ブレインストーム:メーカーは5Gに向けてどのような準備を行っているのか

 

メーカーが5Gワイヤレスネットワーキングという巨大な存在に向けてどのような準備を行えるのかという問題に効果的に取り組むには、10倍高速なデータレートと1000倍以上のデータトラフィックに対応できることを目標とした電子端末デバイスに与える5Gの影響を予測することです。5Gにより、あらゆる業界にわたって強力な接続性が促進されることになるため、信頼性の高い実装に必要な規模と品質に対応できる製造革新を進める必要があります。5GはPCB生産に影響を与えることになるため、必要となる変更についての良好な具体例を得ることができます。

高周波5Gネットワーク接続に不可欠なことは、各ノードにPCBが遍在していることであり、5Gのデータレートと帯域幅が増大することが予測されます。ダウンロード速度がより高速になることで、拡張現実とバーチャルリアリティ(AR/VR)から、ライフクリティカルな自律走行車検知まで、新しいアプリケーションのためのシームレスでリアルタイムな機能が促進されます。このような5G駆動のアプリケーションでは、エラーに対する許容量は実質的に皆無であり、現在のIoTデバイスの成長予測が数十億という規模では、ネットワークの障害に対する脆弱性は急激に増加します。遅延に敏感なこれらのアプリケーションでは、PCBの信頼性基準が新しいレベルに引き上げられることになり、製造実践に直接的に影響を及ぼし、同等レベルの高品質の生産と検査が保証されます。

5Gネットワークの周波数が増大し形状が小型化されることにより、PCB製造は独自の課題に直面しています。より小型化された設計でI/Oを増やすと、本質的に基板パターンを細くした高密度配線(HDI)が必要になります。このような超細型の配線は、信号性能の低下を招くおそれがあります。たとえば、上端と基部の幅など、配線の物理的特性が元の設計と異なる場合、RF信号の伝送が遅延し、下流のデータフローに悪影響を与える可能性があります。必然的に、設計が製造において確実に実行されるように、モディファイド・セミアディティブプロセス(MSAP)など、多数の新しい革新技術を導入することにメーカーは挑戦することになります。PCBの生産における次の課題は、試験の精度と信頼性に取り組むことです。

光学式自動外観検査装置(AOI)ツールがPCBの欠陥の有無を検査するのに使用されていますが、これまでAOIシステムは主にCAM設計を検査することで、元の設計どおりに忠実に生産されていて設計ルールが遵守されていることを保証していました。5G対応のPCB基板では、台形や長方形の断面を物理的に測定するための追加機能が必要です。これには、PCBの上端と基部の両方を測定することができ、かつレーザービアやパターニングなどのさまざまな潜在的欠陥を最小限の処理で検査できるAOIシステムが必要です。いくつかのAOIツールは、特定の測定機能を備えていますが、導体の上端のパターン幅を測定するのみで、基部の幅を測定しません。驚いたことに、これまでのところ、サンプルを採取して顕微鏡で手動検査することによってのみ、基部の測定が可能でした。これは、将来の5G展開に必要な規模と歩留まりを考えると、実用的ではない方法です。

PCBメーカーは、2D Metrology技術を活用してPCBの上端と基部のパターン導体を自動的に検査および測定することができます。このように、AOIの技術革新は着実に進歩を示しています。この革新的な試験機能は、高サンプリングレートにて高スループットレートで実行できるため、メーカーの全体的な歩留まりが向上します。これは、費用対効果の大きい5Gを採用する際に必要となるPCB品質レベルを得るための重要なステップです。

5Gが今にも導入されそうな気配がありますが、これを採用するには、さまざまな技術にわたる変更と継続的な革新が必要になります。この巨大な変革の真の促進者であるメーカーは、5Gネットワークの品質と信頼性を確保するために、この革新の最前線に立つ必要があります。この代表的なほんの一例は、より高速で高精度のPCB検査と検証を実現することにより、高周波で低遅延の5Gシステムをサポートするために必要なAOI技術の進化です。

Benny Solomon、AOI and AOS Marketing Director, Orbotech

 

「第4次産業革命」を実現すると言われる5Gは、膨大な数のデバイスを確実に接続し、通信リンクの遅延を極限まで抑え、かつギガビット速度を実現することにより、多くの業界にわたって、アプリケーションのワイヤレス化を促進します。

5Gは、市全体のリモートセンシングやビーコンネットワークのために、密集した市街地にある何百万ものIoT(モノのインターネット)デバイスをワイヤレスで接続できます。接続モジュールは効果的な導入ソリューションであり、事前に認定された5G無線を簡単に導入して大規模IoTネットワークに統合することができます。サイズを最小限に抑えるため、モジュールは、高密度SiP(System in Package)アセンブリのような高度な製造技術に依存しています。これには、モジュール基板への能動素子と受動素子の埋め込みや、使用中の高度なICを補完する高性能受動部品の使用などがあります。新世代の電力貯蔵技術も有用です。これにはソリッドステート低電圧バッテリや、太陽電池などからのエネルギー取得などがあり、デバイスの自律性を向上します。

5Gは、20GHzを超えるミリ波(mmWave)帯のような新しい電波スペクトルを開くことによって、セルラーネットワークのデータボトルネックを排除し、(混雑した環境においても)超高速無線の同時伝送を実現します。当初は、5G mmWaveは、無線通信事業者によって使用され、住宅用顧客とSOHO顧客にGbit固定無線アクセス(FWA)を提供するものと考えられます。次のステップでは、5G mmWaveを使用して、大試合での群衆のスマートデバイスに、プレーヤーの目のライブストリーミング4kビデオのようなGbitモバイルを配信します。これには、新しいセラミックやその他の材料をベースにした新しいアンテナとRFフィルタが必要になります。このような高度なmmWave部品がハンドヘルドデバイスやネットワークインフラストラクチャ基地局に必要となり、ネットワーク容量を最大化するためにMassive MIMOアンテナアレイが動的ビームステアリングに使用されることになります。

5Gはビジネスや日々の生活を一変することになるでしょう。最新の受動部品技術を含む高性能エレクトロニクスが、5Gを実現するために必要なハードウェアを得るために不可欠になります。

Michael Chinn、Deputy General Manager ICT Group, Electronic Components Sales & Marketing Group, Senior Vice President, TDK

 

無線アクセスネットワークは、5Gに備えて大きな変革を遂げようとしています。リモート無線ヘッドとベースバンドユニットとの間の従来のポイントツーポイントCommon Public Radio Interface(CPRI)ネットワークは、イーサネットベースのeCPRI Fronthaulソリューションに置き換えられています。これらのソリューションは、5Gが要求するより高い帯域幅の要件に対応できる、より柔軟でスケーラブルな方法を提供します。この移行により、5G以前の特別な無線アクセス機器の設計と導入も促進されることになります。これによりネットワーク容量とサービスエリアが向上します。小規模セル、分散アンテナシステム、Massive MIMO、およびその他の5G以前の無線に対する新しい設計は、LTEとイーサネットの接続を同時にサポートする必要があるため、新たな開発課題に直面しています。このため、低位相ノイズのLTEクロッキング、低ジッターのイーサネットクロッキング、およびシステムクロッキングをサポートするタイミングソリューションに固有の要件が課せられます。

もう1つの重要な革新が進行中であり、ビデオストリーミングとモバイルデータに対する需要の拡大をサポートするためにメトロネットワークとエッジネットワークがより高い帯域幅にアップグレードされています。現在、膨大な量の革新が物理層で行われており、イーサネットスイッチ/PHY、FPGA、およびASICは、28GbpsのNRZ(Non-Return-to-Zero)SerDesから、より高速の56Gbpsおよび58GbpsのPAM4位相振幅変調SerDesに移行しています。PAM4は、サイクルごとに4つの状態で圧縮することにより、シリアルチャネル上で同じ時間量により多くのビットをパックします。これによって生じる信号対雑音比(SNR)は、リンクのビット誤り率が低下しないことを保証するため、はるかに良好な値でなければなりません。これにより、56G PAM4 SerDesの基準タイミングを提供するために、より低いジッタークロックと水晶発振器(XO)の必要性が加速化されます。

James Wilson、Senior Marketing Director, Timing Products, Silicon Labs

 

5Gのすばらしい変革は、最近発表された3GPP規格とともに開始されています。通信業者はすでに2018年内に第1の導入を行うことを発表しています。無線という観点から、OEMと事業者はこれらの最初の導入を既存の4Gネットワークと現在のアーキテクチャの自然な進化であると考えています。この初期ステップは、従来の意味でのこのアーキテクチャを進化させることであり、このため、より多くのMIMOを追加し、アンテナをより小さなピースに分割し、トランシーバをそれぞれの背後に配置しています。これは4G/LTE-A ProのMassive-MIMO戦略と同様であり、中国と日本の両国ですでに検証されています。このソリューションは、フルアクティブなアンテナアレイの潜在的可能性を切り拓くものではありませんが、ハードウェアの複雑さを軽減しトランシーバパスを削減することで初期コストを抑えることができるため、多くのメーカーがこの自然な段階的な変革に傾いています。

実際には、これらのソリューションでは、各アンテナサブセクションの背後に低電力トランシーバを配置しています。標準で192素子のアンテナアレイは、12行、8列、および2つの分極からなり、64のトランシーバによって駆動されます。一般的に、このような実装は、高さが約0.8mで、幅が約0.4mとなり、既存のマクロセルアンテナの設置面積に問題なく収まります。

トランシーバの数を増やして広帯域幅と組み合わせることで膨大な量の生データが生成されるため、費用対効果に優れた高速フロントホールソリューションとファイバ容量が利用可能になり、機器ベンダーはソリューションの分割も再検討しています。新しいeCPRI規格は、RRUにCPRIの処理機能を統合することで、実質的にフロントホールネットワークの帯域幅要件を効果的に削減します。ただし、低コスト100Gの光が新たに出現することで、通信事業者は、将来も保証されるRRU実装にCPRIを採用するという選択も可能になります。

5G規格は設定されたばかりですが、世界中のメーカーがすでにこれに取り組んでいるといって間違いありません!

David Ryan、Senior Business Development and Strategic Marketing Manager, MACOM

 

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