地芯科技推出線性CMOS PA，突破30-33dBm區(qū)間GaAs壟斷

近幾年，受到市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)以及地緣政治等因素的影響，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)自主研發(fā)熱潮，與此同時(shí)，同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)問題不斷涌現(xiàn)，尤其在射頻前端領(lǐng)域怎一個(gè)“卷”字了得。當(dāng)然“卷”也有兩面性，好的一面是充分競(jìng)爭(zhēng)下的行業(yè)創(chuàng)新動(dòng)力會(huì)更強(qiáng)，而不好的一面是大多數(shù)企業(yè)沒辦法做到技術(shù)迭代和資金流的正向循環(huán)。

圖 | 地芯科技副總裁張頂平

地芯科技副總裁張頂平就此表示：“射頻前端行業(yè)的卷有目共睹，做同樣PA產(chǎn)品的企業(yè)可能就有十幾到二十家，最要命的是pin-to-pin兼容，所以對(duì)于地芯科技而言必須要進(jìn)行差異化創(chuàng)新，并且是有特定應(yīng)用場(chǎng)景的創(chuàng)新，當(dāng)然創(chuàng)新就意味著隨時(shí)有失敗的風(fēng)險(xiǎn)?！?/p>

地芯科技推出全球首款線性CMOS PA

在這樣的大背景下，地芯科技開始研發(fā)CMOS PA技術(shù)平臺(tái)，經(jīng)過2-3年的沉淀，2022年這個(gè)平臺(tái)開始穩(wěn)定下來，并在2023國(guó)際物聯(lián)網(wǎng)展上海站上，地芯科技發(fā)布了全球首款基于CMOS工藝的支持4G的線性CMOS PA——GC0643。

據(jù)悉，GC0643是一款4*4mm多模多頻功率放大器模塊（MMMB PAM），特色是可支持的多頻段多制式應(yīng)用，以及具有可編程MIPI控制。

GC0643的主要應(yīng)用場(chǎng)景包括3G/4G手持設(shè)備（包括手機(jī)及其他手持移動(dòng)終端）以及Cat1.物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，具體如下：

• 低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)（LP-WAN）設(shè)備
• 3G/4G手機(jī)或其他移動(dòng)型手持設(shè)備
• 無(wú)線IoT模塊等
• 支持以下制式的無(wú)線通信：
• FDD LTE Bands 1,3/4,5,8
• TDD LTE Bands 34,39,40,41
• WCDMA Bands 1,2,3/4,5,8

在PA領(lǐng)域，CMOS將取代GaAs工藝？

眾所周知，CMOS工藝是集成電路中最為廣泛使用的工藝技術(shù)，具有高集成度、低成本、漏電流低、導(dǎo)熱性好、設(shè)計(jì)靈活等特性，但也存在擊穿電壓低、線性度差兩大先天性弊端，使其在射頻PA應(yīng)用上面臨巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。

而GaAs工藝早期是從軍工行業(yè)誕生的，具有線性度好、速度高、噪聲小、耐壓性好、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，非常適合大功率的應(yīng)用場(chǎng)景，但是由于GaAs工藝不屬于主流工藝，晶圓尺寸最大只能做到6英寸，因此成本一直下不來，價(jià)格相對(duì)貴上不少。

圖 | PA工藝路線在不同應(yīng)用場(chǎng)景下的選擇

基于CMOS、GaAs/GaN各自的屬性特點(diǎn)，形成了當(dāng)前的技術(shù)和市場(chǎng)局勢(shì)：在飽和PA場(chǎng)景下，CMOS工藝已經(jīng)成為主流；而在線性PA場(chǎng)景下，GaAs/GaN等是主流，CMOS工藝鮮有建樹。

而在GC0643的發(fā)布會(huì)上，張頂平表示：“地芯科技的創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)深耕線性CMOS PA技術(shù)十多年，在過往的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上開拓創(chuàng)新，攻克了擊穿電壓低、線性度差兩大世界級(jí)工藝難題，在全球范圍內(nèi)率先量產(chǎn)支持4G的線性CMOS PA，將使得CMOS 工藝的PA進(jìn)入主流射頻前端市場(chǎng)成為可能?！?/p>

具體來講，在3.4V的電源電壓下，在CMOS工藝難以企及的2.5G高頻段，GC0643可輸出32dBm的飽和功率，效率接近50%；在LTE10M 12RB的調(diào)制方式下，-38dBc UTRA ACLR的線性功率可達(dá)27.5dBbm（MPR0），F(xiàn)OM值接近70，比肩GaAs工藝的線性PA。在4.5V的電源電壓下，Psat更是逼近34dBm，并在Psat下通過了VSWR 1:10的SOA可靠性測(cè)試。該設(shè)計(jì)成功攻克了CMOS PA可靠性和線性度的主要矛盾，預(yù)示了線性CMOS PA進(jìn)入Psat為30-36dBm主流市場(chǎng)的可能性。

那么，這是否意味著，在線性PA領(lǐng)域，CMOS還是有機(jī)會(huì)的，且隨著技術(shù)的演進(jìn)，CMOS工藝終將取代GaAs工藝？

圖 | GaAs PA的技術(shù)路線演進(jìn)與CMOS PA的對(duì)比

對(duì)此，張頂平坦言：“CMOS在線性度上肯定是不及GaAs的，當(dāng)前在30-36 dBm發(fā)射功率區(qū)間內(nèi)都是GaAs的天下。但在物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景下，那些低速率且對(duì)功率要求又沒有那么高的存量市場(chǎng)，如NB、CAT1、CAT4、4G低端機(jī)和功能機(jī)等場(chǎng)景下，CMOS還是有機(jī)會(huì)去替代的，因?yàn)檫@些市場(chǎng)對(duì)價(jià)格是比較敏感的，而采用CMOS工藝的晶圓成本僅為GaAs的1/4-1/5，所以在價(jià)格上具有明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)?！?/p>

言外之意，在30-33dBm發(fā)射功率區(qū)間，CMOS將有機(jī)會(huì)蠶食部分GaAs的市場(chǎng)，但在33-36dBm發(fā)射功率區(qū)間，GaAs依舊獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然張頂平也透露：“未來地芯科技將繼續(xù)嘗試在WiFi、4G、5G RedCap等領(lǐng)域采用CMOS工藝，但道阻且長(zhǎng)，需要慢慢來?！?/p>

事實(shí)上，地芯科技不是第一家用CMOS工藝做PA的公司，5-6年前有一家法國(guó)公司做過，但受到當(dāng)時(shí)線性技術(shù)和市場(chǎng)的選擇影響，沒有成功。此外，多年前高通也嘗試過4G CMOS PA，但高通想做的是一個(gè)大而全的方案，試圖在30-36dBm整個(gè)發(fā)射功率區(qū)間用CMOS替代GaAs工藝，最終宣告失敗了。

對(duì)此，張頂平認(rèn)為：“高通在技術(shù)層面并不能說嘗試失敗，只是當(dāng)時(shí)太迷信數(shù)字算法，對(duì)于用戶而言，只要?jiǎng)右稽c(diǎn)DBD都需要重新來一遍，所以這個(gè)方案不夠接地氣，客戶很難接受。”

而今天地芯科技是基于物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景去做替代創(chuàng)新，并且在前期采用的都是pin-to-pin兼容的方式，對(duì)于用戶而言，接受度就會(huì)大大提升。