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GaN基射频功放 vs 硅基射频功放:5G时代谁主沉浮!来源: 日期:2021-02-25 08:36:09  阅读:-

    硅仍然在6 GHz以下获胜,但之后GaN看起来越来越有吸引力。

    推出5G毫米波频率的全球竞赛可为氮化镓(GaN)作为硅的替代品提供了一个备受期待的市场机会。

    对于5G RF,GaN比硅更节能。实际上,多年来GaN一直是5G功率放大器中硅工艺的继承者,特别是在mmWave 5G网络方面。使其如此具有吸引力的是它能够在比可比较的横向扩散MOSFET(LDMOS)器件小得多的区域内有效地处理更高电压。此外,它可以提供比标准硅更宽范围的mmWave(毫米波)频率。

    “大部分差异与晶体管的工作电压有关,其中GaN可以承受50V甚至更高的电压,28nm CMOS可能是1.8V,”ADI公司射频/微波放大器和相控阵IC产品总监Keith Benson说。 “最后,功率是电压乘以电流,更高的工作电压使产生高功率变得更容易。关于GaN与硅的比较,一般来说,这是一个复杂的答案,因为它们非常不同。从晶圆成本来看,GaN仍然很昂贵,但掩模成本远远低于尖端CMOS的成本。“

    GaN基射频功放 vs 硅基射频功放:5G时代谁主沉浮

    图1

    图1:比较微波频率范围内不同材料的功率和频率,包括mmWaves。来源:ADI公司

    这是一个开始,但5G有一系列问题需要解决,因为它从6GHz以下的频率范围扩展到毫米波频率饿技术。

    “从技术角度来看,5G存在衰减问题,需要多个天线才能使用空间复用技术来改善信号质量。每个天线都需要专用的RF前端芯片组[和功率放大器],“Veeco首席技术官Ajit Paranjpe说。 “如今,GaN正在逐步取代特定应用中的硅,例如4G / LTE基站的RF放大器前端。”

    下一代设计将为小型设备(微蜂窝,毫微微蜂窝甚至更小的接入点)打开通向GaN的大门,尽管出于不同的原因而不是追求更高功率的通信设备。

    “对于功率负荷较低的设备而言,其优势在于占地面积,而不仅仅是在电路板空间,以及天线的布局,”Paranjpe说。 “这就是GaN提供最佳配合的地方,因为它可以在更高的电压下工作。”

    然而,根据EJL无线研究公司总裁Earl Lum的说法,在大盒子的情况下,问题在于浪费了多少电力,而不仅仅是使用了多少电力。 “那些[功率放大器]只有30%或35%的效率,所以如果你把100瓦放入其中,你只能传输35%的有用功率而另外65%的功率变成了热量。”

    在最近的一次上海会议上,华为展示了带有独立液体冷却系统的基站。这似乎有些过分,但基站芯片的密度会产生大量的热量。 Lum说,大多数其他原始设备制造商坚持使用传统方法,但展出的铝翅片和其他散热机构有很多异常长的铝散热翅片。

    大多数芯片制造商的回应是假设他们会支持这两种材料,尽管有一些人正在努力推动一方面或者另一方面的发展。

    Qorvo,Wolfspeed,恩智浦,住友和其他芯片制造商 - 尤其是那些在微波通信市场拥有丰富经验的芯片制造商 - 多年来一直在推动GaN作为LDMOS在5G基站功率放大器(PA)和其他应用中的继承者。

    “5G驱动的数据需求和物联网的开始将需要容量和速度,例如,mmWave技术可以提供,”Wolfspeed RF产品线副总裁兼总经理Gerhard Wolf说。 “碳化硅(SiC)上的GaN是mmWave技术的最佳材料,因为它具有高功率密度和高频率的工作能力。”

    Cree / Wolfspeed是对碳化硅(SiC)基GaN(GaN-on-SiC)需求增长做出重大赌注的公司之一。事实上,它在5月宣布计划投资10亿美元,使用重新设计的253,000平方英尺的工厂将其GaN-on-SiC的产能扩大30倍,该工厂目前在其位于北卡罗来纳州达勒姆的总部附近生产150毫米晶圆。 “这直接回应了对下一代技术的需求,”沃尔夫说。 “今天,通信基础设施客户正迅速对5G产品进行大量预投资,我们很自豪能够引领这一运动。”

    根据YoleDéveloppement的6月报告,预计国防工业以及4G和5G移动电话市场的销售增长将推动GaN元件的销售额从2017年的3.8亿美元增加到2024年的20亿美元。然而,该公司指出,民用无线市场中绝大多数的PA都是基于硅的。

    6GHz以下频段

    同一份报告还预测“在经济高效的LDMOS技术方面取得了显着进展”,允许芯片在6GHz以下,有源天线和大规模MIMO实施中继续挑战GaN。

    这一进展几乎肯定会包括为mmWave网络开发标准硅元件,正如长期射频系统设计师Anokiwave所做的那样 - 同时增加功能以减少校准相控阵天线的工作量并减少多达三分之一的功耗。

    Anokiwave首席战略官阿拉斯泰尔•厄普顿(Alastair Upton)表示,“GaN在孤立用途和一些已经很受欢迎的高能量应用中表现良好 - 特别是LiDAR和雷达”,他利用公司在构建相控阵天线组件方面取得的成功。标准LDMOS的控制器作为证据来说明GaN是不必要的。 “我们在2016年推出了第一款28GHz的芯片,每一代产品的尺寸和重量都提高了几个数量级。我们继续以非常快的速度降低成本。“

    但Upton指出,至少对于低于6GHz的5G版本,GaN芯片必须与硅的规模经济竞争,同时只有微不足道的额外收益。

    优秀的设计师可以让硅做出令人惊讶的事情,但是大型放大器散热的速度要比小型放大器慢。 GaN电源供应商Efficient Power Conversion(EPC)的联合创始人兼首席执行官Alex Lidow表示,GaN或其他任何能够在更小的空间内处理与硅相同的电压,使整个过程更加节能。

    “镓是一种比硅更好的半导体,”Lidow说。 “这已经有一段时间了。”

    传统上,GaN比硅更昂贵,而且当按照比重对比时,两者仍然存在很大差异。但Lidow表示,在硅或碳化硅上外延放置GaN及其元件的工艺可使GaN有效地与硅相媲美,有时成本还要稍低。

    ADI公司的Benson指出了一个相关的趋势。 “工艺技术最终已经发展到足以可靠地投入系统的程度,”他说。 “在工厂准备投入实际系统之前,工厂花了十多年才消除了许多问题。”

    不可避免的散热问题

    由于峰值功率和最小功率要求之间的巨大差异,功率放大器和RF前端的热问题是特有的,而GaN尤其适用于此。

    “你必须提供相同数量的电力,无论你是以非常高的功率进行传输,还是以非常低的功率进行传输,这是大部分时间,并且额外的功率会以热量的形式消散,”安德鲁·扎伊说。安德鲁·扎伊是雷神公司首席工程师,同时他也是IEEE最近举办的国际微波研讨会5G峰会主席。 “有一种iPhone手机中使用的技术,称为包络跟踪,可让您在任何时刻调整所需的电平,而不是在最坏的情况下偏置。但是如果你正在使用幅度修正波形,那么你总是会遇到最坏情况与平均值情况对比相关的问题。“

    Lidow表示,包络跟踪是GaN的关键功能优势,因为硅PA不能快速上下切换电源电压水平,以使该技术有效。 “对于PA来说,包络跟踪并不容易,因为您需要实时调整以实时跟踪功率。硅不能足够快地完成它,这就是为什么它很长时间没有实现。不过,节省的大笔费用不在电费账单上。不仅仅是散热问题,尺寸和重量也非常关键:与50磅重的天线相比,将500磅重的天线放在建筑物侧面可能有所不同。这是一个很大的卖点。“

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    图2

    图2:宽带隙芯片(绿色)与其他材料(灰色)相比。资料来源:美国能源部。

    系统设计,而不是材料,但是是作为一种替代

    尽管如此,虽然GaN可能会进入硅领域,但实际上不太可能取代硅。

    “镓,以及其他一些III-V材料在某些性能指标上具有合理的优势,而且它们发挥了重要作用 - 特别是在国防和辐射强化型设备中,”Cyber​​Optics首席执行官Subodh Kulkarni说。 “然而,这些应用场景在工艺层面上本质上难以控制。硅更宽容和可控。这些材料有一些有趣的事情要改进,但我不认为硅会马上消失。“

    其他人也同意这个观点。 “随着技术的发展,尺寸将缩小,我们将看到更多5G的超精益设计方面,本来应该通过在不需要时将部分基站置于睡眠状态来帮助管理电源和散热问题“在ANSYS负责全球营销,合作伙伴关系和CXO通信的Rajeev Rajan说。 “三星已经表示,根据用于数字前端的ASIC密度,他们会看到部分组件可以减少25%。我们将看到高通和诺基亚以及其他一些公司的更多优化,这时我们将获得更好的手机和更多的消费者接受。

    ANSYS的高科技行业战略和市场营销主管Sudhir Sharma指出,虽然液体冷却的效率比空气冷却高出许多倍,但它可能不会取代移动网络基站的空气冷却解决方案。

    初始实现不太可能与以前的版本有显著的差异,但随着技术从Sub-6 GHz发展到mmWave(毫米波),这将变得越来越复杂。

    “这些非常高的频率意味着您必须真正大幅提高灵敏度,并且当您尝试将模块和RF IC组合在一起时,”Cadence定制IC和PCB组的高级组主管Ian Dennison说。 “交叉依赖性非常高。因此,您现在需要人们同时佩戴多个帽子并同时设计封装基板和IC。“

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    芯片面临巨大的转折机遇

    本森对此表示赞同。 “通常分布的放大器往往比标准级联放大器更大,效率更低,增益更低,”他说。 “但分布式放大器能够轻松实现非常宽的带宽,这使它们具有吸引力。”

    不仅仅依赖于散热器和宽基带材料,运营商很可能会改变网络拓扑结构和硬件配置,以便将射频传输负载分散到许多中型基站上。它们还可以将光纤运行到不同级别的微蜂窝,以避免只有少数基站具有非常高的功率和传输水平。

    小基站论坛( Small Cell Forum)的研究表明,通过限制每个设备的连接数量和使用基站更像是采用小基站的固定无线接入点,可以降低功率需求。此外,组件或网络节点可以在低活动时选择性地断电。但核心问题仍然是芯片和芯片组的基本设计,使节能更容易,而不是更困难。

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    芯片面临巨大的转折机遇

    “可能存在我看不到的系统设计问题,但我想知道为什么首先需要这么多天线元件,”EJL的Lum说。 “例如,经验法则,对于形成2 x 2 MIMO块的每四个偶极子元件,可能需要一个芯片。所以,如果你有一个512单元的天线阵列,除以4,你需要128个芯片用于一个无线基站扇区。乘以三,你需要为该阵列提供大量芯片。如果我是一家芯片公司,我很乐意销售所有这些芯片,但是你为这些芯片中的每一个增加了热量,并且不知道散热会是什么样的。那么,为什么需要这么多天线单元呢?您不希望天线元件数量最少化吗?另一方面讲,从我看到的例子中,LDMOS也正好通过了所有测试,达到mmWave(毫米波)所需的功率水平。因此,除非有充分的理由进行转换,否则现在可​​能会更好 - 更便宜或更稳定。“

    Paranjpe说,根本的问题是,有多少复杂的功能可以构建成单个均匀的芯片或SoC。

    “这不是一个简单的答案,但你必须决定是否可以高速进行基带处理,以及单片上需要RF开关和功率放大器,”Paranjpe问道。 “我不确定这是否真的有可能。这些要求与基带和毫米波有很大不同。调和它们将非常困难。“

    (正文已结束)

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