2021年1月宣布的SRC十年设计概述了模拟电子手艺的新生长轨迹。在蹊径图这一章节中，总结了模拟信号处置的短期、中期和耐久远景，由于它涉及驱动模拟硬件的新兴应用和趋势。模拟组件硬件对天下机械接口、传感、感知和推理系统至关主要。来自物理天下的信息是模拟的，天下上数目呈指数级增进的传感器正在确立大量模拟输入，这些信号的数字化将确立一个重大的数字数据负载，这险些不能能在下游数字处置器中使用。模拟信号处置或“模拟边缘”处置可以辅助削减必须数字处置的信号数目。在以下小节中，我们将先容：

1.模拟和夹杂信号盘算必须若何举行缩放以顺应“模拟边缘”处置

2.顺应更大带宽、更高吞吐量和更细腻分辨率所需的数据转换器的生长偏向

3.物理电缆和管芯到管芯接口；平安传感器融合；计时系统；以及功率减轻手艺。

在许多需要模拟/夹杂信号领域创新的应用驱动因素中，主要驱动因素包罗跨通讯网络和盘算的低成本和能量优化，以及高通量、低延迟和高带宽6G无线通讯传感和高性能数据中央。

上述新兴应用的性能和功率效率要求推动2.5D/3D架构，这带来了成本、设计方式和热治理方面的挑战。手艺节点正朝着5纳米以下的节点生长，这些节点包罗栅极晶体管、纳米片和基于叉片的器件。先进的封装在将大型系统缩小到纳米级实行中也施展着主要作用。

在本节中，我们将回首模拟和夹杂信号处置的各个方面，以及在未来五到十年中，每个方面的希望情形。每一个差其余领域都概述了规范和指标在十年内的生长。

模拟和夹杂信号盘算

未来十年，模拟电路将不停生长，以行使成千上万的专用于模拟义务的装备。前几年的模拟设计取决于一些装备的详细性能：放大器的输入级，或典型PLL电路的元件——这些可以作为电路图绘制，并通过仔细检查单个装备的行为来明白和改善。

未来十年里，在异常小的器件中，这种已知的模拟设计手艺可以通过多个小器件的串并联来继续，现实上，就是使用小型器件阵列来近似模拟更庞大的器件。

然而，由于使用了成千上万的小型器件，它们的毗邻方式不必是简朴的串联或并联形式。模拟设计的一个新领域可以使用庞大的互连。举个例子，无处不在的吉尔伯特乘数是六个器件的某种毗邻，发生乘数作用；在先进手艺中，将毗邻数万个器件以确立例如FFT或语音流动检测器等。我们现在已经逾越了原理图时代，进入了一个新的可能基于高级语言的设计框架，该框架将支持这些形式的模拟设计。

模拟FFT是一种先进制程的新模拟方式的示例，在一项研究中，通过输出数万个具有庞大互连的装备的工具和手艺，演示了模拟FFT在模拟域中以>12位、低延迟性能运行的可能性。这样的设计主要是结构的伪影：金属间电容等，以及其他只有在结构完成后才可见的寄生效应。因此，为了实现这些新的模拟设计，需要CAD工具来确立原型结构，并允许工程师始终对物理结构造成的工件举行估量。

新的模拟设计师将把疆土作为设计流程的一部门，这在足够庞大的CAD工具下是可以实现的，与其将结构伪影视为障碍，不如在设计中使用它们来降低功耗并提高精度。例如，在模拟FFT处置器的设计中，必须知足两个挑战：每个模拟神经元的系数值以及到下一层的异常庞大的毗邻。庞大的毗邻引入了显著降低性能的磁道间电容，但一个足够庞大的CAD工具现实上可以使用这些寄生效应在FFT中确立所需的系数。因此，我们现在的阶段是，在设计图完成之前，模拟装备的功效甚至不是很显著。

诸如模拟FFT之类的模拟信号处置块可以对与数据转换器之类的模拟数据处置块交互的模块施加新的要求。许多模数转换器（ADC）的传统时分复用可以用频分复用取代，当这样做时，ADC的要求是信号的创新，而不是由时分复用引入的随便高速。在电信系统中，ODFM的任何给定频率中的创新远远小于当前系统的载波或时分复用作用。因此，这样可以节约功率并提高速率。

高级节点和模拟信号处置的其他方面：有限栅极电流（隧穿电流）

在现有手艺的放大器中，接纳了某些基极电流减小手艺。这些是通过使用镜像等结构的基极电流的开环估量，以近似抵消放大器的输入电流。该方式可用于先进的薄栅FET工艺中，以实现不止一阶抵消。详细来说，可以确立完全电容耦合的延续时间信号链，其中DC事情点由放大器输入处的可变隧穿电流控制。这样做的优点是信号路径元件不发生噪声，而且开关电容器设计中通常存在的kT/C噪声被限制在信号的子带区域。这是现在在医疗装备中使用的手艺，但若是用受控的栅极隧穿电流取代已知手艺的电阻FETS，将导致更低的功率和更高的性能。这是另一个例子（类似于上面提到的轨道间电容），可以被以为是先进手艺节点上可以提高性能的有益效果。

图1 未来五到十年的模拟信号处置

新兴模拟信号处置

近年来，基于边缘盘算的物联网系统中已经泛起了用于AI/ML的模拟内存盘算，这正是得益于其低能耗运行。由于盘算或传感动作的纳米级性子，基于生物传感和生物盘算的新兴组件需要模拟处置。当接纳跨模拟和数字领域的夹杂处置方式时，大规模MIMO阵列处置已经实现了*能效运行，并充实行使了两者的优点。完全同态加密和隐式逻辑是模拟盘算的一个伟大时机，在模拟盘算中，输入端没有DAC，输出端没有ADC，从而实现隐式方程解。

近零功率处置

对于通常在需要较低功率ADC/DAC的生物医学应用中看到的能量采集系统，需要靠近零功率处置。这要求每个信号的传输线使用有限，而且要求对信号路径中的一阶单极不敏感的信号能够做到快速稳固。也可能需要增添隐性信号的使用。

总结

模拟/夹杂信号处置中泛起的配合主题是，当模拟处置时机泛起时，必须行使这些时机，勇敢地将模拟和数字之间的传统界限移动到模拟信号领域，并在能效或性能保证做出这样的决议时，移动界限以实现模拟信号领域的更多处置。

数据转换器

如SRC半导体十年设计中所述，数据转换器（即模数转换器ADC和数模转换器DAC）将在从智能传感应边缘盘算的普遍应用（如机械学习）中施展越来越主要的作用，未来几年将需要性能局限极其普遍的数据转换器（见图2）。

图2:数据转换器领域：程序、分辨率和吞吐量

要到达这些性能水平，需要在工艺手艺、应用程序和系统级架构以及数据转换器架构自己等各个方面举行创新。工艺手艺的提高通常有伟大作用，由于在大多数情形下，随着几何形状的缩小，晶体管变得更快，能够更有针对性地对模拟/夹杂信号应用提供一些显著的优点，例如改善的隔离和严酷控制的阈值电压的高速双极晶体管。然而，在针对高性能数字应用的CMOS手艺（例如，5nm CMOS）的情形下，电源电压连续缩短，结构依赖效应（LDE）变得加倍普遍，现实上使得设计具有所需性能的数据转换器更具挑战性，这推动了系统和数据转换器系统结构层面的创新需求。

如图2所示，有异常普遍的新兴应用程序需要有显著改善的数据转换器性能。例如，思量先条件出的用于模拟域中更多信号处置的模拟和夹杂信号盘算手艺，以及用于边缘处置的数据转换器架构，如SRC十年设计第1章所述，实现了对模拟到信息的高效和低延迟感测。新兴应用的另一个示例是在使用几百伏的EV电池治理应用中准确地感测低频/DC电流信号，像这样的应用需要专门的模拟前端处置手艺和架构。

在中频局限内（例如，100KSPS至500MSPS），随着体积和所需性能的增添，从高保真数字音频到医疗应用（例如MRI和超声）到汽车应用（例如，电机控制和平安（例如，平安气囊控制））的应用也将需要显著改善的性能（例如，成本、功率、精度、鲁棒性等）。由于这些应用中的许多要求高精度、低失真性能，以及抗滋扰性，而且在普遍的操作条件下稀奇可靠，因此以低成本和低功率知足这些要求的数据转换器架构将变得越来越主要。另一个例子是ADC的车载无线电吸收器，它从吸收到的信号中发生高保真音频。在这种情形下，无杂散动态局限（SFDR）是要害规范。对于可能影响人们康健和生涯质量的医疗和平安应用，此类要求变得加倍主要。可能应用于该应用领域的新数据转换器架构包罗人工智能（AI）、机械学习（ML）辅助、基于时间的夹杂SAR/流水线ADC等。

此外，另有极为普遍的新兴应用，从5G/6G通讯到高速串行链路，再到需要超高速、高性能数据转换器的FMCW/PMCW汽车雷达。例如，对于6G小基站和用户驻地装备（CPE）使用情形，需要具有约10b、10G/s性能的ADC和DAC。鉴于此应用需要大量的信号处置，数据转换器必须在与信号处置相同的SOC上实现，这就提出了“划分”的要害问题。在许多情形下，不停改善的异构封装能力使要害IP能够以该IP的*工艺手艺开发，然后与其他系统组件一起封装，这些组件也已经以差异但*的工艺手艺实现，以实现*的整体解决方案。然则，如上文所述的6G小基站/CPE使用案例所示，也有一些情形下，要害数据转换器必须以非*的工艺手艺开发。

用于汽车雷达的数字调制雷达（DMR）（例如，PMCW）代表了另一个示例，其中所需的数字信号处置要求将数据转换器集成在统一芯片上。因此，一方面，需要尽可能行使具有超高速和分辨率的优化工艺手艺（例如FDSOI或SiGe BiCMOS）的ADC和DAC，另一方面，在主要用于数字（例如，5nm CMOS）的工艺手艺中也需要超高速和高分辨率ADC和DAC。当*工艺手艺可用时，可以优化诸如延续时间∑-Δ或流水线ADC等常见的架构，以知足应用需求，但随着应用需求的增添，稀奇是当使用非*工艺手艺时，就必须开发新的创新架构。

用于超高速应用的新兴架构的示例包罗由Analog Devices宣布的延续时间流水线ADC、由俄勒冈州立大学和IMEC的研究职员宣布的基于环形放大器的架构，以及基于时域的ADC架构，如加州大学圣地亚哥分校和德克萨斯A&M大学的研究职员揭晓的那些。对*时间交织手艺的普遍研究正在举行中，未来依旧需要继续。还必须指出，在高速、高性能应用领域，对响应高性能时钟的需求同样至关主要。例如，上面形貌的用于6G小基站/CPE的10-b、10Gs/s ADC使用情形将需要ADC采样电路的时钟具有~40fs rms发抖，这显然不是一个简朴的要求。这一需求还将推动数据转换器和时钟IP开发职员之间的亲热互助。

对于上述所有应用/使用情形，最主要的权衡尺度是所开发的数据转换器是否能在预期应用中在工艺、电压和温度上实现高产量、稳健/平安的耐久运行。例如，在FMCW雷达收发机中，最要害的规范之一是SFDR，由于在处置之后，来自目的的吸收信号在ADC输出中显示为杂散，而且由ADC自身天生的杂散显著低于来自任何目的的杂散是异常要害的。一旦验证数据转换器在预期应用中事情，则可以使用Walden或Schreier FOM等其他性能指标（FOM）来对照性能。

为了稳健/平安运行，需要改善模拟/剖析工具以知足上述即将到来的数据转换器需求。例如，如《角落模子：*时禁绝确，而它只会变得最差》中所述，用于模拟/夹杂信号设计的传统PVT仿真手艺禁绝确且不充实，需要加倍鲁棒的统计仿真手艺。此外，随着所需数据转换器的速率和分辨率的提高，以及所使用的工艺手艺变得越来越庞大，具有所需精度的模拟变得越来越难完成，而且需要更长的时间。另一个要害的仿真需求是需要随着器件的老化对电路行为举行建模和展望。因此，还需要通过数据转换器设计者和工具开发职员之间的协作来增强仿真、建模和结构能力。

用于蜂窝应用的数据转换器

蜂窝数据转换器可以大致分为基站和用户装备（UE）。在这两种情形下，都强烈希望用一个ADC或DAC笼罩整个频带，这应该是未来研究的重点。对于ADC来说，这通常意味着数100MHz的带宽，而对于DAC来说，这约莫是带宽的4到5倍。DAC必须具有比信道更多的带宽的缘故原由是通常接纳PA预失真和/或包络跟踪，这需要更宽带宽的 DAC。

动态局限要求为中等硬度，约70-75dB/100MHz载波。低功率和低成本（即小面积）对于所有用户装备情形以及基站数据转换器来说都异常主要，只管水平稍低。对于ADC转换器，趋势是向RF采样靠近，这意味着RF信号将直接由ADC采样。

随着无线电向越来越小的节点移动，与模拟计数器部件相比，数字逻辑的相对成本、面积、功率和速率都有所提高。未来的研究可以探讨若何行使数字的气力来改善数据转换器。一个例子是DAC内部的噪声消除，以阻止DAC之后昂贵的外部滤波和ADC的数字校准，以使其更好的容错性。

通常，对于蜂窝ADC，要害器量不是SNDR，而是ADC在存在带外滋扰信号时处置带内载波的能力。对于DAC的相似性，目的通常是天生优越的带内信号，同时发生最小量的带外（即RX频带）噪声。

总结

未来几年将需要性能局限极其普遍的数据转换器，以知足新兴应用的普遍系统需求。接纳5nm以下的数字中央CMOS手艺设计的数据转换器将面临更普遍的结构依赖效应（LDE），这使得高性能数据转换器设计更具挑战性，需要更多的“数字化”，并将需要在系统和数据转换器架构层面举行创新。6G系统需要高分辨率（>10位）和至少10GS/s的性能；鉴于将需要大量的信号处置，数据转换器将需要以相同的数字手艺实现，甚至可能集成一些数字前端信号处置义务。预计FoM将凭证应用需求举行调整。

有线物理接口

驱动应用：网络、存储、汽车、高性能盘算和加速器

要害性能指标：数据速率[Gb/s]、插入消耗[dB]、功率/能量效率[mW/Gb/s]/[pJ/bit]、误码率（BER）、调制类型/阶数。

网络和加速器应用的总带宽需求不停增添，导致所需的每通道数据速率急剧上升。多种有线尺度已宣布每通道数据速率跨越50Gbps，现在最高为224Gb/s。根据这些趋势，每条传输线的数据传输率似乎每三到四年翻一番。为了知足或甚至改善这些数据速率展望，需要创新的解决方案，包罗I/O区域和能效、电路庞大性、可靠性、低发抖时钟天生和分配等问题。虽然高数据速率导致了上述问题，但每一个问题的解决方案都市受到指定数据速率下信道丢失的严重影响。因此，通常围绕信道局限（信道消耗的电流替换）组织架构和电路选择的讨论。

长距离传输

长距离应用的特点是异常高的信道消耗和粗笨的信道漫衍。这些特征清扫了简朴的线性平衡器，以支持高阶（有时是非线性）平衡。现在的实现已经集中在庞大的数字平衡器上，需要超高速ADC。这种选择需要在夹杂信号前端和数字平衡方式中举行创新，以保持面积和能量效率。知足所需采样率所需的高度交织数据转换器（使用PAM4，100GS/s知足200Gb/s/通道）也驱动时钟天生和分配块的精度要求。

展望未来，一条很有前途的蹊径是在光链路方面取得需要的提高，以便在现在被归类为远距离的应用中使用这种链路。由连续的形状因数和光子学成本降低提供动力的共封装光学，将使光子链路能够用于长距离应用。接口电路中的最小夹杂信号设计手艺将确保能量效率，使数据速率被大幅缩放。更主要的是，夹杂信号设计手艺可以重新聚焦于解决集成问题，如共封装光学器件中的吸收器迅速率降低或与PVT的调制器的纷歧致性。PDK或建模方式能够实现这种紧凑的代码设计，并促进信号完整性和性能评估，这将是该方式乐成的要害。

中/短距离传输

成本和形状因素约束可能不支持用于介质消耗信道漫衍的光学解决方案。在这些情形下，对收发器架构举行重新评估，远离数字实现，将为每通道数据速率扩展扫清蹊径。创新的夹杂信号平衡器和低庞大度数字平衡器可以在保持高能效方面施展主要作用。在夹杂信号域中实现的以相关信道编码（或1 αD）、*似然序列估量（MLSE）和基于深度神经网络（DNN）的平衡器为中央的新方式将为高数据速率应用中的ADC/DSP收发器提供替换方案。将更传统的DSP手艺折叠到夹杂信号吸收机中，将确保提高能量效率。

芯片到芯片互连

这类有线链路将受益于起劲扩大长距离变体数据速率所需的所有创新。这里的数据速率和可靠性限制将与封装、外围组件和电路缩放以顺应I/O密度限制的提高水平有关。需要举行创新以显著减小ESD尺寸，或开发一种封装方式，以允许在较少珍爱的情形下组装和部署组件。还需要将接口重新设计为不需要终端的更简朴的RC互连。

[可能需要参考数据转换器部门中关于100GS/s数据转换器的分外段落]

EDA 工具

随着AMS电路的性能、能量和面积需求的增添，以及制造手艺的提高，设计者正在探索一个日益庞大的设计空间来知足这些需求。

工艺提高。随着我们转移到更小的工艺节点并迁徙到深纳米尺度区域，这使得超高频模拟电路的开发成为可能。然而，这些较小的手艺节点会履历更大的失配（相对于器件参数）、降低的增益，而且对电路结构显示出更高的迅速率。这些挑战使电路设计庞大化，险些没有留下容纳误差的余地。

专用电路。人们对行使AMS系统执行传感器处置义务、在内存中和内存周围执行盘算以及启用新形式的盘算异常感兴趣——这些用途通过直接对感兴趣的信号执行盘算来削减数据移动。实现这些系统的一个挑战是确定模拟和数字处置元件之间的准确盘算划分，并确定*的功效要求、品质因数和设计约束以指导设计。

新兴制造和器件手艺。近年来，泛起了一系列新的装备手艺和先进的集成工艺，这些手艺有望带来推翻性的性能和能源效益，并实现新的盘算形式。由于这些手艺的设计基础设施以及我们对相关物理历程的明白仍在不停生长，因此使用新装备的架构设计具有挑战性。

若是评估设计的成本是免费的，这将从基本上改变设计历程。为了设计下一代AMS电路，设计者必须仔细优化电路的设计、尺寸和结构，以实现优越的电路设计。现在，由于缺乏自动化，模拟设计职员有用评估和优化候选设计的成本过高。由于必须思量电路动力学的庞大性、工具的可扩展性以及准确电路模拟的相对成本，现在很少有模拟设计在实践中真正实现自动化。因此，设计者必须破费大量的人力来构建、优化和结构潜在的电路设计——这种高设计成本极大地限制了可以探索的电路空间。

因此，我们必须投资于下一代AMS设计生产力工具，使设计师能够在所有抽象条理上结构、探索、优化和验证模拟设计。这些新一代工具应使设计职员能够有用地探索手艺和流程节点日益庞大的设计空间，以确定最适合其用例的设计。

设计规范

设计者通常首先从客户处引出所需电路的行为形貌（例如，simulink模子）和一组设计要求（例如，增益和带宽要求）。这个设计启发历程需要将系统级设计目的转化为电路级的表达。

系统级设计目的：通常，要优化的端到端器量（例如分类精度、推断时间）是一个庞大的系统级器量，需要在更普遍的盘算系统的上下文中评估电路。

电路的品质因数：模拟设计者通常会优化特定于电路的优值，即表征电路性能的量化器量。需要将上述系统级器量转换为对这些品质因数的设计约束。

协商电路的设计要求通常是有成效的，由于降低功效规范的庞大性和放松强加的设计约束可以简化电路的设计，并可能使设计者能够更起劲地优化成本和资源行使。

在实践中，协商这些规范是具有挑战性的，由于它需要与通常不是电路专家的领域专家举行相同。有用地向非专家转达差其余设计权衡，并连系专家反馈，需要在各专业之间跨越一个不小的相同差距。

早期设计生产工具：对于这些用例，开发早期设计生产力工具（功效抽象、早期设计探索工具），以使其它领域专家和电路专家能够汇聚在一个仍然实现系统级设计目的的适当天真的设计规范上。数字设计师行使这种协同设计手艺，设计出以天真性换取性能的特定领域加速器。

仿真

模拟电路仿真对于评估电路的行为和领会其性能特征至关主要。然而，准确模拟和盘算效率高的模拟之间存在着基本的主要关系。由于通常需要高度详细的物理模子和高级模拟历程（例如统计模拟）来真实地评估设计，因此对于较小工艺节点处的电路来说，这种主要会加剧。使用这些更高级的模子显著增添了模拟设计所需的时间。类似地，在更高的频率和更高的电路庞大性下，以所需的精度执行模拟变得越来越耗时。因此，需要增强的仿真和建模能力来有用评估下一代电路设计。

电路设计优化和结构

模拟设计历程包罗构建电路设计、优化器件参数和构建电路结构，以最小化资源使用并减轻非理想性。这些设计步骤相互影响——更改装备参数可能需要更改结构。在商业设计流程中，电路设计和结构是手动完成的，参数优化通常是部门自动化的。此外，模拟电路设计通常高度专用于所使用的工艺节点、制造设施和器件手艺，因此难以将其模块化。这些因素使得纵然是对设计举行细小的更改，成本也很高，而且难以重用设计。这些问题都随着手艺结点的缩小和装备的物理效应的增强而加剧。这种模块化和自动化的缺乏使得模拟电路设计比数字电路设计加倍难题。

研究职员探索了一系列加速模拟电路设计、优化和结构的手艺：

模拟设计语言。最近，研究职员设计了硬件天生器，可以按程序天生特定种别电路的设计和结构（Berkeley模拟天生器）。这些基于天生器的设计方式需要模拟设计职员举行大量的前期事情，优点在于能够开发可重复使用的电路，这些电路可以针对差其余工艺节点举行动态再生。

自动电路优化器。研究职员此前还研究了自动执行给定电路的参数优化和结构的按钮方式。这些方式行使基于电路仿真的黑盒和灰盒优化器来评估参数化。这些性能问题的泛起是由于准确的电路模拟需要大量盘算，而黑盒和灰盒优化器需要多次迭代才气收敛。

只管已经做了一些事情，但在实现现实电路设计的完全自动化优化和结构之前，另有很长的路要走。我们建议扩展上述方式，并设计出适合自动化的新设计方式。此外，若是让更多人可以加入这个问题领域，可能会取得更多希望：

工具流开源：这一问题领域将受益于可扩展、开源AMS设计工具和开放PDK的连续开发。这些手艺促进了劳动力的生长，由于小我私人可以在不需要昂贵的专有CAD工具允许证或与制造设施的特殊关系的情形下做出孝顺。现在，已经有许多人在起劲开发开源流程设计套件、低成本磁带输出（Global Foundries/Skywater）和开源/免费设计工具（CMC Electronics）。这些开放的工具流可以降低硬件开发成本，从而使模拟设计职员能够解决可能从AMS中受益的中小型应用用例的长尾问题。

评估指标和基准集：为了指导更普遍的社群起劲解决商业电路设计中的问题并确立评估尺度，开发现实的、开源的模拟电路基准供社区使用将是有益的。包罗数字设计自动化在内的许多领域都使用尺度基准集来系统地评估差异方式的有用性。这里的一个要害问题是，若何评估以大型开源工艺节点为目的的自动化手艺是否能很好地转化为先进的纳米级流程。

电路验证和有用性确认

模拟验证和有用性验证-Verilog AMS，模子检查器

目的：发现模拟数字设计中的系统级缺陷，凭证功效规范验证模拟设计，阻止模拟组件中泛起了引人注目的错误。

挑战：通常这是通过对Verilog AMS模子的详尽模拟来完成的。这对于涉及许多模拟和数字组件的庞大设计来说变得不切现实。

毗邻/平安：暴力测试不足以抵御对手。

潜在偏向：可扩展模拟验证，以在设计历程早期发现设计缺陷。

电源治理、电源分配和功率器件

来自European Roadmap的表11.3.1总结了应用和驱动指标。

表11.3.1：功率器件和驱动器的应用领域

如表所示，宽带隙器件的优势在于：

1） 可以增添功率，减小装置的体积和重量

2） 可高效运行，从而削减静态消耗

3） 异常坚硬

4） 具有高温能力

5） 高度可靠

宽带隙质料和器件

在已往的10年中，宽带隙器件已经成为硅在许多高压/大电流应用中的替换手艺。今天商业上感兴趣的主要质料是硅（Si）、碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN），它们通常与氮化镓和氮化铝（AlxGa1-xN）的合金连系。现在，类SiC Si被实现为其自身衬底上的垂直器件，而GaN通常被实现为Si衬底上的横向器件。SiC器件通常用于最高电压应用，而GaN器件具有

• 极高功率下的最终击穿电压和装备运行参数

• 单个装备与串并联组合

• Si上GaN与GaN上GaN

• Ga2O3

未来的主要挑战是：

继续解决装备可靠性和耐用性问题。问题包罗短路雪崩性能和宽带隙器件JEDEC规范的开发。

全集成GaN功率电子器件的开发。当前的GaN功率器件以与Si手艺的夹杂形式存在。为领会决芯片上系统面临的挑战（栅极驱动器和实时诊断），需要以消除电感为目的。

GaN质料手艺对实现垂直器件手艺提出了许多挑战。其中包罗1）开发低成本、低缺陷、大面积基板。2） 离子注入和退火手艺的连续生长以及3）器件的更好边缘终端。

只管SiC质料手艺相对成熟，但由于衬底缺陷，如螺纹位错和基面位错，仍限制了可用器件面积。MOS器件的进一步栅极氧化物仍然存在挑战。

电源电路架构

要害问题：

1.转换率与效率之间的权衡

2.差异功率品级的互连

3.垂直送电

4.适用于宽带隙的更好的器件模子

5.数据中央当前转换电压在48和12 V之间，我们可以低于12 V吗

纳米功率

纳米功率正变得越来越普遍。要害应用包罗物联网（IOT）和处置小我私人医疗数据网络的可穿着应用。在医学领域，数据网络现在集中在心脏病学方面，但我们预计未来将使用血液、汗液和唾液监测生化指标。大多数应用使用锂离子电池，这些应用通常需要宽动态局限的功率和在该动态局限内的高效率。

要害问题：

1.优化尺寸和成本。

2.形状因素

3.电感器功率不足

4.未来的电力类型可能包罗生物燃料电池

5.在动态局限内具有优越的功率效率

6.大负载步骤（如从微安快速变为毫安）需要一个好的控制器快速响应

储能元件

储能/无源元件是功率转换电路的要害部门，无论是单片集成、作为模块的一部门照样外部。这些组件的手艺提高（尺寸/密度、处置更高电压/电流/热条件的能力）可能对电力治理/配电系统发生重大影响。

•电容器

•电感器

•压电

射频到太赫兹器件、电路和系统

在为无线系统开发基础手艺（IC手艺、插入器、封装等）制订十年设计时，我们必须首先展望未来十年可能开发的系统类型。然而，所部署的系统类型不仅取决于手艺因素，还取决于无线通讯市场的增进、部署成本以及部门或完全波束壅闭引起的流传消耗水平。其中许多因素超出了无线蹊径图委员会主要半导体和电路专家的专业知识局限。因此，我们试图列出一些可能导致这些手艺在商业部署中乐成或失败的新兴手艺和因素。

应用、频带和无线装备

应用包罗汽车雷达、移动无线端点（即向移动终端用户传送信号）和牢靠无线端点（例如向家庭和企业等牢靠位置传送数据）。它们都通过无线集线器与无线终端用户装备通讯；集线器可以通过光纤或无线回程毗邻到主网络。当集线器距离较近时，回程链路将具有较短的距离和较低的数据容量：这称为无线前端传，这种链路需要前端和后端收发器。

现在或未来用于这些的频带包罗亚6GHz、28GHz和39GHz，这些是当前5G硬件的一部门。其他已分配用于无线通讯和/或雷达或感兴趣的频带包罗~75-85 GHz、~90-95 GHz、~135-175 GHz和210-310 GHz。

频带选择

在汽车雷达中，较短的波长为给定的雷达天线阵列区域提供了更好的角度分辨率。改善的角度分辨率可以更好地识别主要的相邻物体，例如，停在桥下的摩托车手，或站在蹊径旁的一些行人。因此，若是IC和封装事情优越且成本低，则需要更高的载波频率。虽然增添载波频率会增添最坏情形下的大气衰减，但汽车雷达不需要在很长的局限内事情。例如，当汽车以67英里/小时的速率行驶时，300米局限的雷达将提供10秒的危险忠告。在云云短的局限内，甚至可以顺应极端降雨的衰减；此外，纵然雷达能让驾驶员看到前方，也可以允许雷达距离在极端天气下减小，由于若是在极端天气中以67英里/小时的速率行驶，是无法平安控制汽车的。

更高的载波频率也使MIMO系统更小，因此更易于部署。MIMO系统使用多个天线来辐射多个自力的信号波束，每个波束携带单独的数据。无线电频谱被多次重复使用，在给定的分配带宽中支持更大的容量。在MIMO集线器中，阵列宽度随频率的倒数而转变。在MIMO回程和端点链路中，MIMO阵列长度随频率的平方根倒数而转变；更高的频率使得高容量MIMO系统更紧凑，因此更适用。

在无线通讯中，政府可能会在更高的频率上分配更多的频谱，由于那里有更多的可用频谱。分配的频谱越宽，在给定的功率效率下可行的数据传输速率就越大：更庞大的调制允许在给定带宽内更快的数据传输，但我们必须使辐射的功率以指数方式增添。

高频系统的瑕玷包罗发射器和吸收器IC的成本更高、性能更差、最坏情形下的大气衰减减小局限增添、发射器和吸收器之间的物体（包罗树叶和树木）阻挡波束的可能性更大。

由于大气衰减较大，高频系统通常支持较短的流传局限。湿热天气中的水蒸气衰减在300GHz以上变得极端。在300GHz以上运行的系统必须是极短的距离，必须避开天下上炎热湿润的天气，或者必须在较高的海拔运行，阻止空气及其湿气。

高频无线信号更容易被阻断。在距离吸收器距离R处的目的，即*菲涅耳戋戋域，将阻挡大部门功率。这种堵塞可能发生在离散物体上，也可能发生在许多小物体的配互助用下，例如，树木上的树叶导致光束堵塞。高频信号更容易被阻断。

汽车雷达载频的选择

鉴于汽车雷达不需要支持超长距离，增添大气衰减并不是一个实质性的瑕玷。更高频率的系统提供更好的角度分辨率，但IC和封装性能较差（和/或更昂贵）。75GHz频带的汽车雷达现在已普遍销售。140GHz汽车雷达在低成本生产CMOS和高容量SiGe BiCMOS手艺中很容易实现；200GHz似乎是当今低成本民众市场IC手艺的上限。

思量到进一步提高角分辨率的潜力，200 GHz以上（可能高达300 GHz）的汽车雷达系统可能具有商业价值。这将需要使用功率增益停止频率（500-600 GHz）高于当前大容量CMOS和SiGe BiCMOS手艺的~300 GHz的半导体手艺。已在低容量实验室和/或导频线工艺中证实晰700GHz（SiGe HBT）、1100GHz（InP HBT）和1500GHz（InP-HEMT）的功率增益停止频率。200 GHz以上的汽车雷达系统的大规模生产需要将其中一种质料用于高产量、低成本的制造。异构集成手艺可能是一个有利的解决方案，由于它将允许这样的收发器仅使用先进高频IC的异常小的管芯来构建，而绝大多数IC区域是VLSI CMOS。

无线通讯载波频率的选择

随着5G系统的泛起，民众可以使用28GHz和39GHz收发器的手机。然而，在2020-2022年时代，全球局限内此类硬件的接纳一直缓慢。这可能不仅仅反映了高容量无线市场的缓慢生长，它也反映了高频流传的基本难题。

移动无线端点将集线器毗邻得手机。这些链接的路径随着用户的移动而转变很大，因此可能会因壅闭而丢失路径。这是高频系统的高路径消耗和高壅闭概率带来*难题的应用。只管28GHz和39GHz系统的商业部署正在举行，但未来的移动无线终端链路可能会迁徙到较低的频率，在当前的亚6GHz和28GHz频带之间，以最小化路径消耗和波束壅闭概率。为了以较低的载波频率提供所需的容量，因此需要较低的带宽，将需要大规模MIMO。因此，未来十年移动无线终端的一条路径是微波大规模MIMO。另一方面，28GHz和39GHz的缓慢接纳可能仅仅反映了无线数据传输市场的缓慢增进。若是是这样，随着28GHz和39GHz的容量耗尽，在未来十年，移动无线终端可能会迁徙到70-75GHz，甚至可能迁徙到135-145GHz。

对于移动终端，载波频率的选择很洪水平上取决于市场增进。若是信息密度（Gb/s/平方公里）较低，则无线集线器应间距较大，以保持基础设施成本较低。若是信息密度很高，蜂窝区域（即中央间距）将削减，以削减每其中央的总数据容量。然后，集线器和用户之间的流传距离变小，高峻气衰减和更大的波束壅闭概率成为高频系统不太严重的限制。

无线回程和前端将集线器毗邻到互联网主干。低频系统提供更大的局限，更高频率的系统可以提供更大的容量，这既来自于更多的可用频谱，也来自于能够支持更小维度阵列中的MIMO。思量到上述降雨衰减的频率依赖性，在未来十年中，提供跨越1公里局限的系统将很可能使用<35 GHz的载波频率，随着频率的降低，局限将增添；则可行的数据速率为10Gb/s或更低。75、140、210或甚至280 GHz的系统可以支持100-1000 Gb/s的数据速率，但跨越700 m的局限将很难支持。由于流传路径是已知的，以是在这样的系统中光束壅闭问题较小。牢靠无线端点将使用类似于前端传输的硬件和部署，但每个端点链路所需的容量将小于后端链路。28、39、75，甚至140 GHz的载波频率是可行的；纵然是75GHz频带也应足以提供>50 Gb/s/链路，足以知足未来十年许多牢靠目的地的需求。

IC手艺

射频优化的大规模生产CMOS VLSI手艺今天提供300GHz的功率增益停止频率。CMOS晶体管噪声系数和CMOS晶体管RF输出功率足以支持100GHz以下的高性能RF/无线移动收发器。对于事情在100GHz以下的集线器和回程收发器，CMOS芯片组可以弥补GaN HEMT或SiGe HBT功率放大器。在100-160 GHz之间，CMOS IC的性能足以用于较短距离的链路。将CMOS与InP HBT、SiGe HBT或GaN HEMT功率放大器或InP HEMT低噪声放大器连系将允许更大局限或更高容量的链路。

大规模生产的SiGe BiCMOS具有类似于CMOS的停止频率，高性能SiGe HBT已被报道为实验室演示或试点生产手艺。随着这些过渡到大规模生产，更高频率的系统将在硅手艺中变得可行。

InP HBT手艺现在已在小批量试生产中确立，可轻松实现100-300 GHz功率放大器的创纪录功率和效率。若是市场需求能够支持这样做的成本，InP HBT手艺的生产版本可能会泛起。

InP HEMT手艺现在已在军事和科学应用的小批量试生产中确立，是迄今为止任何频率下噪声系数*的晶体管手艺。若是市场需求能够支持这样做的成本，InP HEMT手艺的生产版本可能会泛起。

在100GHz以下，GaN HEMT手艺提供了创纪录的RF输出功率和效率。全天下都在举行研发事情，以扩展和提高GaN HEMT作为100GHz以上高效功率手艺的性能。

封装手艺

现在已经开发出使用倒装芯片键合和Cu螺柱的IC插入器接口，用于将微处置器毗邻到存储器和其他数字IC。高密度铜柱倒装芯片手艺纵然在DC-300GHz上也显示优越。因此，这为无线系统提供了极好的基线封装手艺。

用于支持高效天线和低消耗传输线的无线系统（尤其是30-300GHz）的封装也需要至少一个低介电常数质料平面。封装的介电质料必须具有高导热性，以支持IC和功率放大器晶体管的散热，或者必须提供麋集的散热孔阵列。通常，封装必须同时支持高密度、低介电常数和高导热性。

在未来十年中，许多无线系统将集成CMOS发射器和吸收器IC，这些IC与异常小的非CMOS（SiGe HBT、InP HBT、In P HEMT、GaN HEMT）功率放大器和低噪声放大器IC慎麋集成。该组件必须支持这些组件的麋集集成、适当的热治理和适当的高频毗邻。在高频阵列中，封装设计变得加倍难题，其中RF信道和天线通常必须以半波长横向（水平）间距放置。在牢靠基础设施收发器中，例如用于集线器和前向和回程收发器的收发器，所需的垂直波束转向局限大巨细于180度，因此，只管阵列元件横向间距可以被限制为半波长，但阵列元件垂直间距可以是几个波长。由于每个RF通道的可用面积更大，对封装集成密度和热密度的要求有所放松。

相关手艺：无线电处置器

具有GHz带宽和低延迟要求的大型阵列系统的信号处置发生了一些怪异和极端的处置需求。在许多情形下，这些处置器可能需要针对其需求举行优化，而且可能差异于通例高性能盘算甚至GPU/AI事情负载所需的处置器。我们将参考第10章的事情，但也将跟踪这些高性能GHz带宽系统的详细生长。