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(shí)時(shí)采集信息，實(shí)現(xiàn)物與物、物與人的連接互動(dòng)。人們通過物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，能夠?qū)ξ锲泛土鞒虒?shí)現(xiàn)智能化感知、識(shí)別和管理。

芯片作為連接物聯(lián)網(wǎng)的核心設(shè)備，在物聯(lián)網(wǎng)中的所有應(yīng)用中也處于核心地位。芯片產(chǎn)業(yè)在PC時(shí)代和手機(jī)時(shí)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(gè)細(xì)分的、碎片化的應(yīng)用疊加起來的市場，雖然規(guī)模巨大，但每一個(gè)細(xì)分市場的容量卻相對較小。芯片廠商的客戶也從幾大手機(jī)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(yīng)用范圍和出貨量，進(jìn)一步切碎了市場。大公司很難用大集團(tuán)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(shè)計(jì)公司帶來的新商機(jī)。

物聯(lián)網(wǎng)芯片的特點(diǎn)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(xì)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(yīng)用領(lǐng)域。小型芯片設(shè)計(jì)公司要同時(shí)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(shí)把握住多條不斷涌現(xiàn)的新細(xì)分賽道。多個(gè)應(yīng)用方向疊加起來的出貨量，銷售額和利潤才能維持一個(gè)公司的正常發(fā)展。同時(shí)公司和團(tuán)隊(duì)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(yàn)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(xì)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(shè)計(jì)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(shí)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(shè)計(jì)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(gè)巨大的芯片市場，尤其是隨著無線通訊標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，各種設(shè)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(dòng)設(shè)備的數(shù)量和總價(jià)值近年來也一直在穩(wěn)步上升。手機(jī)是射頻前端芯片的主戰(zhàn)場，每年15億部左右的手機(jī)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(shè)計(jì)人員數(shù)量要求較少，使用的工藝流片費(fèi)用相對較低，前期投入較少;但對設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和能力要求很高，所以成為了很多有經(jīng)驗(yàn)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(jī)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(huì)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(shè)計(jì)公司提出了不同的要求，選擇什么產(chǎn)品作為切入點(diǎn)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(dòng)支付芯片、通訊射頻芯片和身份識(shí)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(diǎn)成為不少小公司的初期產(chǎn)品選擇。2.4G無線通信標(biāo)準(zhǔn)很多，相應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)射頻前端芯片應(yīng)用非常廣泛，市場相對較大而且在穩(wěn)定增長中。典型應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)只需要非線性功率放大器)，實(shí)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(shè)計(jì)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(jī)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(shè)計(jì)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(shè)備都使用電池供電，功耗直接決定設(shè)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(yán)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(jìn)步和設(shè)計(jì)的成熟，好的藍(lán)牙SoC 都能做到發(fā)射接收時(shí)的工作電流均在5mA以下。相比之下射頻前端動(dòng)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，最大限度的減少靜態(tài)和動(dòng)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(gè)比較尷尬的技術(shù)指標(biāo)，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(jìn)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(shè)計(jì)和優(yōu)化集成的中高功率功率放大器會(huì)成為SoC 廠商逐漸無法承受的負(fù)擔(dān)。SoC和成熟的、低成本射頻前端的合封在應(yīng)對物聯(lián)網(wǎng)市場碎片化，低成本和設(shè)備小型化的要求的時(shí)候是一個(gè)值得探索的方向。這其實(shí)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(luò)的關(guān)鍵器件)的全集成芯片在合封時(shí)使用更靈活，更容易搭配各種SoC。

從上面的討論可以看出，設(shè)計(jì)出一款2.4G射頻前端，實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，對于有經(jīng)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)類似產(chǎn)品，但其設(shè)計(jì)方法基本仍沿用傳統(tǒng)GaAs設(shè)計(jì)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(luò)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(shè)計(jì)流程，從設(shè)計(jì)到布圖完全沒有知識(shí)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(biāo)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(biāo)廠商對比

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

· 在標(biāo)準(zhǔn)最高20dbm發(fā)射功率的時(shí)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(yīng)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(luò)的設(shè)計(jì)，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(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)對比中都達(dá)到或超越國外和國內(nèi)競品，是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)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(biāo)，國產(chǎn)超越才應(yīng)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(shè)計(jì)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(huì)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(shè)計(jì)和驗(yàn)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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

審核編輯：湯梓紅