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有关5G射频,这些国内创“芯”者有话说

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    来源:中国电子报、电子信息产业网    作者:辛闻  2021-06-08 20:57:40
导读

随着5G、智能物联、云计算、大数据等的快速发展,对半导体底层技术提出了越来越多新需求、新挑战。射频器件如何适应5G时代频率提升、带宽增加的发展趋势,射频前端芯片如何兼融从2G到5G的持续升级。《中国电子报》特邀请创新型企业高层,探讨半导体产业如何抓住这轮难得的技术革新机会。北京昂瑞微电子技术股份有限公司董事

来源:中国电子报、电子信息产业网  辛闻

随着5G、智能物联、云计算、大数据等的快速发展,对半导体底层技术提出了越来越多新需求、新挑战。射频器件如何适应5G时代频率提升、带宽增加的发展趋势,射频前端芯片如何兼融从2G到5G的持续升级。《中国电子报》特邀请创新型企业高层,探讨半导体产业如何抓住这轮难得的技术革新机会。

北京昂瑞微电子技术股份有限公司董事长兼总经理钱永学:

国产射频芯片发展进入快车道

每一次通信制式的升级,都是射频芯片价值提升的机遇。目前的5G手机必然要兼顾2G/3G/4G,因此在保留2G/3G/4G射频芯片市场的同时,支持5G新频段的射频芯片成为了全新增量。据Skyworks数据,2G手机射频前端芯片价值约为3美元,3G手机增加到8美元,高端4G手机18美元,而5G手机达到25至30美元。

近年来,国内射频芯片厂商从相对成熟的分立射频芯片起步,在5G手机广泛普及前的窗口期,逐步实现了中低端机型射频前端的本土化,同时积累了模组开发能力,逐步走向全品类供应。一些射频芯片的明星企业开始覆盖三星、小米、荣耀、VIVO、OPPO等全球领先手机品牌客户,实现了射频模组产品从无到有、从有到质的突破。

北京昂瑞微电子技术股份有限公司董事长兼总经理钱永学认为,5G是下一轮科技革命的制高点,对中国实现全球创新引领至关重要。射频前端的技术创新是推动5G发展的核心引擎。在联网设备大规模增长趋势下,射频前端是成长最快、最确定的方向之一。高度集成和模组化的射频前端必将成为未来趋势。

他指出:“射频前端产业链呈现美日寡头垄断的格局,中国5G通信中,射频前端已成为最大掣肘,必须加快本土化进程,保障供应链安全。”

对国内芯片设计公司来说,这样的历史时期,既是千载难逢的历史机遇,也存在不少严峻挑战。

昂瑞微一直坚持多产品线发展战略,将手机射频前端芯片和物联网射频SoC芯片作为重要产品类别。其2G/3G/4G/5G全系列手机射频前端芯片包括射频前端模组PAMiD/PAMiF、L-FEM、MMMB、TxM、PAM等,还有射频开关、低噪声放大器、天线调谐器等。其中5G系列射频前端模组已经导入国内多家手机品牌企业。

正如钱永学所说:“只要坚守初心,勇于探索创新,就一定能够拨云见日,创造出美好的未来。”

南京星火技术有限公司总经理陈熙:

射频和人工智能协同创新助推5G通信

根据Yole预计,到2023年,全球射频元件市场将增至2450亿元,其中在5G产业中发挥重要作用的滤波器市场将提升至1575亿元,5G射频前端模块市场规模将达350亿美元,年复合增长率14%。由此可见,滤波器是未来几年射频前端元件中成长最快的元件。为助力5G产业,南京星火技术有限公司推出了全球首款基于人工智能的5G滤波器智能调谐机器人,利用全新升级的人工智能集成电路云平台,填补了自动化调试滤波器的技术空白。

陶瓷介质滤波器的介电常数较高,Q值也高,损耗小且温度漂移小,相比传统金属腔谐振器,它具有高抑制、插入损耗小、温度漂移特性好等特点,是目前5G通信领域的主流滤波方案。

陶瓷滤波器结构非常复杂,生产过程中一直都是依靠人工进行调试,通常需要40多个高难度的调试动作,工人要手持磨头对滤波器的表面银层进行去除,再通过网络分析仪进行实时监测,根据图形的不断变化进行调试,稍有差池,银层一旦打磨过度即不可恢复,就会导致产品报废。

在介质滤波器量产过程中,受不同批次材料一致性较差、生产装配误差等因素影响,每只产品必须由熟练工人反复调试,才能实现介质滤波器性能的一致和稳定。因此,对工人熟练度及实际操作经验有很高要求,而培养调试人员需要一定周期,难度也大;由于调试效果因人而异,产品质量得不到有效保障。人工调试的生产成本和产能瓶颈大大阻碍了产品规模化生产。

星火技术总经理陈熙说:“最熟练的工人调试一个滤波器需要3分钟,一天可调试100到150个,而机器人只需要60秒,24小时工作。一个机器人每天工作量相当于5名工人的总和。”

自动化调试是将介质滤波器固定于调试平台上,通过网络分析仪读取实时监测数据,将数据传输至计算机,与目标性能进行比对,通过调试算法软件分析数据,产生控制信号,驱动去除装置根据控制信号设定的银层去除量去除定量谐振孔表面银层,直至实时监测性能与目标性能相匹配。

星火技术集成电路云平台利用最先进的耦合矩阵(couple matrix)技术提取滤波器参数,运用深度强化学习技术从零开始训练Agent控制机器人动作。针对机器人建立了一整套虚拟仿真环境,用智能云平台实现数百颗GPU协同训练,算法迭代了1.2亿次才实现了良好的收敛。

通过光学系统获得环境信息的智能体可控制机器人对滤波器上任意位置进行调试。当智能体处理光学图像时,将图像编码为潜在表示,然后将其用作状态输入来代替图像本身。其中的关键在于图像编码过程中,模型学习紧凑的潜在状态表示,实现对目标的精确捕捉。

陈熙表示:“近几年人工智能、算法与其他学科交叉研究飞速发展,以前一个人一生可能恰好经历一次或零次技术革新,而我们可能不止是一次。AI和设计手段的极致结合将对集成电路设计和测试产生巨大影响,也让射频产业链的智能化水平不断提升。”

深圳飞骧科技有限公司创始人、首席运营官郭嘉帅:

国产射频芯片赶超国外还需努力

从市场规模看,全球5G网络新增30余个频段,带来了增量射频需求,也使单个终端中射频前端芯片的数量不断增加,射频价值量大幅增长。Yole的统计表明,入门及中档智能手机年出货量13亿部,单个终端射频前端用量约为10美元;4G高端手机射频价值不到30美元,而5G机型可达40美元。基站方面,5G基站采用Massive MIMO及小基站,基站数量和单个基站射频价值都有增加。总体上看,射频前端市场每年的规模将超过百亿美元,到2025年全球射频前端的市场规模将达258亿美元,年复合成长率高达8%。

深圳飞骧科技有限公司创始人、首席运营官郭嘉帅认为:“从技术趋势看,集成化、模块化是射频前端的发展趋势,不过,射频前端分立器件制造相对比较容易,要集成在一个芯片中,就要具备强大的射频设计能力了。高集成模块化有助于5G射频前端更好地处理干扰,大幅度减少射频模块的PCB面积,缩短终端射频设计周期。”他也承认:“5G移动终端需要支持大带宽新频段以及MIMO技术来实现超高数据率,这使射频实现的复杂度大大增加。”

作为一家专注射频前端、功率放大器设计和解决方案的芯片设计公司,飞骧技术洞察到行业趋势和市场需求,经过两年全力研发,在2020年6月正式发布一套完整的5G射频前端方案,实现了两个第一:第一套全面支持所有5G频段的国产射频前端解决方案;第一套采用国产工艺实现5G性能的射频前端模块。

回顾创业经历与研发历程,郭嘉帅表示,2017年前,射频芯片产业的霸主一直是SKY和Qorvo等美系厂商,其手机射频芯片市场份额在90%以上。市场的发展为国产射频芯片带来了应用机会,特别是在当前的国际环境中。

他说:“经过了6年的发展,飞骧的射频前端芯片取得了很大进展,但我们也看到了差距,这种差距会在中短期内存在。”他告诉记者,在2G/3G/4G等中低端手机市场,SKY和Qorvo基本是放弃状态,因为国产射频芯片的进步,性能与成熟度基本与美系厂商持平,甚至在部分2G/3G产品上已经成功赶超。但在5G产品等前沿高集成度产品方面,飞骧还需要一定的时间赶超。

谈到核心技术能力,郭嘉帅表示,砷化(GaAs)工艺是5G射频和WiFi射频的核心技术,飞骧已有10年研发历史。飞骧和三安是深度战略合作关系,砷化镓工艺2017年开始稳定量产,已出货4年,目前是三安最大客户。飞骧的特殊技术能力在于,它是唯一能够使用国产三安工艺做出5G产品的厂商,其他竞争者都必须依赖更高级也更昂贵的中国台湾稳懋工艺才能达到同等级性能。砷化镓技术可保证飞骧对抗美系及国内一众PA厂商。

另外,飞骧从2013年开始发展SOI开关技术(SOI是CMOS的一个分支),2016年开始发展CMOS PA技术,2020年在CMOS PA方面与昂瑞微在市场上分庭抗礼。CMOS技术给飞骧带来开关、LNA、CMOS PA三条产品线。



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