6G帶來的芯片機會

隨着5G的逐漸普及，下一代通信技術——6G的研發也在緊鑼密鼓的進行中。無論是中國，美國，歐盟還是日韓，目前在通信領域領先的國家都在加大6G方面研發的投入。根據目前的研發目標，6G預計將實現5G十倍以上的通信速率，並且預計在2026年左右推出相關標準。在相關應用方面，6G預計將繼續5G的道路，將覆蓋個人通信的同時，繼續覆蓋物聯網和智能工業應用，包括超高速工廠內無線接入等。

為了支持更大的通信速率，根據香農定律，信道容量必須相應增加，通常而言這意味着需要增加通信帶寬。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領域得到特別關注的原因。一般來説，太赫茲（THz）是指載波頻率在300 GHz - 3 THz範圍內的頻段，而sub-THz則是指100 GHz - 300 GHz左右的頻段。而在6G的相關語境中，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6G相關的太赫茲技術，並且在開放相關頻段。中國早在2019年底就開始了6G技術研發推進工作組，而華為也在今年早些時候公佈了使用太赫茲技術實現的通信距離達到500米的6G原型系統；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，三星和LG也都在積極開發相關技術，LG在今年九月初宣佈和德國夫琅和費研究所合作實現了通信距離在200米以上的太赫茲通信原型機，其輸出功率高達20 dBm。

綜上，我們認為隨着6G技術的興起，為了滿足高通信速率的需求，載波頻率繼續提升到太赫茲頻段將成為6G的關鍵技術，而相關的半導體芯片和系統則將是支撐太赫茲和6G通信的核心。

半導體太赫茲通信芯片現狀和前瞻

如上所述，太赫茲通信芯片將成為6G的技術核心。太赫茲通信相關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）而且帶寬很大的電路。為了滿足這個要求，目前用於長距離通信的太赫茲射頻芯片主要還是使用III-V族半導體HEMT和HBT晶體管實現射頻相關的工作。III-V族半導體的工作頻率高，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。介於目前太赫茲通信的第一步還是基站間通信，我們認為太赫茲實現的射頻芯片將會成為未來幾年內太赫茲長距離通信芯片的首選半導體技術。

在III-V半導體之外，使用硅基材料的CMOS和SiGe的太赫茲通信技術也在蓬勃發展。相對於III-V族半導體來説，CMOS和SiGe芯片具有集成度高，成本低的優勢，因此獲得了學界和業界的一致關注。對於太赫茲來説，CMOS和SiGe的主要挑戰在於晶體管截止頻率較低，工作帶寬也較低。截止頻率地意味着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，也就是説難以實現長距離通信；帶寬低則意味着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）來實現通信。目前，CMOS和SiGe芯片在太赫茲通信上的應用還主要在於短距離通信（例如1米左右的範圍裏）。展望未來，CMOS和SiGe對於太赫茲通信領域的研發還將主要在於電路級以及系統級的改進，目前來看半導體工藝的改善並不能提升CMOS/SiGe電路在太赫茲頻段的性能（例如CMOS對於太赫茲頻段來説65nm是最好的工藝節點之一）。

除了射頻之外，太赫茲通信領域另一個非常重要的芯片將是基帶芯片。在6G相關標準尚未確定的時候，目前對於基帶的討論主要在於如何產生高速信號的調製（例如，如果6G需要在太赫茲頻段實現超過100Gbps的傳輸，如何實現如此高速率的調製信號），以及對於射頻電路的相關控制，例如線性化技術。對於高速通信來説，如何提高數字信號處理的速度，以及如何提升超高速ADC/DAC等數模轉換的性能將是主要課題。此外，太赫茲通信目前仍然在設法提高通信距離，或者説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，因此相關的數字輔助技術，例如功放線性化技術等，也將在太赫茲領域起到非常重要的作用。

另外一種值得關注的射頻相關半導體技術是封裝技術。在電路領域，如何把III-V和CMOS使用先進封裝技術集成起來也是一個能讓III-V和CMOS各取所長的技術，但是在太赫茲頻段如何能保證相關係統的損耗可控將是一個很值得研究的課題。此外，更重要的是，在太赫茲頻段由於波長較小，因此天線的尺寸也可以做到較小，因此有可能實現使用先進封裝技術來把多個（大於10個）射頻芯片封裝在一起實現陣列，來實現高性能波束成形來進一步提升系統的性能。我們認為，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太赫茲技術的發展。

成像是太赫茲芯片的另一個潛力領域

除了通信之外，太赫茲芯片的另一個主要應用是成像。太赫茲的主要特點是可以穿透一些傳統光線無法穿透的障礙，同時能靈敏地檢測金屬物體，從而在安防等領域有着很大的應用前景。同時，相比之前的基於毫米波的安防成像技術，太赫茲波長較短且可以實現更大的帶寬，因此成像精度要好於毫米波成像。

與通信不同的是，成像無需很遠的傳輸距離，因此太赫茲成像可以使用基於硅基底的芯片實現。另外，由於安放和成像有小型化和大規模部署的需求，因此從成本考慮使用CMOS/SiGe來實現太赫茲成像也有很好的前景。

目前，使用CMOS/SiGe實現的太赫茲成像芯片通常工作在100 - 400 GHz，帶寬可達100 GHz，因此可以實現很高精度的成像。我們認為，在這一領域的太赫茲電路未來還有較大的上升空間，包括集成更復雜的成像算法（例如壓縮感知等），集成更復雜的陣列系統等等。成像技術將與6G通信一起成為太赫茲在未來最關鍵的應用，從而推進太赫茲芯片和系統的進一步發展。太赫茲將成為毫米波之後另一個充滿潛力的頻段，相關的芯片技術和市場應用值得期待。

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