GF arbeitet mit führenden Forschern an 6G-Technologien

Durch sein Universitätspartnerschaftsprogramm profitiert GF vom Fachwissen akademischer Forscher und verschafft ihnen gleichzeitig Zugang zur Technologie, um innovative Designs zu demonstrieren.

von Gary Dagastine

Es mag verfrüht erscheinen, über die drahtlose 6G-Kommunikation zu sprechen, während die 5G-Technologie gerade beginnt, ernsthaft eingesetzt zu werden, aber die F&E-Gemeinschaft arbeitet bereits fleißig an der Erforschung der Technologien, die erforderlich sind, um 6G noch in diesem Jahrzehnt zu einer praktischen und kommerziellen Realität zu machen.

GLOBALFOUNDRIES (GF) ergreift Maßnahmen, um eine Führungsposition im Bereich 6G einzunehmen, indem es mit Spitzenforschern an führenden Universitäten zusammenarbeitet, um die unvergleichlichen Vorteile seiner FD-SOI-, RF-SOI- und SiGe-Plattformen zu nutzen, die sich bereits in 5G- und anderen drahtlosen Anwendungen bewährt haben und branchenführende Leistung und Kosteneffizienz bieten.

Drahtlose Konnektivität ist neben künstlicher Intelligenz (KI), Edge-to-Cloud-Computing und Automobillösungen ein wichtiger Schwerpunkt von GF, denn die Strategie des Unternehmens ist es, ein führender Anbieter von differenzierten, funktionsreichen Technologien zu sein, die den digitalen Wandel unserer Welt mitgestalten.

6G ist die sechste Generation der drahtlosen Kommunikationstechnologie. Sie wird deutlich schneller sein als 5G und kann riesige Datenmengen mit Geschwindigkeiten von bis zu 100 Gigabyte pro Sekunde (Gb/s) mit geringer oder gar keiner effektiven Latenzzeit übertragen.

Laut Gammel gibt es noch unzählige andere Möglichkeiten, wie die 6G-Technologie die Welt verändern kann. "Wir haben uns während der Covid-19-Pandemie mit dem Konzept der Telemedizin vertraut gemacht, und 6G könnte es in neue Dimensionen bringen. In der Roboterchirurgie zum Beispiel könnten lebensechte 3D-Bilder nicht nur einen Chirurgen durch eine besonders schwierige Operation führen, sondern der Chirurg, der den Roboter einsetzt, könnte sich Tausende von Kilometern vom Patienten entfernt befinden", sagte er. "6G wird auch den Einsatz von KI überall in einem Netzwerk erleichtern, vom Rand über den Kunden bis hin zum Kern, um mehr Effizienz, Geschwindigkeit und geringere Kosten zu erreichen."

6G Technische Herausforderungen und Chancen

Technische Standards für 6G-Systeme wurden noch nicht entwickelt, aber der anfängliche 6G-Frequenzbereich wird wahrscheinlich zwischen 50 GHz und 200 GHz liegen, wobei erste Anwendungen im unteren Bereich, nahe dem oberen Ende des 5G-Bereichs, erwartet werden. Dies ist ein rasend schneller und unbelasteter Teil des HF-Spektrums, aber diese Millimeterwellen-Frequenzen haben bestimmte Eigenschaften, die die technische Entwicklung und Wirtschaftlichkeit von 6G-Systemen zu einer Herausforderung machen.

Eine große technische Herausforderung ist der Bedarf an energieeffizienten LNA-Verstärkern (eine Schlüsselkomponente drahtloser Systeme), die 6G-Signale mit geringer Leistung verstärken können, ohne das Signal-Rausch-Verhältnis erheblich zu verschlechtern, was für eine fehlerfreie Leistung entscheidend ist.

Ein weiterer Grund ist der Bedarf an präzisen mmWave-Bauteilsimulationen und -modellen sowie an hardwarevalidierten Prozessdesign-Kits (PDKs) für eine erfolgreiche, kosteneffiziente Halbleiterentwicklung und -produktion. Dies ist ein großer ungedeckter Bedarf bei hohen Frequenzen.

Das vielleicht größte Problem besteht jedoch darin, dass mmWellen hohe Ausbreitungsverluste aufweisen, da sie von Wasserdampf und Sauerstoffmolekülen in der Atmosphäre absorbiert werden, so dass es von entscheidender Bedeutung ist, Wege zu finden, um die Sende- und Empfangsleistung zu erhöhen. Ein weiteres Ausbreitungsproblem besteht darin, dass mmWellen leicht von Wänden, Bäumen und anderen Objekten blockiert werden.

Diese Ausbreitungsprobleme bedeuten, dass 6G-Netze viele Basisstationen und kleine Zellen in unmittelbarer Nähe zueinander benötigen, um Signale weiterzuleiten. Angesichts der großen Anzahl von Halbleitern, die für diese dichten Netze benötigt werden, sind wirtschaftliche Überlegungen von entscheidender Bedeutung.

Laut Gammel kommen all diese Herausforderungen den Stärken von GF zugute:

• 22FDX™ und 22FDX+ FD SOI-Lösungen, die RF, Analog, eingebetteten Speicher und fortschrittliche Logik in einem Chip vereinen, mit dynamischer Spannungsskalierung und unübertroffener Designflexibilität für Spitzenleistung und Energieeffizienz. Kunden nutzen FDX für Aufgaben wie die Integration von Front-End-Modulelementen (FEM) wie Datenwandler, LNAs, Leistungsverstärker (PAs) und Schalter mit dem Transceiver.
• Die Familie der RF-SOI-Lösungen von GF, die in integrierten FEMs und Beamformern in 5G-Basisstationen und -Smartphones eingesetzt werden.
• GFs Familie von Silizium-Germanium (SiGe) BiCMOS-Lösungen für Wi-Fi- und mmWave-FEMs

"6G gibt uns eine Vision für Lösungen, die auf verschmolzenen Technologien basieren, in denen GF bereits eine unbestrittene Führungsposition einnimmt", so Gammel. "Das Tolle an diesen bewährten, kosteneffizienten Lösungen ist, dass sie noch lange nicht an der Grenze ihrer Leistungsfähigkeit angekommen sind. Ihre Leistung kann im Gleichschritt mit der sich entwickelnden Mobilfunkbranche erweitert werden, und zwar über die oberen Bereiche des 5G-Spektrums hinaus bis in den 6G-Frequenzbereich. Die Kunden müssen nicht auf neue Technologien und exotische Materialien zurückgreifen, um die benötigte Leistung zu erhalten, sondern können sie mit einer gut verstandenen, produktionsbereiten und kostengünstigen siliziumbasierten Technologie erzielen." 

Partnerschaften mit führenden 6G-Forschern

GF fördert die 6G-Schaltkreis- und -Systemforschung aktiv über das University Partnership Program des Unternehmens, in dessen Rahmen GF ausgewählten Universitätsteams, die mit dem F&E-Team von GF zusammenarbeiten und ihre Forschungsergebnisse weitergeben, Zugang zur Technologie gewährt.

Das Programm ist umfangreich und wirkungsvoll. "Wir arbeiten weltweit mit über 35 Universitäten in verschiedenen Technologiebereichen zusammen, darunter auch 6G", so Bika Carter, Senior Manager und stellvertretender Direktor für externes F&E-Management bei GF. "Die Qualität unserer akademischen Partner lässt sich an den von Experten begutachteten Veröffentlichungen ablesen, und die Zahl der Veröffentlichungen ist groß und wächst. In den Jahren 2019 und 2020 haben unsere Professoren über 200 Publikationen zu unseren Technologien veröffentlicht. Wir haben aktive Universitätsprogramme in den Bereichen 22FDX, 45RFSOI, Silizium-Germanium (SiGe) und Silizium-Photonik-Technologien."

Ned Cahoon, Senior Director im CTO-Büro für mobile und drahtlose Infrastrukturen von GF, arbeitet eng mit vielen Professoren zusammen, die im Rahmen des University Partnership Program von GF an der 6G-Technologie arbeiten. "Wir sind Technologieführer im Bereich mmWave und suchen daher nach Professoren und akademischen Programmen, die sich mit den unserer Meinung nach wichtigsten 6G-Schaltkreisen und -Systemen befassen, die durch die differenzierte Technologie von GF, wie z. B. FE- oder Front-End-Schaltkreise, bei Frequenzen über 100 GHz, gelöst werden können", sagte er. "Die Professoren, mit denen wir zusammenarbeiten, sind in ihrem Fachgebiet renommiert und verfügen über eine hervorragende Erfolgsbilanz, und wir arbeiten mit ihnen als Partner zusammen. Sie stellen uns ihre Forschungsergebnisse zur Verfügung, und wir unterstützen ihre Arbeit, indem wir ihnen Zugang zu unserem Silizium auf Wafern für mehrere Projekte gewähren."

Keine Zweifel an Silizium

Einer der akademischen Partner von GF ist Gabriel Rebeiz, Ph. D., Distinguished Professor und Stiftungslehrstuhl für drahtlose Kommunikation an der University of California San Diego. Professor Rebeiz ist Mitglied der National Academy of Engineering und ein IEEE Fellow. Er ist ein Pionier auf dem Gebiet der integrierten Phased Arrays für Kommunikations- und Verteidigungssysteme und war der erste, der MEMS und Mikrobearbeitung in den Bereich RF/Mikrowellen einführte.

An der UC-San Diego hat seine Gruppe die Entwicklung von komplexen RFICs für Phased-Array-Anwendungen geleitet. Seine Phased-Array-Arbeiten werden heute von den meisten Unternehmen genutzt, die komplexe Kommunikations- und Radarsysteme entwickeln, und er hat rund 100 Doktoranden und Post-Docs ausgebildet.

Derzeit arbeiten seine Studenten an einem breiten Spektrum von Forschungsprojekten, die von Breitband-Systemen in 45RFSOI bis hin zu 140-GHz-Phased-Arrays reichen. "Bevor 6G kommt, wird es Chips mit 24 GHz, 28 GHz, 39 GHz und 46 GHz geben, die in der 5G-Kommunikation verwendet werden. Wir arbeiten also an vielen Breitbandchips, die dieselben Prozesse und Techniken verwenden, die wir auf 6G-Geräte ausweiten werden", sagte er. "Dies sind Projekte mit hohem Risiko und hohem Gewinn, und wir stoßen an die Grenzen der Technologie. GLOBALFOUNDRIES ist dabei ein großartiger Partner für uns. Wir decken einen großen technischen Bereich ab, und sie unterstützen unsere innovative Arbeit."

Prof. Rebeiz sagte, er sei überzeugt, dass Silizium die Lösung für die höheren Bereiche des 5G-Bandes und für 6G-Anwendungen bis etwa 220 GHz sei. Mit den Technologien von GF in einem Vorwärtspfad-Sendemodul (FPTM) hat sein Team beispielsweise kürzlich eine Ausgangsleistung von 12 dBm bei 140 GHz mit einem Wirkungsgrad von 11-12 Prozent erreicht. "Das ist ein phänomenal guter Wert für die Punkt-zu-Punkt-Kommunikation, wenn man bedenkt, dass der derzeitige Spitzenwert bei 6 dBm liegt, und das bei 140 GHz", sagte er.

"Da die Anzahl der in dichten 6G-Netzen benötigten Elemente so stark ansteigt, muss die pro Element benötigte Leistung zwangsläufig sinken, wenn diese Systeme praktikabel sein sollen, und statt der 20 dBm pro Element, die wir jetzt bei 28 GHz haben, benötigen wir vielleicht nur 3-6 dBm", so Rebeiz. "Daher werden leistungseffiziente Siliziumtechnologien wie 22FDX zweifellos oberhalb von 100 GHz bei allen Array-Anwendungen dominieren."

Natürlich gibt es noch viele Herausforderungen - Prof. Rebeiz sagte, dass die Verpackung und das Testen von entscheidender Bedeutung sind: "Was werden wir tun, um Tests in Zukunft erschwinglich zu machen? Niemand wird bis zu 140 GHz testen, weil es so schwierig und teuer ist, aber ohne das können wir keine Fortschritte machen" - aber diese Arbeit stellt eine große Chance für seine Studenten dar.

"Meine Studenten und ich sind Hardware-Leute", sagte er. "Wir lieben es, Dinge zu bauen. Was meine Studenten tun, ist für die Welt von entscheidender Bedeutung, und als solches ist dies wirklich ein goldenes Zeitalter für sie.