射频芯片,中国企业在路上

2018-05-18 09:51:54 来源:TechSugar
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射频,大家听着可能很熟悉,但是什么是射频,射频集成电路难在哪里?发展的方向是什么?我将会对下面几个方面进行介绍:现在射频芯片全球的市场规模、国内国外一些射频厂的市场占有率如何、我们的机会在哪里、最后介绍一下我们的公司情况。
 
一、什么是射频?
射频芯片是一个比较专业的方向,相对于整个半导体设计是一个很小的技术方向。要总结一下中国企业在什么样的路上,尤其是射频的方向非常难。这条道路虽然崎岖、艰难,但我相信一定是一条越走越宽的光明之路。
 
大家知道互联网万物互联的概念,这个概念已经比较老了,现在大家提的是IOE。这是2014年11月《哈佛商业评论》给的一张表格,它预计2020年的时候全球每个人介入的网络设备是6.58台。手机、IPLED、笔记本电脑、智能汽车、智能电器,稍微一算六七台设备很容易达到。未来五年、十年,会有更多的设备接入进来。那么这些设备是怎么连接呢?就是无线通信,无线通信把各个小的终端连在一个网络里面,怎么实现呢?就是射频技术。
 
右边这张图是第一代的手机,是大哥大,当时的售价在1万左右,像一个砖头,可以拿来防身。左边是现在用的iphone,苹果10在1万左右,当年的1万和现在的1万是没有办法比较的。我们更不用说在性能上、功能上发生的改变。集成电路促进了这样的发展,射频的发展又在其中占了重要的角色。
 
这是传统的机械卫星,它非常笨重和昂贵,这样的卫星用在现在智能互联网很难。但是如果用相控阵天线做集成,无论是尺寸、成本、功耗都会有几个数量级的降低,让它的普及变成一种可能,这就是射频集成电路的优势。讲了这么多,那到底什么是射频?射频顾名思义就是能够发射的频率。电磁波其实就是一种交变的电磁场,这种交变的电磁场能够在自由空间进行传输,所以射频就是具有远距离传输能力的一种高频电磁波。这里面有几个概念,一个叫做频率,什么叫频率?刚才讲它是交变,交替变化。单位时间一秒能有多少个周期变化呢?这个周期的个数我们把它叫做频率。大家经常听到它的工作频率是多少,就是它一秒钟能够变化的次数。它每变化一个次数需要多少时间,这就叫周期,所以频率和周期成反比。它在中间传输的时候,波长定义成一个周期的时间能传播的距离,所以用自由空间电磁波传输的速度去乘以周期的时间,就变成了波长。射频的频段就像时间的横坐标轴一样,像昨天、今天和明天。射频也是一样,低射频到高射频,3Hz到300G的频段叫做射频,在300G以上叫做太赫兹。射频的频段再细分,3Hz到300M就是无线电,可以用在广播上。在300M到300G叫做微波,再细化,从300M到3G,波长是1米到10厘米,这种叫做分米波。3G到30G,波长10厘米到1厘米,我们叫做厘米波。30G到300G,波长对应10个毫米到1个毫米,这种叫毫米波,这是概念上的区别。
 
频谱是非常重要的资源,任何通信协议使用到的频谱,一定要符合频谱规范。中国的频谱是这样划分的,超长波、长波、中波、短波、厘米波、毫米波。西方国家是用波段来划分的,比如L、S、C波段等等。
 
那日常生活中有哪些通信技术呢?大家稍微理一理,射频技术已经遍及生活的各个角落。第一个,无线局域网。相信每家都有一个无线局域网。60G通信的特点是数据率非常高,通信距离近,TP-LINK前两年发布了全球第一款支持802.11ad协议的路由器,也就是一个4K的高清电影,要想传输的话,只需要几分钟。传输几千张高清照片,只需要几秒钟。较远距离通讯(如隔墙)时,需要用802.11a/b/g协议。
 
全球定位系统GPS,是大家出门旅游不可或缺的。迪卡侬的每一件衣服都有一个标签,这是900M的频段范围的RFID。移动通信网络,从第一代的大哥大到现在的4G,到几年以后的5G,可能未来的6G。2012年前大家的手机采用2G网络,刷个网页都需要很久。现在大家的4G网络,可以很顺利地看电影、电视,它的通讯数据率有了急剧的提升。包括近距离的无线网,像蓝牙、NFC、雷达、卫星通信,射频技术已经广泛应用到各个领域。
 
通信系统。我把通信系统画成框图,这里面会经过两种变换。首先一个非电到电的变换,例如有一个声音信号,要通过手机传输出去,必须先采集声音信号。把声音信号传换成电信号,这是非电到电的转换。转换完成之后,会把采集过来的电信号从低频搬到射频频段,射频是比较高的频段。为什么要搬呢?是因为频谱是非常珍贵的资源,大家不能够都用在低频,一来这会造成干扰,无法通信,二来搬移到更高频率后可以更好的利用频谱资源。另外,射频的尺寸和波长是相比拟的,工作频率越高,波长越短,所需要的天线尺寸越小。这是一个通信系统最基本的组成,我们讲到的射频芯片部分在这里。我们把它从低频搬到高频,在射频频段进行处理,这是射频前端在收发机当中的位置。
 
这里面有哪些模块和元器件呢?最基本的元器件有电感、电容、电压器。然后是模块,功率器放大器、混频器、振荡器、射频开关。其次是收发模块。再后来是双工器、天线。这是射频前端应用到的器件和模块,模块有些是分离器件,也可以做进一步集成。射频集成电路在什么样的工艺上实现呢?随着射频电路工艺的发展,特征尺寸逐渐减小。65纳米工艺特征频率可达到将近200G。大家普遍倾向于采用CMOS工艺来实现,最重要的原因是它很便宜,可以把射频、数据处理部分等都集成在一起,这样手机可以高度集成,体积减小,而且非常便宜。但CMOS特征尺寸越小,射频电路的设计难度也越高。
 
这是RFIC的部分照片,这是最早的一颗蓝牙收发机照片,这边是60GHz,这是ADI公司今年2月份在旧金山发布的多模射频芯片,它集成了2G、3G、4G、5G,是能够向下兼容的收发机芯片。
 
二、RFIC为什么难,难在哪里?
很多学校的学生不愿意学射频,觉得上手慢,学了三年才刚刚入门,学了五年可以做一些电路设计,做一个合格的工程师,至少需要五到十年的时间。所以大家提到它的的时候,就觉得难。为什么它难呢?首先无线通信,它的传输是自由空间,这个自由空间环境非常复杂。比如信号在空气当中传输,信号传输的时候强度会逐渐衰减,传输距离越长,信号衰减越厉害,达到了足够距离的时候,接收到的信号只有几个微伏,非常小。这个时候旁边还有很多噪声,什么叫噪声?除了所需要的信号,其他的声音对它来讲都是噪声。那怎么从这么多噪声里面挑出我所需要的信号,这是很难的事情。
 
另外是环境,我的信号要传到某一位同志的手机,可能不是直接传过去,有可能这个信号传到墙壁,再反射过来。信号的传输是不受我们控制的,它会走多个路径。多个路径就会导致信号到达接收手机的时间是不一样的。接收的时间不一样,延时不一样,信息也会不一样,这时候怎么来处理,这样技术问题会导致射频信号、射频前端的设计非常重要。
 
另外一个难点在于射频电路不单单是电路设计,它和工艺、封装、测试是密切相关的。做射频电路,必须要了解工艺和它的工艺参数才能去做模型。封装又希望它对电路影响越小越好,所以也要了解封装模型。测试是一个更大的问题,几年前我们要做毫米波电路,要做60G毫米波电路,是没有测试设备的,因为测试设备是禁运的,想从美国买但是买不到,最近几年才刚刚开放。这对当时做毫米波电路来说提出了很大的难题。
 
再一个难点是更新换代太快,手机可能两年就有一代。这么高的频率下,如果没有足够深厚的技术积累,很难跟上这个技术发展的脚步。射频技术和工艺相关,还跟信号、无线电都相关,甚至跟设计软件都相关,这是一个涉及多学科领域的方向。
 
三、未来射频的发展方向
从移动通信来讲,第一,多模多带。就是未来的5G手机要向下兼容4G、3G、2G。如果只支持5G,不兼容4G,这个手机的销量会很差。多带,就是有多个频带,作为一个手机,不可能只支持一个频带,这样有可能到了美国就不能用了。
 
第一,高性能。高灵敏度,高输出功率、增加通信带宽、提高数据率。
 
第二,低功耗、低成本。
 
第三,高度集成。现在讲的射频IC不仅仅是集成射频模块,还能够把模拟电路等统统集成起来,这个时候才能把它的成本降下来。
 
第四,提高频谱效率。
 
第五,更高的载波频率、充分利用频谱资源。
 
第六,新的技术和应用领域。
 
射频技术是推动无线产品的强大动力。
 
这里有几个数字,2015年到2019年用于移动通信终端的市场规模从119.4亿美元增长到212.1亿美元,复合年增长率15.4%,其中射频芯片规模为40%,市场规模为65亿美元。这是QYR的预测,2020年市场规模接近190亿美元。在这样的市场规模下,再看国际的一些射频芯片供应商和国内射频芯片供应商的市场占有率情况。这边给出了一些国际巨头,Skyworksqorvo、NXP、Infineon、MTK,三大巨头,Qrovo、Skyworks和BroLEDcom的营业收入大概是96亿美元,功率放大器市场占有率接近90%。
 
国内的射频芯片,大家耳熟能详的RDA、lansus、Vanchip,海思,这些公司加起来2016年总收入低于20亿人民币,和海外巨头差距明显,也就是只能在国内占据一定的市场。我们的市场占有率只有20亿人民币,这样的情况下,RFIC的机会在哪里呢?我们要不要做呢?可以分几个方面来看。
 
从民族自豪感来讲,中兴事件对我们来说既是压力,也是动力。在现有的国际形势下,国家有相应的政策“中国制造2025”,包括前天上海推出的“上海制造”,讲到要大力发展集成电路设计,这是从国家政策来讲的。
 
从市场讲我们的机会在哪?我们绝对不是去硬拼,我们很难在短时间拿出高性能、低成本的芯片去替代国外产品,因为这本身是一个高投入、低产出的行业。所以我们要有一些新的产业出来,比如5G。5G还没有蓬勃发展,市场还没有起来,这个时候中国和国外大厂商的差距还比较小,我们很容易迎头赶上。第二,新的应用。物联网的一些智能器件是我们能够快速占领市场的一些途径。从市场角度落到技术上,可以有两大突破,一个是应用于物联网的射频前端,再一个是毫米波的射频前端。按照刚才讲的,仅仅做射频前端占有市场,这是第一步,最终是要做SOC,全集成。
 
刚才讲到了5G和毫米波,回到毫米波。毫米波是3G到300G的频段,毫米波的应用有三个方向。一个是毫米波通信,毫米波通信里面包括5G、60G等。再有一个是智能的毫米波雷达,包括汽车雷达。最后是毫米波成像,主要用在医疗、安防。智能毫米波雷达应用在哪呢?这里面列出了几个应用。第一,智能交通,交通的流量控制。第二,安防,结合视频,可以监控是不是陌生人。第三,智能照明,可以监测有一个人走过来了,什么时候开灯,什么时候关灯。第四,感应。未来更多的是机器人,机器人的服务、定位,汽车的智能驾驶、手势控制,汽车内部的音响、空调,都可以用手势控制。再一个是老人生命体征的监测,监测心跳、呼吸,监测睡眠情况。
 
以前毫米波雷达主要在军用方面,最近毫米波雷达在民用上的发展特别快。雷达传感器市场预期从2016年的59.5亿美元增长2023年到206.4亿美元,包括雷达视觉、超声波和激光。下面把雷达年复合增长率列出来了,从2008年到2018年是快速发展的阶段,之后会保持一个平衡。雷达有很多技术,有视觉,红外、超声、毫米波雷达。为什么用毫米波雷达呢?
 
下面看一下各种雷达的优缺点。
 
激光雷达有很多优点,就是价格比较贵,这对于普及很不适用。超声波雷达不能够测速。红外雷达对测速、测距比较差,视觉受到环境应用的影响,比如说天黑。以前毫米波的雷达价格比较高。如果用集成电路实现毫米波雷达芯片,用CMOS工艺做毫米波雷达,那么它的价格就会降低,这时候它的缺点就可以得到弥补,精度高、穿透性好、可靠性高、全天候这样的优点就会显现出来。从毫米波雷达到现在,无论是从它的成本、尺寸、功耗都有了成倍的提升。
 
矽典微电子(上海)有限公司是一家创新创业型企业,为智能毫米波雷达市场提供芯片、模组、硬件和产品的快速定制,通过智能算法的集成,所提供的毫米波雷达芯片将在手势识别、定位测距、生命体征、避障测速等方面得到广泛应用。公司核心创始人是曾在美国知名企业有十几年成功工作经验的科学家,团队具有深厚的研究基础和出色的芯片研发、测试能力。希望大家多多关注我国射频IC的发展,多多关注矽典微,相信我们会越走越好,谢谢大家。
 
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