻芯片主要還是使用III-V族半導(dǎo)體HEMT和HBT晶體管實現(xiàn)射頻相關(guān)的工作。III-V族半導(dǎo)體的工作頻率高，工作帶寬大，且輸出功率較大，能滿足太赫茲頻段通信的主要需求。介于目前太赫茲通信的第一步還是基站間通信，我們認(rèn)為太赫茲實現(xiàn)的射頻芯片將會成為未來幾年內(nèi)太赫茲長距離通信芯片的首選半導(dǎo)體技術(shù)。
在III-V半導(dǎo)體之外，使用硅基材料的CMOS和SiGe的太赫茲通信技術(shù)也在蓬勃發(fā)展。相對于III-V族半導(dǎo)體來說，CMOS和SiGe芯片具有集成度高，成本低的優(yōu)勢，因此獲得了學(xué)界和業(yè)界的一致關(guān)注。對于太赫茲來說，CMOS和SiGe的主要挑戰(zhàn)在于晶體管截止頻率較低，工作帶寬也較低。截止頻率地意味著CMOS和SiGe芯片雖然能工作在太赫茲頻段，但是其輸出功率會較低，也就是說難以實現(xiàn)長距離通信；帶寬低則意味著CMOS和SiGe芯片難以直接支持工作在大頻寬的太赫茲通信，而必須使用系統(tǒng)級的方法（例如將一個較大的頻段拆分成多個帶寬較小的子頻段）來實現(xiàn)通信。目前，CMOS和SiGe芯片在太赫茲通信上的應(yīng)用還主要在于短距離通信（例如1米左右的范圍里）。展望未來，CMOS和SiGe對于太赫茲通信領(lǐng)域的研發(fā)還將主要在于電路級以及系統(tǒng)級的改進，目前來看半導(dǎo)體工藝的改善并不能提升CMOS/SiGe電路在太赫茲頻段的性能（例如CMOS對于太赫茲頻段來說65nm是最好的工藝節(jié)點之一）。
除了射頻之外，太赫茲通信領(lǐng)域另一個非常重要的芯片將是基帶芯片。在6G相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)尚未確定的時候，目前對于基帶的討論主要在于如何產(chǎn)生高速信號的調(diào)制（例如，如果6G需要在太赫茲頻段實現(xiàn)超過100Gbps的傳輸，如何實現(xiàn)如此高速率的調(diào)制信號），以及對于射頻電路的相關(guān)控制，例如線性化技術(shù)。對于高速通信來說，如何提高數(shù)字信號處理的速度，以及如何提升超高速ADC/DAC等數(shù)模轉(zhuǎn)換的性能將是主要課題。此外，太赫茲通信目前仍然在設(shè)法提高通信距離，或者說目前如何提升射頻電路的有效輸出功率也是一個很重要的課題，因此相關(guān)的數(shù)字輔助技術(shù)，例如功放線性化技術(shù)等，也將在太赫茲領(lǐng)域起到非常重要的作用。
另外一種值得關(guān)注的射頻相關(guān)半導(dǎo)體技術(shù)是封裝技術(shù)。在電路領(lǐng)域，如何把III-V和CMOS使用先進封裝技術(shù)集成起來也是一個能讓III-V和CMOS各取所長的技術(shù)，但是在太赫茲頻段如何能保證相關(guān)系統(tǒng)的損耗可控將是一個很值得研究的課題。此外，更重要的是，在太赫茲頻段由于波長較小，因此天線的尺寸也可以做到較小，因此有可能實現(xiàn)使用先進封裝技術(shù)來把多個（大于10個）射頻芯片封裝在一起實現(xiàn)陣列，來實現(xiàn)高性能波束成形來進一步提升系統(tǒng)的性能。我們認(rèn)為，在這樣的小型化射頻陣列方面，先進封裝將起到賦能的作用，從而支撐6G太赫茲技術(shù)的發(fā)展。
成像是太赫茲芯片的另一個潛力領(lǐng)域
除了通信之外，太赫茲芯片的另一個主要應(yīng)用是成像。太赫茲的主要特點是可以穿透一些傳統(tǒng)光線無法穿透的障礙，同時能靈敏地檢測金屬物體，從而在安防等領(lǐng)域有著很大的應(yīng)用前景。同時，相比之前的基于毫米波的安防成像技術(shù)，太赫茲波長較短且可以實現(xiàn)更大的帶寬，因此成像精度要好于毫米波成像。
與通信不同的是，成像無需很遠(yuǎn)的傳輸距離，因此太赫茲成像可以使用基于硅基底的芯片實現(xiàn)。另外，由于安放和成像有小型化和大規(guī)模部署的需求，因此從成本考慮使用CMOS/SiGe來實現(xiàn)太赫茲成像也有很好的前景。
目前，使用CMOS/SiGe實現(xiàn)的太赫茲成像芯片通常工作在100-400 GHz，帶寬可達(dá)100 GHz，因此可以實現(xiàn)很高精度的成像。我們認(rèn)為，在這一領(lǐng)域的太赫茲電路未來還有較大的上升空間，包括集成更復(fù)雜的成像算法（例如壓縮感知等），集成更復(fù)雜的陣列系統(tǒng)等等。成像技術(shù)將與6G通信一起成為太赫茲在未來最關(guān)鍵的應(yīng)用，從而推進太赫茲芯片和系統(tǒng)的進一步發(fā)展。太赫茲將成為毫米波之后另一個充滿潛力的頻段，相關(guān)的芯片技術(shù)和市場應(yīng)用值得期待。
