据说这颗多频多模4G线性CMOS PA用了3年时间打磨…

关注射频前端行业的读者应该很清楚，这个行业的内卷相当严重。最近的“地芯云腾系列新品发布会”上，地芯科技副总裁张顶平表示行业竞争的激烈程度已经到“从业人员感受不太好”的程度。这种“激烈”体现在行业内的“十几二十家公司，竞争同质化非常严重：上游的晶圆是一样的，产品架构设计是一样的、下游的客户也是一样的。”

甚至产品都是“pin-to-pin”兼容的，“对客户而言，替换成本非常低”，足见竞争烈度即便在已经很卷的半导体行业里面也都比较罕见。在这样的市场内推射频前端PA之类的产品，若要寻求生存空间和竞争优势，势必做差异化创新。“有差异化创新，而且要有适合落地的应用场景去承载创新”。

这应该是地芯这次主要针对IoT发布基于CMOS工艺的CMOS PA——GC0643新品的依据。地芯科技表示，这是全球首款基于CMOS工艺的支持4G的线性CMOS PA。这款产品是依托于本次发布的地芯云腾技术平台，推出的多模多频PA模块（MMMB PAM）。张顶平说，这款产品应用场景的“第一优先级”是Cat.1物联网；另外也是用于3G/4G手持设备，如入门级4G手机。

CMOS的成本优势

前不久电子工程专辑撰文谈到了CMOS PA的历史，以及本次发布GC0643新品的背景。这两篇文章都提到了，对于PA而言CMOS究竟意味着什么。

张顶平在发布会上介绍说，PA有两种，“线性PA和饱和PA”。这两种PA的应用场景不同，数据吞吐量要求不高的场景适用饱和PA；而4G、5G这类技术对数据吞吐要求变高，就需要线性PA上场了。对于前者来说，基于CMOS工艺的产品不少；但后者，尤其30dBm以上的线性PA，主流仍是以GaAs（砷化镓）为代表的III-V族工艺。

上面这张图是地芯科技给出的不同应用场景、不同功率PA的工艺分布情况。红框框定的30-36dBm区间，且对数据吞吐有一定要求的场景下，是“射频前端行业里的兵家必争之地”，原因是其中的市场机会和应用场景非常多。如前所述，这一部分几乎所有线性PA都是以GaAs为代表的III-V族工艺，更高功率的甚至还有LDMOS、GaN等。

虽然这其中有一个特例——图中的绿点是基于CMOS工艺的——这是该领域某家国外企业的探索与尝试，此前我们的文章也谈到过这段历史；但在此之后，这部分市场便再无CMOS身影。在谈GaAs与CMOS各自优缺点之前，我们先来看看地芯科技这次发布的CMOS MMMB PA-GC0643产品。大约也有助于我们理解为何地芯科技要花3年时间来寻求在这一市场内纯CMOS PA路径，而不是像其他市场参与者那样直接做GaAs。

上图的左边4张图，呈现的是基于GaAs的经典PA架构及其演变过程。从第一张图7片die——包含了3种不同的工艺：基于GaAs、CMOS和SOI的，藉由SiP做合封；到第二张图，做了频段支持的集成，缩减为5颗die；第三张图缩减为3颗；以及第四张图三颗die的die size变得更小。

“即便是同质化竞争这么严重的市场，我们的同行也还是在努力做差异化竞争的创新的。未来会怎么演进，die还能做到多小，我是非常期待的。”张顶平说。

而右边这张图展示的就是地芯的产品，纯CMOS PA，一片die解决所有问题。“所有模块、控制、开关等等，都在这颗die里面。”而且由于是flip-chip倒装，所以没有打线，“一致性好”；加上封测成本更低，这样一片die的方案实现了相较于基于GaAs经典方案的显著成本优势。

实际上CMOS的成本优势并不单纯体现在更小的die size、更高的集成度；还体现在作为一种半导体制造的主流工艺，制造设备之类的CapEx成本可被较大程度地摊薄；另外GaAs本身受制于晶圆只能做到6英寸，CMOS晶圆显然可以更大，这也是成本影响因素。

“同样的CMOS和GaAs工艺，CMOS晶圆的成本是GaAs的1/4~1/5。”虽然晶圆成本只是其中一部分，但总成本的节约已然非常可观。这是地芯科技将GC0643定位低速物联网及手持设备存量市场竞争必须去做的差异化核心，在原本GaAs已经占领的市场上寻求更大的竞争优势的一部分。另外值得一提的是，新品也和市面上的主流方案做了pin-to-pin兼容，所以“客户的切换过程会非常平滑”。

这应该是GC0643这类产品未来有机会快速占领市场的业务逻辑。CMOS工艺就成为了其中的核心所在。

选择CMOS工艺，搭建CMOS PA技术平台

众所周知，CMOS工艺的几个主要特点包括易于集成且集成度高、成本低、设计灵活自由。电子工程专辑往常探讨最多的半导体制造工艺，包括尖端制造工艺，基本都是CMOS。但硅基先进工艺追求的那套逻辑，在某些应用上会呈现出缺点，比如说击穿电压低——对于PA而言，要做大功率；若击穿电压很低，就需要堆更多的CMOS管——这又将影响到线性度。

而PA输入输出信号的线性度差又是个老生常谈的问题了，CMOS在这方面有先天弱势——这也成为CMOS很难在高频高功率场景下一展拳脚的难点。再加上电流密度低，这是CMOS线性PA在此类场景下的致命缺陷。线性化难度高，以及要在线性度和可靠性之间做权衡，就成为选择CMOS这条技术路线的巨大挑战（可靠性表现为管子不能被击穿，但堆CMOS的同时要保持相应的线性度）。

“但也不是说CMOS就没有机会了。前面就说了差异化创新需要合适的应用场景去承载。”张顶平表示，“我们看到物联网的兴起，以前的NBIoT，现在的Cat.1，对速率要求没那么高，且对成本很敏感。那么CMOS在这个领域还是有机会去做尝试和创新的。”

依据在于前述CMOS的优势决定了其架构创新空间很大，“用架构的创新去弥补器件本身的非线性”；通过架构创新，能够令其“承载低线性功率场景”，“这是我们看到的巨大机会”。

地芯科技的所有PA产品都是基于CMOS，而在面对上述挑战时，地芯科技搭建了CMOS PA技术平台——地芯云腾。地芯云腾应当是地芯科技在PA产品上三年磨一剑的核心成果输出了。在平台化之后，未来的产品也就能够以更快的速度迭代和推陈出新。“这个平台大概是去年底才稳定下来的。”张顶平谈到，“我们基于这个平台的产品一定会持续演进。”

上面这张ppt展示了地芯云腾的特点——前文基本也都已经提及，而本次发布的新品GC0643就是基于该平台。

所以总结起来，这一平台及本次发布新品的特点，一是与传统的GaAs工艺不同，选择了CMOS方向；二是从架构上突破CMOS工艺本身的挑战；三是“设计上的创新”，“设计的创新细节就更多了”——张顶平说，其中的不少技术也都申请了专利。

这款4G CMOS PA的性能情况

其实发布会现场，地芯科技还是花了不少篇幅去谈本次发布新品的性能数据的，毕竟说解决CMOS工艺在线性PA上的挑战，还是需要用更实际的数据作为支撑——尤其在成本更低的情况下，实际表现相较GaAs究竟如何。对此，张顶平展示了下面几个维度的数据。

首先是反映线性度和效率权衡情况的FOM值。“在非常经典的27-28dBm应用场景下，我们用CMOS来做，FOM值有将近70，和GaAs的水平其实是差不多的。”更高功率下的表现则更优。张顶平补充说，“这里对比的GaAs也是因为基于极致成本需求，无法去进一步做更多优化后的情况；也并不是说GaAs就只能做到这样。”

这张图表现的是在2.7GHz下对应Pout时，“HB线性饱和功率”（这个值应当是指响应开始出现非线性或饱和时的功率）以及PAE(Power Added Efficiency)的对比。从这张图不难发现，在特定场景下，基于CMOS工艺的饱和功率表现还是相当优秀的，即便在功率后段CMOS会不及GaAs，但线性度也已经很接近。而PAE做到50%则表现效率很出色。

另外，“在28dBm线性功率时，ACPR可以做到-36dBc以下。”张顶平说，“这个系统指标大概是30~33，我们有3-6dB的余量。因为我们没有打线，所以一致性非常好。虽然坦率来说GaAs能做到的余量更多，但在没有一致性偏差的情况下，我们有3-6dB的余量，在物联网应用场景下，也是足够的。”

从可靠性的角度来看，前文已经提到CMOS PA线性化难度高，在达到线性度的同时又要确保PA不被击穿。从地芯科技的测试结果来看，在2.7GHz下，“在非常极端的条件下，在输入（Pin）是6dBm，供电电压（Vbatt）是4.6V，VSWR是10:1的情况下，测试没有问题。其实这样苛刻的条件，很多时候GaAs都通过不了。”

张顶平说：“看到这些数据，我是非常高兴的。因为之前担心的很多问题，我们都一个个地解决了。”

就这款新品，我们也在发布会现场特别采访了地芯科技的合作伙伴、物联网模组供应商利尔达（点击这里查看采访视频）。“地芯云腾GC0643的量产落地，证明了CMOS PA在满足高性能要求和更多应用场景上的可能性，将打破射频前端市场以GaAs产品为主流的局面。”利尔达事业部总经理何佳说，“我们可以期待一下更多基于CMOS工艺的射频前端产品和GaAs同台竞争。”

何佳还透露利尔达已经就GC0643进行了应用系统板的测试2个月的时间：“测试结果显示，GC0643在High-Band的性能表现优于同类功能的GaAs PA；在Mid-Band和Low-Band的性能表现也超出我们的预期。”

未来更高功率的尝试

实际上地芯科技成立至今也已经推出好些已量产的CMOS PA产品了，包括饱和PA和线性PA。所以虽然这次的新品是花了前后3年才做出来的，实则前序产品就已经在积累经验，这才有了本次发布的基于CMOS的多频多模线性PA。

在近未来的产品规划里，我们还看到了包括饱和PA系列中更高集成度的FEM前端模组；另外地芯科技似乎还准备在消费市场上做进一步的应用覆盖扩展。不过更值得一提的是在发布会最后，张顶平提到，有了地芯云腾技术平台，以及首款纯线性多频多模CMOS PA以后，“我们在想，我们能不能继续通过架构、设计的创新，挑战更高功率场景？请大家拭目以待。”

比如在答记者问阶段，张顶平就提到“下一步有可能尝试33-36dBm区间”，虽然“现在还不敢保证，因为确实太难”，但“我们想再伸手够一够”。要知道这是某些国际大厂都未能攻克的市场，但这次的新品显然就是个良好的开端。

从地芯科技全系产品布局图来看，这家公司的产品实际上是围绕5G射频收发机transceiver的，RFFE只是周边的一个业务。而“纯CMOS PA是我们技术平台的一次延伸和尝试”。虽然只是在答记者问时，张顶平谈到未来有将RFFE与transceiver做整合的想法，但显然地芯科技现有产品系列未来做进一步的集成可能会是个方向。PA应当只是拼图的一部分。