5G對射頻芯片提出更高要求，MACOM硅基氮化鎵凸顯優(yōu)勢

在不久前的EDICON  China  2019上，MACOM無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品中心資深總監成鋼先生向電子產(chǎn)品世界等媒體介紹了5G對射頻功率&基站方面的需求和MACOM的解決方案。

與5G相關(guān)的氮化鎵市場(chǎng)

從使用量來(lái)看，MACOM的估計是：純粹的基站數，即5G對4G，差不多是1.5倍到2倍的差別，單個(gè)的基站又比原來(lái)的基站的RU部分貴約1.5到2倍。由于二者的倍乘關(guān)系，累積起來(lái)約是2.5倍到4倍的關(guān)系。再加上單個(gè)基站里的內容，原來(lái)是4通道、8通道，現在變成64通道，這些數目又會(huì )有約16倍以上的擴展。所以從對射頻單元的需求量來(lái)看，相比原有的規模，預計有50倍到60倍的需求。

這對射頻提供商來(lái)說(shuō)是個(gè)很大的挑戰，因為原來(lái)的規模很難去滿(mǎn)足預計的新規模。這也是為什么MACOM在5G市場(chǎng)上是比較激進(jìn)的，去布置產(chǎn)能，提前進(jìn)行庫存管理的原因，因為從數量上，這對相關(guān)芯片廠(chǎng)家的挑戰是比較大的。

MACOM對5G射頻的準備

2019年是5G無(wú)線(xiàn)通信的元年，對此MACOM非常重視，做了很多準備，前期包括對5G重點(diǎn)客戶(hù)的跟蹤，以及行業(yè)解決方案的準備。

因為MACOM本身產(chǎn)品線(xiàn)比較寬泛，即從IF信號處理，到IF的電平，及至整個(gè)鏈路，一直到后期的功率放大器，甚至整個(gè)天線(xiàn)層面關(guān)鍵的Massive MIMO（大規模多入多出）陣列，都有相應的解決方案。

可以說(shuō)，MACOM用了長(cháng)時(shí)間的積累和比較寬泛的產(chǎn)品線(xiàn)，為5G做了前期、預商用化、原型期的解決方案。

現在，MACOM要考慮的下一步是：如果5G能夠達到大批量使用時(shí)，怎樣能把這個(gè)市場(chǎng)的需求能夠快速滿(mǎn)足。

怎樣滿(mǎn)足大批量的需求

MACOM不僅有自己的fab（芯片工廠(chǎng)），同時(shí)還準備了Fabless（無(wú)芯片工廠(chǎng)）的方案，即不受限于自有工廠(chǎng)的產(chǎn)能，還利用第二家、第三家代工廠(chǎng)（Foundry）來(lái)備份產(chǎn)能。因此2018年MACOM和ST簽署了聯(lián)盟協(xié)議，ST可以提供6英寸的CMOS晶圓，用來(lái)做MACOM的氮化鎵產(chǎn)品。在此基礎上，2019年雙方又把合作拓展了一步，即ST主流的8英寸晶圓也可以支持MACOM。如果MACOM的產(chǎn)能需要，可以隨時(shí)切換到ST 8英寸晶圓上進(jìn)行大批量的生產(chǎn)。

因為6英寸和8英寸晶圓的主要區別是產(chǎn)能方面，基本上，8英寸的die(裸片)產(chǎn)出是6英寸的2倍。

另外，ST的一個(gè)優(yōu)勢是在商用和民用市場(chǎng)已有大批量制造的經(jīng)驗，因為ST擅長(cháng)機頂盒、有線(xiàn)通訊等，最近ST還成為特斯拉汽車(chē)的碳化硅等功率芯片的主要供應商，說(shuō)明ST能夠滿(mǎn)足汽車(chē)行業(yè)的產(chǎn)能需求?！皬氖袌?chǎng)規模來(lái)看，汽車(chē)市場(chǎng)比基站要大很多，”成鋼指出，“因此ST的產(chǎn)能能夠滿(mǎn)足基站行業(yè)的需求?！?/p>

氮化鎵：硅基 vs 碳化硅基

2016年，MACOM宣布放棄了碳化硅(碳化硅)基氮化鎵(GaN)，轉到硅基氮化鎵?，F在兩三年過(guò)去了，業(yè)績(jì)對硅基氮化鎵的接受程度如何？

成鋼總監稱(chēng)，目前還處于切換的過(guò)程中。MACOM的硅基設計能夠比較平滑替代碳化硅基方案?，F在硅基的性能、測試、驗證等基本上已經(jīng)完成，從客戶(hù)的反饋來(lái)看，客戶(hù)沒(méi)有感覺(jué)到硅基比碳化硅基的性能上有多少惡化，同時(shí)還體會(huì )到硅基在一些特定指標上還有優(yōu)勢，諸如健壯性，價(jià)格也下降了，另外也不像原來(lái)受制于有限的碳化硅材料的產(chǎn)出比而產(chǎn)生供貨波動(dòng)。

在基站方面，硅基很顯著(zhù)地得到了客戶(hù)的認可，客戶(hù)也完成了原型樣機的測試，包括可靠性及長(cháng)期壽命的測試。硅基在市場(chǎng)上已經(jīng)開(kāi)始發(fā)貨。

從周期上看，國際主流廠(chǎng)商一般要一年到一年半的時(shí)間才能完全走完設計周期，因此如果倒推回去，現在國內外客戶(hù)能夠開(kāi)始接受硅基產(chǎn)品、開(kāi)始發(fā)貨，證明MACOM硅基氮化鎵的推廣還是比較順利的。

氮化鎵 vs LDMOS

氮化鎵有一個(gè)重要的原生優(yōu)勢——高效率。高效率對5G可謂一個(gè)決定性的優(yōu)勢。因為現在很多廠(chǎng)家也可以提升LDMOS這種很低成本的方案，但是這種方案可能最后在市場(chǎng)上是很難接受的。因為對于整個(gè)MIMO基站，其里面有64個(gè)通道，每個(gè)通道的效率哪怕有些許的提高，對基站本身的散熱都會(huì )有很大的改善。

這是因為現在的基站的瓶頸是在效率上，效率做不上去，功率就上不去。功率不上去，那么整個(gè)覆蓋范圍就很窄……。這樣就導致了本身基站的性?xún)r(jià)比下降。簡(jiǎn)單地看，所謂性能稍微差一點(diǎn)，就比別人的覆蓋少一點(diǎn)；反過(guò)來(lái)，基站建立起來(lái)后，長(cháng)時(shí)間的運營(yíng)成本十分可觀(guān)——盡管電費很便宜，但時(shí)間長(cháng)了，電費累積起來(lái)，比一個(gè)好器件的錢(qián)還要多。所以客戶(hù)對效率強調得非常多。

氮化鎵直接帶來(lái)的好處就是效率滿(mǎn)足，所以氮化鎵方案受到運營(yíng)商和設備商很大的關(guān)注，這也意味著(zhù)氮化鎵實(shí)際上是直接由運營(yíng)商或用戶(hù)來(lái)導向的方向。

那么，是否LDMOS就沒(méi)有什么市場(chǎng)了？

當然也不能這么絕對。LDMOS在前期發(fā)貨上的優(yōu)勢還是能體現出來(lái)的。

氮化鎵的瓶頸首先是產(chǎn)能的問(wèn)題。因此MACOM要去與ST合作。目前預商用階段對MACOM是很有利的，這時(shí)沒(méi)有很快上量。

第二，時(shí)間也很重要。MACOM一定要把時(shí)間節奏掌握好，把自己的方案在客戶(hù)甚至最終用戶(hù)那里能夠得到很好的驗證。然后在真正成熟的階段，能夠把產(chǎn)能切換到ST上面，以擴大產(chǎn)能。

毫米波與sub-6GHz的需求差異

盡管中國目前還沒(méi)有打算采用毫米波，但是作為一家國際性公司，MACOM也十分重視毫米波的解決方案，因為毫米波在北美和歐洲有很多客戶(hù)。

二者最大的差別主要還是來(lái)自于massive MIMO陣列，即毫米波的要求多一些，原來(lái)的方案是用分立器件搭，即用很多傳統的波導、同軸結構來(lái)搭成高的射頻性能，但這對5G毫米波的應用可能是很難接受的，毫米波需要把電路和天線(xiàn)盡量集成在一個(gè)單板上。

因為毫米波帶來(lái)的一個(gè)好處是天線(xiàn)尺寸的顯著(zhù)下降，可以在一個(gè)天線(xiàn)Panel（平板）上集成1028個(gè)單元，。作為對比，現在sub-6GHz 5G大都是64個(gè)單元。所以可以利用毫米波的小尺寸、高集成度優(yōu)勢。

MACOM在毫米波集成電路方面有很長(cháng)時(shí)間的積累，在北美的研發(fā)中心可以提供整體的相控陣陣列方案?？蛻?hù)可以把毫米波電路直接集成在天線(xiàn)的背部。這樣，就可以把它作為一個(gè)完整的天線(xiàn)陣列提供給客戶(hù)。

值得一提的是，毫米波的設計有很多專(zhuān)業(yè)上的要求，普通廠(chǎng)家很難做到，如果能提供一個(gè)交鑰匙的解決方案，是客戶(hù)非常歡迎的。下一步，MACOM也在往高集成、高性能、低成本的方案方向走。

針對sub-6GHz，國內外的客戶(hù)需求有何特點(diǎn)？

實(shí)際上，國內外的方案還是有很大的差別。國外一些客戶(hù)更傾向于一個(gè)更高集成度的方案，采用像手機前端的整體模塊，里面包含了發(fā)射通道、接收通道，甚至是無(wú)源的隔離器也做在里面，開(kāi)關(guān)全部在里面，甚至Power IC(電源管理芯片)都集成在模塊里，可以說(shuō)是一個(gè)獨立的射頻單元，和天線(xiàn)直接對接后，就完成了所有射頻前端功能。

對于這種需求，MACOM可以把它完全整合成一個(gè)Device（器件），目標是大批量發(fā)貨以后能夠有一個(gè)低成本的模塊。

氮化鎵在小基站的機會(huì )

小基站市場(chǎng)也有機會(huì )。因為現在的小基站大量采用比較低功率的方案，諸如0.25W、0.5W方面的，傳統用GaAs（砷化鎵）來(lái)做。但是現在隨著(zhù)頻率的提高，例如國內3.5GHz、4.9GHz等新頻段提出來(lái)，使用small cell（小基站）可能會(huì )去做一些熱點(diǎn)的覆蓋，這會(huì )有很寬的帶寬，造成了小基站的發(fā)射功率提高，現在已看到這樣的需求，即1W以上的需求。

1W的平均功率如果轉換成對峰值功率的需求，大概是10W到15W，這對砷化鎵材料的處理能力上達到了極限/瓶頸，因而難以在大功率上做可靠的產(chǎn)品。

MACOM確實(shí)想在這方面去布局一些產(chǎn)品，因為MACOM最早針對massive MIMO的方案就是4通道的基站方案，最早的一個(gè)器件就是針對1W功率放大器，只不過(guò)因為之后中國移動(dòng)把這個(gè)產(chǎn)品的規格不斷提高，3W、5W、6W地提高。所以方案MACOM本身是有方案的。

但是MACOM還要考慮的是整個(gè)Small cell的市場(chǎng)的規模跟基站相比是一個(gè)很大的放大關(guān)系。如果現在兩個(gè)市場(chǎng)都要做，能不能很好地服務(wù)？

所以MACOM目前先提供這種方案，讓客戶(hù)進(jìn)一步地驗證，驗證完后，等到ST能夠開(kāi)始量產(chǎn)的時(shí)候，MACOM就開(kāi)始1W的發(fā)貨。

另外，Small cell和傳統基站有一個(gè)時(shí)間的先后順序，原則是要先滿(mǎn)足覆蓋的問(wèn)題，然后才考慮后面的提高質(zhì)量和服務(wù)水平。因此Small cell的市場(chǎng)會(huì )比基站的市場(chǎng)延后一到三年。所以從時(shí)間節拍看，現在考慮Small cell是一個(gè)合適的時(shí)機。

氮化鎵的工藝、性能、成本進(jìn)展及走向

現在氮化鎵整體的性能、尺寸等已經(jīng)有很大的變化了。一是性能方面，從基站的主要供應商的評估看，已經(jīng)很難再區分是碳化硅基還是硅基的GaN帶來(lái)的效率，包括線(xiàn)性度等的差別。

尺寸方面，前兩年看到的是傳統的陶瓷封裝——是較大的封裝，但現在更多的是QFN封裝，即手機所采用的低成本、小型封裝，尺寸也縮短到4mm×4mm、5mm×7mm，已是與手機芯片非常接近的產(chǎn)品形態(tài)了。所以在成本和結構方面，已經(jīng)向手機去看齊，甚至業(yè)界會(huì )用跟手機同樣的封測線(xiàn)來(lái)做氮化鎵產(chǎn)品?！跋嘈诺壍陌l(fā)展是一個(gè)遞進(jìn)的過(guò)程，”成鋼總監預計，“只要把基站部分做起來(lái)以后，加上ST的足夠產(chǎn)能，就會(huì )把氮化鎵帶到跟手機相當的成本結構和規模。這時(shí)去看民用和商用市場(chǎng)，是可以想象的一個(gè)空間了?！?/p>

那么，氮化鎵未來(lái)的價(jià)格，手機能夠承受嗎？

的確，現在還沒(méi)有達到手機能夠承受的水平，因為氮化鎵的發(fā)貨量還沒(méi)有達到手機的發(fā)貨量。對于氮化鎵功率器件，封裝在里面占很大的部分，如果采用與手機相當的封裝，剩下的就是看晶圓能不能達到和手機一樣的晶圓尺寸。

但是，砷化鎵作為目前手機最主要的供應鏈之一，普遍用6英寸晶圓，而MACOM與ST合作的有8英寸晶圓，即從晶圓片的規模成本上，可能未來(lái)比砷化鎵更有優(yōu)勢。這是此消彼漲的角力過(guò)程，氮化鎵有望最終能在手機方面有競爭力。

MACOM在5G的整體布局

MACOM本身有兩塊主力產(chǎn)品：光的解決方案，射頻的解決方案。這兩方面是齊頭并進(jìn)的。

現在網(wǎng)絡(luò )結構也相對比較簡(jiǎn)單了，光纖可能是直接到塔上了，上來(lái)會(huì )跟基站有轉換和連接。所以很多時(shí)候可以把它們當作一個(gè)整體方案去考慮。

MACOM在美國有專(zhuān)門(mén)的部門(mén)提供Massive MIMO陣列的解決方案，它下面的轉換已經(jīng)把64路甚至更高的路數進(jìn)行了集成，進(jìn)行光電轉換，到下面的光網(wǎng)絡(luò )去接收，這些方案可能以后會(huì )越來(lái)越集成，未來(lái)MACOM甚至能夠提供一個(gè)微系統給客戶(hù)。

MACOM官方資料

MACOM 亮相 EDICON China 2019 展示為 5G 連接及基站打造的全新射頻產(chǎn)品解決方案

MACOM Technology Solutions Inc.(MACOM)于4月1-3日出席在中國北京舉辦的電子設計創(chuàng )新大會(huì )EDI CON China?2019。屆時(shí)，MACOM在515號展位展示豐富的高性能射頻產(chǎn)品組合，包括行業(yè)領(lǐng)先的MMIC、二極管、AlGaAs開(kāi)關(guān)、功率放大器、前端模塊 (FEM) 和氮化鎵器件。同時(shí)，MACOM將重點(diǎn)展示適用于5G連接、無(wú)線(xiàn)基站、雷達、測試和測量，以及工業(yè)、科學(xué)和醫療 (ISM) 射頻應用的全新產(chǎn)品解決方案。

誠邀您蒞臨515號展位，與MACOM專(zhuān)家進(jìn)行面對面交流，了解更多有關(guān)MACOM技術(shù)及解決方案的信息，包括但不限于：

·可靠的高性能射頻組件：展示MACOM服務(wù)于不同市場(chǎng)的高性能產(chǎn)品組合，測試和測量、衛星、雷達、有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )、汽車(chē)、工業(yè)、醫療以及移動(dòng)設備等領(lǐng)域。

·5G連接：適用于 4G/5G的完整產(chǎn)品組合——提供可靠的高性能無(wú)線(xiàn)接入前端組件和模塊。

·助力新一代無(wú)線(xiàn)基站：先進(jìn)的硅基氮化鎵Doherty功放模塊，平均功率達60W。

·射頻能量：MACOM的硅基氮化鎵產(chǎn)品可提供主流射頻應用所需的性能、規模、電源安全性和浪涌能力支持。

·應用支持：MACOM憑借其60多年的豐富經(jīng)驗和專(zhuān)業(yè)的客戶(hù)支持服務(wù)，為客戶(hù)解答及解決各種疑問(wèn)和技術(shù)難題。

·相互對照工具：MACOM相互對照工具可協(xié)助客戶(hù)查找所需的MACOM產(chǎn)品。