【導(dǎo)讀】5G毫米波RF前端模塊將徹底改變復(fù)雜的RF組件/模塊供應(yīng)鏈。特別是因?yàn)?G毫米波技術(shù)讓供貨商能夠使用CMOS或SOI制造技術(shù)，在SoC中設(shè)計(jì)RF前端模塊，為手機(jī)生態(tài)系統(tǒng)架構(gòu)中的“先進(jìn)CMOS設(shè)計(jì)和制造商”開啟深入RF市場(chǎng)的大門……
移動(dòng)產(chǎn)業(yè)似乎才剛結(jié)束在西班牙巴塞羅那舉行的世界移動(dòng)通訊大會(huì)(MWC)嘉年華，科技產(chǎn)業(yè)的供貨商、系統(tǒng)OEM與行動(dòng)營(yíng)運(yùn)商馬上就面臨著一連串亟待解決的5G發(fā)展障礙。事實(shí)上，這些問題還只是個(gè)起點(diǎn)。
5G發(fā)展的技術(shù)議題是多方面的。其中，用于5G毫米波(mmWave)——預(yù)計(jì)將執(zhí)行于28GHz、39GHz或60GHz頻率——的智能天線和射頻(RF)前端，可能嚴(yán)重影響尚未出現(xiàn)的5G mmWave手機(jī)性能。
Yole Développement的RF電子業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)人Claire Troadec在MWC之后接受《EETimes》的專訪。她說：“盡管像高通(Qualcomm)、英特爾(Intel)、聯(lián)發(fā)科技(MediaTrk)和三星(Samsung)等許多公司都以手機(jī)作為5G mmWave的展示平臺(tái)，但我們認(rèn)為，手機(jī)并不會(huì)是首先落實(shí)5G mmWave的應(yīng)用之處。”相形之下，5G mmWave更可能成為書桌或桌面上的固定式數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器，讓消費(fèi)者能夠用于下載或串流大量的寬帶應(yīng)用。
Claire Troadec
為什么呢？這其實(shí)是因?yàn)?G mmWave頻段存在著高傳播損耗、指向性以及對(duì)于障礙物十分敏感等問題，因此，想要設(shè)計(jì)一款能始終運(yùn)作而不至于失去訊號(hào)的5G手機(jī)并不是一件容易的事。想象一下，消費(fèi)者可能會(huì)因此被迫停留在某一個(gè)頁(yè)面，而且必須不斷地尋找其他訊號(hào)。
在手機(jī)中部署5G mmWave無線訊號(hào)的另一項(xiàng)挑戰(zhàn)是電池的壽命和耗電問題。在今年于平昌舉行的2018年冬季奧運(yùn)(Winter Olympics 2018)期間，三星據(jù)稱展示了自家的5G平板計(jì)算機(jī)。雖然這臺(tái)裝置的運(yùn)作十分順利，但是充斥在MWC上的評(píng)價(jià)卻相當(dāng)令人驚訝：在30分鐘后電池就沒電了。
針對(duì)這個(gè)傳聞，Troadec認(rèn)為，“手機(jī)的5G mmWave訊號(hào)傳輸會(huì)出現(xiàn)功耗過高的問題。”她猜想“大多數(shù)的主導(dǎo)廠商應(yīng)該都在廣泛地關(guān)注這個(gè)領(lǐng)域。”但她補(bǔ)充說，她發(fā)現(xiàn)這些技術(shù)供貨商并未針對(duì)5G新無線電(5G New Radio；5G NR)應(yīng)用中這個(gè)明顯的系統(tǒng)級(jí)功耗問題提出許多補(bǔ)救措施。她說，沒有人愿意在展會(huì)上進(jìn)一步討論這個(gè)問題。
5G mmWave RF模塊對(duì)于新興5G市場(chǎng)將會(huì)帶來的干擾，并不僅限于技術(shù)的變化。深受影響的還包括目前供應(yīng)3G和4G RF組件和模塊的整個(gè)“產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈”。
Yole解釋，由于5G mmWave讓供貨商得以使用CMOS或SOI技術(shù)，在SoC中設(shè)計(jì)RF前端模塊，因此該領(lǐng)域?qū)槟壳霸谑謾C(jī)生態(tài)系統(tǒng)架構(gòu)中的“先進(jìn)CMOS設(shè)計(jì)和制造商”開啟進(jìn)軍RF市場(chǎng)的大門。除了英特爾和高通之外，進(jìn)軍這一領(lǐng)域的業(yè)者還包括三星、華為(Huawei)和聯(lián)發(fā)科技。
5G頻段越多，RF前端模塊就更多
隨著技術(shù)供貨商開始致力于打造能夠處理頻段日益增加的復(fù)雜RF前端(RFFE)模塊，行動(dòng)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展。根據(jù)Troadec，隨著蜂巢式標(biāo)準(zhǔn)從3G發(fā)展到4G，RF前端必須因應(yīng)的頻段數(shù)量從4個(gè)大幅增加到了30個(gè)。
智能型手機(jī)中支持的頻段數(shù)越來越多，徒增RF前端的復(fù)雜度（來源：Yole Développement）
隨著5G技術(shù)和應(yīng)用逐漸到位，情況將會(huì)變得更加復(fù)雜。雖然5G在理論上是一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，但它有三個(gè)重要的組成元素：用于物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的5G、使用sub-6 GHz頻段的5G，以及使用mmWave的5G。以RF技術(shù)來看，Troadec觀察到“這意味著必須把不同性能的組件整合在一起。”
這表示5G將遵循“不同實(shí)施階段、不同5G版本平行發(fā)展”的方向。換句話說，不會(huì)有一種統(tǒng)一的5G RFFE，而是“5G IoT、5G sub-6 GHz和5G mmWave各自依其路徑發(fā)展，并分別以其RF系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)進(jìn)展建立平行的生態(tài)系統(tǒng)。”
那么，每一種5G技術(shù)將分別采取哪些RFFE路徑發(fā)展？Troadec認(rèn)為，5G mmWave技術(shù)將會(huì)帶來最具顛覆性的創(chuàng)新。她并預(yù)計(jì)接下來將會(huì)需要重新更改設(shè)計(jì)以及采用新的材料。
值得慶幸的是，5G mmWave可以終結(jié)目前用于2G、3G和4G RF前端系統(tǒng)中基于SiP技術(shù)的復(fù)雜前端模塊應(yīng)用。Troadec解釋說：“你可以根據(jù)先進(jìn)的CMOS或SOI技術(shù)，設(shè)計(jì)每一個(gè)建構(gòu)模塊——包括功率放大器(PA)、低噪聲放大器(LNA)、濾波器、開關(guān)和被動(dòng)組件。”這將會(huì)為許多以前較欠缺RF專業(yè)技術(shù)的數(shù)字芯片供貨商帶來開發(fā)SoC前端模塊的機(jī)會(huì)。
同時(shí)，對(duì)于在6GHz頻段以下(sub-6 GHz)的5G技術(shù)，Troadec認(rèn)為它將建立在漸進(jìn)式創(chuàng)新的基礎(chǔ)上。她解釋說，在這個(gè)頻段上預(yù)計(jì)只需要以變化最小的材料清單(BoM)更改目前的RF封裝架構(gòu)即可。
由于5G IoT將使用低于1GHz的頻率，因此，Troadec認(rèn)為在這個(gè)頻段上，5G RFFE的半導(dǎo)體封裝“只需要很少或幾乎無需創(chuàng)新”。盡管如此，針對(duì)大量IoT裝置產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳輸問題的5G IoT規(guī)范和協(xié)議，至今尚未完成定義和標(biāo)準(zhǔn)化。
各種不同版本的5G技術(shù)平行發(fā)展（來源：Yole Développement）
RF供應(yīng)鏈中有哪些“大咖”？
在深入探索5G的RF解決方案細(xì)節(jié)之前，讓我們先看看目前有哪些主要的RF組件和模塊供貨商。
通常，RF前端模塊是由諸如RF開關(guān)、PA/LNA、RF濾波器和天線組件(調(diào)諧器和開關(guān))等RF組件組成的。
在這個(gè)擁擠的RF供應(yīng)鏈中，主要的RF廠商包括Sony、村田(Murata；2014年底收購(gòu)Peregrin Semiconductor)、Skyworks、Qorvo、英飛凌(Infineon)、博通(Broadcom)/Avago、Cavendish Kinetics、TDK EPCOS等。
每一家公司都有自己專有的RF組件，通常各自采用不同的基板和制程技術(shù)。這些技術(shù)選擇包括從RF-SOI和BiCMOS到bulk CMOS、氮化鎵(GaN)和RF MEMS等包羅萬象。
由于不同類型的RF組件分別采用不同的制程技術(shù)，因此，當(dāng)今用于整合RF模塊的途徑通常選擇的是SiP，而非SoC的形式。
目前，對(duì)于2G、3G、4G以及5G的6 GHz以下頻段，Troadec證實(shí)，“滿足智能型手機(jī)中嚴(yán)格無線性能要求的唯一方法就是SiP途徑。”
（來源：Yole Développement）
目前沒有任何一家RF組件供貨商有能力擁有每一種最佳技術(shù)。Troadec解釋說，在RF前端整合中，“每一種建構(gòu)模塊都需要非常專用的技術(shù)：使用砷化鎵(GaAs)技術(shù)的最佳PA、使用SOI技術(shù)的最佳開關(guān)、使用表面聲波(SAW)和體聲波(BAW)的最佳濾波器，以及使用硅鍺(SiGe)技術(shù)的最佳LNA等。”
Troadec并表示：“博通、Murata、Qorvo、Skyworks和TDK/高通，則是目前能夠?yàn)镽F前端模塊提供SiP制程技術(shù)的廠商。”
她解釋說，每一種產(chǎn)品都有各自的特性要求，例如高頻模塊、中頻模塊、低頻模塊和多樣化接收模塊等，分別采用了“整合多任務(wù)器的PA模塊”(PAMiD)或是“整合多任務(wù)器的前端模塊”(FEMiD)形式。PAMiD是高度整合的客制模塊、性能導(dǎo)向但成本高，僅限于蘋果(Apple)、三星和華為等幾家業(yè)者采用；而FEMiD則提供較優(yōu)的性能和成本折衷，較受LG和手機(jī)公司等二級(jí)(Tier 2)智能型手機(jī)制造商的青睞。
她總結(jié)道：“我們確實(shí)看到只有少數(shù)幾家公司能夠在此高度技術(shù)混合的環(huán)境中發(fā)揮作用。”
5G sub-GHz：沿用SiP...
隨著蜂巢式產(chǎn)業(yè)朝向5G方向發(fā)展，對(duì)于5G sub-GHz的RF前端模塊而言，預(yù)計(jì)仍將沿用相同的原則——SiP整合。
然而，據(jù)Yole指出，針對(duì)SiP和封裝內(nèi)部的更多整合，未來將會(huì)發(fā)生一些變化。Troadec解釋說，這些新的措施包括在基于SOI的平臺(tái)上整合LNA和開關(guān)于同一芯片中，以及采用更多用于濾波器的晶圓級(jí)封裝(WLP)途徑，以節(jié)省芯片空間(例如，目前只有博通采用這種方法，以及Qorvo正在開發(fā)這種方法)。此外，晶圓級(jí)封裝途徑也適用于封裝PA (至今仍采用線接合方式)。
5G mmWave：從SiP到SoC
無疑地，5G mmWave RF前端模塊將徹底改變最復(fù)雜的RF組件/模塊供應(yīng)鏈。由于使用各種不同的制程技術(shù)，因而制造出大量復(fù)雜的RF組件。未來，即將出現(xiàn)的可能是在基于先進(jìn)CMOS或SOI技術(shù)實(shí)現(xiàn)的SoC中導(dǎo)入mmWave前端模塊。
讓5G mmWave得以在SoC中設(shè)計(jì)RF模塊的原因有很多。
首先，Troadec解釋說，5G mmWave意味著它正轉(zhuǎn)向帶寬可用的頻譜區(qū)域。“因此，我們并不需要很多頻段來發(fā)送信息，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了它的無線架構(gòu)。”
因此，這也降低了對(duì)于濾波器技術(shù)的限制。“模塊中不必再進(jìn)行高階濾波，”然而，她提醒道，“我們?nèi)匀槐仨氃诓煌臒o線技術(shù)(4G或5G sub-6 GHz以及5G mmWave)之間切換高階開關(guān)(高度隔離、線性度)。
她還指出，針對(duì)4G技術(shù)，“我們使用了每頻段20MHz帶寬的載波聚合(carrier aggregation；CA)，而且還使用了多個(gè)頻段。因此，它需要高階濾波器技術(shù)，以區(qū)別每個(gè)頻段中的每個(gè)訊號(hào)，但目前只有BAW組件(MEMS技術(shù))可用。
另一個(gè)重要的因素是5G mmWave將采用波束成形(beam-forming)技術(shù)，使其得以形成波束，同時(shí)向多個(gè)用戶傳送信息。“這將會(huì)降低PA功率發(fā)射的限制和要求。另一方面，這也意味著CMOS技術(shù)能夠發(fā)揮作用。”她補(bǔ)充說：“在mmWave頻率下，電感變小了；因此，就可能采用CMOS/SOI技術(shù)整合被動(dòng)組件了。”
然而，Troadec再次強(qiáng)調(diào)，對(duì)于5G mmWave RF模塊而言，限制因素之一似乎就在于整個(gè)系統(tǒng)的功耗。“為什么我們必須厘清這個(gè)問題？而且，至今還沒有人從技術(shù)上解釋為什么，以及必須做些什么，”才能解決這個(gè)問題。
進(jìn)軍RF領(lǐng)域的新進(jìn)業(yè)者
一旦業(yè)界轉(zhuǎn)而采用CMOS或SOI技術(shù)，在SoC中設(shè)計(jì)5G mmWave RF前端模塊，目前的RF生態(tài)將會(huì)從一個(gè)看似和諧的RF前端模塊供貨商俱樂部(如博通、Murata、Qorvo、Skyworks 以及TDK/高通)開始發(fā)生變化。
Troadec指出，英特爾和高通已經(jīng)準(zhǔn)備好進(jìn)軍手機(jī)調(diào)制解調(diào)器和收發(fā)器業(yè)務(wù)了，他們很有希望能夠掌握無線RF領(lǐng)域以及提供端對(duì)端的解決方案。這些公司的目標(biāo)在于“為RF產(chǎn)業(yè)鏈帶來由上而下的完整自家設(shè)計(jì)”。
如果博通收購(gòu)了高通…
從博通和高通旗下的產(chǎn)品和技術(shù)領(lǐng)域來看，手機(jī)市場(chǎng)是這兩大巨擘極具業(yè)務(wù)互補(bǔ)性的市場(chǎng)。 根據(jù)Troadec的觀察，博通高度定位于無線和Wi-Fi領(lǐng)域，而高通則廣泛經(jīng)營(yíng)應(yīng)用處理器(AP)、調(diào)制解調(diào)器、收發(fā)器、Wi-Fi/藍(lán)牙(BT)等市場(chǎng)，再加上恩智浦(NXP)的NFC及其微控制器(MCU)業(yè)務(wù)。
如今，高通逐漸從5G mmWave領(lǐng)域取得了市場(chǎng)動(dòng)能，而博通則專注于sub-6 GHz。Troadec表示，如果兩家公司的收購(gòu)案之前沒有被美國(guó)總統(tǒng)川普擋下來，那么，博通和高通的整并“將會(huì)在市場(chǎng)上形成高度寡頭壟斷的局面。”她質(zhì)疑說：“這就是為什么我們看到英特爾變得十分擔(dān)心，并試圖介入這項(xiàng)收購(gòu)案的討論，甚至還撂下考慮收購(gòu)博通的話來。”
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