【無(wú)線射頻芯片】-CMOS PA陷入成本和性能兩難“單芯片手機(jī)”夢(mèng)受阻

1/1CMOSPA陷入成本和性能兩難，“單芯片手機(jī)”夢(mèng)受阻在基帶、電源管理和射頻收發(fā)等關(guān)鍵器件相繼被CMOS工藝集成后，采納砷化鎵工藝的功率放大器（PA），成為CMOS工藝通向真正的“單芯片手機(jī)”的最終堡壘。多家初創(chuàng)公司始終致力用CMOSPA替代砷化鎵PA，其中AXIOM已經(jīng)在2G手機(jī)上實(shí)現(xiàn)了千萬(wàn)級(jí)的出貨量，而Javelin也宣稱今年6月份將量產(chǎn)CMOS工藝的3GPA。但和初創(chuàng)公司的高調(diào)相比，RFMD、Anadigics和英飛凌等現(xiàn)有供應(yīng)商仍對(duì)CMOSPA持懷疑態(tài)度，認(rèn)為CMOSPA很難在成本和性能上取得平衡，即使是收購(gòu)了AXIOM的Skyworks也認(rèn)為CMOSPA在3G和4G等高端應(yīng)用市場(chǎng)空間有限。而SiGe半導(dǎo)體等公司則在走中間路線，認(rèn)為取代砷化鎵功放的將是SiGeBiCOMS工藝，而不是CMOS工藝。

成本和性能難以平衡，CMOSPA限于2G市場(chǎng)

眾所周知，由于符合摩爾定律，CMOS工藝的優(yōu)勢(shì)是低成本、低功耗和高集成度等，從某種意義上來(lái)說(shuō)，半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)展的歷史就是CMOS工藝進(jìn)步的歷史。Javelin公司的CEOBradFluke表示：“歷史證明，一旦可以基本滿意某項(xiàng)應(yīng)用所需的性能，那么在和其它工藝的競(jìng)爭(zhēng)中，CMOS工藝總是成功者?！?/p>

問(wèn)題是，目前CMOSPA仍舊難以在成本和性能間取得平衡，CMOSPA既達(dá)不到砷化鎵功放的性能，成本優(yōu)勢(shì)也并非肯定。

一方面，雖然CMOS晶圓比砷化鎵晶圓廉價(jià)許多，但CMOS功放的面積比砷化鎵功放大，最終單個(gè)器件的成本優(yōu)勢(shì)并不像想象的那么明顯。目前6英寸GaAs晶圓可以產(chǎn)出大約為5,000～10,000片功放，而8英寸硅晶圓可以產(chǎn)出的功放數(shù)量要比這個(gè)數(shù)目少的多。這是由于CMOS器件本身的特性打算的。RFMD公司的專家表示：“在CMOS器件中，電流是沿著晶片表面橫向流淌的水平電流，而砷化鎵HBT工藝器件，電流流淌是縱向流淌的垂直電流。所以砷化鎵功放可以做到比CMOS功放小50%到70%?！?/p>

另一方面，從功放應(yīng)用看，相對(duì)于CMOS器件，砷化鎵器件有物理材料上的優(yōu)勢(shì)。雖然CMOS器件這方面的缺陷可以用更簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)來(lái)彌補(bǔ)，但是這樣一來(lái)，會(huì)大幅提高成本。比如絕緣硅(SOI)技術(shù)在射頻領(lǐng)域中的應(yīng)用。相比體硅基板上的CMOS晶體管，SOI技術(shù)提升了電子遷移率，有助于緩解大功率、高效率CMOS功放制造中的一些問(wèn)題。但CMOSSOI晶圓的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常見(jiàn)模擬/混合信號(hào)CMOS工藝技術(shù)的成本。因此在3G/4G應(yīng)用中，CMOS的成本優(yōu)勢(shì)會(huì)更小，由于更高性能要求采納更簡(jiǎn)單、昂貴的架構(gòu)設(shè)計(jì)。

對(duì)此，深圳廣迪克科技有限公司總經(jīng)理徐杰表示：“假如采納同樣的工藝節(jié)點(diǎn)，CMOSPA能應(yīng)用的頻率比砷化鎵PA要低得多?！弊鳛樾屡d的射頻PA供應(yīng)商，廣迪克的砷化鎵PA已經(jīng)開(kāi)頭大量出貨，據(jù)稱在效率、最高功率等方面都達(dá)到了國(guó)際同類產(chǎn)品的水平。為了把握PA的技術(shù)進(jìn)展趨勢(shì)，2023年末徐杰專程前往美國(guó)考察CMOSPA技術(shù)進(jìn)展?fàn)顩r，得出的結(jié)論是近期CMOSPA不會(huì)成為主流，因此更堅(jiān)決了開(kāi)發(fā)砷化鎵PA的決心。

因此，在2G手機(jī)等低端應(yīng)用中，由于對(duì)線性度、頻率、擊穿電壓、峰值電流、效率的要求相對(duì)較低，不需要CMOSPA采納太過(guò)簡(jiǎn)單、昂貴的設(shè)計(jì)，由于成本優(yōu)勢(shì)，將來(lái)CMOSPA的市場(chǎng)份額可能持續(xù)擴(kuò)大，但在3G/4G等高端應(yīng)用中，受限于性能和簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)的成本提升,CMOSPA近期不會(huì)大規(guī)模取代砷化鎵功放。

圖：2023年全球砷化鎵PA供應(yīng)商排名

這從Skyworks已經(jīng)售出總量超過(guò)2,500萬(wàn)顆的GPRS應(yīng)用CMOS功放中就可見(jiàn)一斑。Skyworks的市場(chǎng)總監(jiān)Thomas表示：“在對(duì)性能不非?？燎蟮氖袌?chǎng)領(lǐng)域，CMOSPA的合理成本已經(jīng)使其在GPRS應(yīng)用上極具競(jìng)爭(zhēng)力，成為GaAs功放的替代產(chǎn)品，我們信任，這種趨勢(shì)還將持續(xù)下去。”

但Thomas也坦承，在3G/4G應(yīng)用上，砷化鎵依舊具有顯著的性能優(yōu)勢(shì)，CMOS的成本優(yōu)勢(shì)也不再明顯，因此在這些無(wú)線技術(shù)領(lǐng)域，CMOSPA的市場(chǎng)占有率不會(huì)有大幅提升。

例如在WCDMA應(yīng)用中，大電流持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，電流達(dá)到400-500mA，而目前2G應(yīng)用中的CMOS功放，電流超過(guò)300mA就無(wú)法承受。當(dāng)然可以通過(guò)更簡(jiǎn)單的架構(gòu)設(shè)計(jì)提高CMOS功放的性能，但簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)意味著更高的價(jià)格。

這些性能挑戰(zhàn)是由CMOS晶體管本身的物理結(jié)構(gòu)所打算的。對(duì)于CMOS功放，要提高效率，需要較小的晶體管；而要增大功率，又需要較大的晶體管，這是一個(gè)難以調(diào)和的沖突。SiGe公司亞太區(qū)市場(chǎng)總監(jiān)高國(guó)洪表示：“CMOS功放由于輸出阻抗極低，又很難建立50歐姆負(fù)載的帶寬匹配，因此CMOS功放輸出級(jí)的“穩(wěn)健性”(耐受天線阻抗大幅轉(zhuǎn)變的力量)不太好。為了增加互聯(lián)網(wǎng)接入力量，增加使用iPhone等智能電話時(shí)的多媒體性能，手機(jī)網(wǎng)絡(luò)不斷提高工作頻率和帶寬，CMOS功放因此面臨著越來(lái)越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)?！?/p>

CMOS帶來(lái)的“單芯片手機(jī)”幻想和現(xiàn)實(shí)

隨著CMOSPA開(kāi)頭商用，將PA和同樣采納CMOS工藝的基帶、RF和電源管理芯片集成在一起形成真正意義上的“單芯片手機(jī)”，是業(yè)界很自然的想法，也是PACMOS化的革命性意義所在。然而，現(xiàn)實(shí)是，，由于對(duì)功放和基帶芯片的性能要求不同，采納的工藝節(jié)點(diǎn)不同，目前來(lái)看，將它們集成在一起的可能性不大。

設(shè)計(jì)功放，器件擊穿電壓是一個(gè)特別重要的指標(biāo)。RFMD的專家表示：“對(duì)于功放，需要高擊穿電壓，這需要CMOS有長(zhǎng)柵極。但是對(duì)于小信號(hào)或者基帶芯片，柵極長(zhǎng)度越來(lái)越小。CMOS功放和小信號(hào)以及基帶芯片要求的硅技術(shù)是不一樣的，集成在一起很困難?！?/p>

現(xiàn)有CMOS功放的技術(shù)節(jié)點(diǎn)在90nm或130nm，這就給集成CMOS功放設(shè)定了一個(gè)硬性限制，當(dāng)射頻收發(fā)器、基帶芯片或芯片組向65nm或32nm演進(jìn)時(shí)，將不得不重建功放架構(gòu)。此外，正常狀況下，若器件向更小的集合尺寸進(jìn)展，成本會(huì)隨之降低，而計(jì)算速度會(huì)進(jìn)一步提升。但假如集成時(shí)要遷就90nm工藝的CMOS功放，基帶芯片等的成本降低和計(jì)算速度提升就會(huì)受到限制。高國(guó)洪也表示：“把CMOS功放與RF收發(fā)器和數(shù)字基帶功能一起集成在相同的芯片上，這樣做的價(jià)值實(shí)際上特別小?！盩homas甚至表示：“從芯片成品率的角度考慮，將不同工藝節(jié)點(diǎn)的組件集成會(huì)帶來(lái)更多的成本?！?/p>

SiCMOS工藝：通往硅PA的現(xiàn)實(shí)路線?

硅基功放包括BiCMOS和CMOS器件，使用SiGeBiCMOS工藝的功放既具備接近砷化鎵功放的性能，又具備低端CMOS功放所具備的成本優(yōu)勢(shì)。高國(guó)洪宣稱：“在短期內(nèi)，取代砷化鎵功放的硅基技術(shù)將是SiGeBiCMOS，而不是CMOS?！?/p>

成本上，高國(guó)洪宣稱：“盡管比起150mmGaAsHBT晶圓，帶有8至10個(gè)金屬層的200mmCMOS晶圓具有著顯著的芯片成本優(yōu)勢(shì)，但基于現(xiàn)有架構(gòu)的CMOSPA相對(duì)BiCMOS卻沒(méi)有成本優(yōu)勢(shì)。”高國(guó)洪解釋說(shuō)，這是由于現(xiàn)在的CMOSPA架構(gòu)是圍繞RF電感的使用而構(gòu)建的，能夠處理大射頻電流，但也因此而需要8至10個(gè)金屬層。相比180nm工藝技術(shù)節(jié)點(diǎn)下的傳統(tǒng)模擬/混合信號(hào)CMOS工藝技術(shù)，這些金屬層的增加致使晶圓成本提高了60%以上。此外，這些電感也使芯片尺寸大為增加。考慮到額外金屬層和芯片尺寸增加的影響，BiCMOSPA和CMOSPA的芯片級(jí)成本實(shí)際上差不多。

性能上，高國(guó)洪表示：“目前已達(dá)到量產(chǎn)狀態(tài)(幾乎全用于手機(jī))的最好的CMOS功放的性能都明顯不如砷化鎵或BiCMOS功放。而且隨著CMOS器件的幾何尺寸縮小，要獲得GaAs或BiCMOS功放性能變得更困難,要生產(chǎn)出能夠克服這種缺點(diǎn)的CMOS功放還得進(jìn)行更多的討論工作，并需要新的架構(gòu)。CMOSPA架構(gòu)若沒(méi)有重大的突破和創(chuàng)新，不行能克服其性能缺陷?！彪m然SOI技術(shù)具有提升CMOSPA性能的潛力，但SOI的成本居高不下。高國(guó)洪認(rèn)為，用于射頻功放的CMOSSOI還需要數(shù)年時(shí)間才能夠?qū)⒊杀窘抵罛iCMOS的芯片級(jí)成本水平。

在WLAN應(yīng)用中BiCMOS功放已漸漸開(kāi)頭取代砷化鎵功放，而LTE、WiMAX和WLAN應(yīng)用相像，它們都使用了正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)。高國(guó)洪表示：“在4G手機(jī)和移動(dòng)設(shè)備中，鑒于硅鍺BiCMOS