GRANDMICRO有容微：闲聊物联网射频芯片

GRANDMICRO有容微：闲聊物联网射频芯片(代理商KOYUELEC光与电子提供技术交流支持)

物联网尤其是智能互联网是大众近几年来在媒体里听到的越来越多的科技名词。随着中国物联网产业逐步壮大，物联网的概念的普及，民众对物联网也越来越了解和熟悉。

物联网是什么?粗略的讲，物联网(Internet of Things，简称IoT)是指通过各种信息传感器实时采集信息，实现物与物、物与人的连接互动。人们通过物联网应用，能够对物品和流程实现智能化感知、识别和管理。

芯片作为连接物联网的核心设备，在物联网中的所有应用中也处于核心地位。芯片产业在PC时代和手机时代都是单品种、大体量产品。这就意味着开发者可以针对这些单品市场，集中精力做芯片。大出货量可以支持开发者投入下一代产品的研发中去。

但物联网是是由无数个细分的、碎片化的应用叠加起来的市场，虽然规模巨大，但每一个细分市场的容量却相对较小。芯片厂商的客户也从几大手机厂商、电脑厂商变成了成千上万的中小智能硬件物联网硬件厂商。客户的多元化让芯片厂商很难和客户一起定义未来的产品规格。多元化的客户希望通过差异化的定制芯片来提升自己产品的差异化和竞争力。但是定制既加大了研发投入，也限制了产品的应用范围和出货量，进一步切碎了市场。大公司很难用大集团军的“顶层规划+饱和攻击”的策略来研发这些面向物联网不到亿级的出货产品。如何高效地抓住这种碎片化市场，是物联网给传统芯片厂商提出的新挑战，也是给小型芯片设计公司带来的新商机。

物联网芯片的特点虽然增加了市场难度，但是对芯片性能的要求并没有减少。大多物联网产品的特性对芯片的小型化和低成本提出了更为苛刻的要求。物联网芯片厂商不再需要像以前一样一味求快求新，而是要寻找适合自己的方向，使用最合适的工艺技术，精细化芯片研发，将定制芯片的性能优化到极致。

目前中国市场芯片初创公司层出不穷，创业方向涵盖了所有能想象到的应用领域。小型芯片设计公司要同时面对传统芯片巨头和众多涌现新同行的竞争，生存压力要求小公司能够高效地调度支配有限的资源，快速推出多款产品和多条产品线，同时把握住多条不断涌现的新细分赛道。多个应用方向叠加起来的出货量，销售额和利润才能维持一个公司的正常发展。同时公司和团队也需要调整思路，不能局限于闷头研发多年，期待凭一款研发多年的产品直接业绩爆发。而是要在研发的过程中和产业链的其他公司合作，尽量快速，低成本，高效的完成产品的研发和验证，和产业链的合作伙伴一起尽快的拿下尽可能多的细分品类。

无锡有容微是一家专注于高性能模拟射频和混合信号SoC的芯片设计公司。公司自2018年成立以来，快速发展，目前已拥有高性能时钟，高速模拟开关，射频前端以及专用市场定制SoC等多条产品线。我们今天简单介绍一款有容微的物联网射频前端芯片，从产品选择，设计和优化的方向来了解一下他们对芯片和物联网市场的一些思考。

射频前端芯片市场是一个巨大的芯片市场，尤其是随着无线通讯标准的发展，各种设备对射频前端的需求越来越多，技术要求越来越高。射频前端在移动设备的数量和总价值近年来也一直在稳步上升。手机是射频前端芯片的主战场，每年15亿部左右的手机市场是所有芯片厂商梦寐以求的市场，也是竞争最激烈的市场。射频前端芯片对设计人员数量要求较少，使用的工艺流片费用相对较低，前期投入较少;但对设计人员的经验和能力要求很高，所以成为了很多有经验有能力的国内初创公司的方向。国产射频前端芯片厂商的设计和产业化能力近年来也逐步提高。从开关，低噪放，到目前设计难度较大的功率放大器和滤波器都涌现出很多优秀的初创和上市公司。目前手机射频前端的市场的竞争已逐渐聚焦到滤波器资源的竞争。拥有稳定的滤波器资源，完整的产品线和模组集成能力的射频前端公司将会在未来的竞争中站稳脚跟。

物联网市场的碎片化和对成本极致的追求对芯片设计公司提出了不同的要求，选择什么产品作为切入点成为首先要面对的问题。物联网芯片主要包括：安全芯片、移动支付芯片、通讯射频芯片和身份识别类芯片等。物联网射频前端芯片的前期投入成本低的特点成为不少小公司的初期产品选择。2.4G无线通信标准很多，相应的物联网射频前端芯片应用非常广泛，市场相对较大而且在稳定增长中。典型应用包括智能照明，智能音箱，路由器，网关，玩具遥控器等。从技术角度来分析，2.4G物联网射频前端市场对滤波器要求低，最大输出功率要求不高(~20dbm)，功率放大器线性度要求较低(很多2.4G通信标准只需要非线性功率放大器)，实现相对容易。但是和众多GaAs射频工程师想象的不同，好的射频前端芯片的设计难度并不低。物联网射频前端芯片对功耗和成本要求极为苛刻，基于GaAs PA +SOI switch + 封装基板的传统手机射频前端的成本架构对于物联网射频前端芯片是完全无法接受的。在物联网射频前端芯片竞争中，使用尽可能低成本的工艺，设计面积尽可能小的裸芯，最大程度的集成，包括减少使用的裸芯和SMD数量，避免使用封装基板等，才能推出真正有市场竞争力的芯片。很多物联网设备都使用电池供电，功耗直接决定设备的使用寿命和更换周期。所以物联网芯片对无论是静态电流还是最大发射功率的电流都有严格限制和无止境的追求。目前随着物联网SoC芯片工艺的进步和设计的成熟，好的蓝牙SoC 都能做到发射接收时的工作电流均在5mA以下。相比之下射频前端动辄10mA左右的的静态工作电流和100mA左右的最大发射功率时的电流很明显成为了物联网通信模组的功耗瓶颈。在满足通信标准要求的前提下，最大限度的减少静态和动态功耗成为了物联网射频前端芯片的性能的首要追求。

2.4G物联网射频前端的最大输出功率不高也不低，对于SoC厂商是个比较尴尬的技术指标，属于可以集成的射频前端最大输出功率的边缘。绝大部分SoC厂商都有0-5dbm的输出功率。集成20dbm 最大输出功率PA 只在少数的厂商的特定的SoC中出现过。随着数字电路工艺的不断进步和射频前端工艺需求的相对稳定，在每一代新SoC中重新设计和优化集成的中高功率功率放大器会成为SoC 厂商逐渐无法承受的负担。SoC和成熟的、低成本射频前端的合封在应对物联网市场碎片化，低成本和设备小型化的要求的时候是一个值得探索的方向。这其实也和最近比较流行的chiplet的概念不谋而合。合封对物联网射频前端的裸芯尺寸和封装友好程度提出了新要求。小的裸芯尺寸和不依赖封装(比如使用绑定线作为输出匹配网络的关键器件)的全集成芯片在合封时使用更灵活，更容易搭配各种SoC。

从上面的讨论可以看出，设计出一款2.4G射频前端，实现相关功能，对于有经验的射频芯片工程师并不是十分困难，国内也有不少厂家推出了相关的产品。但是考虑到极低功耗，极低成本，小尺寸，易封装等要求，量产一款优秀的2.4G射频前端芯片面临的挑战还是巨大的。无锡有容微的GM2401是一款综合了以上考虑的用于2.4G物联网Zigbee射频前端芯片。芯片的系统框图如图一所示：

图一 无锡有容GM2401系统框图

GM2401使用低成本成熟的CMOS工艺，把低噪放，射频开关和功率放大器集成在一颗CMOS裸芯上。虽然很多国内和国外厂商也采用CMOS工艺来实现类似产品，但其设计方法基本仍沿用传统GaAs设计方法，甚至布图都非常相像，尤其是最重要的输出匹配网络中的关键电感仍依赖封装绑定线。无锡有容微的GM2401采用了与其他厂家完全不同的但易于集成的CMOSPA设计流程，从设计到布图完全没有知识产权的顾虑，所有的输入和输出匹配都集成在片上，给未来的SoC合封带来了巨大的方便。

该芯片的技术指标较多，我们在这里仅列举一下最重要的发射功率和电流的测试数据对比图。

图二 发射功率和电流对比图

图三 发射功率和效率对比图

表一总结了无锡有容微GM2401和国外主流厂商以及两家主要国内厂商的对比。

表一　关键指标厂商对比

从表中的在关键指标对比中，无锡有容微的GM2401有如下优势：

· 在标准最高20dbm发射功率的时候，电流与国外主流厂商一致，低于两家国产厂商，仅为国产供应商2的 2/3;

· 发射模式的静态电流是13mA，在各厂商间最低，约为国产厂商1的50%;

· 接收模式的静态电流与国外主流厂商一致，低于两家国产厂商，比国产厂商2低25%;

· 面积在各厂商间最小，测量数据表明比在面积上极具竞争力的国产厂商1的裸芯面积还小22%;

· 唯一一家片上集成输出匹配网络的设计，非常有利于合封;

GM2401在性能，成本，面积，封装方便性方面都做到了极致，在各项关键指标对比中都达到或超越国外和国内竞品，是物联网设备厂商最好的选择。国产替代不是国内芯片企业的唯一目标，国产超越才应该是优秀国内芯片企业孜孜不倦的追求。

在目前的市场条件下，优异的单一产品仅仅是芯片公司成功的一小部分。物联网芯片市场的特殊性要求芯片公司最大限度地利用有限的资源，合理选择产品方向和设计流程，快速推出多款贴近市场的产品甚至产品线，这样才能在激烈竞争中生存下来。有容微不仅会在物联网射频前端产品线不断推出产品，而且这些产品的设计和验证流程在未来的物联网SoC芯片研发和量产中有很好的延续性，能为未来的产品线拓宽和产品线升级奠定坚实的基础。

审核编辑：汤梓红