CMOS PA陷入成本和性能兩難，“單芯片手機”夢(mèng)受阻

作者：劉輝 liuh@szsia.com 本文原刊載于《集成電路應用》雜志5月刊

[引言]
砷化鎵PA是CMOS工藝通向“單芯片手機”之路上的最后堡壘。這個(gè)堡壘并不易攻克，因為CMOS PA的性能比不上砷化鎵PA，而提高性能帶來(lái)的成本增加則會(huì )讓CMOS PA失去成本優(yōu)勢。

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，采用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”的最后堡壘。多家初創(chuàng )公司一直致力用CMOS PA替代砷化鎵PA，其中AXIOM已經(jīng)在2G手機上實(shí)現了千萬(wàn)級的出貨量，而Javelin也宣稱(chēng)今年6月份將量產(chǎn)CMOS工藝的3G PA。

但和初創(chuàng )公司的高調相比，RFMD、Anadigics和英飛凌等現有供應商仍對CMOS PA持懷疑態(tài)度，認為CMOS PA很難在成本和性能上取得平衡，即使是收購了AXIOM的Skyworks也認為CMOS PA在3G和4G等高端應用市場(chǎng)空間有限。而SiGe半導體等公司則在走中間路線(xiàn)，認為取代砷化鎵功放的將是SiGe BiCOMS工藝，而不是CMOS工藝。

成本和性能難以平衡，CMOS PA限于2G市場(chǎng)

眾所周知，因為符合摩爾定律，CMOS工藝的優(yōu)勢是低成本、低功耗和高集成度等，從某種意義上來(lái)說(shuō)，半導體技術(shù)發(fā)展的歷史就是CMOS工藝進(jìn)步的歷史。Javelin公司的CEO Brad Fluke表示：“歷史證明，一旦可以基本滿(mǎn)足某項應用所需的性能，那么在和其它工藝的競爭中，CMOS工藝總是勝利者。”

問(wèn)題是，目前CMOS PA仍然難以在成本和性能間取得平衡，CMOS PA既達不到砷化鎵功放的性能，成本優(yōu)勢也并非絕對。

一方面，雖然CMOS晶圓比砷化鎵晶圓便宜很多，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)出的功放數量要比這個(gè)數目少的多。這是由于CMOS器件本身的特性決定的。RFMD公司的專(zhuān)家表示：“在CMOS 器件中，電流是沿著(zhù)晶片表面橫向流動(dòng)的水平電流，而砷化鎵HBT工藝器件，電流流動(dòng)是縱向流動(dòng)的垂直電流。所以砷化鎵功放可以做到比CMOS功放小50%到70%。”

另一方面，從功放應用看，相對于CMOS器件，砷化鎵器件有物理材料上的優(yōu)勢。雖然CMOS器件這方面的缺陷可以用更復雜的設計來(lái)彌補，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CMOS SOI晶圓的成本遠遠高于常見(jiàn)模擬/混合信號CMOS工藝技術(shù)的成本。因此在3G/4G應用中，CMOS的成本優(yōu)勢會(huì )更小，因為更高性能要求采用更復雜、昂貴的架構設計。

對此，深圳廣迪克科技有限公司總經(jīng)理徐杰表示：“如果采用同樣的工藝節點(diǎn)，CMOS PA能應用的頻率比砷化鎵PA要低得多。”作為新興的射頻PA供應商，廣迪克的砷化鎵PA已經(jīng)開(kāi)始大量出貨，據稱(chēng)在效率、最高功率等方面都達到了國際同類(lèi)產(chǎn)品的水平。為了把握PA的技術(shù)發(fā)展趨勢，2009年末徐杰專(zhuān)程前往美國考察CMOS PA技術(shù)發(fā)展情況，得出的結論是近期CMOS PA不會(huì )成為主流，因此更堅定了開(kāi)發(fā)砷化鎵PA的決心。

因此，在2G手機等低端應用中，由于對線(xiàn)性度、頻率、擊穿電壓、峰值電流、效率的要求相對較低，不需要CMOS PA采用太過(guò)復雜、昂貴的設計，因為成本優(yōu)勢，未來(lái)CMOS PA的市場(chǎng)份額可能持續擴大，但在3G/4G等高端應用中，受限于性能和復雜設計的成本提升,CMOS PA近期不會(huì )大規模取代砷化鎵功放。

圖：2008年全球砷化鎵PA供應商排名

這從Skyworks已經(jīng)售出總量超過(guò) 2,500 萬(wàn)顆的GPRS應用 CMOS功放中就可見(jiàn)一斑。Skyworks的市場(chǎng)總監Thomas表示：“在對性能不十分苛求的市場(chǎng)領(lǐng)域，CMOS PA的合理成本已經(jīng)使其在 GPRS 應用上極具競爭力，成為 GaAs功放的替代產(chǎn)品，我們相信，這種趨勢還將持續下去。”

但Thomas也坦承，在3G/4G應用上，砷化鎵依然具有顯著(zhù)的性能優(yōu)勢，CMOS的成本優(yōu)勢也不再明顯，因此在這些無(wú)線(xiàn)技術(shù)領(lǐng)域，CMOS PA的市場(chǎng)占有率不會(huì )有大幅提升。

例如在WCDMA應用中，大電流持續時(shí)間較長(cháng)，電流達到400-500mA，而目前2G應用中的CMOS功放，電流超過(guò)300mA就無(wú)法承受。當然可以通過(guò)更復雜的架構設計提高CMOS功放的性能，但復雜的設計意味著(zhù)更高的價(jià)格。

這些性能挑戰是由CMOS晶體管本身的物理結構所決定的。對于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)難以調和的矛盾。SiGe公司亞太區市場(chǎng)總監高國洪表示：“CMOS功放由于輸出阻抗極低，又很難建立50歐姆負載的帶寬匹配，因此 CMOS 功放輸出級的“穩健性”(耐受天線(xiàn)阻抗大幅改變的能力)不太好。為了增強互聯(lián)網(wǎng)接入能力，增加使用iPhone等智能電話(huà)時(shí)的多媒體性能，手機網(wǎng)絡(luò )不斷提高工作頻率和帶寬，CMOS 功放因此面臨著(zhù)越來(lái)越嚴峻的挑戰。”

CMOS帶來(lái)的“單芯片手機”夢(mèng)想和現實(shí)

隨著(zhù)CMOS PA開(kāi)始商用，將PA和同樣采用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”，是業(yè)界很自然的想法，也是PA CMOS化的革命性意義所在。然而，現實(shí)是，，由于對功放和基帶芯片的性能要求不同，采用的工藝節點(diǎn)不同，目前來(lái)看，將它們集成在一起的可能性不大。

設計功放，器件擊穿電壓是一個(gè)非常重要的指標。RFMD的專(zhuān)家表示：“對于功放，需要高擊穿電壓，這需要CMOS有長(cháng)柵極。但是對于小信號或者基帶芯片，柵極長(cháng)度越來(lái)越小。CMOS功放和小信號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。”
現有CMOS功放的技術(shù)節點(diǎn)在90nm或130nm，這就給集成CMOS功放設定了一個(gè)硬性限制，當射頻收發(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。此外，正常情況下，若器件向更小的集合尺寸發(fā)展，成本會(huì )隨之降低，而計算速度會(huì )進(jìn)一步提升。但如果集成時(shí)要遷就90nm工藝的CMOS功放，基帶芯片等的成本降低和計算速度提升就會(huì )受到限制。高國洪也表示：“把CMOS 功放與RF收發(fā)器和數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)際上非常小。”Thomas甚至表示：“從芯片成品率的角度考慮，將不同工藝節點(diǎn)的組件集成會(huì )帶來(lái)更多的成本。”

SiCMOS工藝：通往硅PA的現實(shí)路線(xiàn)?

硅基功放包括BiCMOS 和 CMOS器件，使用SiGe BiCMOS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。高國洪宣稱(chēng)：“在短期內，取代砷化鎵功放的硅基技術(shù)將是SiGe BiCMOS，而不是 CMOS。”

成本上，高國洪宣稱(chēng)：“盡管比起 150mm GaAs HBT晶圓，帶有8至10個(gè)金屬層的200mm CMOS 晶圓具有著(zhù)顯著(zhù)的芯片成本優(yōu)勢，但基于現有架構的CMOS PA相對BiCMOS卻沒(méi)有成本優(yōu)勢。”高國洪解釋說(shuō)，這是因為現在的CMOS PA 架構是圍繞RF電感的使用而構建的，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)節點(diǎn)下的傳統模擬/混合信號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?？紤]到額外金屬層和芯片尺寸增加的影響， BiCMOS PA 和 CMOS PA的芯片級成本實(shí)際上差不多。

性能上，高國洪表示：“目前已達到量產(chǎn)狀態(tài) (幾乎全用于手機) 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(zhù) 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)行更多的研究工作，并需要新的架構。CMOS PA架構若沒(méi)有重大的突破和創(chuàng )新，不可能克服其性能缺陷。”雖然SOI技術(shù)具有提升CMOS PA性能的潛力，但SOI的成本居高不下。高國洪認為，用于射頻功放的CMOS SOI還需要數年時(shí)間才能夠將成本降至BiCMOS的芯片級成本水平。

在WLAN應用中BiCMOS功放已逐漸開(kāi)始取代砷化鎵功放，而LTE、WiMAX和WLAN應用相似，它們都使用了正交頻分復用(OFDM)技術(shù)。高國洪表示：“在4G手機和移動(dòng)設備中，鑒于硅鍺BiCMOS 是一種廣泛可用的制造工藝，而目前又在WLAN領(lǐng)域擁有強大的主導地位，所以在手機功放和前端模塊產(chǎn)品領(lǐng)域中，硅技術(shù)最終將取代GaAs似乎已是大勢所趨。”當然他強調,手機中GaAs PA最合邏輯的取代方法是轉向硅基技術(shù)，而非特定硅CMOS。因為以硅鍺BiCMOS為首的硅BiCMOS，具有CMOS的所有成本優(yōu)勢和作為GaAs工藝核心的異質(zhì)結雙極型晶體管(HBT)的性能優(yōu)點(diǎn)。