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功率放大器（Power Amplifier, 簡(jiǎn)稱PA）是射頻前端信號(hào)發(fā)射的核心器件，其性能的高低直接影響終端設(shè)備的通信質(zhì)量和實(shí)際體驗(yàn)，在射頻前端芯片中處于較為核心的地位。
在對(duì)性能不十分苛求的市場(chǎng)領(lǐng)域，CMOS PA正成為GaAs PA的替代產(chǎn)品
近年來，在終端設(shè)備設(shè)計(jì)持續(xù)小型化的趨勢(shì)下，射頻前端模組化的趨勢(shì)日益明顯。與此同時(shí)，隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，在無線通信、雷達(dá)、導(dǎo)航、衛(wèi)星通信、電子對(duì)抗設(shè)備等系統(tǒng)中具備無線通信功能的終端設(shè)備種類愈加豐富，這帶動(dòng)了射頻PA市場(chǎng)的高速發(fā)展。
根據(jù)Yole的數(shù)據(jù)，2019年射頻功率放大器模組的市場(chǎng)規(guī)模為53.76 億美元，為射頻前端市場(chǎng)規(guī)模最大的細(xì)分領(lǐng)域。據(jù)其預(yù)測(cè)，未來6年P(guān)A市場(chǎng)將保持11%的增長(zhǎng)率，到2025年市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到89.31 億美元。
作為最重要的射頻前端芯片，PA與射頻前端行業(yè)的整體市場(chǎng)格局相似。根據(jù)Yole 的數(shù)據(jù)，思佳訊、科沃、博通三家廠商占據(jù)全球80%以上的PA市場(chǎng)份額。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)方面，以唯捷創(chuàng)芯、慧智微、昂瑞微為代表PA企業(yè)已具備成熟的射頻功率放大器模組產(chǎn)品，其中唯捷創(chuàng)芯4G PA模組累計(jì)出貨超12億顆，實(shí)現(xiàn)了對(duì)小米、OPPO、vivo 等終端品牌廠商的大批量供應(yīng)。
地芯科技副總裁張頂平表示：射頻前端雖然整體市場(chǎng)不大，但競(jìng)爭(zhēng)也非常激烈，目前大概擠入了二十多家公司。這些公司不僅擁有相同的晶圓、架構(gòu)設(shè)計(jì)和客戶，而且產(chǎn)品還PIN TO PIN 兼容。因此在這種背景下，如果想要脫穎而出，就要做出差異化創(chuàng)新的產(chǎn)品及服務(wù)，并且還要有一個(gè)比較大的應(yīng)用場(chǎng)景去供公司成長(zhǎng)，這樣才有可能在同質(zhì)化的競(jìng)爭(zhēng)中走出來。
業(yè)內(nèi)周知，數(shù)字芯片主要依靠不斷縮小線寬的制程實(shí)現(xiàn)技術(shù)升級(jí)，而射頻前端芯片與數(shù)字芯片不同，它的技術(shù)升級(jí)主要依靠新工藝和新材料的結(jié)合。
發(fā)展至今，射頻領(lǐng)域已經(jīng)經(jīng)歷了多代材料及工藝的迭代。
具體來看，第一代射頻材料以硅（Si）為主要原料，工藝以RF CMOS為代表，包括Bulk-Si和SOI工藝，主要滿足智能手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)等中低頻段射頻前端芯片的性能要求；第二代射頻材料以砷化鎵（GaAs）為代表，在高頻領(lǐng)域有著較好的性能，是目前智能手機(jī)、路由器等射頻芯片主流應(yīng)用材料；第三代射頻材料工藝以氮化鎵（GaN）為代表，其禁帶寬度更寬、擊穿電壓更高、飽和電子速率更快，能承受更高的工作溫度（熱導(dǎo)率高），主要應(yīng)用在5G 基站及小基站領(lǐng)域。
因?yàn)榉夏柖，并且具有低成本、低功耗和高集成度等?yōu)勢(shì)，CMOS工藝是集成電路中最為廣泛使用的工藝技術(shù)，在過去的數(shù)十年飛速發(fā)展。尤其在對(duì)性能不十分苛求的市場(chǎng)領(lǐng)域，CMOS PA的低成本優(yōu)勢(shì)讓其在各大應(yīng)用上極具競(jìng)爭(zhēng)力，正成為 GaAs PA的替代產(chǎn)品。
從國(guó)外來看，思佳訊、科沃、博通、高通、村田等射頻前端大廠針對(duì)手機(jī)、基站、物聯(lián)網(wǎng)等場(chǎng)景此前都發(fā)布了一系列基于CMOS工藝的PA產(chǎn)品；國(guó)內(nèi)市場(chǎng)方面，漢天下（現(xiàn)更名昂瑞微）、飛驤科技、紫光展銳（銳迪科）緊隨其后，也陸續(xù)研發(fā)出一系列CMOS PA產(chǎn)品，并順利推向市場(chǎng)。
值得強(qiáng)調(diào)的是，按照架構(gòu)的不同，CMOS PA可分為飽和和線性兩大類別。其中在2G GSM、BLE、Zigbee等通信制式的恒包絡(luò)信號(hào)飽和CMOS PA領(lǐng)域，CMOS工藝已經(jīng)成為主流；而在CDMA、3G WCDMA、4G LTE、5G、WiFi4/5/6等為幅度調(diào)制的寬帶信號(hào)線性PA領(lǐng)域，CMOS工藝鮮有建樹，各類公司目前都無法取得突破與成功，技術(shù)依然停留在飽和PA的水平。
張頂平指出：CMOS PA相較于GaAs PA，具有高集成度、低成本、漏電流低和導(dǎo)熱性好、設(shè)計(jì)靈活性高等優(yōu)勢(shì)，但由于材料特性限制，CMOS PA的電流密度低、Vknee電壓高和效率低、擊穿電壓低和線性度差等劣勢(shì)也比較明顯。針對(duì)擊穿電壓低、線性度差兩大主要問題，我們做了大量的技術(shù)創(chuàng)新和突破，用架構(gòu)的創(chuàng)新去彌補(bǔ)器件本身的一些弱點(diǎn)，然后應(yīng)用在一些低功率的場(chǎng)景，這是我們看到的一個(gè)巨大的機(jī)會(huì)。
通過架構(gòu)創(chuàng)新成功解決世界級(jí)難題！讓CMOS PA進(jìn)入主流射頻前端市場(chǎng)成為可能
地芯科技成立于2018年，是一家新興的5G無線通信、物聯(lián)網(wǎng)以及工業(yè)電子的高端模擬射頻芯片供應(yīng)商。在射頻前端芯片方面，地芯科技基于低功耗硅基CMOS技術(shù)，研發(fā)了多款低功耗、高性能的產(chǎn)品，并且在成本上和友商相比有明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，很快在射頻前端領(lǐng)域站穩(wěn)了腳跟。
站穩(wěn)腳跟后，地芯科技在過往的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上開拓創(chuàng)新，發(fā)明了一系列線性CMOS PA技術(shù)，使得CMOS 工藝的PA進(jìn)入主流射頻前端市場(chǎng)成為可能。
張頂平表示：通過對(duì)擊穿電壓和線性度的綜合考量，地芯科技以創(chuàng)新的設(shè)計(jì)架構(gòu)，攻克了CMOS PA可靠性和線性度的主要矛盾，成功解決了世界級(jí)難題。以最新推出的GC0643 CMOS PA產(chǎn)品為例，在3.4V的電源電壓CMOS工藝難以企及的2.5G高頻段，該CMOS PA可輸出32dBm的飽和功率，效率接近50%；在LTE10M 12RB的調(diào)制方式下，-38dBc UTRA ACLR的線性功率可達(dá)27.5dBbm（MPR0），F(xiàn)OM值接近70，比肩GaAs工藝的線性PA；在4.5V的電源電壓下，Psat更是逼近34dBm，并在Psat下通過了VSWR 1:10的SOA可靠性測(cè)試。
地芯科技全新CMOS PA技術(shù)平臺(tái)-地芯云騰
除了架構(gòu)創(chuàng)新之外，GC0643 CMOS PA還有具有差異的線性化電路設(shè)計(jì)，擁有低功耗、低成本、高集成度的特點(diǎn)，支持FDD LTE Bands 1,3/4,5,8、TDD LTE Bands 34,39,40,41、WCDMA Bands 1,2,3/4,5,8等多頻段多制式，可廣泛應(yīng)用3G/4G手機(jī)、低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)（LP-WAN）設(shè)備、以及無線IoT模塊等領(lǐng)域。
目前，在國(guó)內(nèi)射頻前端市場(chǎng)，唯捷創(chuàng)芯、惠智微、飛驤科技等已經(jīng)擁有先發(fā)優(yōu)勢(shì)，如何找到自己的生存空間并快速發(fā)展壯大成為了地芯科技自成立以來一直就在思考的問題。而物聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，為作為初創(chuàng)公司的地芯科技實(shí)現(xiàn)銷售額的快速增長(zhǎng)打開了突破口。
物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)一步的拓展應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)延伸，目前已在智能家居、智能儀表、 遠(yuǎn)程控制、智能音箱等領(lǐng)域已獲得較快的發(fā)展，深刻影響著家居、辦公、工業(yè)、 醫(yī)療、交通等眾多領(lǐng)域及行業(yè)。根據(jù)IDC的數(shù)據(jù)，2021年全球物聯(lián)網(wǎng)（企業(yè)級(jí)）支出規(guī)模達(dá)6,902.6億美元，未來5年將保持10.7%的符合增長(zhǎng)率到2026年支出規(guī)模將達(dá)到1.1萬億美元。中國(guó)方面，2022年中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)連接規(guī)模達(dá)56億個(gè)，市場(chǎng)規(guī)模在全球占比約為25.7%。據(jù)其預(yù)測(cè)未來5年CAGR為13.2%，將在2026年達(dá)到2,940億美元，繼續(xù)保持全球最大物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)體量。
半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的歷史就是CMOS工藝進(jìn)步的歷史。因此，歷史一再證明，一旦在滿足某項(xiàng)應(yīng)用所需的性能之后，CMOS工藝在和其它工藝的競(jìng)爭(zhēng)中，總能成為主流。
張頂平說道，隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來，CMOS PA的曙光再現(xiàn)，利用其低成本的CMOS工藝，在低功耗、低速率的物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景中有非常明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，去年我們?cè)谖锫?lián)網(wǎng)射頻前端年出貨量已達(dá)千萬片量級(jí)，未來這塊仍然將是地芯科技主要的營(yíng)收來源。
除了剛發(fā)布的GC0643 CMOS PA新品外，地芯科技在射頻前端已經(jīng)擁有GC0672、GC0609、GC0669、GC0631、GC1101、GC1103等飽和系列和GC0658、GCO60X等線性系列兩大完善的產(chǎn)品線，覆蓋藍(lán)牙、Zigbee、WiFi、NB-IOT、WiSUN、LoRa、Cat.1等各類應(yīng)用，并且已經(jīng)落地綠米、中國(guó)電信、紫光物聯(lián)等數(shù)家行業(yè)知名客戶，在2022年銷售額已達(dá)數(shù)千萬元。
經(jīng)過三年的艱苦研發(fā)，我們?cè)陲柡秃途性兩大CMOS PA領(lǐng)域都有了一定的技術(shù)積累和突破，并且產(chǎn)品也都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)全國(guó)產(chǎn)供應(yīng)鏈導(dǎo)入。未來，我們還會(huì)繼續(xù)在更高功率場(chǎng)景下進(jìn)行架構(gòu)和設(shè)計(jì)的創(chuàng)新，利用CMOS工藝做一系列差異化的產(chǎn)品，以實(shí)現(xiàn)公司的高速發(fā)展。張頂平最后補(bǔ)充道。
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