迎接產業化商機　5G應用研發能量超前部署

由經濟部工業局指導的「半導體產業人才創能加值計畫」，聚焦半導體產業人才新興技術職能提升，以半導體技術為核心，加值人才跨域及實務能量，透過彈性多元培訓模式，擴大數位應用與新興科技相關之趨勢與技術交流，強化產業人才具備跨界整合及多元技術能力，延續我國半導體產業之全球競爭優勢。依據IHS Markit報告統計，到2035年，5G價值鏈將創造13.1兆美元的經濟產值，帶動的相關就業機會2,280萬個，顯見5G產業鏈將日漸茁壯，5G推動的數位轉型更橫跨所有產業。

晶片與半導體製程推動5G突破效能瓶頸

5G的功能可以協助各式各樣的裝置聯網，高通通訊科技技術行銷總監江昆霖(圖1)表示，物聯網(IoT)涵蓋多種聯網裝置，類型有消費性、工業性與聯網終端裝置等，包括各種穿戴式裝置與無人機這類新興的消費性電子產品，都可以透過5G連上網路；另外，高通也致力推廣全時聯網筆電，並建構元宇宙(Metaverse)平台，希望可以成為專注內容創作廠商的關鍵夥伴。

而在網路設備部分，開放架構O-RAN是5G時代的重大趨勢之一，江昆霖指出，Qualcomm可以提供開放式平台中，射頻單元(Radio Unit, RU)與分散式單元(Distribution Unit, DU)關鍵零組件解決方案。並與台灣許多廠商合作，一起投入更多新興應用打世界杯。

而半導體製程的進步，也能協助5G應用的發展，執全球半導體製程牛耳的台積電，2021年發表6奈米RF(N6RF)製程，相較於前一世代的16奈米射頻技術，N6RF電晶體的效能提升超過16%。台積電資深處長段孝勤說，在一般性RF元件的代工製造服務上，N6RF是支援5G的先進射頻技術，主要應用於10GHz以下頻段的元件。另外也可選擇22ULP/ULL製程。

毫米波(mmWave)元件使用24GHz以上的高頻段，段孝勤提到，台積電的晶圓代工服務一般分為高階與主流兩種，高階製程採用16FFC製程，主流採用22ULP/ULL製程。而在射頻前端(RF Frontend)元件部分，高階使用N40SOI製程，主流則採用0.13 SOI製程。半導體晶片製程的進步，也是5G發展的重要推動力量。

5G便利性帶動邊緣運算與資安需求

另外，5G時代聯網更為便利，也使得網路資料持續增加，旺宏電子市場行銷處資深處長林明正(圖2)認為，未來資料產生速度加快，許多資料都儲存在雲端上，也必然會使雲端通訊與儲存空間更為壅塞，邊緣運算(Edge Computing)應運而生，除了儲存的需求之外，也可協助提升5G的低延遲表現，透過資料感測、資料蒐集與即時資料分析，將訊息轉變成智慧化的資料。

這些智慧化的資料將產生更大的作用，林明正指出，高速運算結合AI人工智慧，可以發揮改善人們生活的積極意義，並不斷擴展到各行各業，成就萬物智慧互聯。而快閃記憶體在5G的產業鏈裡，扮演角色也越來越重要，傳輸速率與資料量的提升，刺激大容量需求快速增加，而邊緣運算也推動高速記憶體的需求。資料傳輸的頻率增加，讓安全性問題浮出檯面，未來記憶體與運算電路將更為接近，近記憶體運算(Near Memory Computing)與記憶體內運算(In Memory Computing)技術成為發展重點。

5G的普及性與滲透度，不僅大幅提升網路便利性，也對駭客大開方便之門，華邦電子安全解決方案行銷處長陳光輝(圖3)解釋，5G網路的龐大與複雜，對於資安是很嚴重的挑戰，因此必須要全面強化安全防護，因為駭客只要在整個傳輸路徑上挑選最脆弱的部分下手，資安防護不能掛一漏萬。

根據統計資料，2021年大部分的網路攻擊事件來自物聯網，僅上半年便有15億件，超過2020年一整年，其中98%的物聯網連線沒有足夠的安全防護機制；而每一個發生的資安危害，要將資料救回或進行損害回復，平均要花費424萬美元，可見資訊安全風險與影響的嚴重程度。

5G高頻應用導入GaN

5G影響不僅在新興產業應用，也帶動了最上游的半導體材料發展，氮化鎵(GaN)由於高能隙、高崩潰電壓、高電子遷移率、高最大電子速等特性，因而適合高頻、高功率元件的應用。5G的高頻應用就將逐步導入氮化鎵，陽明交大國際半導體產業學院院長張翼(圖4)解釋，未來高頻RF元件的應用趨勢為低延遲、高傳輸速率與大資料傳輸量；高度互動功能，提供新通訊服務；全息通訊以打造數位化新社會；多元邊際網路，發展新型網路架構等。

另一方面，疫情也成為推動網路發展與需求的一股力量，張翼進一步說明，GaN射頻元件暨相關模組在高頻、高功率的應用中是最具省電和工作效率的產品，也是實現未來綠色產品的戰略物資。隨著5G的成長，GaN應用市場將在2020~2025期間高度成長，隨著毫米波技術的應用普及與穩定需求，預估射頻GaN市場規模將於2025年達到20億美元以上。

5G O-RAN互連互通重要性日升

5G技術導入各個垂直產業，依據不同產業應用，需要網路服務供應商與產業客戶充分溝通、共同探索，為求加速5G NR專用網路的開發，舉凡訊號釐清、技術評估、場域實證都是不可忽視議題。是德科技推出5G測試解決方案，提供企業3GPP R16版本所制定相關技術規範測試方案，加速5G專用網路的開發、整合和部署。

是德科技大中華區無線解決方案工程事業群總經理陳俊宇(圖5)表示，R16版本針對時效性網路(TSN)在即時應用功能實施標準化，2022年R17版本將進一步擴展並增強用於5G工業物聯網、TSN、車聯網應用的網路功能，將會加速物聯網發展。因此，5G專網要做到更進階或是較為複雜的場域應用，比如依據不同產業、城市特性，來提供符合其發展所需的各種通訊網路環境。

隨著5G專網逐步應用於不同類型的環境，設備的不同部件可能來自多家廠商，也突顯設備可靠性測試的重要。而如何達成應用情境、商業模式和預期的投資報酬率等，將是5G專網成功的關鍵。陳俊宇表示，是德科技提出5G網路模擬解決方案，也被用於協助建立基於R16的5G NR資料連接，該解決方案可提供多項功能，包含支援高可靠和低延遲通訊、免許可頻譜、衛星通訊、DL-based定位、功率效率，以及接取與回程整合網路(IAB)。

5G OTA測試趨勢與挑戰

行動裝置訊號收訊良窳，與天線發射與接收的訊號場型有非常大的關聯，為了徹底了解5G技術的效能，測試工程師針對許多無法使用傳導測試(Conductive Test)的元件或裝置，導入三維的空中傳輸(Over the Air, OTA)非接觸式測試方法，可以完整了解裝置天線的訊號接收場型。

5G在中低頻與高頻的應用中分為FR1(sub 6GHz)與FR2毫米波頻率，因此要符合不同頻率的測試方法，且頻段越高需要越長的測試距離，對測試環境也有更高的要求。台灣檢驗科技SGS廖兆祥(圖6)表示，OTA測試可針對無線產品的天線做發射(TRP)和接收(TIS)的主動測試，也包含天線效能的被動測試，頻率範圍為600MHz~7.5GHz，以及資料傳送的流量測試(Throughput)。

5G標準的關鍵目標之一是要大幅提升資料容量，若要達到每位使用者峰值頻寬為10Gbps的目標，需要克服陣列天線(Massive MIMO)要求，其中面臨大量天線、空間限縮、成本及測量的物理性質等瓶頸，廖兆祥指出，OTA測試環境包含暗室、轉台、測試天線/探頭和測試儀器，常規的OTA測試環境會有一個消聲室、多探頭方案，以及可在空間環境中產生和分析輻射訊號的測試儀表。為避免空間干擾訊號與多徑效應，以微波暗室進行測試以防止受外界干擾。

而OTA測試達到設備性能評估的關鍵原因，廖兆祥指出，以設備的角度來看，OTA測試可以將產品內部輻射干擾、產品結構、天線、射頻晶片收發算法等因素考慮進去，非常接近產品實際使用場景的測試手段。SGS提供設備製造商全方位天線測試解決方案，在台灣、中國、美國皆有核可實驗室，企業可透過SGS測試方案，加快產品上市時間，降低測試成本，實現5G聯網應用。

5G帶動毫米波技術崛起

隨著5G應用裝置數量增加，也加速毫米波在各領域的商用化，如何在短時間完成5G通訊測試和量產，成為通訊市場關注焦點。稜研科技具備天線封裝技術，以毫米波陣列天線為核心，打造通訊基礎建設所需的陣列天線模組與主被動元件，並研發出毫米波OTA測試方案XBeam，有效加快企業產品開發及量產測試的速度。

毫米波提供大量的頻譜，進而為用戶帶來高傳輸速率和低延遲，稜研科技副總經理林決仁(圖7)表示，5G毫米波頻段實現任務關鍵型應用，包括遠距的虛擬實境(VR)/擴增實境(AR)、汽車安全功能和輔助駕駛、遙感探測(Remote Sensing)，以及驅動智慧工業，遠距醫療、無線網路控制的工業自動化等。

5G毫米波發展至今，在射頻系統設計上仍面臨諸多瓶頸，必須在縮小外形尺寸的同時，提升穩定性能、降低功耗，改善延遲並同時兼顧成本考量。林決仁表示，為了有效提升系統設計的整合度，行動裝置通常採用天線封裝(AiP)技術，並透過天線陣列協助毫米波降低路徑損失。但是隨著5G毫米波發展不同應用，封裝面臨不同的設計與製程挑戰，包括散熱、傳輸功耗、互連損耗、前端(Frontend)射頻元件與陣列天線的有效整合等。

林決仁表示，XBeam在硬體面，不同於傳統機械式轉盤，內建毫米波探頭，使用電子式掃描將輕巧的架構與自動化設備整合。而在軟體面利用OTA Cali校正毫米波主動式天線模組中的相位與振幅，同時利用mmWatson將天線陣列中損壞的單元偵測出來，並以Beam Picasso偵測不同角度的波束特性。其能協助使用者僅需搭配驅動程式即可進行模組測試，不僅能助力廠商節省成本，更能廣泛且彈性地協助從智慧型手機到大型基地台所需的模組測試。

創建安全高效5G運算平台

5G萬物聯網時代，對於私鑰、重要資料資產的安全保障，除了建立軟體隔離，透過核心硬體式隔離更可達有效的安全性，對此嵌入式系統所搭載的機密運算(Confidential Computing)如何防堵資安威脅備受關注。安謀科技(Arm)最新架構Armv9系列，帶來高效能的數位訊號處理(DSP)與機器學習(ML)運算能力，並著重系統安全性與穩固性。

過往Arm架構安全性以TrustZone為主，在單核心微控制器中實作的硬體機制，可將執行環境區分為安全及非安全的記憶體、周邊裝置及功能。每個執行環境還包含一個記憶體保護單元(MPU)，可進一步隔離記憶體區域，提供更多隔離層，以阻止試圖存取資料的潛在攻擊者。Arm應用工程總監徐達勇(圖8)指出，嵌入式開發人員通常會將系統劃分成至少兩個專案，即非安全的執行專案，及安全的執行專案，因為在TrustZone的微控制器啟動後，會進入安全狀態並啟動系統，接著才會跳至非安全狀態以執行使用者應用。

對於物聯網領域最大的挑戰之一是無數終端裝置、數據收集，以及與實體世界互動的安全，因此信任運算基礎架構將是管理資訊安全與隱私性的關鍵。徐達勇表示，Armv9機密運算協助在硬體架構的安全環境中執行運算，並保護部份的程式碼與數據不被存取或修改，甚至是特殊權限軟體也無法存取與修改。解決方案中並搭載Arm機密運算架構(Confidential Compute Architecture, CCA)，乃是在Arm長期發展的TrustZone基礎所設計出來的安全執行架構，採用作法是動態設置一或多個機密領域(Realm)，因此適用於不同類型的應用程式，能從安全與不安全的執行環境中，另外隔出一個個獨立運作區域。