CMOS PA，二十載風(fēng)雨浮沉往事

PA(功率放大器)是射頻前端(RFFE)重要器件之一，也是中國無線通信技術(shù)的掣肘環(huán)節(jié)。盡管CMOS PA并非最新技術(shù)，甚至其已有20多年的發(fā)展歷程，但隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用不斷演進(jìn)，CMOS PA技術(shù)也開始走向前臺(tái)。

過去20多年，CMOS PA技術(shù)競爭可謂“激蕩回腸”，一些參與者消弭無跡，一些參與者卻在科技巨頭兼并整合之下悄然成長。過去十年，一些中國本土PA企業(yè)也涉入CMOS PA，扎根技術(shù)研發(fā)，取得了一定的進(jìn)展，甚至在一些細(xì)分領(lǐng)域已有趕超全球先進(jìn)水平之勢。如今看來，伴隨物聯(lián)網(wǎng)蓬勃而來，CMOS PA在未來十年內(nèi)仍將是芯片工藝技術(shù)針對(duì)性能和成本的最佳選擇。

CMOS PA的誕生

故事要從二十年前一起商業(yè)機(jī)密官司說起。

2004年2月6日，美國加州的一家創(chuàng)業(yè)公司Axiom轟動(dòng)性地發(fā)布了全球第一款CMOS PA產(chǎn)品，其支持quad-band GSM。這意味著世界上第一款可量產(chǎn)的2G CMOS PA就此面世!

2月9日，美國德州的Silab公司同樣宣布，經(jīng)過四年的研發(fā)，發(fā)布全球第一款quad-band GSM CMOS PA，并且完美適配其公司成功量產(chǎn)的Aero系列CMOS收發(fā)機(jī)芯片!

一周后，Silab公司向Axiom公司遞交律師函，狀告Ali Niknejad(原Silab實(shí)習(xí)生，現(xiàn)UC-Berkeley教授，CMOS PA一代宗師)竊取商業(yè)機(jī)密并輸送給Axiom。

然而，Axiom的技術(shù)路線與Silab實(shí)則大相徑庭。CMOS PA便在這場首發(fā)爭奪戰(zhàn)的彌漫硝煙中呱呱墜地。

Axiom的創(chuàng)始人Dr.Aoki是一位日裔科學(xué)家。他師從Caltech的IC泰斗Prof. Ali Hajimiri，自2000年甚至更早便開展基于DAT(distributed-active-transformer)架構(gòu)的CMOS PA設(shè)計(jì)。這種天才的想法克服了on-chip電感Q值低的缺點(diǎn)，單片集成了全套PA。Axiom便是他學(xué)術(shù)成果產(chǎn)業(yè)化的產(chǎn)物。在Axiom時(shí)期，Dr.Aoki又發(fā)明出一種能夠克服CMOS晶體管breakdown voltage(擊穿電壓)低的方法，巧妙地運(yùn)用了virtual ground，將NMOS晶體管的堆疊和DAT架構(gòu)完美融合，可謂巧奪天工!

1999年，猶太裔科學(xué)家Dr.Susanne Paul從MIT取得本碩博三料學(xué)位后，在加州硅谷、北卡RTP(research triangle park)和相對(duì)貧瘠的德州里選擇了德州，理由樸素且令人“啼笑皆非”：她想有一棟屬于自己的大房子，并且要用自己的雙手打造它。在德州，Susanne加入Silab便成為了CMOS PA帶頭人。當(dāng)然，她也被CMOS晶體管breakdown voltage低的問題困擾得一籌莫展。

一天，她在為草坪割草時(shí)，一個(gè)驚世想法砰然涌現(xiàn)，從此Class P架構(gòu)的CMOS PA誕生了!

2004年，DAT架構(gòu)和Class P架構(gòu)同時(shí)將CMOS PA帶到了世界。即使從現(xiàn)在看來，這兩種發(fā)明依然驚世駭俗。這莫不是一場美妙甚至精妙的邂逅?

這種碰撞開啟了CMOS PA注定不平凡的一生!Silab公司的指控間接導(dǎo)致了Axiom商業(yè)失敗，最終于2009年被射頻前端芯片巨頭Skyworks收購。Skyworks是一家擁有GaAs產(chǎn)線的IDM，面對(duì)CMOS工藝的威脅，對(duì)Axiom的收購是明顯的“buy-to-kill”。

背叛與競爭

Susanne在2007年的產(chǎn)假期間，遭到了原下屬David Buckman的“背叛”，在一場“政治風(fēng)波”中心灰意冷，憤然離職。

數(shù)月后，原Silab公司的元老級(jí)人物Dave Pietruszynski和Jim Nohrden找到Susanne，邀請她在Austin一起締造一家全新的CMOS PA公司，進(jìn)軍當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的3G。

3G PA和2G PA有著質(zhì)的區(qū)別。3G對(duì)PA線性度的要求是2G所不需要的，也是目前CMOS PA在2G統(tǒng)一了天下，但在線性PA領(lǐng)域的成功卻寥寥無幾的重要原因。因?yàn)閷MOS這類天生非線性的工藝設(shè)計(jì)成線性PA，實(shí)在太難了。

不過，這個(gè)世界級(jí)難題無疑重新激發(fā)了Susanne的斗志。Black Sand公司的成立仿佛撕開天邊落霞的孤鴻，開啟了線性CMOS PA的新紀(jì)元!

2009年，Black Sand成功發(fā)布全球第一款3G CMOS PA。這意味著線性CMOS PA的成功!次年，“背叛者”David Buckman成立的Javelin公司，也發(fā)布了3G CMOS PA。

進(jìn)入2010年后，各色CMOS PA公司猶如井噴式涌現(xiàn)：

2011年，加州的Amalfi公司發(fā)布了2G CMOS PA，2012年末被另一家射頻前端巨頭RFMD(現(xiàn)Qorvo)收購，并購后由于開發(fā)線性3G CMOS PA失敗而銷聲匿跡。

2013年，Amalfi的成功啟發(fā)了中國的漢天下公司，成功量產(chǎn)了成本極致的2G CMOS PA，并且在2G市場一騎絕塵，成為了這個(gè)市場的“大哥大”。而后，一系列的2G CMOS PA公司如雨后春筍般涌現(xiàn)。然而，在線性PA的領(lǐng)域，各類國內(nèi)公司都無法取得突破與成功，停留在飽和PA的水平。

2012年，加州的RF Axis公司發(fā)布了應(yīng)用于WiFi和IOT的線性CMOS PA。這是CMOS PA首次進(jìn)軍物聯(lián)網(wǎng)。然而，由于管理層的原因，RF Axis曾經(jīng)分出了一家叫Morfis的公司，似乎沒有很成功的產(chǎn)品面世。2016年，RF Axis被Skyworks低價(jià)收購，依然是Skyworks熟悉的絕招：buy-to-kill。2013年，Avago將Black Sand的宿敵Javelin收購，將CMOS PA技術(shù)應(yīng)用于其GaAs PA的驅(qū)動(dòng)級(jí)，類似于目前慧智微的hybrid PA技術(shù);后來該團(tuán)隊(duì)又集體跳槽到被Murata收購的Peregrine，而后絕跡江湖。

2013年2月22日,高通發(fā)布了最新射頻芯片——RF360前端解決方案。這是一個(gè)綜合的系統(tǒng)級(jí)解決方案，針對(duì)解決蜂窩網(wǎng)絡(luò)射頻頻段不統(tǒng)一的問題，首次實(shí)現(xiàn)了單個(gè)移動(dòng)終端支持全球所有4G LTE制式和頻段的設(shè)計(jì)。

2013年，高通RF360高調(diào)推出應(yīng)用于4G的CMOS PA，一度將CMOS PA技術(shù)推到了風(fēng)口浪尖之最頂尖。CMOS技術(shù)經(jīng)過了十余年的迭代，替代GaAs的呼聲在當(dāng)時(shí)鵲起。

然而，高通的CMOS PA卻并非天生線性，而是利用其平臺(tái)優(yōu)勢，通過DPD技術(shù)將非線性CMOS PA線性化。這一技術(shù)在基站PA中廣泛成功應(yīng)用，但在手機(jī)芯片有限的運(yùn)算資源和復(fù)雜的天線環(huán)境下，讓高通的這一如意算盤沒能打響。

2014年，高通高價(jià)并購Black Sand公司，希望引入線性CMOS PA技術(shù)，“拯救”投入多年的CMOS PA工程。但Susanne做了兩年艱苦卓絕的努力，最終由于種種原因寡不敵眾，留下種種drama，空留下無奈的淚水。

“微光”初現(xiàn)

那么，4G線性CMOS PA之路徹底失敗且無解了?

實(shí)際上，PA主要有CMOS、GaAs、GaN三大技術(shù)路線，其中GaN正成為中高頻頻段PA主要技術(shù)路線，SiGe技術(shù)路線也在崛起。然而，在高通力拱之下，CMOS PA發(fā)展聲勢更是一度高漲，但CMOS技術(shù)在材料上的劣勢，使其高頻操作性能仍有待改善，短期內(nèi)打進(jìn)高端LTE Cat.4的希望似乎有些渺茫。在日趨競爭激烈的射頻前端市場，大多數(shù)企業(yè)都選擇一個(gè)同質(zhì)化的技術(shù)路線——GaAs工藝。

隨著激烈的CMOS PA競爭風(fēng)雨漸息，海外巨頭通過并購整合補(bǔ)齊產(chǎn)品線，逐漸形成壟斷格局。

2015年，射頻前端巨頭RFMD和TriQuint合并成立Qorvo，前者擅長PA研發(fā)，后者擅長SAW和BAW濾波器，二者實(shí)現(xiàn)技術(shù)互補(bǔ)。繼收購Javelin公司之后，Avago又于2016 年收購?fù)ㄐ判酒揞^ Broadcom 并改名為 Broadcom。至此，全球PA市場競爭格局基本形成。據(jù)Yole數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，Broadcom、Skyworks、Qorvo三家廠商占據(jù)全球80%以上的PA市場份額。

然而，在激烈并購整合過程中，一批來自高通、Black Sand、R Faxis等企業(yè)的中國核心技術(shù)人員回國，在大洋的彼岸開啟了PA技術(shù)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)之路。

康希通信

在RF Axis被Skyworks低價(jià)收購之后，幾位核心員工回國成立了康希通信，在前期推出了幾款2G CMOS PA，后續(xù)轉(zhuǎn)戰(zhàn)GaAs工藝后，深耕WiFi市場，擁有業(yè)界少有的高線性純CMOS射頻前端技術(shù)，開創(chuàng)性地采用DeltaRF PA架構(gòu)，設(shè)計(jì)出高性能WLAN、NB-IoT和5G NR微基站射頻前端芯片，并批量化商用，做到了WiFi FEM的國內(nèi)龍頭，準(zhǔn)IPO過程中。

漢天下(現(xiàn)更名昂瑞微)

Amalfi的成功就啟發(fā)了中國的漢天下公司。早在2013年6月漢天下就發(fā)布了單芯片GSM CMOS射頻功放/前端芯片系列產(chǎn)品。漢天下通過CMOS 2G PA在性能上可以媲美GaAs PA，在成本上輾壓2G GaAs PA，一舉取得60%以上的市場份額，并持續(xù)演進(jìn)到3G和NB-IoT CMOS PA。2016年漢天下也因2G CMOS PA曾獲得“第十屆(2015年度)中國半導(dǎo)體創(chuàng)新產(chǎn)品和技術(shù)項(xiàng)目獎(jiǎng)。

毫無疑問，CMOS工藝的PA應(yīng)用于消費(fèi)電子領(lǐng)域的技術(shù)難度還是比較大的，畢竟擊穿電壓比較低、線性度差都是傳統(tǒng)CMOS工藝器件繞不過的先天性弊端。不過，盡管CMOS在材料上存在一些劣勢，但其具有低成本、穩(wěn)定的供應(yīng)鏈等優(yōu)勢，而且擁有更好的導(dǎo)熱性、漏電性能和抗靜電等特性。

甚至可以說，在某種意義上，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爭中，總能成為主流。特別是隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來，CMOS PA的曙光再現(xiàn)：一些國內(nèi)企業(yè)采用低成本的CMOS工藝，搶占低功耗、低速率的物聯(lián)網(wǎng)場景的機(jī)遇，比如飛驤科技、芯翼信息、地芯科技等。

飛驤科技

飛驤科技是少數(shù)同時(shí)具有砷化鎵PA(GaAs)設(shè)計(jì)能力和硅基PA(CMOS和SOI)設(shè)計(jì)能力的射頻芯片廠商之一。該公司從2013年開始發(fā)展SOI開關(guān)技術(shù)(SOI是CMOS的一個(gè)分支)，2016年開始發(fā)展CMOS PA技術(shù)，利用CMOS技術(shù)打造了開關(guān)、LNA、CMOS PA三條產(chǎn)品線。飛驤科技用2G/3G的CMOS PA產(chǎn)品替代2G/3G的GaAs PA產(chǎn)品，并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)銷售。

芯翼信息

芯翼信息以NB-IoT為核心賽道，于2018年推出了NB-IoT芯片，突破了全球蜂窩通信芯片的集成度瓶頸。2022年，芯翼信息發(fā)布第二代NB-IoT芯片，集成射頻開關(guān)及濾波器、免32K校準(zhǔn)，超寬壓范圍(2V-5V)，免校準(zhǔn)綜合測試等，預(yù)計(jì)將在2023年大規(guī)模推向市場。

地芯科技

地芯科技是堅(jiān)定的CMOS工藝路線的支持者，其創(chuàng)始人曾是Black Sand體硅功率放大器射頻團(tuán)隊(duì)核心人員，帶隊(duì)成功開發(fā)并量產(chǎn)多款應(yīng)用于3G/4G/IoT的功率放大器，包括世界上第一款基于體硅的線性射頻功率放大器產(chǎn)品。2018年，地芯科技成立，現(xiàn)已形成射頻前端、射頻收發(fā)機(jī)和模擬信號(hào)鏈三大產(chǎn)品線。2022年11月，地芯科技宣布量產(chǎn)國產(chǎn)射頻寬帶收發(fā)機(jī)地芯風(fēng)行系列GC0802，目前完成客戶首輪驗(yàn)證!與此同時(shí)，地芯科技核心技術(shù)團(tuán)隊(duì)也一直都在挑戰(zhàn)曾在高通未能實(shí)現(xiàn)的線性4G CMOS PA。據(jù)悉，5月中旬將在上海有重磅相關(guān)產(chǎn)品發(fā)布，如若此次新品與4G CMOS PA有關(guān)，或?qū)?huì)創(chuàng)造CMOS PA新歷史!

結(jié)語

“缺芯少魂”一直懸在中國頭上的“達(dá)摩克利斯之劍”。在中美半導(dǎo)體脫鉤愈加明顯的趨勢下，疊加不斷上升的萬物互聯(lián)需求，中國亟待走上國產(chǎn)化強(qiáng)“芯”之路。而CMOS PA一縷“微光”，或?qū)⒃谥腥A大地閃出一道耀眼的光芒。