地芯科技发布全球首款线性CMOS PA，打破GaAs垄断局面

当前，随着5G、WiFi、IoT等技术和应用的不断演进与发展，射频前端芯片正迎来新的发展机遇。
 
一方面，受益于5G频段增加，射频前端芯片应用领域进一步拓展，市场呈现大幅增长态势。据QY Research数据显示，2021年全球射频前端市场规模约为204.59亿美元，预计未来6年将保持10.39%的年复合增长率，至2027年其市场规模有望达到370.27亿美元。
 
虽然市场空间巨大，但由于射频前端芯片的设计壁垒高、难度大，需要研发人员具备长时间的设计经验和工艺经验积累才能有所突破。射频前端芯片技术高频化和集成化，也正在为工艺技术发展带来新的变革。
 

 
以射频通信链路中至关重要的器件PA（射频功率放大器）为例，PA负责将发射链路中的射频信号做最后的放大，输送到天线，是整个通信链路中功耗最大的器件之一。
 
尽管以GaAs工艺为代表的PA仍然为射频前端芯片主流技术，但CMOS PA凭借低成本、高集成度、漏电流低、导热性好等优势，正从非主流应用地位转变，将在WiFi、物联网等应用领域大放异彩。
 
地芯科技发布全球首款4G线性CMOS PA

在此背景下，5月18日，杭州地芯科技有限公司（以下简称：地芯科技）在上海召开发布会，推出了全球首款基于CMOS工艺的支持4G的线性CMOS PA——GC0643。GC0643是一款4*4mm多模多频功率放大器模块（MMMB PAM），它应用于3G/4G手持设备（包括手机及其他手持移动终端）以及Cat1.物联网设备，支持的多频段多制式应用，本模块还支持可编程MIPI控制。
 

地芯科技副总裁张顶平
 
地芯科技副总裁张顶平介绍，CMOS工艺具有高集成度、低成本、漏电流低、导热性好、设计灵活等特性。成本方面，CMOS工艺作为摩尔定律的载体，在过去的数十年飞速发展，已成为集成电路中最为广泛使用的工艺技术，基于8英寸/12英寸的大硅片，各大晶圆代工厂的产能丰富。因此CMOS工艺晶圆的成本相对于基于6英寸晶圆的III-V族工艺要低很多（3-4倍）。
 
但在优势之外，CMOS工艺也存在击穿电压低、线性度差两大先天性弊端，使其在射频PA应用上面临巨大的技术挑战。因此线性CMOS PA的设计主要考虑如何提高击穿电压以及补偿器件自身的非线性。
 

CMOS PA工艺的优劣分析
 
通过对击穿电压和线性度的综合考量，地芯科技以创新的设计架构，深耕线性CMOS PA技术十多年，在过往的经验基础上开拓创新，攻克了击穿电压低、线性度差两大世界级工艺难题，在全球范围内率先量产支持4G的线性CMOS PA，将使得CMOS 工艺的PA进入主流射频前端市场成为可能。
 
在具体性能方面，FOM值是衡量PA水平的关键指标，地芯云腾的CMOS PA——GC0643在中低功率输出时FOM值几乎与GaAs相当，在高功率（>26dBm）输出时表现更优。
 

 
在3.4V的电源电压下，在CMOS工艺难以企及的2.5G高频段，该CMOS PA可输出32dBm的饱和功率，效率接近50%。
 

 
在LTE10M 12RB的调制方式下，-38dBc UTRA ACLR的线性功率可达27.5dBbm（MPR0），FOM值接近70，比肩GaAs工艺的线性PA。
 
在4.5V的电源电压下，Psat更是逼近34dBm，并在Psat下通过了VSWR 1:10的SOA可靠性测试。该设计成功攻克了CMOS PA可靠性和线性度的主要矛盾，预示了线性CMOS PA进入Psat为30-36dBm主流市场的可能性。
 

 
GC0643技术亮点：
 

• 基于CMOS工艺路线的全新多模多频PA设计思路
• 创新型开关设计支持多频多模单片集成
• 创新的线性化电路设计
• 低功耗、低成本、高集成度、高可靠性的最佳解决方案

 
凭借上述特点和优势，GC0643可广泛应用于低功耗广域物联网（LP-WAN）设备、3G/4G手机或其他移动型手持设备和无线IoT模块等，支持FDD LTE Bands 1,3/4,5,8；TDD LTE Bands 34,39,40,41；WCDMA Bands 1,2,3/4,5,8等无线通信频段。
 
实际上，地芯科技并不是第一家用CMOS工艺做PA的公司，5-6年前有一家法国公司做过，但受到当时线性技术和市场的选择影响，没有成功。此外，多年前高通也尝试过4G CMOS PA，但高通想做的是一个大而全的方案，试图在30-36dBm整个发射功率区间用CMOS替代GaAs工艺，最终宣告失败了。
 
对此，张顶平认为：“高通在技术层面并不能说尝试失败，只是当时太迷信数字算法，对于用户而言，只要动一点DBD都需要重新来一遍，所以这个方案不够接地气，客户很难接受。”
 
在本次PA新品之外，地芯科技在2022年还发布了“地芯风行”系列国内首款超宽频、超宽带、低功耗、高性能、高集成度，且支持Sub 6GHz软件无线电的SDR射频收发机芯片——GC080X系列。
 
GC080X系列芯片运用了 Virtual Chip－Split芯片架构，该架构可以把模拟的IQ信号拉出来，把这颗芯片做一个自由组合，客户可以根据自己的需求灵活配置。此外，Virtual Chip－Split架构还可以实现射频信号到模拟信号之间的转化，也可以实现模拟信号到数字信号之间的转化。
 
GC080X系列能够支持的频率范围为200MHz到5GHz，可配置射频带宽能够支持小于200KHz到100MHz的范围，覆盖了几乎所有通信的频率需求，包括从物联网到射频的专网通信、卫星通信、航空航天等需求。
 
从产品特性上看，地芯风行系列芯片有着超宽频、超宽带、高集成度、低功耗等优势。地芯风行是除了华为、中兴的产品外，国内首颗能够支持5G频段且实现量产的射频收发机芯片，突出优势在于功耗非常低，比国外大厂的产品功耗要低30%-40%。
 
据张顶平介绍，地芯科技已经形成了射频前端、射频收发机和模拟信号链三大产品线，产品应用遍及无线通信、工业电子及物联网等诸多领域。
 

 
在射频前端产品线上，地芯科技目前已经采用超低成本的CMOS工艺，开发出了单片集成功率放大器（PA）、低噪放大器（LNA）、有带通滤波功能的Bypass通路、收发射频开关、以及数字控制电路的GC1103射频前端芯片等。
 
结语
纵观全球模拟射频芯片市场，寡头效应明显，Qrovo、skyworks、博通等海外大厂占据了大部分市场份额，国产化率仅有10%，不过这也意味着国产替代的空间巨大。
 
近年来在国家政策和庞大内需市场助推下，陆续涌现出一批优秀的本土模拟射频芯片厂商。同时，随着移动通信技术更新迭代，射频器件的复杂度逐渐提升，产品在设计、工艺和材料等方面都将发生递进式的变化。
 
地芯科技也是抓住这个机会，适时推出硅基CMOS技术的射频解决方案，在性能上不仅能够匹配国外大厂，而且很多技术指标已经是远高于同类对标产品，并且基于国内供应链还能够实现一定的成本优势，以期通过差异化创新优势改变以往射频芯片市场被海外大厂垄断的尴尬局面，走出一条“国产替代”之路。
 
作为一家成立仅4年多的公司之所以能够做到，在于地芯科技敢为人先，洞察CMOS在芯片研发性能、成本等方面的巨大潜力，创始之初便选择在CMOS工艺路线上坚定前行，如此前瞻性和创新性便是地芯科技能在一众模拟射频芯片创业者中突出重围的关键之一。
 
而支撑这条“少有人走的路”的，是地芯科技和核心团队多年的技术累积。
 
据了解，杭州地芯科技有限公司成立于2018年，公司的核心研发团队成员80%以上为硕士与博士学历，具有10至20年的芯片研发与量产经验，涵盖系统、射频、模拟、数字、算法。软件、测试、应用、版图等技术人才，具有完备的芯片研发与量产能力。公司团队历时三年，专攻研发，最终得以在同质化竞争中突出重围。