John Blyler,
Extension Media
איור 1. דו"ח Navian צופה גידול חזק עבור מודולי חזית RF.
התקני MEMS מתכווננים של חזית ה-RF הבנויים על CMOS תקניים עונים לדרישה של יעילות הספק 4G-LTE וגורמי צורה של השפופרת המתכווצת מעטים מטילים ספק בחשיבות מערכות האלחוט בעולם המקושר גלובלית של היום. אולם להשיג קישוריות אלחוטית בהתקנים הניידים המצטמקים והרגישים-לסוללה משמעו שחזיתות ה-RF צריכות להיות משולבות במלואן במערכת הכוללת. זו איננה מטלה קלה.
מטעמים של scalability (יכולת לשנות את גודל התמונה במחשב) דיגיטלית תודות לחוק Moore, מפתחי השפופרות התמקדו בצורה מסורתית בתכנוני המעבד והמקמ”ש. חזית ה-RF נראתה כשטח התמחות המופקד בבכורה לעולם ה”אמנות השחורה” של התכנון האנלוגי. אולם צרכנים דורשים שפופרות קטנות יותר, בעלות הספק נמוך יותר ובעלות מכלולי תכונות וביצועים משתפרים בהתמדה. המשמעות היא שחזית ה-RF צריכה להתרחק משרשרות הרכיבים האנלוגיים הדיסקרטיים הדרושות כדי לתמוך בתחום רחב של תדרי גל-נושא, במיוחד עם הופעתם של ה-4G וה-LTE. אך מה ניתן לעשות?
איור 2: ארכיטקטורה פונקציונלית טיפוסית של שפופרות 3G ו-4G של היום
כמו בעולם הדיגיטלי, התשובה נמצאת הן בתוכנה והן בחומרה המבוססת-CMOS. אולם במקום הטרנזיסטורים כמו בעולם הדיגיטלי, חזיתות ה-RF ישתמשו במערכות מיקרו-אלקטרו-מכניות (MEMS micro-electromechnical systems) בתור הטכנולוגיה הפסיבית האפשרית. MEMS היו איתנו כבר מספר עשרות שנים. מבנים מכניים אלה נוטים להיות מיועדים למוצרים ויישומים ספציפיים, כלומר פיתרון מאוד מתאים ללקוח המשתמש בתהליך ייצור מאוד מתאים ללקוח. זוהי אחת הסיבות מדוע MEMS לא זכו לאימוץ רחב.
כיום, הדברים שונים. במהלך חמש השנים האחרונות ויותר, חברות ה-MEMS החלו נעות הצידה מהפרדיגמה של פיתוח מותאם ללקוח אל דגם מבוסס-CMOS שניתן לשנות את גודלו. במהלך זה, חברות אלו ניצלו את היתרון של תשתית הייצור הרחבה ממנה נהנית קהילת ה-CMOS הדיגיטלי.
התזמון של שינוי זה לא יכול היה להיות טוב יותר, עם הגידול החזק והמתמשך בשפופרת הסלולרית הגלובלית. דו”ח השוק של Navian חוזה גידול של חזיתות RF מ-488 מיליון יחידות ב-2010 ל-2,826 מיליון ב-2020 – כולל מערכות Advanced LTE, LTE ו-UMTS (ראה איור 1). כל אחת משפופרות אלו תכיל שרשרת רכיבי RF דיסקרטיים עבור כל תחום תדרים נתמך. כיום, מחיר החומרים (BoM) עבור רכיבי ה-RF עולה כ- עד . כמות זו תעלה משמעותית במהלך השנתיים הבאות בשל מודים התדרים החדשים הנדרשים על-ידי פעולות ה-4G ו-LTE. טבלטים, קוראים, מחשבים ניידים והתקני אלחוט אחרים יושפעו גם כן.
מה יידרש עבור חזיתות ה-RF כדי לענות לדרישות של ה-4G? העלייה בשרשרות הרכיבים צריכה להתאזן בעזרת הקטנת ממדי השפופרת. פירוש הדבר הוא שכל רכיבי ה-RF הדיסקרטיים של המקמ”ש הדרושים כדי להפחית את התדר של אות אלחוט לתחום הבסיס הדיגיטלי צריכים לעבור מודולריזציה. רכיבים אלה מבצעים פונקציות של הגברת הספק, סינון, התאמת עכבות ועוד. המודולריזציה של שרשרות אנלוגיות אלו היא מטלה מורכבת הדורשת פשרות בביצועי ה-RF.
“גידול מהיר לארכיטקטורות המשמשות במלואן ב-4G, ובאופן תיאורטי מספר זה יעלה ל-43 שרשרות בחזית של כל שפופרת שבשימוש גלובלי”, אמר Jeffrey Hilbert, נשיא WiSpry. כיום בשפופרות רגילות יש 5 עד 8 שרשרות של רכיבי RF. זוהי המון חומרה – יותר מידי עבור שפופרות המתכווצות בהתמדה בעובי.
בנוסף להיותן דקות יותר, השפופרות הופכות לנשלטות על-ידי התצוגות. המגמה בתכנון השפופרות היא להגדיל את המסך בעזרת הלוח הקדמי והמקלדת. אם כי חשובה מבחינת ממשק המשתמש, מגמה זו היא גרועה עבור מערכות RF בשל מיקום האנטנה. לדוגמה הסרת המקלדת פירושה שהתצוגה צריכה להתבצע על-עדי מסך-מגע. אך למסכי-מגע יש לוחות מתכת מאחוריהם, והם מפריעים לביצועי האנטנה.
איור 3: תאי MEMS ניתנים לתכנות ויכולים לפעול עצמאית על פיסה.
בעיות נוספות צצות, החל מסוגיות שרשרת ההספקה OEM של השפופרת ועד למגבלות חומריות ברכיבי החזית.
התשובה המסורתית לרוב אתגרים אלה הייתה שילוב של יותר פונקציונליות ברמת-הכרטיס. לדוגמה, מספר מסננים דיסקרטיים נארזו בתוך מודול אחד, כך של-OEM של השפופרת יש BoM קטן יותר ופחות שיבוצים על הכרטיס. מעבר לשילוב ברמת-המודול הוא צעד בכיוון הנכון, אך דרוש עוד יותר שילוב. בארכיטקטורות המערכות 3G ואף 4G של היום, יש עדיין רכיבים של תחומי-בסיס ומקמ”שים דיגיטליים נפרדים, מבלי להזכיר מבנים רבים בחזית ה-RF (ראה איור 2) – ממגברי רעש נמוך (LNA) למגברי הספק (PA) למסננים ודופלקסרים.
בעתיד הקרוב, תחומי בסיס ומקמ”שים ישולבו יחדיו כמרובי-ליבות על אותה הפיסה. מיזוג דומה חייב יהיה לחול בחזית ה-RF כדי למלא את דרישות גורם הצורה של הצרכן, הספק נמוך יותר ופעולות מרובות-רדיו 4G-LTE.
גורמי צורה קטנים יותר בהתמדה מציבים בעיות אמיתיות עבור אנטנת הרדיו. כיום, קיים מקום של פחות מ-1 סמ”ק חופשי עבור האנטנה הראשית בטלפון הסלולרי. זהו דבר מאתגר במיוחד ממבט התכנון האלקטרו-מגנטי מאחר שמבנים כה רבים יכולים להפריע לביצועי האנטנה. בנוסף, פריסת ה-LTE בארה”ב תתרחש בתחומי תדר נמוכים יותר, הדורשים ככלל אנטנות גדולות יותר. התוצאה הסופית היא שתכנון האנטנה נהיה מורכב יותר.
כאן ה-MEMS יכולים לסייע. MEMS הם מבנים מכניים זעירים הבנויים על המשטח של פרוסות ה-CMOS. הם נשלטים על-ידי תוכנה כדי לבצע את אותן הפונקציות האנלוגיות כמו רכיבים אנלוגיים הרבה יותר גדולים. לדוגמה, MEMS של WiSpry בנויים לפי תהליך CMOS 0.18 מיקרון, המיוצר על פרוסה של 8 אינטש על-ידי IBM Microelectronics. התקנים אלה פועלים כמערך של רכיבי RF מתכווננים פסיביים (ראה איור 3). כל אחד מהמרכיבים המכניים הבודדים במערך הוא נפרד מהאחרים וניתן לפנות אליו באופן עצמאי. מתכננים יכולים לחבר את התאים יחד על פיסה יחידה או במארז כחלקים בודדים. הסידור של תאים בודדים אלה מאפשר למתכננים ליצור התקני RF מתכווננים המשמשים במסננים, במגברי הספק, מכווני אנטנה, התאמת רשתות עכבות וקבלים לשימוש כללי.
מסנני CMOS מתכווננים יסייעו להקטין את צריכת ההספק על-ידי הפחתת מספר הרכיבים הדיסקרטיים הבלתי-פעילים אך הצורכים הספק. יותר הספק יהיה זמין כדי להזין את האנטנה ופחות הספק יתבזבז בצורת חום ברכיבים.
בעתיד הקרוב, התקני MEMS כאלה יעברו עיצוב מחדש בזמן-אמת בעזרת תוכנה הרצה על המעבד של תחום-הבסיס. עיבור בזמן-אמת דרוש כדי לשמור על הכמיסות הנמוכה הדרושה לשם הכוונת תכונות ה-RF של מגברי ההספק והמסננים. “במובן מסוים, אנחנו נחקה בצורה וירטואלית את רכיבי החומרה שהחלפנו על-ידי בניית רכיבים מיתכנתים אלה תוך שימוש בהתקני MEMS”, הסביר Hilbert. “כאן מתבטא כושר ההסתגלות של ה-RF”. בעוד מטרה זו הוגשמה במעבדה, כיום רכיבים דיסקרטיים מממשים בשוק השפופרות.
MEMS ב-CMOS אינם ללא חסרונות, במיוחד במושגים של כמיסות. אחד החסרונות של ה-MEMS הוא בכך שהם איטיים בהשוואה למהירות הטרנזיסטורים. עבור חלק קטן של יישומי השוק, זו עלולה להוות בעיה.
היכן נמצאים כיום בשימוש MEMS? בעיקר, במיקרופונים ובמערכי חיישנים עבור מדי-תאוצה וגירוסקופים. חיישנים אלה מבצעים את הקסם האומר לשפופרת לכבות את התצוגה כדי לחסוך בהספק כאשר הטלפון מונח בקרבת הראש של המשתמש. הגירוסקופים של MEMS מתחילים למצוא שימוש בתת-מערכות של ייצוב מצלמות ומקריני-פיקו של שפופרות.
היכן יהיו ל-MEMS שימושים בעתיד? עבור ארכיטקטורות של חזית, Hilbert צופה התקני MEMS המוצמדים פיסית לאנטנה כדי להשפיע על מודי התהודה השונים. דבר זה יחסוך בגודל ובהספק. מגמה אחרת תהיה השימוש במגוון מסננים, מביצוע דו-מגמיות (duplexing) עבור Wideband – CDMA עד מסננים בוררים (notch filters) ומסננים מעבירי-תחום.
גם מגברי ההספק ישופרו בעזרת MEMS. מבנים מיתכנתים ישפרו את היעילות של מגברי הספק ויספקו התאמת עכבות כך שיהיה צורך להעביר פחות הספק דרך השפופרת. דבר זה יפחית את האנרגיה המבוזבזת כחום.
CMOS איננה הגישה היחידה ליצירת MEMS. טכנולוגיות אחרות כוללות שכבות דקות פרו-אלקטריות של BST, מבוססות GaAs וסיליקון-על-מבודד (silicon-on-insulator – SOI). לכל טכנולוגיה היתרונות והחסרונות שלה במונחים של פשרות-מפתח של שינוי קיבולי, גורם האיכות RF ובדיקתיות. WiSpry משתמשת ב-MEMS מ-CMOS כדי לייצר קבלים דיגיטליים. Partec משתמשת בטכנולוגיית BST עבור קבלים אנלוגיים משתנים. Sony משתמשת ב-Ga-As based עבור הרכיבים הפסיביים הממותגים שלה. Perigrine Semiconductor היא מימוש מבוסס-SOI של רכיבים פסיביים ממותגים – תוך שימוש בספיר (ראה Noble Award Honors Low” – Power RF Technology”.
(http://chipdesignmag.com/display.
למצוא את הטכנולוגיה הטובה ביותר עבור יישום נתון היא משימה קשה. הממדים של שוק החזית RF הם גדולים כך שהלקוחות הפוטנציאליים מסתייגים משינויים. הגישה הטובה ביותר עשויה להיות פנייה אל המערכת ה-RF השלימה, מצרכנים למובילים ו-OEMs של שפופרות. לכל אחד מהם הצרכים הספציפיים שלו. הצרכנים רוצים חיי סוללה ארוכים יותר (התקנים בעלי הספקים נמוכים יותר), ביצועים גבוהים יותר וקישוריות גלובלית – כל זה בעלות זולה יותר. המובילים רוצים למנוע הוצאות הון בעזרת הנמכת עלויות התשתית שלהם. השינוי בדציבלים הוא חקירתי. כדי להשיג שינוי של 1dB בשיפור הביצועים, רשת המוביל הייתה דורשת 14% יותר אתרי תאים. דבר זה מתבטא בכמה מיליוני דולרים הוצאות הון, וזוהי עלות ענקית עבור המובילים.
OEMs של שפופרות רוצים יעילות הספק משופרת ושבח בביצועי ה-RF עם עלות BOM ומורכבות הספקה מופחתות.
MEMS RF מתכוונים (CMOS) לא יענו לכל הצרכים של הצרכנים, המובילים וה-OEM. אבל MEMS אכן מאזנים רבות מהפשרות, במיוחד היכן שמדובר בחיי הסוללה וגורם הצורה, במערכות אלחוטיות G4 של הדור הבא.
John Blyler is the Editorial Director of Extension Media, which publishes Chip Design and Embedded Intel® Solutions magazine, plus over 36 EECatalog Resource Catalogs in vertical market areas.s
הכתבה באדיבות אתר:
http://chipdesignmag.com/issues.php
