毫米波芯片将是下一个6G的风口？
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文 | 半导体产业纵横
近日，华为首款毫米波AI超感传感器正式亮相，据传苹果自研的毫米波射频RF芯片也已完成设计，代号Turaco。联发科与电信龙头中华电信于7日宣布合作，携手于联发科新竹的研发总部打造5G毫米波芯片测试环境。
由于毫米波具有传输速率高、工作带宽大、待用空间广的三大优势，能够更好满足AR、VR、智能物联系统等新兴领域的性能需求。各大厂商开始专注于对毫米波芯片的研究。
什么是毫米波芯片
毫米波是指频率在30GHz-300GHz之间的电磁波，因其波长在毫米级而得名。较于6GHz以下频段，毫米波频段拥有丰富的频谱资源，在载波带宽上具有巨大优势，可实现400MHz和800MHz的大带宽传输，通过不同运营商之间的共建共享，实现超高速率的数据传输。同时，毫米波波长短，所需元器件尺寸较小，便于设备产品的集成化和小型化，符合当下终端市场的主流需求。
毫米波芯片则是能够实现在毫米波频段进行信号收发的IC器件。由于毫米波相控阵芯片集成了毫米波技术和相控阵原理，技术难度高，在过去主要应用在军工领域。得益于5G、6G通讯的快速迭代，毫米波才得以打开民用市场，成为全球通信产业的一大发展方向。Yole预计，到2026年，AiP和毫米波前端模块市场价值将达到27亿美元。
传统的毫米波单片集成电路主要采用化合物半导体工艺，如砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等，其在毫米波频段具有良好的性能，是该频段的主流集成电路工艺。另一方面，近十几年来硅基（CMOS、SiGe等）毫米波亚毫米波集成电路也取得了巨大进展。
- GaAs和InP毫米波芯片
InP材料具有电子迁移率高和漂移速率大的特点，是实现毫米波电路和太赫兹电子器件稳定运行的主要选择。InP基器件具有高频、低噪声、高效率、抗辐照等特点，成为W波段以及更高频率毫米波电路的首选材料。
以GaAs为代表的化合物半导体器件在高频、高速、高带宽以及微波毫米波集成电路中具有明显的优势。目前，以砷化镓（GaAs）为代表的化合物半导体高频器件及电路技术已经进入了成熟期，已被大量应用于高频通信领域，尤其是移动通信和光纤通信领域。
第二代半导体GaAs和InP制作的毫米波5GPA优于硅基CMOS制作的产品，并且可以集成到用于移动设备和5G小电池的射频模块中。
- GaN毫米波芯片
氮化镓（GaN）作为第三代宽禁带半导体的代表，具有大的禁带宽度、高的电子迁移率和高介电强度等优点，可以广泛应用于微波毫米波频段的尖端军事装备和民用通信基站等领域。
到2026年，在5G毫米波RFIC市场中，RF收发器和RFFE可能分别达到104亿美元和235亿美元的TAM。
日本Eudyna公司报道了0.15nm栅长的GaN功率器件，在30GHz功率输出密度达13.7W／mm。美国HRL报道了多款E波段、W波段与G波段的GaN基器件，W波段功率密度超过2W／mm，在180GHz上功率密度达到296mW／mm。
- 硅基毫米波芯片
由于硅工艺在成本和集成度方面的巨大优势，硅基毫米波集成电路的研究已成为当前的研究热点之一。
在国家973计划、863计划和自然科学基金等的支持下，已快速开展研究并取得进展。东南大学毫米波国家重点实验室基于90nm CMOS工艺成功设计了Q、V和W频段放大器、混频器、VCO等器件和W波段接收机、Q波段多通道收发信机以及到200GHz的CMOS倍频器和到520GHz的SiGe振荡器等器件。
毫米波芯片与6G关系
虽然目前的Sub-6GHz频段经过一段时间的发展，可利用的空间相对饱和，但毫米波频段的可利用空间相对更多，受到的干扰也更少。
5G毫米波芯片组包括基带处理器/调制解调器和RFIC组件（例如RF收发器和RF前端）。由于支持5G毫米波的智能手机和其他消费类设备的可用性不断提高，移动设备成为毫米波5G芯片组市场的主要贡献者，到2026年，5G毫米波基带处理器的安装数量将达到38亿。
三星已完成尖端mmWave射频电路（RFIC）和数位/类比前端（DAFE）ASIC的开发，将支援28GHz和39GHz频段的应用；2020年，高通发布了第三代5G调制解调器到天线的解决方案--骁龙X60。骁龙X60使用5nm制程的5G基带，同时也支持毫米波和Sub-6GHz聚合的解决方案。
任正非曾表示：“华为在5G技术方面的成功，是因为押中厘米波；而6G的毫米波是大方向。”
6G网络将支持更高的峰值速率和业务容量，以及低于10厘米的高精定位精度和微米级的传感分辨率。毫米波提供大的带宽，可以有效提升空间和距离的分辨率。在未来互联网的感知和融合中，毫米波将发挥重要的作用。
毫米波芯片瓶颈
因为毫米波频率高，具有分布式参数，本质是从“路”向场演变，其设计工艺和测试都更复杂。
一是，毫米波频率使设计和测试比6GHz以下的射频测试更加困难。
信号路径损耗和阻抗失配在较高频率下被放大，并可能极大地影响信号保真度。6GHz的接口板在电缆、PCB和接触器接口之间的总损耗将小于3到5dB，而设计为在40GHz下工作的接口板在相同的信号链上的损耗将增加2到4倍。
这导致精确校准变得更加困难，而且校准漂移更快，对测试结果产生影响。
大容量硅芯片首次将毫米波测试带入ATE世界。以前的测试是使用台式设备完成的，无法应对未来需要的数量。这促进了高频射频功能的重大发展，可以提供经济生产所需的成本和吞吐量。
对于生产测试，目标是高速进行足够好的测量，保持高吞吐量。这意味着与传统上以较低数量完成的权衡非常不同。
虽然雷达芯片可能有1到3或4条线路，但5G芯片将有30条线路。业内人士表示：“以5G手机可能具有的容量，他们希望一次测试四个或八个，所以现在我们谈论的是超过200毫米波线，而在此之前他们没有进行任何测试。”
二是，高频段毫米波芯片的设计成本更加昂贵。
频段越高的毫米波雷达芯片，对晶体管的截止频率要求也越高，从而需要更先进的工艺节点，成本也愈加昂贵。例如，65nm的CMOS工艺截止频率Fmax可到300GHz，足够用于设计工作在60GHz或77GHz的雷达前端电路。若将工作频率提高到140GHz，那么使用65nm工艺的设计难度将急剧提高。频率越高，封装的信号完整性要求越高，封装的成本也越高。毫米波雷达芯片最终的频段选择，需要在这些因素中折中考虑。
中国毫米波芯片现状
从全球市场看，市面上已有多款与毫米波技术相关的5G芯片。英特尔（Intel）于2017年11月发布了XMM80605G多模基带芯片，该芯片同时支持6GHz以下频段和28GHz毫米波频段。高通已经能够提供商用的毫米波终端芯片X50和X55，天线模组QTM525。
我国5G毫米波产业链成熟度落后于5G低频，也落后于美国、欧洲等国际先进水平。表现在毫米波设备形态单一、功能和性能尚不满足5G组网需求，以及5G毫米波芯片和终端型号较少、覆盖种类和形态不够丰富这几个方面。
其中，阻碍因素主要来自于高频器件，主要包括：高速高精度的数模及模数转换芯片、高频功率放大器、低噪声放大器、滤波器、集成封装天线等等。
政策方面，去年11月，工业和信息化部批复组建国家5G中高频器件创新中心。中心围绕5G中高频器件领域重大需求，聚焦新型半导体材料及工艺、5G中高频核心器件、面向射频前端的硅基毫米波集成芯片等三大研发方向，支撑我国5G中高频器件产业创新发展。
高校方面，清华大学集成电路学院已经研制出采用65nmCMOS工艺研制了应用于卫星通信的毫米波Ka频段射频前端芯片，在单个芯片上集成了8个接收通道或8个发射通道（如图1所示），单通道发射输出功率超过12.71dBm，移相精度达到6bit，幅度控制精度达到5bit，单发射通道功耗为302mW。
应用于宽带卫星通信的65nmCMOS毫米波射频前端芯片（发射组件）来源：清华大学
杭州电子科技大学自主研发E波段毫米波芯片已实现商业化，曾于2018年在德国电信的外场实验中，成功实现全世界首个高阶毫米波外场验证，速率达到70GBps。还在为5G毫米波移动基站样机射频芯片的商业招标中，击败Macom/Triquint/Gotmic等国际大厂，正式成为华为5G通信供应商之一。
中国电科38所发布了一款高性能77GHz毫米波芯片及模组，其发布的封装天线模组包含两颗38所自研77GHz毫米波雷达芯片，该芯片面向智能驾驶领域对核心毫米波传感器需求，采用低成本CMOS（互补金属氧化物半导体工艺），单片集成3个发射通道、4个接收通道及雷达波形产生等。
企业方面，和而泰的子公司铖昌科技是国内微波毫米波T/R芯片领域，除少数国防研究所之外掌握核心技术的民营企业。
2018年和而泰收购铖昌科技正式进军毫米波射频芯片，和而泰能够向市场提供基于GaN、GaAs和硅基工艺的系列化产品，主要包含功率放大器芯片、低噪声放大器芯片、模拟波束赋形芯片及射频开关芯片等。产品已应用于通信、导航、探测、遥感、电子对抗等领域。5G基站用射频芯片目前已完成芯片研制工作；卫星互联网射频芯片已小批量交付。
上海矽杰微电自2016年从上海微技术工业研究院孵化独立以来，一直致力于毫米波雷达芯片的开发，深耕毫米波雷达传感器在消费领域、工业领域、以及汽车领域中应用落地。于2017年开发出国内第一颗具有自主知识产权的高集成度24GHz雷达SoC，目前已拥有一系列的24GHz和77GHz的毫米波雷达芯片。
亚光科技《5G毫米波通信多功能芯片研究》项目是四川省重大科技专项，公司用于通信的毫米波功率放大器已研制成功。
盛路通信研发了在国内技术领先的28G、64单元毫米波有源相控阵，并且在39G、60G以及80G做了相应的阵列天线开发。
中兴通讯基于RIS毫米波的探索，6G方面，当前中兴通讯基于RIS毫米波，进行了RIS的街区覆盖场景的探索。试验表明，无RIS的场景，会限制有效覆盖范围，而增加了RIS的情况下，覆盖范围得到了增强和扩展。
微远芯微研发毫米波雷达芯片及微系统技术，其主要产品为SiCMOS毫米波雷达SOC芯片、IoT低功耗射频收发器芯片、GSM/TD-SCDMA终端功放芯片。
问智微研发微波毫米波系统级芯片（SoC），主要产品包括77GHz汽车雷达收发机射频前端套片、60GHz硅基SoC收发芯片、122GHz混合信号雷达SoC（也称太赫兹混合信号雷达SoC）、微波毫米波收发机SoC；5G移动通讯28GHz相控收发机前端套片等微波毫米波收发机相控多功能芯片。
随着5G的逐渐普及，6G、卫星通信也开始慢慢走入大众的视线。毫米波作为其中的主要角色绝不会缺席。但毫米波仍面临诸多挑战。中国移动研究院无线与终端技术研究所所长丁海煜认为，5G毫米波面临的挑战，一是网络性能不够成熟；二是成本不够低；三是网业协同不够深；四是端到端的标准化不够快。
做好5G才能做好6G，毫米波的发展还需要加强产学研合作，共同推动毫米波产业成熟。
