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無線產(chǎn)品中心資深總監(jiān)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

從使用量來看，MACOM的估計(jì)是：純粹的基站數(shù)，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，累積起來約是2.5倍到4倍的關(guān)系。再加上單個(gè)基站里的內(nèi)容，原來是4通道、8通道，現(xiàn)在變成64通道，這些數(shù)目又會有約16倍以上的擴(kuò)展。所以從對射頻單元的需求量來看，相比原有的規(guī)模，預(yù)計(jì)有50倍到60倍的需求。

這對射頻提供商來說是個(gè)很大的挑戰(zhàn)，因?yàn)樵瓉淼囊?guī)模很難去滿足預(yù)計(jì)的新規(guī)模。這也是為什么MACOM在5G市場上是比較激進(jìn)的，去布置產(chǎn)能，提前進(jìn)行庫存管理的原因，因?yàn)閺臄?shù)量上，這對相關(guān)芯片廠家的挑戰(zhàn)是比較大的。

MACOM對5G射頻的準(zhǔn)備

2019年是5G無線通信的元年，對此MACOM非常重視，做了很多準(zhǔn)備，前期包括對5G重點(diǎn)客戶的跟蹤，以及行業(yè)解決方案的準(zhǔn)備。

因?yàn)镸ACOM本身產(chǎn)品線比較寬泛，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)天線層面關(guān)鍵的Massive MIMO（大規(guī)模多入多出）陣列，都有相應(yīng)的解決方案。

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

現(xiàn)在，MACOM要考慮的下一步是：如果5G能夠達(dá)到大批量使用時(shí)，怎樣能把這個(gè)市場的需求能夠快速滿足。

怎樣滿足大批量的需求

MACOM不僅有自己的fab（芯片工廠），同時(shí)還準(zhǔn)備了Fabless（無芯片工廠）的方案，即不受限于自有工廠的產(chǎn)能，還利用第二家、第三家代工廠（Foundry）來備份產(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，用來做MACOM的氮化鎵產(chǎn)品。在此基礎(chǔ)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?yàn)?英寸和8英寸晶圓的主要區(qū)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已有大批量制造的經(jīng)驗(yàn)，因?yàn)镾T擅長機(jī)頂盒、有線通訊等，最近ST還成為特斯拉汽車的碳化硅等功率芯片的主要供應(yīng)商，說明ST能夠滿足汽車行業(yè)的產(chǎn)能需求?！皬氖袌鲆?guī)模來看，汽車市場比基站要大很多，”成鋼指出，“因此ST的產(chǎn)能能夠滿足基站行業(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(zhuǎn)到硅基氮化鎵?，F(xiàn)在兩三年過去了，業(yè)績對硅基氮化鎵的接受程度如何？

成鋼總監(jiān)稱，目前還處于切換的過程中。MACOM的硅基設(shè)計(jì)能夠比較平滑替代碳化硅基方案?，F(xiàn)在硅基的性能、測試、驗(yàn)證等基本上已經(jīng)完成，從客戶的反饋來看，客戶沒有感覺到硅基比碳化硅基的性能上有多少惡化，同時(shí)還體會到硅基在一些特定指標(biāo)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，硅基很顯著地得到了客戶的認(rèn)可，客戶也完成了原型樣機(jī)的測試，包括可靠性及長期壽命的測試。硅基在市場上已經(jīng)開始發(fā)貨。

從周期上看，國際主流廠商一般要一年到一年半的時(shí)間才能完全走完設(shè)計(jì)周期，因此如果倒推回去，現(xiàn)在國內(nèi)外客戶能夠開始接受硅基產(chǎn)品、開始發(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?yàn)楝F(xiàn)在很多廠家也可以提升LDMOS這種很低成本的方案，但是這種方案可能最后在市場上是很難接受的。因?yàn)閷τ谡麄€(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有很大的改善。

這是因?yàn)楝F(xiàn)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(dǎo)致了本身基站的性價(jià)比下降。簡單地看，所謂性能稍微差一點(diǎn)，就比別人的覆蓋少一點(diǎn)；反過來，基站建立起來后，長時(shí)間的運(yùn)營成本十分可觀——盡管電費(fèi)很便宜，但時(shí)間長了，電費(fèi)累積起來，比一個(gè)好器件的錢還要多。所以客戶對效率強(qiáng)調(diào)得非常多。

氮化鎵直接帶來的好處就是效率滿足，所以氮化鎵方案受到運(yùn)營商和設(shè)備商很大的關(guān)注，這也意味著氮化鎵實(shí)際上是直接由運(yùn)營商或用戶來導(dǎo)向的方向。

那么，是否LDMOS就沒有什么市場了？

當(dāng)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(xiàn)出來的。

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

第二，時(shí)間也很重要。MACOM一定要把時(shí)間節(jié)奏掌握好，把自己的方案在客戶甚至最終用戶那里能夠得到很好的驗(yàn)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(kuò)大產(chǎn)能。

毫米波與sub-6GHz的需求差異

盡管中國目前還沒有打算采用毫米波，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?yàn)楹撩撞ㄔ诒泵篮蜌W洲有很多客戶。

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

因?yàn)楹撩撞◣淼囊粋€(gè)好處是天線尺寸的顯著下降，可以在一個(gè)天線Panel（平板）上集成1028個(gè)單元，。作為對比，現(xiàn)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?？蛻艨梢园押撩撞娐分苯蛹稍谔炀€的背部。這樣，就可以把它作為一個(gè)完整的天線陣列提供給客戶。

值得一提的是，毫米波的設(shè)計(jì)有很多專業(yè)上的要求，普通廠家很難做到，如果能提供一個(gè)交鑰匙的解決方案，是客戶非常歡迎的。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(nèi)外的客戶需求有何特點(diǎn)？

實(shí)際上，國內(nèi)外的方案還是有很大的差別。國外一些客戶更傾向于一個(gè)更高集成度的方案，采用像手機(jī)前端的整體模塊，里面包含了發(fā)射通道、接收通道，甚至是無源的隔離器也做在里面，開關(guān)全部在里面，甚至Power IC(電源管理芯片)都集成在模塊里，可以說是一個(gè)獨(dú)立的射頻單元，和天線直接對接后，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(biāo)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(jī)會

小基站市場也有機(jī)會。因?yàn)楝F(xiàn)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(tǒng)用GaAs（砷化鎵）來做。但是現(xiàn)在隨著頻率的提高，例如國內(nèi)3.5GHz、4.9GHz等新頻段提出來，使用small cell（小基站）可能會去做一些熱點(diǎn)的覆蓋，這會有很寬的帶寬，造成了小基站的發(fā)射功率提高，現(xiàn)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(zhuǎn)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(dá)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?yàn)镸ACOM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，只不過因?yàn)橹笾袊苿?dòng)把這個(gè)產(chǎn)品的規(guī)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的市場的規(guī)模跟基站相比是一個(gè)很大的放大關(guān)系。如果現(xiàn)在兩個(gè)市場都要做，能不能很好地服務(wù)？

所以MACOM目前先提供這種方案，讓客戶進(jìn)一步地驗(yàn)證，驗(yàn)證完后，等到ST能夠開始量產(chǎn)的時(shí)候，MACOM就開始1W的發(fā)貨。

另外，Small cell和傳統(tǒng)基站有一個(gè)時(shí)間的先后順序，原則是要先滿足覆蓋的問題，然后才考慮后面的提高質(zhì)量和服務(wù)水平。因此Small cell的市場會比基站的市場延后一到三年。所以從時(shí)間節(jié)拍看，現(xiàn)在考慮Small cell是一個(gè)合適的時(shí)機(jī)。

氮化鎵的工藝、性能、成本進(jìn)展及走向

現(xiàn)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(yīng)商的評估看，已經(jīng)很難再區(qū)分是碳化硅基還是硅基的GaN帶來的效率，包括線性度等的差別。

尺寸方面，前兩年看到的是傳統(tǒng)的陶瓷封裝——是較大的封裝，但現(xiàn)在更多的是QFN封裝，即手機(jī)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(jī)芯片非常接近的產(chǎn)品形態(tài)了。所以在成本和結(jié)構(gòu)方面，已經(jīng)向手機(jī)去看齊，甚至業(yè)界會用跟手機(jī)同樣的封測線來做氮化鎵產(chǎn)品?！跋嘈诺壍陌l(fā)展是一個(gè)遞進(jìn)的過程，”成鋼總監(jiān)預(yù)計(jì)，“只要把基站部分做起來以后，加上ST的足夠產(chǎn)能，就會把氮化鎵帶到跟手機(jī)相當(dāng)?shù)某杀窘Y(jié)構(gòu)和規(guī)模。這時(shí)去看民用和商用市場，是可以想象的一個(gè)空間了。”

那么，氮化鎵未來的價(jià)格，手機(jī)能夠承受嗎？

的確，現(xiàn)在還沒有達(dá)到手機(jī)能夠承受的水平，因?yàn)榈壍陌l(fā)貨量還沒有達(dá)到手機(jī)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(jī)相當(dāng)?shù)姆庋b，剩下的就是看晶圓能不能達(dá)到和手機(jī)一樣的晶圓尺寸。

但是，砷化鎵作為目前手機(jī)最主要的供應(yīng)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(guī)模成本上，可能未來比砷化鎵更有優(yōu)勢。這是此消彼漲的角力過程，氮化鎵有望最終能在手機(jī)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(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也相對比較簡單了，光纖可能是直接到塔上了，上來會跟基站有轉(zhuǎn)換和連接。所以很多時(shí)候可以把它們當(dāng)作一個(gè)整體方案去考慮。

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

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(shè)計(jì)創(chuàng)新大會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、無線基站、雷達(dá)、測試和測量，以及工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療 (ISM) 射頻應(yīng)用的全新產(chǎn)品解決方案。

誠邀您蒞臨515號展位，與MACOM專家進(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)于不同市場的高性能產(chǎn)品組合，測試和測量、衛(wèi)星、雷達(dá)、有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)、汽車、工業(yè)、醫(yī)療以及移動(dòng)設(shè)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線接入前端組件和模塊。

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

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

·應(yīng)用支持：MACOM憑借其60多年的豐富經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)的客戶支持服務(wù)，為客戶解答及解決各種疑問和技術(shù)難題。

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