格芯
推動5G部署 多樣射頻半導體技術展妙用
儘管這些令人振奮的發展還未到來,但5G部署正在發生,速度遠超想像。例如,2018年底5G的毫米波頻譜拍賣就已開始,目前仍在進行;5G技術標準制定過程已基本完成;Verizon和AT&T已經在美國特定地區推出使用毫米波的固定無線服務,作為行動毫米波5G的先驅,而中國計畫在2019年部署20萬個5G基站,日本、韓國和瑞士也積極成為早期採用者;此外,5G所需的資料中心、網路基礎設施、用戶端設備(CPE)和行動系統也在大力發展。
因此,預計未來幾年的網路流量將呈指數成長。估計到2024年,行動資料流量的年複合成長率將達31%,年度全球行動資料流量每月約為136艾位元組(Exabyte),其中5G約占25%。此外,隨著新應用需求出現、用戶增加,越來越多的用戶參與傳輸和處理大量資料的活動,如高解析影片,流量不斷成長的同時,複雜性也會增加;體育、音樂會及其他活動的現場直播、串流式影片服務等。
5G催動半導體射頻技術演進
面對流量、複雜性和智慧手機5G化挑戰,架構更改勢在必行。而對於這些應用的晶片設計者來說,必須打造出射頻、功耗和性能優化的設備,才能使產品脫穎而出。隨著5G應用的發展,還必須在設計和製造生態系統中降低這些晶片的生產成本,說明晶片快速上市,從利用現有4G/LTE架構和6GHz以下頻段的初始設計,到針對毫米波頻率架構的設計。
為此,晶圓代工業者如格芯(GlobalFoundries)為智慧手機晶片設計者提供一系列久經考驗的創新型射頻技術,隨時可用於5G部署且具有廣泛的特性、功能和能力,可以不同方式組合,創建5G應用所需的特定屬性。
本文將探討格芯技術對智慧手機和其他移動設備5G部署的貢獻。首先討論6GHz以下頻率應用的晶片設計方法,充分利用部分現有4G頻段(700MHz、2.5GHz等)以及3.3GHz至5GHz頻段來實現5G。該頻率範圍內的晶片開發通常包括設計「改進」,而不是全部重新設計。因此,第一代5G智慧手機主要基於6GHz以下。
本文將探討在24GHz以上頻率毫米波(mmWave)頻段中的5G應用。這些頻段資料傳輸速率極高,但需要將多根天線組合成天線陣列,以擴展毫米波的覆蓋範圍。最後將討論Wi-Fi前端模組,因為Wi-Fi功能如今已包含在與5G系統交互的各種設備中(例如智慧手機、平板電腦、筆記型電腦、桌上型電腦、可穿戴設備和路由器)。
8SW RF SOI技術實現6GHz以下部署
在射頻電路設計中,射頻前端模組(FEM)通常包括天線與射頻收發器(發射器/接收器)之間的所有元件。包括處理從天線接收的訊號所需的開關、濾波器和低雜訊放大器(LNAs),以及透過濾波器和開關放大發送到天線的訊號的功率放大器(PA)。
對於6GHz以下的蜂窩架構,FEM是混合型,意味著使用多種技術,以便為每個元件帶來獨特的優勢,如圖1所示。GaAs用於PA,而RF SOI用於開關,SiGe或RF SOI都可用於LNA。
圖1 6GHz以下智慧手機蜂窩前端和收發器
格芯的8SW RF SOI技術採用300mm晶圓製造的全面認證高容量RF SOI代工解決方案。該解決方案經過優化,可為用於高階4G-LTE和6GHz以下5G應用的FEM中的LNA、開關和調諧器提供優異性能。
該技術基於含有大量陷阱、全銅互連、優化的金屬堆疊和MIM電容的高電阻襯底,提供較佳的導通電阻和關斷電容,可實現高隔離性能,大幅降低插入損耗(IL)和諧波。降低插入損耗是智慧手機原始設備製造商(OEM)和蜂窩網路運營商的關鍵需求,因為更低的IL會產生更強的訊號,進而減少通話斷線/斷開連接現象,提高資料速度,尤其是蜂窩邊緣。使用此一技術製造的開關在隔離性能和線性度上優於其他產品,這意味著更高的接收器靈敏度和更少的干擾,同樣會減少通話斷線/連接/串擾,最終改善用戶體驗。
另外,6GHz以下蜂窩智慧手機架構通常使用獨立收發器,直到最近,這些收發器都建立在28nm的CMOS技術上。現在,業界正在向更高性能的FinFET技術發展,使得5G系統能夠處理更多數位內容,並充分利用功耗較低的類比電路。
45RFSOI 技術滿足毫米波前端模組設計
毫米波頻段中的5G架構正在不斷發展,因此前端模組設計因客戶而異。
以FEM為中心的設計選項之一是部分整合方法,其中整合了毫米波PA、LNA、開關、移相器、功率合成器/分相器,某些情況下還有RF/毫米波上/下變頻轉換器。這些轉換器將毫米波從中間頻率(IF)轉換為高於6GHz但遠低於毫米波水準(反之亦然)。訊號通常處於7~12GHz的範圍內。這被稱為「高IF」架構,利用了IF頻率(而不是毫米波頻率)下FEM和收發器之間的較低互連損耗。選擇IF頻率是為了不干擾同一手機中的其他6GHz以下訊號。
另外一種整合方法是使PA保持獨立,而不是與其他FEM元件(LNA、開關、移相器和功率合成器/分相器)整合在同一晶片上。另一個以FEM為中心的設計選擇是完全整合的方法,其整合了包括收發器在內的整個子系統,但不包括數據機介面。
選擇使用獨立FEM模組的毫米波的客戶需要大功率高RF性能的PA,為此,可使用45RFSOI製程;透過增加以RF為中心的增強功能,利用久經驗證的45nm部分耗盡型絕緣體上矽(PD-SOI)技術的固有優勢,並可提供更佳的毫米波FEM性能。優勢包括:
.用於高線性度開關的高電阻率襯底、LNA以及毫米波頻率下的低損耗互連。
.高High ft/fmax(290/410GHz)和堆疊能力的PA,具有更高的最大輸出功率(Psat)和功率增益,效率更高;高功率容限開關,提供低插入損耗(0.65dB5)
.經優化的低損耗後段制程(BEOL)製程,提供低雜訊係數(NF)LNA(1.3 dB5)和低損耗互連,以及移相器和功率分相器/組合器等被動元件。
另外,使用45RFSOI製程可以實現更高的Psat和更低的NF,進而增加PA的功率附加效率(PAE),減少實現給定等效全向輻射功率(EIRP)輸出所需的天線列陣元件數量。這意味著更少的電池電量消耗和更好的熱管理。PA功率效率和熱管理至關重要,因為電池壽命是行動設備的關鍵要求,同時風扇或散熱器無法適應越來越輕薄的行動設備。此外,所需的陣列元件越少,天線模組就越小,最終降低封裝成本。該技術同樣非常適合毫米波5G小型蜂窩中的整合式FEM,因為它提供獨特功能,可設計Psat高達23dBm且最高效率>40%的晶片。
除了上述所提,還有22FDX製程可實現全整合5G毫米波無線解決方案。
與bulk CMOS技術相比,採用22FDX技術構建的功率放大器可節省34%的發射功耗和14%的總功耗,延長10%的電池使用時間並減少熱量。此外,22FDX不需要PA功率合成器,即可實現PA的完全整合,並縮小元件尺寸,提高效率。
在LNA性能方面,22FDX的雜訊係數比CMOS提高約30%,實現更佳的訊號覆蓋範圍和更少的通話斷線率。據估計,22FDX可將覆蓋距離增加約6%。此外,22FDX的開關性能至少比CMOS提高50%,同樣可增強訊號,減少通話斷線。這相當於將靈敏度提高了0.85dB,鑒於設計人員通常需要爭奪數十分之一dB的插入損耗差異,這一優勢尤為突出。
Wi-Fi 功能增加增添設計難度
多年來,Wi-Fi前端的功能不斷增加,以滿足Wi-Fi設備技術標準(例如802.11 a/b/g/n/ac)不斷成長的性能要求。最新的Wi-Fi標準是802.11ax,涵蓋2.4、5.8GHz以及新興的6GHz頻段,最高可達7.125GHz頻率範圍。
如圖2所示,Wi-Fi無線電架構各不相同。它們可能包括獨立的FEM和收發器,或整合式FEM和收發器,有時還包括整合式數據機。
獨立的Wi-Fi FEM可以是帶開關+PA+LNA的整合模組(圖2中的小點線框),也可以是帶有單獨分立PA的開關+LNA。8SW技術旨在為Wi-Fi開關+LNA提供更佳解決方案,同時實現與前面提到的蜂窩開關相同的性能優勢。此外,8SW經過優化,可在基於RF SOI的LNA中提供令人滿意的低雜訊、高增益和高線性度優勢。
圖2 2×2 MIMO的Wi-Fi模組原理圖
對於高性能分離PA,一些設計人員會選擇砷化鎵(GaAs)。而別的設計人員通常會採用整合方法;而SiGe BiCMOS功率放大器技術可說明他們在性能、整合和成本效率之間取得最佳平衡;而SiGe PA技術則基於矽基板,與砷化鎵替代品相比,性能相似但模組更小,因此具有整合優勢。所有SiGe PA產品均採用經過生產驗證的矽穿孔(TSV),可實現低成本封裝解決方案。
總結來說,晶圓代工者提供廣泛的差異化RF技術,幫助整個5G行業實現強勁成長。無論是6GHz以下應用、mmWave 5G應用,還是先進的Wi-Fi無線電,這些多樣化的技術都能為5G解決方案帶來特定的益處,幫助設計人員打造優化5G性能的設備,並在功率、性能、RF功能和特定應用功能之間取得平衡。
(本文由GlobalFoundries提供)
台積電和格芯透過全球專利交互授權全面解決雙方爭訟
台灣積體電路製造股份有限公司(TSMC)與格芯(GlobalFoundries)今(29)日宣布撤銷雙方之間及與其客戶相關的所有法律訴訟。隨著台積公司和格芯持續大幅投資半導體研究與開發,兩家公司已就其現有及未來十年將申請之半導體技術專利達成全球專利交互授權協議。
此項協議將確保台積公司及格芯的營運不受限制,雙方客戶並可持續獲得兩家公司各自完整的技術及服務。
格芯執行長Thomas Caulfield表示,很高興能夠很快地和台積電達成協議,此項協議認可了雙方智慧財產的實力,使兩家公司能夠聚焦於創新,並為雙方各自的全球客戶提供更好的服務。同時,該協議也確保了格芯持續成長的能力,對於身為全球經濟核心的半導體業而言,也有利整個產業的成功發展。
台積公司副總經理暨法務長方淑華表示,半導體產業的競爭一直以來都相當激烈,驅使業者追求技術創新,以豐富全球數百萬人的生活。台積公司已投入數百億美元資金進行技術創新,以達今日的領導地位。此項協議是相當樂見的正面發展,使我們持續致力於滿足客戶的技術需求,維持創新活力,並使整個半導體產業更加蓬勃昌盛。