5G向けミリ波
5Gブロードバンドセルラー技術は2019年に最初の本格的な展開フェーズに入りました。近年、5Gの普及は家電業界で非常に顕著であり、5G機能は現在、ミドルレンジからハイエンドのモバイルデバイスにとって重要なセールスポイントとなっています。
しかし、その裏では、さらに野心的な機能を実現するための基盤を築くべく、数多くの進展が見られています。直近では、2020年3月に米国で37GHz、39GHz、47GHz帯の周波数帯が競売にかけられ、通信事業者が5Gのミリ波（mmWave）帯域を活用して、さらなる容量拡大とスループットの向上を図れるようになりました。 これらの周波数帯は、5Gのより一般的なセルラー周波数帯（FR1）を補完するものであるため、「周波数帯域2（FR2）」として知られている。この措置は、その後の商用化に向けた取り組みの大きな原動力となった。
これらおよびこれまでの業界の動きを総合的に考慮すると、以下の5Gミリ波帯の周波数割当（N257～N262）に向けた準備が整ったと言える。
5Gの可能性を現実のものとするための重要な規制の多くはすでに整備されているものの、ミリ波技術の商用化は決して容易ではなく、都市部を超えて普及するには時間がかかるだろう。 3大通信事業者（Verizon、AT&T、T-Mobile）が市場を支配する米国市場において、26～47 GHzのミリ波周波数は半導体エコシステムにとって特に大きな課題となっている。この課題は、後述するように、周波数カバレッジとも密接に関連している。そして、この教訓は米国市場だけでなく、世界市場にも当てはまるだろう。
要するに、ミリ波通信を収益性があり、かつ実用可能なものにするためには、3つの条件が整う必要があります。
- まず、新たなインフラと消費者向け機器の両方を支えるために、グローバルなサプライチェーンを拡充する必要があります。そうして初めて、業界は5Gへの投資から初期の投資利益率（ROI）を得られるようになるでしょう。
- 次に、量産という観点から真に生産準備が整ったとみなされるためには、研究開発の基盤技術を商用化する必要があります。
- 最後に、業界全体として、商業化プロセス全体を推進する原動力となるマクロ経済的な効果、すなわち持続可能な利益を特定し、その根拠を示すことができなければならない。
それはかなり困難な課題に聞こえます。この3段階からなる一連の出来事の重要な原動力の一つは、FR2をコスト効率の良い方法で統合・検証できるという認識です。この認識により、既存の市場での優位性を維持したい、あるいは近い将来に製品の競争力を高めたいと考えるデバイスメーカーにとって、この技術の導入がより現実的なものとなるでしょう。これに取り組む企業は、5Gミリ波の導入において最前線に立つことができ、先駆者としての優位性を享受できるはずです。
ミリ波デバイスが直面する製造上の課題
解決策について詳しく検討する前に、まずミリ波デバイスにおける主な製造上の課題をいくつか見てみましょう。これらを理解することで、なぜ特定のソリューションがFR2周波数帯に他よりも適しているのかが明らかになります。
期待と現実：テクノロジーの先駆者たちが、5G FR2がもたらす消費者向けおよび産業向けの応用を想像するとき、ミリ波（mmWave）に対して当然ながら大きな期待が寄せられています。その高速な通信速度は、空港ラウンジでのデータ通信量を多く消費する動画ストリーミングから、スポーツスタジアムでの画期的な拡張現実（AR）体験に至るまで、あらゆる場面で活用されるでしょう。
すると、技術者や経理担当者が技術的な課題やコストについて意見を述べ始め、当初の熱意は次第に冷めていきます。その結果、一部のメーカーは、まだ着手する前からミリ波市場への参入を断念してしまうことになりかねません。
価格の高さに驚く：収益性という観点から言えば、周波数が高くなるほどコストも高くなることは周知の事実です。つまり、6 GHz未満の周波数帯に対応するハードウェアがデジタル機器に比べて高価であるならば、ミリ波（mmWave）に対応するハードウェアは、6 GHz未満の周波数帯に対応するハードウェアよりもさらに高価になると予想されます。実際、製造メーカーは、生産ラインにおける外部RF機器の数を最小限に抑えることだけでも多大な労力を費やしています。なぜなら、それらが総コストに与える影響が極めて大きいからです。
大まかな目安として、チップの平均販売価格の約2～4％がパッケージングおよびテストの予算として計上されるのが一般的です。このため、デバイスメーカーは、ミリ波帯向けのテスト機器はRF帯向けに比べてはるかに高価であることが多いことから、この予算では不十分であると想定しがちです。例えば、無線リンクのテスト用RFベンチトップ機器は、通常、10 GHzあたりのカバー範囲につき1万ドル以上で販売されています。
デバイスの複雑性：FR2の高周波数化に伴い、デバイスの複雑性も増しています。 ハードウェアの設計・開発にはより高度な専門知識が必要であり、5Gミリ波規格を強化するビームフォーミングやその他の複雑な処理を採用した関連デバイス（アンテナ・イン・パッケージ（AiP）など）をテストするためには、新たな計測機器が必要となる。これらの点については、以前の投稿「ワイヤレステストの未来は無線通信にある」でより詳しく解説している。
さらに、すべてのデバイスに同じ試験手順を適用できるわけではありません。一部のデバイスには、複雑な校正を必要とする追加の周波数変換ステップが存在します。前述の新しい無線（OTA）試験手法も、このプロセスの複雑化が進んでいること、および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浮き彫りにしています。
生産の効率化：サプライチェーンでは、周波数帯ごとに別々の挿入工程や専用機器を用意するのが一般的です。例えば、携帯電話向けに最適化された個別の挿入工程と、接続性向けに最適化された別の挿入工程などが挙げられます。こうした基本的な生産工程を統合・標準化・効率化することで、メーカーは大幅な規模の経済を実現できます。
しかし、ミリ波帯に伴う課題を考えると、こうした規模の経済をどのように実現できるかは必ずしも明確ではありません。例えば、FR2の各帯域ごとに個別の挿入が必要なのか、それとも周波数帯全体に対応できる汎用的なアプローチを見出すことができるのか。これは、メーカーがどのような試験戦略を選択するかによって大きく左右されるでしょう。
信号伝送：これらの問題だけでも十分深刻ですが、ミリ波にはさらに別の難題があります。標準的なRFケーブル――ひいては標準的な信号伝送方式――は、そもそもこれらのミリ波周波数に対応するよう設計されていないのです。この制限は、極めて基本的な要素、すなわちコネクタのインターフェースに起因しています。
生産現場で一般的に使用されているRFコネクタは、最大18 GHzまでの周波数しか対応していません。一方、5G FR2の最適なカバレッジを実現するには、導波管よりも取り扱いがはるかに容易な同軸コネクタを用いた信号伝送の機能強化が不可欠です。こうした機能強化を行わない場合、メーカーは、大規模かつ高速なデバイステストにおいて、性能、再現性、およびコスト効率を犠牲にするリスクを負うことになります。
これは網羅的なリストではありませんが、最も差し迫った課題のいくつかを浮き彫りにしています。また、デバイスメーカーが、増加するミリ波（mmWave）のユースケースを活用し、技術的・経済的な成功を収めるためには、これらすべての重要な変数を適切に管理することが不可欠です。当社の記事「5Gへの大移行が進行中」では、この業界のトレンドと、その可能性を活かしたいと考えるメーカーにとっての意義について、さらに詳しく解説しています。
それでは、その方法を見ていきましょう。
ミリ波のテスト戦略の策定は、反復的なプロセスである
歴史的な観点から見ると、新たなミリ波（mmWave）のテスト戦略の策定は、RFの商用化に向けた取り組みといくつかの共通点があります。RFと同様、ミリ波のテスト戦略も多角的かつ多分野にわたるアプローチを必要としますが、ミリ波が比較的新しい技術であることから、そのアプローチにはよりアジャイルな考え方が求められます。
まず、前述の「ステッカーショック」の項で見たように、FR2試験の計測機器コストは周波数が高くなるにつれて指数関数的に増加する傾向があります。したがって、初期の試験戦略では、必要なミリ波試験の量をいかに削減するかに重点を置くことになります。これを実現するには、主に以下の2つの手法を用います：
内蔵自己診断（BIST）。その名称が示す通り、BISTとは、集積回路（IC）内に特定の構成要素を組み込み、IC自身が内部の各セクションについて基本的な機能や性能を検査できるようにする仕組みである。これらのセクションは、その後、より広範なループバック機構の一部となる。
BISTはコストが抑えられるかもしれませんが、結果は代表的なユースケースに基づいたものではないため、データの分布が偏りがちであり、精度が十分でない場合が少なくありません。BISTの最大の利点は、その統合型設計により、テストサイクルの所要時間を短縮できるだけでなく、テスト・プローブ設定の複雑さも軽減できる点にあります。
外部ループバック。この手法はデジタル回路で一般的であり、未処理の信号を回路自体にループバックさせるものです。 これは、送信（TX）部と受信（RX）部を同一の設計に統合したRF ICにおいて有用な手法です。この手法では、TXが信号を生成し、それを外部経由でRXにループバックさせることで、利用可能なリソースを用い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計測機器が不要になります。また、外部ループバックは比較的決定論的であるため、内部BISTの制約を克服する手段ともなります。
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、個々の回路ブロックの性能を特定したりするための独立したメカニズムが欠けている。絶対的な性能に関するパラメトリックな知見が得られないということは、外部ループバックではデバイス間の再現性を相対的な観点からしか把握できないことを意味する。 特に、ライセンスが必要な周波数帯向けのアプリケーションにおいては、不適合が単なる顧客体験の低下にとどまらず、規制当局からの多額の罰金につながる可能性があるため、これらの測定値については独立した確認が求められます。
もしこれらの初期の手法が生産目標を達成できない場合、たとえそれが最後の手段であり、関連コストが比較的高くなるとしても、RF計測機器を活用する従来のベストプラクティスに頼らざるを得なくなる可能性があります。ここでテストエンジニアにとっての課題は、可能な限り低コストの計測機器を最大限に活用し、実績のある戦略を適用して成功を収めることです。一方、組織としては、予算を見直し、状況に応じた適切なバランスを見出す必要があります。
理想的とは言えないものの、コスト最適化の手法とベストプラクティスを組み合わせることで、本番環境への移行を確実なものにすることができます。もう一つの利点は、ハイブリッドなテスト手法が定着する余地が生まれることです。
しかし、これほど多くの不確定要素がある中で、5Gミリ波の早期商用化を正当化する根拠は何だろうか。その根底にある理由は2つある。
第一に、最大の強みは、他の競合他社がようやく市場に参入し始めた頃には、すでにミリ波の大規模生産および試験プロセスを確立している点にある。
第二に、最適化されたテスト戦略とは、その戦略の策定過程における各フェーズで継続的にデータを収集していく中で形作られるものです。つまり、最良のテスト戦略とは、継続的なデータ分析に導かれつつ、熟考を重ねた進化を経て、商業化の成功へと至る道筋を切り拓く反復的なプロセスなのです。重要なのは、ここでいう「成功」とは、技術的要因と経済的要因の両面から定義されるということです。
一般的に言えば、この反復的なアプローチをミリ波の商用化という最終目標に適用する場合、理想的な解決策は、バンドN257～N262（すなわち24.25～48.20 GHz）に対応し、5G FR2無線帯域全体をカバーする単一の測定器を用意することです。異なるバンドごとに個別の測定器を用意すると、エコシステム全体に非効率性が生じることになります。
この統合ソリューションは、高性能な連続波（CW）測定（ゲインなど）と変調測定（誤差ベクトル振幅など）の両方をサポートする必要がある。また、技術面と経済面の双方を重視するという方針に沿い、経済性を向上させるため、4サイトや8サイトといった高密度配置を活用して、大規模な並列テストを可能にするものでなければならない。
この統合テスト装置に関する最後の検討事項は、半導体製品の標準的なワークフロー、すなわちウェーハソート（WS）、機能テスト（FT）、および無線（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享受しつつ、各テスト工程におけるデータ分析の収集、ひいては最適化が可能となります。
テラダインのミリ波テスト向けソリューション
これらすべてが、単なる理想論や理論上の話に聞こえるかもしれませんが、そうではありません。テラダイン社の新しいUltraWaveMX53 機器「 UltraWaveMX53 、23.8～52.6 GHzの全免許帯域に対応しており、5G FR2周波数帯の測定が可能です。
UltraWaveMX53 、この周波数帯全体にわたって比類のない性能UltraWaveMX53 だけでなく、温度安定化機能と校正機能を完全に統合しています。チャン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、優れた誤差ベクトル振幅（EVM）性能を備えた変調波形の発生および測定が可能となります。
さらに、UltraWaveMX53 汎用性UltraWaveMX53 ほぼあらゆる生産環境UltraWaveMX53 。一般的な半導体挿入方式（WS、FT、OTAなど）をすべてサポートする複数の構成が用意されています。また、どの構成でも16ポートを備え、それぞれが完全に独立した2つのチャネルを持ち、最大52.6 GHz帯までをカバーします。
もちろん、これは前述の差し迫った技術的課題に対処するものです。しかし、経済面についてはどうでしょうか？
当社のUltraFLEXプラットフォームも、その点に対応しています。このターンキー型装置は4サイトでのテストが可能であるため、1サイトあたり4つの被試験デバイス（DUT）を処理でき、テストの厳密性を損なうことなくテスト時間を短縮できます。この並列テスト機能は、生産を商用規模へと拡大するための重要な要素となります。
結論
5Gが、特にミリ波技術の導入により、無線通信の新たな時代を切り拓いたと言っても過言ではありません。この独自の5G規格は、消費者および企業の需要を牽引する新たな用途の可能性を広げました。そして、当社の新製品「UltraWave MX53」は、既存の5G製品ラインナップである「UltraWaveMX8」、「MX20e」、および「MX44e」を補完するものです。
しかし、ミリ波は半導体エコシステムにも多大な影響を及ぼすでしょう。その理由の一つは、より高度な試験や校正の必要性といった新たな課題をもたらすからです。デバイスメーカーはこれらの課題を認識し、技術的目標だけでなく経済的目標も達成できる試験戦略を策定しなければなりません。 この初期段階においては、テスト戦略の策定に反復的なアプローチを取ることが賢明ですが、一つ確かなことがあります。それは、いかなる戦略においても、信頼できるパートナーと、最先端の性能に加え優れたテストコストを実現するターンキーソリューションが不可欠であるということです。
テラダインは、当社の機器から専門知識に至るまで、ミリ波技術の商用化に向けて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おいて、不可欠な存在となっています。その結果、私たちも進化を続けています。 ミリ波技術の商用化プロセスへの当社の貢献は、半導体エコシステムのあらゆる変化に対応することにあります。アプリケーション支援、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を含む当社のサポートサービスは、商用化プロセス全体を通じて成功を確実にします。そのため、半導体業界は、大量生産における技術的および経済的な要求を満たす、実績ある手法を提供する当社を信頼しています。
貴社がミリ波分野の最前線に立っている、あるいはその分野への参入を検討されているのであれば、当社の知見がきっとお役に立ちます。ミリ波製品の製造における課題についてご相談ください。共に、高度に最適化されたコスト効率の高いソリューションを見つけ出しましょう。何よりも、お客様の成功こそが、私たちの成功の証なのです。
デビッド・ヴォンドラン テラダインのワイヤレス製品マネージャーとして、ミリ波アプリケーション向けを含む大量生産向けのATEソリューションを推進している。これまでに、ロックウェル・インターナショナル、ワトキンス・ジョンソン、パシフィック・モノリシックス、カリフォルニア・マイクロウェーブ、アンリツ、OML、ライトポイント、アドバンテスト、アストロニクス・テスト・システムズで、エンジニアリングおよびマーケティングの職を歴任した。カリフォルニア州立工科大学ポモナ校にて電気工学の学士号を取得している。
ロドリゴ・カリージョ＝ラミレス アナログ・デバイセズ社での勤務を経て、現在はテラダイン社でミリ波エンジニアリング・マネージャーを務めるロドリゴ・カリージョ＝ラミレスは、ミリ波ソリューションの設計において20年以上の経験を有する。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および修士号を取得し、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る。