Experten betonen den Bedarf an kompletten 5G-Lösungen

von: Gary Dagastine

GF sprach auf dem Mobile World Congress 2018 über 5G und die Welt hörte zu

Der Mobile World Congress in Barcelona, Spanien, ist die führende jährliche Veranstaltung der Mobilfunkbranche, und die diesjährige Ausgabe Ende Februar stand ganz im Zeichen der 5G-Mobilfunktechnologie. GLOBALFOUNDRIES nutzte den Moment gleich am ersten Morgen der Messe mit einem speziellen Programm zu den sich entwickelnden Anwendungen und technologischen Anforderungen von 5G.

Zunächst erläuterten Gregg Bartlett und Dr. Bami Bastani, Sr. Vice Presidents der GF-Geschäftsbereiche CMOS und RF, die Herausforderungen und Chancen von 5G-Halbleitern für Geräteentwickler, Netzwerkspezialisten und Architekten von Hochleistungsrechnern. 5G wird sich auf all diese Bereiche auswirken, da es intelligenteren Geräten ermöglicht, über Verbindungen mit höherer Bandbreite zu immer leistungsfähigeren Rechenzentren zu gelangen.

Anschließend fand eine Podiumsdiskussion statt, die von Mike Cadigan, Senior Vice President of Global Sales and Business Development von GF und Leiter des Geschäftsbereichs ASIC von GF, moderiert wurde. Das Panel bestand aus eingeladenen Experten von Nokia Mobile Networks, Mobile Experts LLC und der TU Dresden.

Sie gaben Einblicke in die Frage, warum 5G-Netze wahrscheinlich nicht flächendeckend eingeführt werden, warum eine Netzlatenz von einer Millisekunde "magisch" ist, wie die direkte Zusammenarbeit mit foundry ganzheitlichere Lösungen unterstützen kann und viele andere wichtige Überlegungen.

5G-Computing erfordert optimiertes Silizium

Bartlett sagte, dass 5G zu tiefgreifenden Veränderungen bei den Rechenanforderungen für Geräte und Rechenzentren führen wird, da die Komplexität und das Volumen des Netzwerkverkehrs aufgrund von mehr Nutzern, mehr Transaktionen pro Nutzer und reichhaltigeren Inhalten pro Transaktion exponentiell ansteigen.

"Für Anwendungen in Rechenzentren werden sehr schnelle Prozessoren und eine nahezu 100-prozentige Betriebszeit benötigt, während für Geräte mit Edge-Anschluss Chips mit extrem niedrigem Stromverbrauch und geringer Leckage sowie mit eingebettetem Speicher für die Speicherung und RF für die drahtlose Konnektivität benötigt werden", sagte er.

Beide Anwendungen werden auch Funktionen der künstlichen Intelligenz (KI) nutzen, aber auf unterschiedliche Weise, sagte er. Rechenzentren werden KI nutzen, um das Verhalten von Geräten und Netzwerken zu erlernen, zu antizipieren und zu steuern, während Edge-verbundene Geräte, wie z. B. Autokameras, KI lokal für die Echtzeitverarbeitung und Inferenz nutzen werden. Die 5G-Bandbreite ist für die Unterstützung all dieser Anwendungen unerlässlich.

Bartlett sagte, dass es für viele Unternehmen schwierig sein wird, die Chancen von 5G zu nutzen, da erhebliche Investitionen in Design-Tools, EDA, Entwicklung von geistigem Eigentum (IP) und Verifizierung erforderlich sind. "Viele neue, innovative Unternehmen können diese Entwicklungskosten nicht auffangen und benötigen Technologielösungen, die sowohl Wettbewerbsvorteile als auch Kostensenkungen bieten", sagte er.

Er erläuterte, wie die duale Technologie-Roadmap von GF diese Flexibilität bietet, mit fortschrittlicher FinFET-CMOS-Technologie für Hochleistungscomputer und FD-SOI-Technologie für drahtlose und batteriebetriebene Anwendungen, die beide mit erstklassigen HF-Funktionen integriert werden können. Anwendungsspezifische ICs (ASICs) sind ein weiterer Weg zu 5G, und GF bietet das führende ASIC-IP-Portfolio und mehr als 1.000 erfahrene Ingenieure.

Während viele Kunden nach solch weitreichenden, flexiblen foundry Lösungen verlangen, sind nicht alle Foundries in der Lage, darauf zu reagieren. "Wir haben ein wachsendes Portfolio von Kunden, die ich als 'revolutionär' bezeichne und die das neue Silizium als Mittel nutzen, um den traditionellen Wettbewerbsrahmen ihrer Branche zu durchbrechen oder zu verändern", sagte er. "Sie fordern einen leichteren Zugang zu Silizium, und wir haben uns entsprechend ausgerichtet, um ihnen die optimierten Lösungen zu bieten, die sie brauchen."

5G-Konnektivität bringt mehr Komplexität mit sich

Was die Konnektivität betrifft, so sagte Bami Bastani, dass 5G schrittweise eingeführt wird, wobei das bestehende 4G/LTE-Backbone genutzt wird. Zunächst wird es Verbesserungen des bestehenden Systems geben, dann eine erste Einführung von Sub-6-GHz-Bändern mit Massive-MIMO-Architekturen für Hochgeschwindigkeitsübertragungen und dann eine zweite Einführung, um die Netzkapazität zu erweitern und noch höhere Datenübertragungsraten durch die Nutzung von mmWave-Bändern zu erreichen.

"All dies bedeutet, dass ein komplexeres Funkgerät erforderlich ist, das nicht nur mit neuen Netzwerkprotokollen, sondern auch mit älteren Protokollen und Bändern funktioniert", sagte er. "Daher müssen sich die Front-End-Module (FEMs) beim Übergang von 4G zu 5G in vielerlei Hinsicht weiterentwickeln.

Bastani betonte, dass das umfangreiche RF-Portfolio von GF mit seinen Silizium-auf-Isolator (SOI)- und Silizium-Germanium (SiGe)-Technologieplattformen den Kunden eine Differenzierung ermögliche, da diese optimierten Lösungen spezifische Kundenanforderungen an Leistung, Komplexität und Kosten erfüllen könnten. Er nannte zwei Beispiele.

Für 5G-Basisstationen wird die Steuerung der Antennengruppen eine viel komplexere Signalverarbeitungsschaltung erfordern. "Dieser Prozess wird als Beamforming bezeichnet und kann je nach Größe des Arrays mit analogen, digitalen oder hybriden Schaltkreisen durchgeführt werden. Die Wahl der Technologie hängt davon ab, wie das System aufgeteilt wird, und GF verfügt über ein umfangreiches Angebot, das allen Anforderungen gerecht wird", erklärt er.

Bei kleinen mobilen Geräten sind die Anforderungen anders. "Man hat es jetzt mit kleineren Arrays zu tun, die eine höhere Leistung pro Element erfordern, um die gleiche Strahlungsleistung zu erzielen. Die gute Nachricht ist, dass wir jetzt einen Großteil der Strahlformung digital durchführen können und so die Skalierung fortschrittlicher Knoten wie 22FDX nutzen können, um eine niedrige Leistung und niedrige Kosten für diese Anwendungen zu erreichen", sagte er.

Branchenexperten skizzieren die 5G-Zukunft

Anschließend wurde die Diskussion auf ein Expertenpanel verlagert, an dem Joe Madden, leitender Analyst bei Mobile Experts, Professor Frank Fitzek, Leiter des Lehrstuhls für Kommunikationsnetze der Deutschen Telekom an der TU Dresden, und Michael Reiha, Leiter der Abteilung RF IC R&D bei Nokia Mobile Networks, teilnahmen.

Joe Madden eröffnete den Dialog auf dem Podium mit der Bemerkung, dass sich 5G-Netze anders entwickeln werden als frühere Netztechnologien. Diese zeichneten sich durch eine schnelle Verbreitung aus, weil sie es ermöglichten, bestehende, weit verbreitete Anwendungen wie E-Mail drahtlos zu nutzen. Im Gegensatz dazu komme 5G in erster Linie den Netzbetreibern und noch nicht existierenden Märkten zugute, sagte er.

"Aus Sicht eines Netzbetreibers liegt der wahre Vorteil von 5G in den Kosten. Heute kostet es etwa 1,50 Dollar, 1 GB Daten über ein LTE-Netz zu übertragen, aber mit mmWave 5G könnten es 5 Cent oder weniger sein", sagte er, was bedeutet, dass es anfangs Inseln der Bereitstellung geben wird, wie z. B. in städtischen Zentren mit dichtem Netzverkehr oder wo es speziell für bestimmte IoT-Anwendungen benötigt wird.

Cadigan bat Prof. Fitzek, die Entwicklung der 5G-Standards zu beschreiben und zu erläutern, wie diese mit der Technologie von foundry zusammenhängen. "Es geht nicht darum, mehr Daten zu transportieren, sondern nur um die Latenzzeit. Warum argumentieren wir in diesem Zusammenhang immer wieder, dass eine Latenzzeit von 1 ms so magisch ist? Nun, das hat mit der Physik der Rückkopplungsschleifen zu tun", so Prof. Fitzek. (Latenz ist die dem Netz innewohnende Verzögerung.)

Er führte das Beispiel eines 50-Hz-Kraftwerks an, das Strom in ein intelligentes Stromnetz einspeist. Eine Latenzzeit von nur 10 ms im Netz würde zu so großen Phasenverschiebungen in der elektrischen Leistung des Generators führen, dass dieser beschädigt werden könnte, sagte er, während eine Latenzzeit von 1 ms ausreichend wäre.

"Viele Leute denken, wenn man die falsche Zahl für die Latenzzeit in die Norm aufnimmt, kann man sie später einfach korrigieren. Aber das wird schwer zu beheben sein, und um den vollen Wert von 5G-Netzen zu erhalten, muss sie von Anfang an vorhanden sein." Für Halbleitertechnologen stelle dies kein Problem dar, da sie mit Rückkopplungsschleifen bereits sehr vertraut seien.

Die Notwendigkeit niedriger Latenzzeiten ist laut Reiha ein wichtiger Grund, warum Nokia seine kürzlich vorgestellten 5G-Reefshark-Chipsätze selbst entwickelt hat, anstatt mit einem Halbleiterunternehmen ohne eigene Fertigung zusammenzuarbeiten. Cadigan fragte ihn, was das für künftige foundry Beziehungen bedeuten könnte.

Reiha sagte, dass man, um solch niedrige Latenzen zu erreichen, die 5G-Anforderungen ganzheitlich betrachten muss, mit einer Zukunftsvision, für die Halbleiterlösungen flexibel genug sind. "Nokia Bell Labs hat buchstäblich das Buch über Massive MIMO geschrieben, was uns in die Lage versetzt, die systembezogenen Herausforderungen zu verstehen. Wir wissen auch, wie wichtig die nahtlose Integration von Halbleiterfunktionen ist", sagte er.

"Was wir von unseren Gießereien erwarten, ist ein ehrlicher Dialog und ein offener Zugang zu geistigem Eigentum, um unsere Qualitätsstandards zu wahren. Wir brauchen hochwertiges geistiges Eigentum, denn wir können nicht alles machen, wir sind nicht in allen Bereichen Experten", sagte er.

Cadigan fragte die Podiumsteilnehmer nach ihrer Sicht auf den Ansatz von GLOBALFOUNDRIES im Bereich 5G. Madden sagte, dass die Fähigkeit von GF, verschiedene Technologien zu integrieren, sehr wichtig sei. "Auf dem Weg zu massiven MIMO-Arrays besteht der Druck, die Größe von Funkarrays und Empfängern zu reduzieren. Daher sind Multichip-Module, in denen alles eng integriert ist, unerlässlich", sagte er. Cadigan verwies auf die fortschrittliche Verpackungstechnologie, die von IBM zu GF kam.

Reiha sagte, GF verfüge über die klassenbesten RF-Fähigkeiten, und aus Nokias Sicht sei die Fortsetzung der laufenden Verbesserungen der Gerätemodelle für RF von entscheidender Bedeutung. "Dies gilt insbesondere für thermische Gerätemodelle und für Technologien wie SOI, um eine nahtlose Mixed-Signal-Simulationsumgebung zu ermöglichen, die es uns erlauben würde, viel mehr Sensoren zu bauen und mehr Kontrolle über unsere HF-Die zu haben.

Prof. Fitzek sprach über die Bedeutung von Software und die Offenheit der Technologie von GF. "Da man heute noch nicht wirklich vorhersehen kann, was die Nutzer tun werden, und das maschinelle Lernen seine eigenen Zwecke haben wird, werden Ihre Software-APIs in Zukunft noch wichtiger werden.