5Gのためのミリ波
5Gブロードバンドセルラー技術は、2019年に最初の大きな展開段階に入りました。 近年、家電業界では5Gの採用が非常に目立ち、中級からハイエンドのモバイルデバイスでは5G機能が重要なセールスポイントになっています。
しかし、その裏側では、さらに意欲的な機能を実現するためのさまざまな開発が行われています。 直近では、2020年3月に米国で37、39、47GHz帯がオークションにかけられ、キャリアは5Gのミリ波（mmWave）スペクトラムを利用することで、さらなる容量と高いスループットを実現できるようになりました。 これらの帯域は、5Gの従来のセルラー周波数帯（FR1）を補完するものとして、周波数帯2（またはFR2）と呼ばれています。 この動きが、その後の商品化の大きな原動力となりました。
この動きと、これまでの業界の動きにより、次の5G mmWave帯の割り当て（N257-N262）の準備が整っています：
5Gの可能性を実現するための最も重要な規制の多くはすでに整っていますが、mmWave技術の商業化は決して容易ではなく、都心部を以外に拡大するには時間がかかります。 3キャリア（Verizon、AT&T、T-Mobile）が支配する米国市場において、26～47GHzのmmWave周波数は、セミコンダクタのエコシステムにとって特別な課題です。この課題は、後述するように、周波数のカバレッジと関連しています。 そして、これにより米国市場が得る教訓は、グローバルにも適用されるでしょう。
要するに、mmWaveを収益性の高いものにするためには、3つのことが起こる必要があるのです。
- まず、新しいインフラと消費者向け機器の両方をサポートするために、グローバルなサプライチェーンの拡大が必要です。そうして初めて、業界は5Gの初期投資回収率（ROI）を確認することができます。
- 次に、研究開発したものを商品化し、大量生産に対応できるようにすることです。
- 最後に、業界全体として、商業化プロセス全体の動機となるマクロ経済効果、すなわち持続可能な利益を特定し、立証できなければなりません。
それはなかなか難しそうです。 この3つの連鎖の重要なきっかけとなったのが、FR2をコスト効率の良い方法で統合してテストできるという知識です。 この知識によって、近い将来市場でのリードを維持したい、あるいは製品の競争力を高めたいと考えているデバイスメーカーの技術が、より現実的なものなります。 それができれば、5G mmWaveの普及の最前線に立つことができ、パイオニアとしての優位性を得ることができるのです。
mmWaveデバイスが直面する製造のハードル
ソリューションを紹介する前に、まずmmWaveデバイスの製造上の障害となるものの上位をいくつか見てみましょう。 これらのことから、FR2の周波数に適したソリューションとそうでないソリューションがあることを理解することができます。
期待と現実： 技術のパイオニアが、5G FR2が実現するコンシューマおよび産業用のアプリケーションを想像するとき、自ずと多くの興奮がmmWaveにもたらされます。 その高速なスループットは、空港ラウンジでのデータ量の多いビデオストリーミングから、スポーツスタジアムでのゲームを変えるような拡張現実体験まで、あらゆる用途に適しています。
そして、技術者や会計士が、技術的なハードルやかかるコストについて意見を述べ始め、興奮は冷めていきます。 そのため、メーカーによっては、何かを始める前からmmWave市場から離れてしまうこともあります。
ステッカー・ショック： 収益性については、周波数が高ければコストが高くなるのは常識です。 つまり、6GHz以下のRF機能を持つハードウェアがデジタルに比べて高価であれば、当然mmWave機能を持つハードウェアはRFよりも高価になることが予想されます。 実際、製造ラインでは、外付けのRF機器の数を最小限に抑えるだけでも、コストに大きく影響するため、メーカーは多大な労力を費やしています。
一般的な目安として、チップの平均販売価格の約2～4％がパッケージングとテストに割り当てられることが多いようです。 そして、mmWave帯のテスト装置はRF帯のものよりもはるかに高価であることが多いため、デバイスメーカーは予算が不十分である判断しています。 例えば、無線リンクをテストするためのRFベンチトップ機器は、通常、10GHzのカバレッジあたり1万ドル以上の価格で販売されています。
デバイスの複雑さ： FR2は周波数が高い分、デバイスの複雑さが増しています。 ハードウェアの設計と開発にはより多くの専門知識が必要であり、したがって、5G mmWave規格を強化するビームフォーミングやその他の複雑な操作のための、関連する高度なパッケージング（例えば、アンテナインパッケージ（AiP））デバイスをテストするための新しいインスツルメントが必要です。 これらの観点の一部は、以前の記事「The Future of Wireless Test Is Over the Air」でより詳しく説明されています。
さらに、同じテストレジメンをすべてのデバイスに適用することはできません。 デバイスによっては、複雑なキャリブレーションを必要とする周波数変換ステップが追加されています。 上記の新しいOTA（Over-The-Air）テスト方法は、増していくこのプロセスの複雑さ、そして出荷前にデバイスが完全に機能することを確認する必要性を強調しています。
生産を効率化する： サプライチェーンでは、帯域毎にインサーションやインスツルメントが別々であることは、珍しくありません。 例えば、セルラーに最適化されたディスクリート・インサーションと、コネクティビティに最適化されたディスクリート・インサーションが考えられます。 これらの基本的な生産工程を統合、標準化、合理化することで、メーカーは大規模で強力な経済を実現することができます。
しかし、mmWave帯に関連する課題を考えると、同じような規模の経済を実現できるかは、必ずしも明らかではありません。 例えば、FR2の各帯域に独自のインサーションが必要なのか、それとも全帯域に対応できる普遍的なアプローチを見つけることができるのか。 これは、メーカーが選択するテスト戦略によって大きく左右されます。
信号の伝送： このような問題だけでなく、mmWaveにはもう一つの頭痛の種があります。 標準的なRFケーブル、ひいては標準的な信号伝送方式は、これらのmmWave周波数に対応していないのです。 その限界は、とても基本的なことに関係しています、 コネクタのインターフェースです。
製造現場でよく見られる一般的なRFコネクタは、18GHzまでの周波数にしか対応していません。 一方、5GのFR2を最適にカバーするためには、導波管よりも同軸コネクタの方がはるかに加工しやすいため、信号伝送の強化が必要です。このような機能強化がなければ、デバイスのテストを大規模かつ迅速に行う際に、性能、再現性、価格が犠牲になる危険性があります。
このリストはすべてを網羅しているわけではありませんが、最も差し迫った懸念事項のいくつかを浮き彫りにしています。 そして、これらのハイレベルな変動要因をすべてコントロールすることは、デバイスメーカーが増え続けるmmWaveのユースケースを活用する際に、技術的および経済的に成功するために必要なことです。 この業界のトレンドと、その可能性を活用したいメーカーにとってそれが意味することについて、弊社の記事「The Great Migration to 5G Is Underway」で詳しく説明しています。
では、その方法について見ていきましょう。
mmWaveテスト戦略の策定は反復プロセスです
歴史的な観点から見ると、新しいmmWaveテスト戦略の開発は、RFの商業化の取り組みと類似している部分があります。 RFと同様に、mmWaveのテスト戦略には、多方面にわたる多領域のアプローチが必要ですが、mmWaveの新しさゆえに、より俊敏な考え方が必要です。
まず、上記の 「ステッカー・ショック」の項で見たように、FR2テストの計測コストは、周波数が上がるにつれて指数関数的に大きくなる傾向があります。 そのため、最初のテスト戦略では、いかにしてmmWaveテストの必要量を減らすかに注力することになります。 これを実現するために、主に2つのテクニックを駆使します：
BBIST（Built-in Self-Test）。 BISTは、その名が示すように、集積回路（IC）に部品を組み込むことで、基本的な機能や性能の一部を内部でテストすることができるようにします。 これらのセクションは、より広範なループバックメカニズムの一部となります。
BISTは比較的安価ですが、代表的なユースケースから得られた結果ではないので、データが密に分布せず、十分な精度を欠くことが多いと言えます。 BISTの主な利点は、テストサイクルの期間を短縮し、その統合的な性質によりテストプローブのセットアップの複雑さを軽減できることです。
外部ループバック。この手法はデジタル回路では一般的なもので、未処理の信号が回路そのものにループバックされます。 この手法は、送信部（TX）と受信部（RX）を同一設計で統合しているRF ICにとって有効です。 この手法では、TXが信号を生成し、それが外部でRXにループバックされ、利用可能なリソースを使用して特性評価を行うことができます。 この低コストなアプローチにより、外部のRFインスツルメントは不要となります。 また、外部ループバックはある程度決定論的であるため、内部BISTの制約を克服する手段にもなります。
しかし、外部ループバックの結果には、絶対的な性能（出力電力など）を検証したり、回路ブロックの個々の性能を切り分けるための独立したメカニズムがありません。 このように、絶対的な性能に関するパラメトリックな洞察がないため、外部ループバックでは、デバイス間の再現性を相対的にしか見ることができないのです。 この指標では、特に割り当てられた帯域を対象とするアプリケーションの場合、不適合は単なるカスタマーエクスペリエンスの低下にとどまらない可能性があることから、独立した確認が求められます。 また、監督官庁から多額の罰金を科されることもあります。
このような初期のテクニックで生産目標を達成できない場合、RFインスツルメントを利用した従来のベストプラクティスに戻る必要が出てくるかもしれません。たとえそれが最後の手段であり、関連コストが比較的高いとしてもです。 ここでは、テストエンジニアが可能な限り低コストなインスツルメントを十分に活用し、成功のための実証済みの戦略を適用することが課題となっています。 一方、組織は予算を再検討し、状況に応じて適切なバランスを見つけることができます。
理想的ではありませんが、このようにコストを最適化するテクニックとベストプラクティスを組み合わせることで、生産への道筋を確実にすることができます。 もうひとつのメリットは、ハイブリッドなテスト手法が生まれる余地があることです。
しかし、未知の部分が多い中、5GのmmWaveの早期商用化を推進する理由は何でしょうか？ その根底には2つの根拠があります。
まず、最大のメリットは、他社が参入してくるまでに、mmWaveの大規模な生産とテストのプロセスを成熟させておけることです。
第二に、最適化されたテスト戦略とは、その戦略の各フェーズで継続的にデータを収集することによって生まれるものである、ということです。 つまり、最適なテスト戦略とは、反復プロセスであり、継続的なデータ分析によって導かれる思慮深い進化が、商業化の成功への道を切り開くのです。 重要なのは、ここでいう成功とは、技術的な要素と経済的な要素の両方が含まれるということです。
一般的に、この反復アプローチをmmWaveの商用化という最終目標に当てはめると、理想的なソリューションは、帯域N257-N262（すなわち、24.25～48.20GHz）をサポートする5G FR2無線全体をカバーする単一のテスト・インスツルメントを持つことです。 帯域ごとにインスツルメントがバラバラだと、エコシステム全体に非効率が生じます。
この統合ソリューションは、高性能な連続波形（CW）（ゲインなど）の測定と変調測定（エラーベクトルの大きさなど）の両方をサポートする必要があります。 そして、技術と経済性の両輪が重要であることから、経済性を高めるために、同じソリューションで、クアッド・サイト（4サイト単位）やオクタル・サイト（8サイト単位）といったサイト密度を利用して、超並列テストを可能にする必要があります。
この統合テスト・インスツルメントの最終的な検討事項は、セミコンダクタ・コンテンツの標準ワークフロー： ウエハーソート（WS）、ファンクショナルテスト（FT）、オーバーザエア（OTA）テストをサポートすることです。 これにより、スケールメリットを生かしながら、各テスト挿入時のデータ解析の把握と最適化を実現します。
テラダインが提案するmmWaveテスト向けソリューション
このようなことは、非常に願望的で机上の理論の様に聞こえるかもしれませんが、そうではありません。テラダインの新しいUltraWaveMX53テスト・インスツルメントは、23.8～52.6GHzの割り当て範囲全体をサポートし、5G FR2周波数に対応することができます。
UltraWaveMX53は、この全スペクトルで比類ない性能を発揮するだけでなく、温度安定化機能とキャリブレーション機能を完全に統合しています。 チャネルごとの統合シンセサイザー・アーキテクチャにより、クラス最高の位相ノイズ性能を実現しています。 これにより、優れたエラーベクトル・マグニチュード（EVM）性能を持つ変調波形の供給と測定が可能になります。
さらに、UltraWaveMX53は、ほとんどすべての生産環境に対応できる汎用性を備えています。 一般的なセミコンダクタのインサーション（WS、FT、OTAなど）に対応するため、いくつかの構成が用意されています。 同時に、すべての構成で、52.6GHz帯までカバーする完全に独立した2つのチャネルを持つ16のポートを提供します。
もちろん、上記で挙げた喫緊の技術的課題にも対応しています。 しかし、経済的にはどうでしょう。
UltraFLEX プラットフォームは、その点もカバーしています。このターンキー・インスツルメントはクアッド・サイト（4サイト単位）でのテストが可能なため、1サイトあたり4つ（4x）のDUTを収容することができ、厳密性を犠牲にすることなくテスト時間を短縮することができます。 この並行テスト機能は、生産を商業規模に移行するための重要なイネーブラーです。
結論
5Gは、特にmmWave技術の展開により、無線通信の新時代を告げるものだと言っても過言ではありません。 このユニークな5G規格は、消費者と企業の両方の需要を喚起する新しいアプリケーションへの道を開きました。そして、弊社の新製品であるUltraWave MX53は、弊社の他の5G製品ポートフォリオであるUltraWaveMX8、MX20e、MX44eを補完するものです。
しかし、mmWaveはセミコンダクタのエコシステムにも大きな影響を与えるでしょう。それは特に、より良いテストとキャリブレーションの必要性などの新しい課題をもたらすからです。 デバイスメーカーは、こうした課題を認識し、技術的および経済的な目標を達成するためのテスト戦略を立てる必要があります。 このテスト戦略を開発するための反復的なアプローチは、この初期段階では有効ですが、ひとつだけ確かなことがあります： 信頼できるパートナーと、優れたテストコストと最先端のパフォーマンスを実現するターンキー・ソリューションが不可欠です。
テラダインは、機器から専門知識まで、mmWave技術の商用化に積極的に取り組むグローバルサプライヤーのテスト戦略に不可欠な存在です。 そのために、弊社も進化しています。 mmWave商業化プロセスへの弊社の貢献は、セミコンダクタ・エコシステムのあらゆる変化に適応することであり、アプリケーション・アシスタンス、デバイス・インターフェースソリューション、エンジニアリングサービス、ソフトウェアサービスといった弊社のサポートサービスは、商業化プロセス全体の成功を後押しします。そのため、大量生産における技術的および経済的な要求を満たす実証済みの方法を提供する弊社は、セミコンダクタ業界から信頼されています。
もし、あなたの会社がmmWaveのフロンティアにいる、あるいはそうなる予定であるなら、弊社の洞察はあなたの助けになります。弊社にmmWaveの生産に関する課題をご相談ください。高度に最適化された費用対効果の高いソリューションを一緒に探しましょう。最後に、弊社の成功は、お客様の成功によって成り立ちます。
David Vondranはテラダインのワイヤレス製品マネージャーで、mmWaveアプリケーション向けのものを含む、大量生産向けのATEソリューションを推進しています。 彼は、Rockwell International、Watkins-Johnson、Pacific Monolithics、California Microwave、Anritsu、OML、LitePoint、Advantest、そしてAstronics Test Systemsでエンジニアリングとマーケティングのポジションを経験してきました。 カリフォルニア州立工科大学ポモナ校で電気工学の学士号を取得しています。
Rodrigo Carrillo-Ramirezは、Analog Devicesで20年以上、ミリ波ソリューションの設計に携わり、現在はテラダインでミリ波エンジニアリング・マネージャーとして活躍しています。 彼は、 マサチューセッツ大学アマースト校で電気・コンピュータ工学の博士号と修士号を、メキシコ国立大学で電気・機械工学の学士号を取得しています。