硅在增速低于GHz仍然赢了,但在那之后GaN看起来越来越有吸引力。
全球竞相推出5 g mmWave频率可能会提供一个期待已久的市场机会氮化镓(甘)作为硅的替代品。
甘比硅更高效5克射频。事实上,氮化镓在5 g继承人硅功率放大器多年来,特别是mmWave 5 g网络。是什么让它如此有吸引力的是它能够有效地处理更高的电压在一个小得多的面积比横向扩散场效电晶体(LDMOS)设备。此外,它可以更大范围的比标准硅mmWave频率。
“最相关的不同之处在于晶体管的工作电压,在氮化镓可以50 v或更高版本和28纳米CMOS也许是1.8 v,”基思•本森说,主任射频/微波放大器和相控阵IC产品模拟设备。“最后,实力是电压乘以电流,和更高的工作电压使高功率更容易。关于比较GaN和硅,总的来说,这是一个复杂的答案,因为他们是非常不同的。甘仍从晶片成本昂贵,但面具成本远低于尖端互补金属氧化物半导体。”
图1:比较不同材料在微波功率和频率范围,其中包括mmWaves。来源:模拟装置
这是一个开始,但5克有很多问题需要面对,因为它从sub-6GHz范围尺度到毫米波技术。
“从技术角度看,5克就会衰减问题,要求多个天线使用空间复用技术提高信号质量。每个天线需要专用的射频前端芯片和功率放大,”首席技术官特帕兰杰佩说Veeco。“今天,GaN正在慢慢取代硅在特定应用程序中,如射频放大器/ 4 g LTE基站前端。”
下一代设计将开门GaN小devices-micro-cells femto-cells和更小的接入点,尽管是出于不同的原因比高功率设备。
“设备电力负荷较低的好处是足迹,不仅在空间,以及天线的布局,”帕兰杰佩说。”这就是GaN提供最合适,因为它运行在更高的电压。
大箱子,然而,问题是浪费了多少力量,不仅是多少,根据亮度伯爵,总统EJL无线研究。“这些功率放大器只有30%或35%的效率,所以如果你把100瓦,你只能传输也许35,另65变成热。”
在上海在最近的一次会议上,华为基站与独立的液体冷却系统。这可能似乎有些过分,但芯片密度的基站产生大量的热量。其他大多数oem坚持传统的方法,但有很多异常长铝鳍和其他吸热机制显示,亮度说。
大多数芯片制造商回应,假设他们会支持材料,虽然有一些努力在一边。
Qorvo Wolfspeed, NXP、住友和其他芯片制造商——尤其是那些有经验的微波通信市场,促进了甘多年来作为一个可能的继任者LDMOS在5 g基站功率放大器(PA)和其他应用程序。
“数据驱动的要求5 g和发病物联网需要的能力和速度,例如,mmWave技术可以提供,”格哈德•沃尔夫说,副总裁和总经理的射频产品吗Wolfspeed。“甘碳化硅是最佳的材料mmWave技术由于其高功率密度和高频率操作的能力。”
克里族/ Wolfspeed是其中一个公司做大赌GaN-on——需求的增长碳化硅。事实上,5月宣布计划投资10亿美元扩大其GaN-on-SiC能力使用重新设计的30倍,253000平方英尺的工厂目前生产150毫米晶圆附近杜伦,北卡罗来纳州,总部。“这是直接回答这下一代技术的需求,”狼说。“今天,通信基础设施客户迅速大幅pre-investing 5 g过渡,我们感到很荣幸引领运动。”
销售增长的国防工业,4 g和5 g移动电信市场,预计将推动销售GaN组件在2017年从3.8亿美元到20亿美元,到2024年,根据6月Yole开发署的报告。然而,该公司指出,绝大多数不是民用无线市场将硅。
Sub-6GHz
相同的报告还预测“显著进步的LDMOS技术,“允许硅继续挑战GaN sub-6GHz,有源天线和massive-MIMO实现。
进展几乎肯定将包括开发标准硅组件mmWave网络,作为资深射频系统设计师Anokiwave期间完成添加功能来减少校准的努力相控阵天线和减少用电量的三分之一。
“甘细在孤立的使用和一些高能应用程序,它已经流行,特别是激光雷达和雷达,“根据阿拉斯泰尔•厄普顿Anokiwave首席战略官,他使用他的公司的成功构建相控阵天线组件和控制器从标准LDMOS甘作为证据是不必要的。“我们把我们的第一个芯片在2016年28 ghz,和每一代我们已经数量级大小和重量的效率。我们继续推动降低成本以非常快的速度。”
但厄普顿指出,至少在5 g的sub-6GHz版本,氮化镓芯片将不得不与硅的规模经济只有边际额外的好处。
好的设计师可以让硅做惊人的事情,但大放大器将比一个小散热更慢。所以GaN或其他可以处理相同的电压硅在更小的空间使整个过程更高效,联合创始人兼首席执行官亚历克斯Lidow说GaN供电提供高效的能量转换(EPC)。
“比硅,镓是一种更好的半导体”Lidow说。“这是众所周知的了好一阵子。”
GaN传统上一直比硅更昂贵,相同重量相比,仍有很大的差异。但甘放下的过程及其组件上外延硅或碳化硅带来GaN与硅,有效达到标准,有时可以成本略低,Lidow说。
模拟设备的本森指出一个相关的趋势。“过程技术终于发展到足够的可靠的部署到系统,”他说。”花了十多年的晶圆厂,消除之前的许多问题准备投入真正的系统。”
避免热的问题
热问题特有的功率放大器和射频前端由于高峰和最小功率需求之间的巨大的差异,和氮化镓是特别好的。
“你必须提供相同数量的力量无论如果你发送在非常高的权力,或坐在非常低的权力,大部分时间,和额外的力量消散热量,”Andrew哉说,雷声公司和高级首席工程师5 g峰会的主席IEEE最近的国际微波研讨会。“技术iPhone使用,称为包络跟踪,让你在任何即时所需水平的调整能力而不是为最坏的情况下偏置时间。但是如果你处理波形振幅修改时,你总是会有最坏情况的问题与平均水平。”
甘包络跟踪是一个关键的功能优势,因为硅不是不能开关功率上下迅速足以让这项技术有效,Lidow说。“爸爸包络跟踪并不容易,因为你适应实时追踪能力。硅不能足够快,这就是为什么它不是实现了很长一段时间。大储蓄不是电费。大小不仅仅是一个热的问题。它可以把一个500磅重的天线之间的区别的建筑相比,50磅天线。这是一个大卖点。”
图2:宽禁带芯片(绿色)和其他材料(灰色)。资料来源:美国能源部门。
系统设计,而不是材料,作为一种替代方法
尽管GaN可能吃到硅的域,它实际上不太可能取代硅。
“镓,和一些其他的III-V材料有合法的优势在某些性能指标超过硅,他们扮演了一个重要的国防和radiation-hardened-type role-especially设备,“Subodh Kulkarni的首席执行官CyberOptics。“那些病例本质上在流程级别更难控制,然而。硅是更多的宽容和可控。有一些有趣的事情与材料来改善,但我不认为硅立刻消失。”
其他人也同意。“随着技术的发展,规模将缩小,我们会看到更多的压缩5 g的设计方面应该帮助管理电能和热能的问题通过将部分基站睡觉时不需要,“Rajeev Rajan说,负责全球营销、伙伴关系和CXO通信有限元分析软件。“三星已经表示,他们将会看到一些组件基于密度减少25%的asic数字前端。我们将会看到更多的优化从高通和诺基亚和其他的一些公司,这是当我们会得到更好的手机和更多的消费吸收。”
虽然液体冷却许多倍的效率比空气冷却,它可能不会取代空气冷却在移动网络基站,指出苏希尔•沙玛ANSYS高科技产业战略和营销总监。
初步实现比以前的版本不太可能显著不同,但这将变得日益复杂的技术进展mmWave增速低于GHz。
“这些高频率增加意味着你有一个非常大的敏感性和当你想移动模块和射频集成电路在一起,”丹尼森说,伊恩,高级组主任定制的集成电路和PCB组节奏。“cross-dependency非常高。所以你现在需要人们穿着多个帽子和包底物设计和ICs所有在同一时间。”
本森表示同意。“一般分布式放大器往往较大,效率较低,比标准的级联放大器增益较低,”他说。“但分布式放大器能够轻易完成很宽的带宽,使他们有吸引力。”
而不是依靠散热片和基带材料广泛,航空公司很可能会改变网络拓扑结构和硬件配置传播射频传输负载在许多中型基站。他们也可以运行纤维各级微蜂窝技术来避免几个基站水平非常高的功率和传输。
小细胞论坛的研究表明,它可能会减少电力需求通过限制连接数/设备和使用基站更像固定无线访问点小细胞。另外,组件或网络节点可以有选择性地关闭在较低的活动。但核心问题仍然是芯片和芯片设计原理,使得电力储蓄更简单而不是更困难。
“可能有系统设计问题我不明白,但是我想知道为什么需要那么多天线元素首先,“EJL亮度表示说。“例如,经验法则,你可能需要一个芯片每四偶极子元素,形成一个2 x 2那块。所以,如果你有一个512 -元素数组,除以四,你需要128芯片广播行业。乘以三,你需要大量的芯片阵列。如果我一个芯片的家伙我很高兴出售这些芯片,但是你为每一个芯片和添加热不知道散热会是什么样子。那么,为什么这么多?难道你想要最低的天线元素的数量吗?另一方面,从我看到的例子,LDMOS也是通过所有的测试很好在mmWave达到所需的功率。所以,除非有很好的理由来开关,它可能是better-cheaper或者更稳固,待在原地。”
根本问题是多么的复杂的功能可以构建成一个单一的、同质芯片SoC,帕兰杰佩说。
“这不是一个简单的答案,但你必须决定你是否可以做高速基带处理,以及需要射频开关功率放大器,单,硅,”帕兰杰佩问道。“我不确定它真的是可能的。需求是如此不同于做基带和毫米波。协调他们的关系将会非常困难。”
编者斯珀林对此报道亦有贡献。
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