Newsroom

5G-verkot ovat täällä – mikä vaikutus niillä on yhteiskuntaan, liiketoimintaan ja piirilevyteollisuuteen?

Siirtyminen uuden sukupolven langattomaan viestintään eli 5G-mobiiliverkkoon on jo alkanut Aasiassa ja Yhdysvalloissa. Samsungin asiantuntija Chris Shu suosittelee kaikille yrityksille, että ne selvittävät, millaisia uusia mahdollisuuksia tämä vallankumous voi tarjota – ja myös ajattelevat uudella tavalla.

Lisää artikkeleita aiheesta:

Chris Shu työskenteli langattoman viestinnän liiketoiminta- ja tuotekehityksessä vuosituhannen vaihteessa.  Konsultin roolissaan hän auttoi yrityksiä strategisessa suunnittelussa niiden ottaessa käyttöön langattomat 3G-palvelut Euroopassa. Se johti tutkimus- ja kehitystyöhön Sony Ericssonilla Kiinassa, ja sitä seurasivat konsultointitehtävät. Vuonna 2010 Chris Shu siirtyi Samsungin palvelukseen, jossa hänen nykyinen roolinsa on Vice President, Head of Product Strategy. Hän on vastuussa yrityksen alemman ja keskitason matkapuhelimista maailmanlaajuisesti ja kaikista matkapuhelintuotteista Kiinassa. Langattoman tiedonsiirron viidennen sukupolven eli 5G:n käyttöönotto on alkanut maailmanlaajuisesti, ja tällä kertaa kehityksen kärjessä ovat eri maat.

Chris Shu

”Kiinan hallituksen virallisten arvioiden mukaan vuoteen 2035 mennessä 5G:n osuus globaalista kasvusta on 2 biljoonaa dollaria vuodessa.”

Chris Shu
Vice President, Head of Product Strategy, Samsung

”Euroopassa oltiin erittäin innostuneita ennen 3G:n ja jopa ennen 4G:n käyttöönottoa. Tällä kertaa en ole havainnut samaa. Tähän asti Euroopassa monet ovat keskittyneet enemmän 5G:n tekniseen terminologiaan kuin sen tarjoamiin käytännön mahdollisuuksiin ”, sanoo Chris Shu.

Sen sijaan Aasiassa ja Yhdysvalloissa tapahtuu. Kaupallisten 5G-palvelujen käyttöönotto alkoi Etelä-Koreassa, Kiinassa ja Yhdysvalloissa vuonna 2019, ja palvelut on tarkoitus lanseerata Japanissa vuoden 2020 aikana. Kaikkien näiden kehitystä johtavien maiden hallitukset ovat asettaneet 5G-verkkoon siirtymisen prioriteetikseen. Monissa Euroopan maissa on käyty kiivasta keskustelua kansallisesta turvallisuudesta tiettyjen toimittajien yhteydessä, ja samanaikaisesti operaattorit ovat olleet huolestuneita korkeista kustannuksista. Monet loppukäyttäjät ovat lisäksi tyytyväisiä nykyiseen verkkoon.

”Mutta yritysten ja kaikkien, jotka haluavat olla viemässä kehitystä eteenpäin, on etsittävä uusia teknologian tarjoamia tilaisuuksia ja oivallettava, mitä mahdollisuuksia 5G voi tuoda liiketoiminnalle. Kiinan hallituksen virallisten arvioiden mukaan vuoteen 2035 mennessä 5G:n osuus globaalista kasvusta on 2 biljoonaa dollaria vuodessa. Yritysten on korkea aika alkaa aktiivisesti kehittää erilaisia luovia skenaarioita nykyistä liiketoimintaansa tai täysin uusia liikeideoita varten, jotka teknologiamuutos tekee mahdollisiksi”, hän jatkaa.

Vuoteen 2025 mennessä pelkästään Kiinassa arvioidaan olevan 500 miljoonaa 5G-matkapuhelinten käyttäjää, mikä on kolmannes kaikista käyttäjistä. Euroopassa vastaava luku kyseisenä vuonna on arviolta 200 miljoonaa ja Yhdysvalloissa 189 miljoonaa. Koronaviruskriisi voi tietenkin aluksi hidastaa tätä kehitystä, mutta 5G tulee epäilemättä yleistymään voimakkaasti seuraavien vuosien aikana. Verkkolaitteiden toimittajat ja verkkojen rakentamiseen osallistuvat yritykset hyötyvät, kun uusi teknologia otetaan käyttöön. Lisäksi 5G-tukiasemia tarvitaan enemmän 4G-verkkoon verrattuna. Useissa tiloissa, kuten ostoskeskuksissa ja rautatieasemilla, tulee olemaan oma sisäinen verkkonsa.

5G sisältää paradigmamuutoksen

Vieläkin merkittävämpää on se, että siirtyminen 5G:hen tulee olemaan paljon suurempi muutos kuin aikaisempien verkkosukupolvien kohdalla. Ajattelutapa on erilainen alusta lähtien. Tämä on ensimmäinen kerta, kun langaton viestintä ei ole enää ensisijaisesti ihmisten välistä viestintää.  Se on yhtä paljon tai jopa enemmän viestintää ihmisten ja esineiden välillä sekä viestintää verkkoon kytkettyjen esineiden välillä. Siirtymäkausi on yhä alkuvaiheessa, joten tarjolla on valtavasti uusia liiketoimintamahdollisuuksia, joita yritykset voivat hyödyntää.

”Jos 4G:n voidaan sanoa muuttaneen ihmisen elämän, niin 5G voi muuttaa koko yhteiskunnan. Yritysten täytyy nyt ajatella laatikon ulkopuolella eikä rajoittua nykyisiin liiketoiminta-alueisiin, liiketoimintamalleihin tai työskentelytapoihin.”

Chris Shu
Vice President, Head of Product Strategy, Samsung

”Jos 4G:n voidaan sanoa muuttaneen ihmisen elämän, niin 5G voi muuttaa koko yhteiskunnan. Yritysten täytyy nyt ajatella laatikon ulkopuolella eikä rajoittua nykyisiin liiketoiminta-alueisiin, liiketoimintamalleihin tai työskentelytapoihin”, sanoo Chris Shu.

Yksinkertaistaen 5G-verkolla on kolme siirtymistä tukevaa ominaisuutta: huomattavasti nopeampi tiedonsiirtonopeus, uudet mahdollisuudet reaaliaikaiseen ohjaukseen ja mahdollisuus liittää lähes mikä tahansa internetiin.  

”5G-verkossa tiedonsiirtonopeus on gigabittejä sekunnissa ilman valokuitua. Se muuttaa käsityksemme nopeasta langattomasta verkosta täysin ja tarjoaa kaikki edellytykset uusien sovellusten luomiseen esimerkiksi viihteen, lisätyn todellisuuden (AR), virtuaalitodellisuuden (VR), etäopiskelun ja etenkin terveydenhuollon alalla”, selittää Chris Shu.

Esimerkki katselukokemuksen mullistuksesta tulee Etelä-Koreasta. Operaattori SK Telecom on ottanut käyttöön palvelun, jossa katsojat voivat itse ohjata kamerakulmia baseball-pelin aikana, jota kuvataan stadionilla lukuisilla 5G-kameroilla. Esimerkkejä tulevaisuuden uusista palveluista ovat lisättyä todellisuutta (AR) hyödyntävät virtuaalikokoukset ja virtuaalitodellisuuteen (VR) perustuvat virtuaaliset museovierailut.

”Terveydenhuoltoalalla on runsaasti mahdollisuuksia uusien sovellusten kehittämiseen. Minä esimerkiksi osallistun hankkeeseen, jossa kehitetään verkkoon liitettyä, kädessä pidettävää ultraääniskanneria, jonka avulla diagnoosin voi tehdä etänä. Jopa etäleikkaukset ovat mahdollisia.”

Reaaliaikaisen ohjauksen mahdollisuus voi lisätä teollisuustuotannon automaatiota älykkäiden tehtaiden ansiosta. Joukkoliikenteessä 5G voi johtaa merkittäviin parannuksiin, kuten itseohjautuviin busseihin ja liikenteenohjaukseen, jossa liikenteenohjaajat näkevät tilanteen reaaliajassa ja voivat ohjata liikennettä todellisten tarpeiden mukaan. Maataloudessa viljelykasveista saatavaa satoa voidaan parantaa 5G-verkon avulla hyödyntämällä tiedonkeruuta ja esimerkiksi ohjaamalla kastelua reaaliajassa.

”Kun kaikki on yhteydessä kaikkeen, se merkitsee muutoksia yhteiskunnan joka tasolla. Tämä voi olla kaksiteräinen miekka. Toisaalta se tarjoaa mahdollisuuden turvallisemman yhteiskunnan rakentamiseen resurssien tehokkaamman hyödyntämisen ansiosta, esimerkiksi hätätapauksiin vastattaessa. Liikenneonnettomuuden tapahtuessa kaikki tarvittavat resurssit voitaisiin ohjata automaattisesti paikalle. Toisaalta ihmisten yksityisyys voi heiketä, kun julkisille paikoille asennetaan suuri määrä kameroita ja antureita”, sanoo Chris Shu.

Siirtyminen 5G:hen voi tarjota monenlaisia tilaisuuksia myös niissä tapauksissa, kun tarvittavista resursseista on pulaa. Kuten SK Telecomin baseball-palvelu havainnollistaa, teleoperaattoreista voi tulla mediapalvelujen tarjoajia tai ne voivat esimerkiksi rakentaa sosiaalisia verkkoja. Mahdollisuus luoda uusia tulovirtoja voi auttaa oikeuttamaan ne suuret investoinnit, joita siirtymä operaattoreilta vaatii.

”Päätelaitteiden toimittajat, kuten Samsung ja kiinalaiset kilpailijamme, hyötyvät ilman muuta suuresti 5G-siirtymästä. 5G-lippulaivapuhelinten toimitus on jo käynnissä, mutta suurin ero näkyy perus- ja keskitason puhelinten tullessa markkinoille, mikä on viivästynyt koronaviruskriisin takia. Lisäksi monet oheislaitteet, kuten sovittimet, yhdyskäytävät ja vastaavat, on korvattava. Myös kotitalouksien langattomat lähiverkot käyvät tarpeettomiksi.

Monet 5G-siirtymään liittyvät asiat ovat vielä epäselviä. Maksumenetelmien yhteydessä tai eri sovellusten suunnittelussa tuotteen omistajilla ja suunnittelijoilla on runsaasti mahdollisuuksia käyttää luovuutta. Uusien ratkaisujen ympärille voidaan rakentaa kokonaisia yrityksiä.

”Perustasolla 5G sisältää runsaasti verkkoon kytkettyjä antureita, jotka lähettävät suuren määrän dataa suurella nopeudella, alustan, joka pystyy käsittelemään dataa, sekä alustalla olevia sovelluksia, jotka reagoivat dataan. Viihde, älykodit, pilviratkaisut ja pelaaminen ovat alueita, joilla alustat muuttuvat ja joilla tehdään suuria sijoituksia alustoihin hallitsevan aseman saavuttamiseksi tulevaisuudessa”, Chris Shu uskoo.

Uusia ratkaisuja ja sovelluksia syntyy useilla aloilla. Sama millä teollisuuden alalla yritykset toimivat, ne voivat saavuttaa paljon omaksumalla 5G-siirtymän tarjoamat mahdollisuudet hyvissä ajoin.

”Kaikki ei tapahdu kerralla. Jotkut skenaariot on muita helpompi toteuttaa. Viihdesegmentillä muutos tulee olemaan ripeä, mahdollisesti myös maataloudessa, ja siirtyminen älykkäisiin tehtaisiin on jo alkanut. Muihin muutoksiin menee kauemmin. Esimerkiksi suuri osa yhteiskunnan infrastruktuurista vaatii päivitystä ja muuttamista. Myös ihmisten ajattelutavan täytyy muuttua, jos aiomme todellakin käyttää esimerkiksi itseohjautuvia ajoneuvoja.  Jos uskaltaudun ennustamaan tulevaisuuden kehitystä, sanoisin, että näiden muutosten toteutumiseen yhteiskunnassa menee ehkä kymmenen vuotta”, hän päättää.

5G-verkon keskeiset toiminnot

EMBB – Enhanced Mobile Broadband
Mahdollistaa jopa 20 kertaa suuremmat yhteysnopeudet 4G:hen verrattuna. Kokemus on täysin erilainen, sillä esimerkiksi kokopitkän elokuvan voi ladata sekunneissa.

EMTC – Enhanced Machine Type Communication
Sallii kymmenkertaisesti enemmän liitäntöjä kuin 4G tietyillä alueilla, mikä mahdollistaa valtavan IoT-kapasiteetin ja useita uusia sovelluksia.

URLLC – Ultra-Reliable Low-Latency Communication
Varmistaa lähes taatun 1 ms:n vasteajan, eli viive on vain kymmenesosa 4G:hen verrattuna. Se on edellytys esimerkiksi etäleikkauksille, itseohjautuville ajoneuvoille ja muille edistyneille sovelluksille.

Millimeter waves
Aikaisempien sukupolvien langattomasta tiedonsiirrosta poiketen 5G hyödyntää korkeampia taajuusalueita, joilla on runsaasti kapasiteettia. Siten suuremmat tiedonsiirtonopeudet ovat mahdollisia myös silloin, kun käyttäjä matkustaa suurella nopeudella.

Network Slicing
Sama fyysinen verkko voidaan jakaa useisiin erillisiin loogisiin verkkoihin. Esimerkiksi poliisiverkko voi olla täysin erillinen ja suojattu, mutta käyttää silti samoja resursseja kuin avoin 5G-verkko samalla nopeudella, kapasiteetilla ja alhaisella viiveellä.

Edge computing
Keskitetyn pilven sijaan laskentateho siirretään reuna-alueille mahdollisimman lähelle verkkoon kytkettyjä laitteita, mikä nopeuttaa eri sovellusten prosesseja.

AI
Tekoäly on yksi parhaillaan käynnissä oleva tekninen vallankumous, ja AI tullaan yhdistämään 5G:hen monilla eri tasoilla. Yksinkertainen esimerkki tästä on ääniohjattujen avustajien tarjoama saumaton käyttäjäkokemus kodin erilaisten kytkettyjen laitteiden välillä.

Tiukemmat vaatimukset materiaaleille ja pidemmät toimitusajat

Miten 5G:hen siirtyminen vaikuttaa piirilevyjen tuotantoon? Pyysimme Andy Liuta, Managing Director, NCAB in Asia, kertomaan näkemyksensä asiasta.

Andy Liun mukaan ensiksikin piirilevyissä käytettävien materiaalien on täytettävä uudet vaatimukset. 5G-sovellukset edellyttävät paljon korkeampia taajuusalueita. Koska komponentista toiseen siirtyvät signaalit kulkevat levyn läpi, materiaalien täytyy olla riittävän kestäviä tähän tarkoitukseen.

”Koska elektroniikka on aina yhteydessä verkkoon, levyjen täytyy ehdottomasti kestää lämpökertymiä.  Jäähdytysteknologian käyttö tulee lisääntymään 5G:n myötä.”

Andy Liu
Managing Director, NCAB Group Asia

”Tavallisissa levyissä käytetyt materiaalit kestävät 3–5 Ghz:n signaaleja, mutta täysi 5G-toiminnallisuus tarkoittaa vähintään noin 25 GHz:n signaaleja. Koska näin korkeiden taajuuksien materiaaleja on vaikea valmistaa, siihen pystyviä materiaalitoimittajia ei ole kovin monia, mikä pidentää toimitusaikoja”, hän selittää.

Lisäksi 5G edellyttää suurta määrää antenneja ja signaalien siirtoon tarvittavia toimintamoduuleja yhdellä piirilevyllä. Tämä asettaa vaatimuksia signaalin eheydelle ja siten liittimien erittäin tarkalle asennukselle. Riskinä ovat häiriöt erilaisten signaalien välillä, ja monet piirilevysuunnittelijat ratkaisevat tämän ongelman back-drilling-teknologialla.

”On äärimmäisen tärkeää, että back drilling tehdään erittäin tarkasti, jotta voidaan varmistaa mahdollisimman lyhyt kanta. Se nostaa prosesseille asetettuja vaatimuksia, kun marginaalit muuttuvat erittäin pieniksi.

Hän ei usko levyjen koon yleisesti kasvavan, mutta levyillä tulee olemaan erittäin pieniä komponentteja entistä tiheämmässä. 5G-verkossa siirtyvä suuri datamäärä edellyttää tehokkaampia prosessoreja, ja siksi 10–20 kerroksesta koostuvat monikerroksiset high-density-levyt tulevat yleistymään. Se puolestaan asettaa suurempia vaatimuksia prässäykselle. Monin paikoin käytetään Laser Direct Imaging (LDI) -teknologiaa sekä automaattisia optisia tarkastuksia (AOI), koska kohteet ovat niin pieniä, että niitä ei näe paljaalla silmällä.

”Reikien koot pienenevät jopa 0,1 mm:iin, eikä niitä voida porata mekaanisesti, joten laserporausteknologian käyttö yleistyy. Piirilevyjen tuotanto automatisoituu entisestään”, sanoo Andy Liu.

Ja koska elektroniikka on aina yhteydessä verkkoon, levyjen täytyy ehdottomasti kestää lämpökertymiä. Jäähdytysteknologian käyttö tulee lisääntymään 5G:n myötä”, ennustaa Andy Liu.

5G-teknologia merkitsee uusia haasteita myös piirilevyjen designille. Suunnittelijoiden on pystyttävä optimoimaan levyjen kerrostaminen, tehtävä oikeat materiaalivalinnat ja valittava oikea layout signaalihäiriöiden estämiseksi.

”Levyt on suunniteltava siten, että samalla levyllä voi olla erilaisia materiaaleja ja/tai materiaalien paksuuksia ja että sopivuus volyymituotantoon huomioidaan. Lisäksi on tärkeää valita tehdas, joka tuntee käytetyt materiaalit ja jolla on valmius niiden käsittelyyn. Konseptien arviointi voi edellyttää useampia prototyyppidesigneja ja kattavaa testausta. Kaiken tämän tarkoitus on varmistaa laatu ja lyhentää tuotteen markkinoille tuontiin kuluvaa aikaa”, sanoo Andy Liu.

”Teollisuudessa on lisäksi menneillään konsolidointi, jossa suuret toimijat ovat pakottaneet monet pienet tehtaat ulos markkinoilta.  Prosessia on nopeuttanut tuotannon keskeytyminen koronaviruskriisin takia.”

Andy Liu
Managing Director, NCAB Group Asia

Kiinassa meneillään oleva massiivinen investointi 5G-verkkoon on johtanut kapasiteettivajeeseen kehittyneempien piirilevyjen tuotantoa ajatellen. Sen seurauksena tuotannon toimitusajat pitenevät.

5G-teknologian vaikutukset piirilevyjen valmistukseen

  • Vaaditaan korkeampilaatuisia materiaaleja, jotka kestävät korkeamman taajuuden signaaleja
  • Signaalien eheys on entistä tärkeämpää, ja levyillä on useita antenneja
  • Vaaditaan entistä suurempaa tarkkuutta, mikä johtaa tuotannon lisääntyvään automatisointiin
  • Monikerroksiset high-density-levyt yleistyvät
  • LDI- ja AOI-teknologiat yleistyvät
  • Jäähdytysteknologian käyttö yleistyy 5G-sovellusten aiheuttamien lämpökertymien takia
  • Suunnittelijoille asetetaan uusia vaatimuksia, kuten kerrostamisen optimointi jne.
  • Prototyyppidesign ja kattava testaus ovat entistä tärkeämpiä
  • Kapasiteettivajeet tuotannossa ja pidemmät toimitusajat siirtymän takia

”Tilannetta on pahentanut Kiinan hallituksen yritykset stimuloida koronaviruskriisistä kärsinyttä taloutta muun muassa nopeuttamalla 5G-siirtymää. Kourallinen tähän prosessiin osallistuvia suuyrityksiä on varannut suuren osan tuotantokapasiteetista. Se tekee jo valmiiksi pitkistä toimitusajoista entistä pidempiä”, sanoo Andy Liu.

”Teollisuudessa on lisäksi menneillään konsolidointi, jossa suuret toimijat ovat pakottaneet monet pienet tehtaat ulos markkinoilta.  Prosessi on vain kiihtynyt koronaviruskriisin aiheuttaman tuotannon keskeytymisen takia”, hän lisää.

NCAB Groupilla on kattava ostovoima ja erittäin vakiintuneet yhteistyösuhteet johtaviin piirilevytehtaisiin. Se helpottaa asioita verrattuna sellaiseen yritykseen, joka yrittää yksistään tehdä pienempiä tilauksia. Itse asiassa monet suuremmat ja kehittyneemmät tehtaat ovat lopettaneet yhteistyön pienempien nykyisten tai uusien asiakkaiden kanssa, ja suuntaus näyttää jatkuvan.

”Se antaa meille tietyn edun, mutta emme usko toimitusaikojen paranevan tulevaisuudessa, päinvastoin. Siksi suosittelemme asiakkaitamme toimimaan ennakoivasti ja tekemään tilaukset mahdollisimman aikaisin”, päättää Andy Liu.


PCB design tools

For more advice about PCB design or applications of PCBs, we
have different PCB tools that can be downloaded for free.