毫米波芯片將是下一個(gè)6G的風(fēng)口？

毫米波芯片絕不會缺席。

近日，華為首款毫米波AI超感傳感器正式亮相，據(jù)傳蘋果自研的毫米波射頻RF芯片也已完成設(shè)計(jì)，代號Turaco。聯(lián)發(fā)科與電信龍頭中華電信于7日宣布合作，攜手于聯(lián)發(fā)科新竹的研發(fā)總部打造5G毫米波芯片測試環(huán)境。

由于毫米波具有傳輸速率高、工作帶寬大、待用空間廣的三大優(yōu)勢，能夠更好滿足AR、VR、智能物聯(lián)系統(tǒng)等新興領(lǐng)域的性能需求。各大廠商開始專注于對毫米波芯片的研究。

什么是毫米波芯片

毫米波是指頻率在30GHz-300GHz之間的電磁波，因其波長在毫米級而得名。較于6GHz以下頻段，毫米波頻段擁有豐富的頻譜資源，在載波帶寬上具有巨大優(yōu)勢，可實(shí)現(xiàn)400MHz和800MHz的大帶寬傳輸，通過不同運(yùn)營商之間的共建共享，實(shí)現(xiàn)超高速率的數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)，毫米波波長短，所需元器件尺寸較小，便于設(shè)備產(chǎn)品的集成化和小型化，符合當(dāng)下終端市場的主流需求。

毫米波芯片則是能夠?qū)崿F(xiàn)在毫米波頻段進(jìn)行信號收發(fā)的IC器件。由于毫米波相控陣芯片集成了毫米波技術(shù)和相控陣原理，技術(shù)難度高，在過去主要應(yīng)用在軍工領(lǐng)域。得益于5G、6G通訊的快速迭代，毫米波才得以打開民用市場，成為全球通信產(chǎn)業(yè)的一大發(fā)展方向。Yole預(yù)計(jì)，到2026年，AiP和毫米波前端模塊市場價(jià)值將達(dá)到27億美元。

傳統(tǒng)的毫米波單片集成電路主要采用化合物半導(dǎo)體工藝，如砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）等，其在毫米波頻段具有良好的性能，是該頻段的主流集成電路工藝。另一方面，近十幾年來硅基（CMOS、SiGe等）毫米波亞毫米波集成電路也取得了巨大進(jìn)展。

GaAs和InP毫米波芯片

InP材料具有電子遷移率高和漂移速率大的特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)毫米波電路和太赫茲電子器件穩(wěn)定運(yùn)行的主要選擇。InP基器件具有高頻、低噪聲、高效率、抗輻照等特點(diǎn)，成為W波段以及更高頻率毫米波電路的首選材料。

以GaAs為代表的化合物半導(dǎo)體器件在高頻、高速、高帶寬以及微波毫米波集成電路中具有明顯的優(yōu)勢。目前，以砷化鎵（GaAs）為代表的化合物半導(dǎo)體高頻器件及電路技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了成熟期，已被大量應(yīng)用于高頻通信領(lǐng)域，尤其是移動通信和光纖通信領(lǐng)域。

第二代半導(dǎo)體GaAs和InP制作的毫米波5GPA優(yōu)于硅基CMOS制作的產(chǎn)品，并且可以集成到用于移動設(shè)備和5G小電池的射頻模塊中。

GaN毫米波芯片

氮化鎵（GaN）作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體的代表，具有大的禁帶寬度、高的電子遷移率和高介電強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于微波毫米波頻段的尖端軍事裝備和民用通信基站等領(lǐng)域。

到2026年，在5G毫米波RFIC市場中，RF收發(fā)器和RFFE可能分別達(dá)到104億美元和235億美元的TAM。

日本Eudyna公司報(bào)道了0.15nm柵長的GaN功率器件，在30GHz功率輸出密度達(dá)13.7W／mm。美國HRL報(bào)道了多款E波段、W波段與G波段的GaN基器件，W波段功率密度超過2W／mm，在180GHz上功率密度達(dá)到296mW／mm。

硅基毫米波芯片

由于硅工藝在成本和集成度方面的巨大優(yōu)勢，硅基毫米波集成電路的研究已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。

在國家973計(jì)劃、863計(jì)劃和自然科學(xué)基金等的支持下，已快速開展研究并取得進(jìn)展。東南大學(xué)毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基于90nm CMOS工藝成功設(shè)計(jì)了Q、V和W頻段放大器、混頻器、VCO等器件和W波段接收機(jī)、Q波段多通道收發(fā)信機(jī)以及到200GHz的CMOS倍頻器和到520GHz的SiGe振蕩器等器件。

毫米波芯片與6G關(guān)系

雖然目前的Sub-6GHz頻段經(jīng)過一段時(shí)間的發(fā)展，可利用的空間相對飽和，但毫米波頻段的可利用空間相對更多，受到的干擾也更少。

5G毫米波芯片組包括基帶處理器/調(diào)制解調(diào)器和RFIC組件（例如RF收發(fā)器和RF前端）。由于支持5G毫米波的智能手機(jī)和其他消費(fèi)類設(shè)備的可用性不斷提高，移動設(shè)備成為毫米波5G芯片組市場的主要貢獻(xiàn)者，到2026年，5G毫米波基帶處理器的安裝數(shù)量將達(dá)到38億。

三星已完成尖端mmWave射頻電路（RFIC）和數(shù)位/類比前端（DAFE）ASIC的開發(fā)，將支援28GHz和39GHz頻段的應(yīng)用；2020年，高通發(fā)布了第三代5G調(diào)制解調(diào)器到天線的解決方案--驍龍X60。驍龍X60使用5nm制程的5G基帶，同時(shí)也支持毫米波和Sub-6GHz聚合的解決方案。 任正非曾表示：“華為在5G技術(shù)方面的成功，是因?yàn)檠褐欣迕撞?；?G的毫米波是大方向。”

6G網(wǎng)絡(luò)將支持更高的峰值速率和業(yè)務(wù)容量，以及低于10厘米的高精定位精度和微米級的傳感分辨率。毫米波提供大的帶寬，可以有效提升空間和距離的分辨率。在未來互聯(lián)網(wǎng)的感知和融合中，毫米波將發(fā)揮重要的作用。

毫米波芯片瓶頸

因?yàn)楹撩撞l率高，具有分布式參數(shù)，本質(zhì)是從“路”向場演變，其設(shè)計(jì)工藝和測試都更復(fù)雜。

一是，毫米波頻率使設(shè)計(jì)和測試比6GHz以下的射頻測試更加困難。

信號路徑損耗和阻抗失配在較高頻率下被放大，并可能極大地影響信號保真度。6GHz的接口板在電纜、PCB和接觸器接口之間的總損耗將小于3到5dB，而設(shè)計(jì)為在40GHz下工作的接口板在相同的信號鏈上的損耗將增加2到4倍。

這導(dǎo)致精確校準(zhǔn)變得更加困難，而且校準(zhǔn)漂移更快，對測試結(jié)果產(chǎn)生影響。 大容量硅芯片首次將毫米波測試帶入ATE世界。以前的測試是使用臺式設(shè)備完成的，無法應(yīng)對未來需要的數(shù)量。這促進(jìn)了高頻射頻功能的重大發(fā)展，可以提供經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)所需的成本和吞吐量。

對于生產(chǎn)測試，目標(biāo)是高速進(jìn)行足夠好的測量，保持高吞吐量。這意味著與傳統(tǒng)上以較低數(shù)量完成的權(quán)衡非常不同。 雖然雷達(dá)芯片可能有1到3或4條線路，但5G芯片將有30條線路。業(yè)內(nèi)人士表示：“以5G手機(jī)可能具有的容量，他們希望一次測試四個(gè)或八個(gè)，所以現(xiàn)在我們談?wù)摰氖浅^200毫米波線，而在此之前他們沒有進(jìn)行任何測試。”

二是，高頻段毫米波芯片的設(shè)計(jì)成本更加昂貴。

頻段越高的毫米波雷達(dá)芯片，對晶體管的截止頻率要求也越高，從而需要更先進(jìn)的工藝節(jié)點(diǎn)，成本也愈加昂貴。例如，65nm的CMOS工藝截止頻率Fmax可到300GHz，足夠用于設(shè)計(jì)工作在60GHz或77GHz的雷達(dá)前端電路。若將工作頻率提高到140GHz，那么使用65nm工藝的設(shè)計(jì)難度將急劇提高。頻率越高，封裝的信號完整性要求越高，封裝的成本也越高。毫米波雷達(dá)芯片最終的頻段選擇，需要在這些因素中折中考慮。

中國毫米波芯片現(xiàn)狀

從全球市場看，市面上已有多款與毫米波技術(shù)相關(guān)的5G芯片。英特爾（Intel）于2017年11月發(fā)布了XMM80605G多模基帶芯片，該芯片同時(shí)支持6GHz以下頻段和28GHz毫米波頻段。高通已經(jīng)能夠提供商用的毫米波終端芯片X50和X55，天線模組QTM525。

我國5G毫米波產(chǎn)業(yè)鏈成熟度落后于5G低頻，也落后于美國、歐洲等國際先進(jìn)水平。表現(xiàn)在毫米波設(shè)備形態(tài)單一、功能和性能尚不滿足5G組網(wǎng)需求，以及5G毫米波芯片和終端型號較少、覆蓋種類和形態(tài)不夠豐富這幾個(gè)方面。

其中，阻礙因素主要來自于高頻器件，主要包括：高速高精度的數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、高頻功率放大器、低噪聲放大器、濾波器、集成封裝天線等等。

政策方面，去年11月，工業(yè)和信息化部批復(fù)組建國家5G中高頻器件創(chuàng)新中心。中心圍繞5G中高頻器件領(lǐng)域重大需求，聚焦新型半導(dǎo)體材料及工藝、5G中高頻核心器件、面向射頻前端的硅基毫米波集成芯片等三大研發(fā)方向，支撐我國5G中高頻器件產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展。

高校方面，清華大學(xué)集成電路學(xué)院已經(jīng)研制出采用65nmCMOS工藝研制了應(yīng)用于衛(wèi)星通信的毫米波Ka頻段射頻前端芯片，在單個(gè)芯片上集成了8個(gè)接收通道或8個(gè)發(fā)射通道（如圖1所示），單通道發(fā)射輸出功率超過12.71dBm，移相精度達(dá)到6bit，幅度控制精度達(dá)到5bit，單發(fā)射通道功耗為302mW。

應(yīng)用于寬帶衛(wèi)星通信的65nmCMOS毫米波射頻前端芯片（發(fā)射組件）來源：清華大學(xué)

杭州電子科技大學(xué)自主研發(fā)E波段毫米波芯片已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，曾于2018年在德國電信的外場實(shí)驗(yàn)中，成功實(shí)現(xiàn)全世界首個(gè)高階毫米波外場驗(yàn)證，速率達(dá)到70GBps。還在為5G毫米波移動基站樣機(jī)射頻芯片的商業(yè)招標(biāo)中，擊敗Macom/Triquint/Gotmic等國際大廠，正式成為華為5G通信供應(yīng)商之一。

中國電科38所發(fā)布了一款高性能77GHz毫米波芯片及模組，其發(fā)布的封裝天線模組包含兩顆38所自研77GHz毫米波雷達(dá)芯片，該芯片面向智能駕駛領(lǐng)域?qū)诵暮撩撞▊鞲衅餍枨?，采用低成本CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體工藝），單片集成3個(gè)發(fā)射通道、4個(gè)接收通道及雷達(dá)波形產(chǎn)生等。

企業(yè)方面，和而泰的子公司鋮昌科技是國內(nèi)微波毫米波T/R芯片領(lǐng)域，除少數(shù)國防研究所之外掌握核心技術(shù)的民營企業(yè)。

2018年和而泰收購鋮昌科技正式進(jìn)軍毫米波射頻芯片，和而泰能夠向市場提供基于GaN、GaAs和硅基工藝的系列化產(chǎn)品，主要包含功率放大器芯片、低噪聲放大器芯片、模擬波束賦形芯片及射頻開關(guān)芯片等。產(chǎn)品已應(yīng)用于通信、導(dǎo)航、探測、遙感、電子對抗等領(lǐng)域。5G基站用射頻芯片目前已完成芯片研制工作；衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)射頻芯片已小批量交付。

上海矽杰微電自2016年從上海微技術(shù)工業(yè)研究院孵化獨(dú)立以來，一直致力于毫米波雷達(dá)芯片的開發(fā)，深耕毫米波雷達(dá)傳感器在消費(fèi)領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域、以及汽車領(lǐng)域中應(yīng)用落地。于2017年開發(fā)出國內(nèi)第一顆具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高集成度24GHz雷達(dá)SoC，目前已擁有一系列的24GHz和77GHz的毫米波雷達(dá)芯片。

亞光科技《5G毫米波通信多功能芯片研究》項(xiàng)目是四川省重大科技專項(xiàng)，公司用于通信的毫米波功率放大器已研制成功。

盛路通信研發(fā)了在國內(nèi)技術(shù)領(lǐng)先的28G、64單元毫米波有源相控陣，并且在39G、60G以及80G做了相應(yīng)的陣列天線開發(fā)。

中興通訊基于RIS毫米波的探索，6G方面，當(dāng)前中興通訊基于RIS毫米波，進(jìn)行了RIS的街區(qū)覆蓋場景的探索。試驗(yàn)表明，無RIS的場景，會限制有效覆蓋范圍，而增加了RIS的情況下，覆蓋范圍得到了增強(qiáng)和擴(kuò)展。

微遠(yuǎn)芯微研發(fā)毫米波雷達(dá)芯片及微系統(tǒng)技術(shù)，其主要產(chǎn)品為SiCMOS毫米波雷達(dá)SOC芯片、IoT低功耗射頻收發(fā)器芯片、GSM/TD-SCDMA終端功放芯片。

問智微研發(fā)微波毫米波系統(tǒng)級芯片（SoC），主要產(chǎn)品包括77GHz汽車?yán)走_(dá)收發(fā)機(jī)射頻前端套片、60GHz硅基SoC收發(fā)芯片、122GHz混合信號雷達(dá)SoC（也稱太赫茲混合信號雷達(dá)SoC）、微波毫米波收發(fā)機(jī)SoC；5G移動通訊28GHz相控收發(fā)機(jī)前端套片等微波毫米波收發(fā)機(jī)相控多功能芯片。

隨著5G的逐漸普及，6G、衛(wèi)星通信也開始慢慢走入大眾的視線。毫米波作為其中的主要角色絕不會缺席。但毫米波仍面臨諸多挑戰(zhàn)。中國移動研究院無線與終端技術(shù)研究所所長丁海煜認(rèn)為，5G毫米波面臨的挑戰(zhàn)，一是網(wǎng)絡(luò)性能不夠成熟；二是成本不夠低；三是網(wǎng)業(yè)協(xié)同不夠深；四是端到端的標(biāo)準(zhǔn)化不夠快。

做好5G才能做好6G，毫米波的發(fā)展還需要加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研合作，共同推動毫米波產(chǎn)業(yè)成熟。