GRANDMICRO有容微：閑聊物聯(lián)網(wǎng)射頻芯片

GRANDMICRO有容微：閑聊物聯(lián)網(wǎng)射頻芯片(代理商KOYUELEC光與電子提供技術(shù)交流支持)

物聯(lián)網(wǎng)尤其是智能互聯(lián)網(wǎng)是大眾近幾年來在媒體里聽到的越來越多的科技名詞。隨著中國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)逐步壯大，物聯(lián)網(wǎng)的概念的普及，民眾對物聯(lián)網(wǎng)也越來越了解和熟悉。

物聯(lián)網(wǎng)是什么?粗略的講，物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things，簡稱IoT)是指通過各種信息傳感器實時采集信息，實現(xiàn)物與物、物與人的連接互動。人們通過物聯(lián)網(wǎng)應用，能夠?qū)ξ锲泛土鞒虒崿F(xiàn)智能化感知、識別和管理。

芯片作為連接物聯(lián)網(wǎng)的核心設備，在物聯(lián)網(wǎng)中的所有應用中也處于核心地位。芯片產(chǎn)業(yè)在PC時代和手機時代都是單品種、大體量產(chǎn)品。這就意味著開發(fā)者可以針對這些單品市場，集中精力做芯片。大出貨量可以支持開發(fā)者投入下一代產(chǎn)品的研發(fā)中去。

但物聯(lián)網(wǎng)是是由無數(shù)個細分的、碎片化的應用疊加起來的市場，雖然規(guī)模巨大，但每一個細分市場的容量卻相對較小。芯片廠商的客戶也從幾大手機廠商、電腦廠商變成了成千上萬的中小智能硬件物聯(lián)網(wǎng)硬件廠商?？蛻舻亩嘣屝酒瑥S商很難和客戶一起定義未來的產(chǎn)品規(guī)格。多元化的客戶希望通過差異化的定制芯片來提升自己產(chǎn)品的差異化和競爭力。但是定制既加大了研發(fā)投入，也限制了產(chǎn)品的應用范圍和出貨量，進一步切碎了市場。大公司很難用大集團軍的“頂層規(guī)劃+飽和攻擊”的策略來研發(fā)這些面向物聯(lián)網(wǎng)不到億級的出貨產(chǎn)品。如何高效地抓住這種碎片化市場，是物聯(lián)網(wǎng)給傳統(tǒng)芯片廠商提出的新挑戰(zhàn)，也是給小型芯片設計公司帶來的新商機。

物聯(lián)網(wǎng)芯片的特點雖然增加了市場難度，但是對芯片性能的要求并沒有減少。大多物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的特性對芯片的小型化和低成本提出了更為苛刻的要求。物聯(lián)網(wǎng)芯片廠商不再需要像以前一樣一味求快求新，而是要尋找適合自己的方向，使用最合適的工藝技術(shù)，精細化芯片研發(fā)，將定制芯片的性能優(yōu)化到極致。

目前中國市場芯片初創(chuàng)公司層出不窮，創(chuàng)業(yè)方向涵蓋了所有能想象到的應用領域。小型芯片設計公司要同時面對傳統(tǒng)芯片巨頭和眾多涌現(xiàn)新同行的競爭，生存壓力要求小公司能夠高效地調(diào)度支配有限的資源，快速推出多款產(chǎn)品和多條產(chǎn)品線，同時把握住多條不斷涌現(xiàn)的新細分賽道。多個應用方向疊加起來的出貨量，銷售額和利潤才能維持一個公司的正常發(fā)展。同時公司和團隊也需要調(diào)整思路，不能局限于悶頭研發(fā)多年，期待憑一款研發(fā)多年的產(chǎn)品直接業(yè)績爆發(fā)。而是要在研發(fā)的過程中和產(chǎn)業(yè)鏈的其他公司合作，盡量快速，低成本，高效的完成產(chǎn)品的研發(fā)和驗證，和產(chǎn)業(yè)鏈的合作伙伴一起盡快的拿下盡可能多的細分品類。

無錫有容微是一家專注于高性能模擬射頻和混合信號SoC的芯片設計公司。公司自2018年成立以來，快速發(fā)展，目前已擁有高性能時鐘，高速模擬開關(guān)，射頻前端以及專用市場定制SoC等多條產(chǎn)品線。我們今天簡單介紹一款有容微的物聯(lián)網(wǎng)射頻前端芯片，從產(chǎn)品選擇，設計和優(yōu)化的方向來了解一下他們對芯片和物聯(lián)網(wǎng)市場的一些思考。

射頻前端芯片市場是一個巨大的芯片市場，尤其是隨著無線通訊標準的發(fā)展，各種設備對射頻前端的需求越來越多，技術(shù)要求越來越高。射頻前端在移動設備的數(shù)量和總價值近年來也一直在穩(wěn)步上升。手機是射頻前端芯片的主戰(zhàn)場，每年15億部左右的手機市場是所有芯片廠商夢寐以求的市場，也是競爭最激烈的市場。射頻前端芯片對設計人員數(shù)量要求較少，使用的工藝流片費用相對較低，前期投入較少;但對設計人員的經(jīng)驗和能力要求很高，所以成為了很多有經(jīng)驗有能力的國內(nèi)初創(chuàng)公司的方向。國產(chǎn)射頻前端芯片廠商的設計和產(chǎn)業(yè)化能力近年來也逐步提高。從開關(guān)，低噪放，到目前設計難度較大的功率放大器和濾波器都涌現(xiàn)出很多優(yōu)秀的初創(chuàng)和上市公司。目前手機射頻前端的市場的競爭已逐漸聚焦到濾波器資源的競爭。擁有穩(wěn)定的濾波器資源，完整的產(chǎn)品線和模組集成能力的射頻前端公司將會在未來的競爭中站穩(wěn)腳跟。

物聯(lián)網(wǎng)市場的碎片化和對成本極致的追求對芯片設計公司提出了不同的要求，選擇什么產(chǎn)品作為切入點成為首先要面對的問題。物聯(lián)網(wǎng)芯片主要包括：安全芯片、移動支付芯片、通訊射頻芯片和身份識別類芯片等。物聯(lián)網(wǎng)射頻前端芯片的前期投入成本低的特點成為不少小公司的初期產(chǎn)品選擇。2.4G無線通信標準很多，相應的物聯(lián)網(wǎng)射頻前端芯片應用非常廣泛，市場相對較大而且在穩(wěn)定增長中。典型應用包括智能照明，智能音箱，路由器，網(wǎng)關(guān)，玩具遙控器等。從技術(shù)角度來分析，2.4G物聯(lián)網(wǎng)射頻前端市場對濾波器要求低，最大輸出功率要求不高(~20dbm)，功率放大器線性度要求較低(很多2.4G通信標準只需要非線性功率放大器)，實現(xiàn)相對容易。但是和眾多GaAs射頻工程師想象的不同，好的射頻前端芯片的設計難度并不低。物聯(lián)網(wǎng)射頻前端芯片對功耗和成本要求極為苛刻，基于GaAs PA +SOI switch + 封裝基板的傳統(tǒng)手機射頻前端的成本架構(gòu)對于物聯(lián)網(wǎng)射頻前端芯片是完全無法接受的。在物聯(lián)網(wǎng)射頻前端芯片競爭中，使用盡可能低成本的工藝，設計面積盡可能小的裸芯，最大程度的集成，包括減少使用的裸芯和SMD數(shù)量，避免使用封裝基板等，才能推出真正有市場競爭力的芯片。很多物聯(lián)網(wǎng)設備都使用電池供電，功耗直接決定設備的使用壽命和更換周期。所以物聯(lián)網(wǎng)芯片對無論是靜態(tài)電流還是最大發(fā)射功率的電流都有嚴格限制和無止境的追求。目前隨著物聯(lián)網(wǎng)SoC芯片工藝的進步和設計的成熟，好的藍牙SoC 都能做到發(fā)射接收時的工作電流均在5mA以下。相比之下射頻前端動輒10mA左右的的靜態(tài)工作電流和100mA左右的最大發(fā)射功率時的電流很明顯成為了物聯(lián)網(wǎng)通信模組的功耗瓶頸。在滿足通信標準要求的前提下，最大限度的減少靜態(tài)和動態(tài)功耗成為了物聯(lián)網(wǎng)射頻前端芯片的性能的首要追求。

2.4G物聯(lián)網(wǎng)射頻前端的最大輸出功率不高也不低，對于SoC廠商是個比較尷尬的技術(shù)指標，屬于可以集成的射頻前端最大輸出功率的邊緣。絕大部分SoC廠商都有0-5dbm的輸出功率。集成20dbm 最大輸出功率PA 只在少數(shù)的廠商的特定的SoC中出現(xiàn)過。隨著數(shù)字電路工藝的不斷進步和射頻前端工藝需求的相對穩(wěn)定，在每一代新SoC中重新設計和優(yōu)化集成的中高功率功率放大器會成為SoC 廠商逐漸無法承受的負擔。SoC和成熟的、低成本射頻前端的合封在應對物聯(lián)網(wǎng)市場碎片化，低成本和設備小型化的要求的時候是一個值得探索的方向。這其實也和最近比較流行的chiplet的概念不謀而合。合封對物聯(lián)網(wǎng)射頻前端的裸芯尺寸和封裝友好程度提出了新要求。小的裸芯尺寸和不依賴封裝(比如使用綁定線作為輸出匹配網(wǎng)絡的關(guān)鍵器件)的全集成芯片在合封時使用更靈活，更容易搭配各種SoC。

從上面的討論可以看出，設計出一款2.4G射頻前端，實現(xiàn)相關(guān)功能，對于有經(jīng)驗的射頻芯片工程師并不是十分困難，國內(nèi)也有不少廠家推出了相關(guān)的產(chǎn)品。但是考慮到極低功耗，極低成本，小尺寸，易封裝等要求，量產(chǎn)一款優(yōu)秀的2.4G射頻前端芯片面臨的挑戰(zhàn)還是巨大的。無錫有容微的GM2401是一款綜合了以上考慮的用于2.4G物聯(lián)網(wǎng)Zigbee射頻前端芯片。芯片的系統(tǒng)框圖如圖一所示：

圖一 無錫有容GM2401系統(tǒng)框圖

GM2401使用低成本成熟的CMOS工藝，把低噪放，射頻開關(guān)和功率放大器集成在一顆CMOS裸芯上。雖然很多國內(nèi)和國外廠商也采用CMOS工藝來實現(xiàn)類似產(chǎn)品，但其設計方法基本仍沿用傳統(tǒng)GaAs設計方法，甚至布圖都非常相像，尤其是最重要的輸出匹配網(wǎng)絡中的關(guān)鍵電感仍依賴封裝綁定線。無錫有容微的GM2401采用了與其他廠家完全不同的但易于集成的CMOSPA設計流程，從設計到布圖完全沒有知識產(chǎn)權(quán)的顧慮，所有的輸入和輸出匹配都集成在片上，給未來的SoC合封帶來了巨大的方便。

該芯片的技術(shù)指標較多，我們在這里僅列舉一下最重要的發(fā)射功率和電流的測試數(shù)據(jù)對比圖。

圖二 發(fā)射功率和電流對比圖

圖三 發(fā)射功率和效率對比圖

表一總結(jié)了無錫有容微GM2401和國外主流廠商以及兩家主要國內(nèi)廠商的對比。

表一關(guān)鍵指標廠商對比

從表中的在關(guān)鍵指標對比中，無錫有容微的GM2401有如下優(yōu)勢：

· 在標準最高20dbm發(fā)射功率的時候，電流與國外主流廠商一致，低于兩家國產(chǎn)廠商，僅為國產(chǎn)供應商2的 2/3;

· 發(fā)射模式的靜態(tài)電流是13mA，在各廠商間最低，約為國產(chǎn)廠商1的50%;

· 接收模式的靜態(tài)電流與國外主流廠商一致，低于兩家國產(chǎn)廠商，比國產(chǎn)廠商2低25%;

· 面積在各廠商間最小，測量數(shù)據(jù)表明比在面積上極具競爭力的國產(chǎn)廠商1的裸芯面積還小22%;

· 唯一一家片上集成輸出匹配網(wǎng)絡的設計，非常有利于合封;

GM2401在性能，成本，面積，封裝方便性方面都做到了極致，在各項關(guān)鍵指標對比中都達到或超越國外和國內(nèi)競品，是物聯(lián)網(wǎng)設備廠商最好的選擇。國產(chǎn)替代不是國內(nèi)芯片企業(yè)的唯一目標，國產(chǎn)超越才應該是優(yōu)秀國內(nèi)芯片企業(yè)孜孜不倦的追求。

在目前的市場條件下，優(yōu)異的單一產(chǎn)品僅僅是芯片公司成功的一小部分。物聯(lián)網(wǎng)芯片市場的特殊性要求芯片公司最大限度地利用有限的資源，合理選擇產(chǎn)品方向和設計流程，快速推出多款貼近市場的產(chǎn)品甚至產(chǎn)品線，這樣才能在激烈競爭中生存下來。有容微不僅會在物聯(lián)網(wǎng)射頻前端產(chǎn)品線不斷推出產(chǎn)品，而且這些產(chǎn)品的設計和驗證流程在未來的物聯(lián)網(wǎng)SoC芯片研發(fā)和量產(chǎn)中有很好的延續(xù)性，能為未來的產(chǎn)品線拓寬和產(chǎn)品線升級奠定堅實的基礎。

審核編輯：湯梓紅