硅仍然在6 GHz以下獲勝，但之后GaN看起來越來越有吸引力。

推出5G毫米波頻率的全球競賽可為氮化鎵（GaN）作為硅的替代品提供了一個備受期待的市場機會。

對于5G RF，GaN比硅更節能。實際上，多年來GaN一直是5G功率放大器中硅工藝的繼承者，特別是在mmWave 5G網絡方面。使其如此具有吸引力的是它能夠在比可比較的橫向擴散MOSFET（LDMOS）器件小得多的區域內有效地處理更高電壓。此外，它可以提供比標準硅更寬范圍的mmWave（毫米波）頻率。

“大部分差異與晶體管的工作電壓有關，其中GaN可以承受50V甚至更高的電壓，28nm CMOS可能是1.8V，”ADI公司射頻/微波放大器和相控陣IC產品總監Keith Benson說。 “最后，功率是電壓乘以電流，更高的工作電壓使產生高功率變得更容易。關于GaN與硅的比較，一般來說，這是一個復雜的答案，因為它們非常不同。從晶圓成本來看，GaN仍然很昂貴，但掩模成本遠遠低于尖端CMOS的成本?！?/p>

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圖1：比較微波頻率范圍內不同材料的功率和頻率，包括mmWaves。來源：ADI公司

這是一個開始，但5G有一系列問題需要解決，因為它從6GHz以下的頻率范圍擴展到毫米波頻率餓技術。

“從技術角度來看，5G存在衰減問題，需要多個天線才能使用空間復用技術來改善信號質量。每個天線都需要專用的RF前端芯片組[和功率放大器]，“Veeco首席技術官Ajit Paranjpe說。 “如今，GaN正在逐步取代特定應用中的硅，例如4G / LTE基站的RF放大器前端?！?/p>

下一代設計將為小型設備（微蜂窩，毫微微蜂窩甚至更小的接入點）打開通向GaN的大門，盡管出于不同的原因而不是追求更高功率的通信設備。

“對于功率負荷較低的設備而言，其優勢在于占地面積，而不僅僅是在電路板空間，以及天線的布局，”Paranjpe說。 “這就是GaN提供最佳配合的地方，因為它可以在更高的電壓下工作?！?/p>

然而，根據EJL無線研究公司總裁Earl Lum的說法，在大盒子的情況下，問題在于浪費了多少電力，而不僅僅是使用了多少電力。 “那些[功率放大器]只有30％或35％的效率，所以如果你把100瓦放入其中，你只能傳輸35%的有用功率而另外65%的功率變成了熱量?！?/p>

在最近的一次上海會議上，華為展示了帶有獨立液體冷卻系統的基站。這似乎有些過分，但基站芯片的密度會產生大量的熱量。 Lum說，大多數其他原始設備制造商堅持使用傳統方法，但展出的鋁翅片和其他散熱機構有很多異常長的鋁散熱翅片。

大多數芯片制造商的回應是假設他們會支持這兩種材料，盡管有一些人正在努力推動一方面或者另一方面的發展。

Qorvo，Wolfspeed，恩智浦，住友和其他芯片制造商 - 尤其是那些在微波通信市場擁有豐富經驗的芯片制造商 - 多年來一直在推動GaN作為LDMOS在5G基站功率放大器（PA）和其他應用中的繼承者。

“5G驅動的數據需求和物聯網的開始將需要容量和速度，例如，mmWave技術可以提供，”Wolfspeed RF產品線副總裁兼總經理Gerhard Wolf說。 “碳化硅（SiC）上的GaN是mmWave技術的最佳材料，因為它具有高功率密度和高頻率的工作能力?！?/p>

Cree / Wolfspeed是對碳化硅（SiC）基GaN（GaN-on-SiC）需求增長做出重大賭注的公司之一。事實上，它在5月宣布計劃投資10億美元，使用重新設計的253,000平方英尺的工廠將其GaN-on-SiC的產能擴大30倍，該工廠目前在其位于北卡羅來納州達勒姆的總部附近生產150毫米晶圓。 “這直接回應了對下一代技術的需求，”沃爾夫說。 “今天，通信基礎設施客戶正迅速對5G產品進行大量預投資，我們很自豪能夠引領這一運動。”

根據YoleDéveloppement的6月報告，預計國防工業以及4G和5G移動電話市場的銷售增長將推動GaN元件的銷售額從2017年的3.8億美元增加到2024年的20億美元。然而，該公司指出，民用無線市場中絕大多數的PA都是基于硅的。

6GHz以下頻段

同一份報告還預測“在經濟高效的LDMOS技術方面取得了顯著進展”，允許芯片在6GHz以下，有源天線和大規模MIMO實施中繼續挑戰GaN。

這一進展幾乎肯定會包括為mmWave網絡開發標準硅元件，正如長期射頻系統設計師Anokiwave所做的那樣 - 同時增加功能以減少校準相控陣天線的工作量并減少多達三分之一的功耗。

Anokiwave首席戰略官阿拉斯泰爾?厄普頓（Alastair Upton）表示，“GaN在孤立用途和一些已經很受歡迎的高能量應用中表現良好 - 特別是LiDAR和雷達”，他利用公司在構建相控陣天線組件方面取得的成功。標準LDMOS的控制器作為證據來說明GaN是不必要的。 “我們在2016年推出了第一款28GHz的芯片，每一代產品的尺寸和重量都提高了幾個數量級。我們繼續以非?？斓乃俣冉档统杀尽！?/p>

但Upton指出，至少對于低于6GHz的5G版本，GaN芯片必須與硅的規模經濟競爭，同時只有微不足道的額外收益。

優秀的設計師可以讓硅做出令人驚訝的事情，但是大型放大器散熱的速度要比小型放大器慢。 GaN電源供應商Efficient Power Conversion（EPC）的聯合創始人兼首席執行官Alex Lidow表示，GaN或其他任何能夠在更小的空間內處理與硅相同的電壓，使整個過程更加節能。

“鎵是一種比硅更好的半導體，”Lidow說。 “這已經有一段時間了?！?/p>

傳統上，GaN比硅更昂貴，而且當按照比重對比時，兩者仍然存在很大差異。但Lidow表示，在硅或碳化硅上外延放置GaN及其元件的工藝可使GaN有效地與硅相媲美，有時成本還要稍低。

ADI公司的Benson指出了一個相關的趨勢。 “工藝技術最終已經發展到足以可靠地投入系統的程度，”他說。 “在工廠準備投入實際系統之前，工廠花了十多年才消除了許多問題?！?/p>

不可避免的散熱問題

由于峰值功率和最小功率要求之間的巨大差異，功率放大器和RF前端的熱問題是特有的，而GaN尤其適用于此。

“你必須提供相同數量的電力，無論你是以非常高的功率進行傳輸，還是以非常低的功率進行傳輸，這是大部分時間，并且額外的功率會以熱量的形式消散，”安德魯·扎伊說。安德魯·扎伊是雷神公司首席工程師，同時他也是IEEE最近舉辦的國際微波研討會5G峰會主席。 “有一種iPhone手機中使用的技術，稱為包絡跟蹤，可讓您在任何時刻調整所需的電平，而不是在最壞的情況下偏置。但是如果你正在使用幅度修正波形，那么你總是會遇到最壞情況與平均值情況對比相關的問題?！?/p>

Lidow表示，包絡跟蹤是GaN的關鍵功能優勢，因為硅PA不能快速上下切換電源電壓水平，以使該技術有效。 “對于PA來說，包絡跟蹤并不容易，因為您需要實時調整以實時跟蹤功率。硅不能足夠快地完成它，這就是為什么它很長時間沒有實現。不過，節省的大筆費用不在電費賬單上。不僅僅是散熱問題，尺寸和重量也非常關鍵：與50磅重的天線相比，將500磅重的天線放在建筑物側面可能有所不同。這是一個很大的賣點?！?/p>

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圖2：寬帶隙芯片（綠色）與其他材料（灰色）相比。資料來源：美國能源部。

系統設計，而不是材料，但是是作為一種替代

盡管如此，雖然GaN可能會進入硅領域，但實際上不太可能取代硅。

“鎵，以及其他一些III-V材料在某些性能指標上具有合理的優勢，而且它們發揮了重要作用 - 特別是在國防和輻射強化型設備中，”Cyber??Optics首席執行官Subodh Kulkarni說。 “然而，這些應用場景在工藝層面上本質上難以控制。硅更寬容和可控。這些材料有一些有趣的事情要改進，但我不認為硅會馬上消失?！?/p>

其他人也同意這個觀點。 “隨著技術的發展，尺寸將縮小，我們將看到更多5G的超精益設計方面，本來應該通過在不需要時將部分基站置于睡眠狀態來幫助管理電源和散熱問題“在ANSYS負責全球營銷，合作伙伴關系和CXO通信的Rajeev Rajan說。 “三星已經表示，根據用于數字前端的ASIC密度，他們會看到部分組件可以減少25％。我們將看到高通和諾基亞以及其他一些公司的更多優化，這時我們將獲得更好的手機和更多的消費者接受。

ANSYS的高科技行業戰略和市場營銷主管Sudhir Sharma指出，雖然液體冷卻的效率比空氣冷卻高出許多倍，但它可能不會取代移動網絡基站的空氣冷卻解決方案。

初始實現不太可能與以前的版本有顯著的差異，但隨著技術從Sub-6 GHz發展到mmWave（毫米波），這將變得越來越復雜。

“這些非常高的頻率意味著您必須真正大幅提高靈敏度，并且當您嘗試將模塊和RF IC組合在一起時，”Cadence定制IC和PCB組的高級組主管Ian Dennison說。 “交叉依賴性非常高。因此，您現在需要人們同時佩戴多個帽子并同時設計封裝基板和IC?！?/p>

芯片面臨巨大的轉折機遇

本森對此表示贊同。 “通常分布的放大器往往比標準級聯放大器更大，效率更低，增益更低，”他說。 “但分布式放大器能夠輕松實現非常寬的帶寬，這使它們具有吸引力?！?/p>

不僅僅依賴于散熱器和寬基帶材料，運營商很可能會改變網絡拓撲結構和硬件配置，以便將射頻傳輸負載分散到許多中型基站上。它們還可以將光纖運行到不同級別的微蜂窩，以避免只有少數基站具有非常高的功率和傳輸水平。

小基站論壇（ Small Cell Forum）的研究表明，通過限制每個設備的連接數量和使用基站更像是采用小基站的固定無線接入點，可以降低功率需求。此外，組件或網絡節點可以在低活動時選擇性地斷電。但核心問題仍然是芯片和芯片組的基本設計，使節能更容易，而不是更困難。

芯片面臨巨大的轉折機遇

“可能存在我看不到的系統設計問題，但我想知道為什么首先需要這么多天線元件，”EJL的Lum說。 “例如，經驗法則，對于形成2 x 2 MIMO塊的每四個偶極子元件，可能需要一個芯片。所以，如果你有一個512單元的天線陣列，除以4，你需要128個芯片用于一個無線基站扇區。乘以三，你需要為該陣列提供大量芯片。如果我是一家芯片公司，我很樂意銷售所有這些芯片，但是你為這些芯片中的每一個增加了熱量，并且不知道散熱會是什么樣的。那么，為什么需要這么多天線單元呢？您不希望天線元件數量最少化嗎？另一方面講，從我看到的例子中，LDMOS也正好通過了所有測試，達到mmWave（毫米波）所需的功率水平。因此，除非有充分的理由進行轉換，否則現在可??能會更好 - 更便宜或更穩定。“

Paranjpe說，根本的問題是，有多少復雜的功能可以構建成單個均勻的芯片或SoC。

“這不是一個簡單的答案，但你必須決定是否可以高速進行基帶處理，以及單片上需要RF開關和功率放大器，”Paranjpe問道。 “我不確定這是否真的有可能。這些要求與基帶和毫米波有很大不同。調和它們將非常困難?！?/p>