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實現1美元IoT節點 CMOS RF技壓砷化鎵方案

文‧黃耀瑋 發布日期:2014/11/03 關鍵字:CMOS RF砷化鎵WSNRFaxis

互補式金屬氧化物半導體射頻(CMOS RF)方案將乘物聯網之勢快步崛起。為加速物聯網裝置和應用普及,業界正積極研發成本低至1美元的無線感測網路節點(WSN),引發系統關鍵零組件大幅降價的需求;對此,RF晶片商正醞釀以CMOS製程取代傳統砷化鎵(GaAs)方案,以縮減一半以上晶片成本,實現超低價WSN。

RFaxis全球銷售副總裁Raymond Biagan表示,物聯網須透過大量WSN,才能實現數以百億計的裝置互連,因此相關業者對WSN系統中關鍵的RF元件成本格外重視,並將其視為加速物聯網裝置普及的重要觸媒。隨著RF成本壓力遽增,晶片商也開始從較昂貴的砷化鎵製程,轉向標準化、價格親民的矽鍺(SiGe)和CMOS RF方案;其中,CMOS RF可在性能媲美砷化鎵產品的前提下,降低一半以上製造和測試成本,並達成更高元件整合度,更已成為業界布局焦點。

RFaxis市場與產品應用副總裁錢永喜補充,多家國際市場研究機構已提出物聯網市場預測,大部分皆認為2020年整體聯網裝置將上看百億部,但要支援數量如此龐大的裝置互連情境,WSN成本須低於1美元才能廣為布建,加速組織完整的物聯網路。換句話說,RF晶片商要打入物聯網市場,就要將縮減成本當作第一要務,思考其產品如何滿足1美元以下的終端設備價格。

儘管目前砷化鎵RF晶片仍是市場主流,出貨占比高達九成,但其囿於製程和材料特殊性,無論在生產和設計成本方面皆所費不貲,未來在物聯網掀動的低成本RF設計風潮下,光環將逐漸被CMOS RF取代。

錢永喜坦言,以他過去曾投入砷化鎵晶圓代工產業的經驗,此方案要滿足1美元終端設計幾乎是不可能任務,因此未來幾年CMOS RF勢將加速瓜分砷化鎵RF市占,可望從2014年約兩百萬顆出貨,大幅躍升至2018年的兩億顆出貨量。

除成本以外,物聯網裝置開發商亦相當關注RF晶片傳輸效率和尺寸,以實現更低功耗且小體積的WSN,減輕布建困難度。Biagan強調,相較於砷化鎵方案,CMOS製程有助提高功率放大器(PA)、低雜訊放大器(LNA)、收發開關電路、匹配網路(Associated Matching Network)和諧波濾波器(Harmonic Filter)等RF元件的整合度。以RFaxis為例,已透過CMOS製程開發出整合上述元件的RFeIC系列產品,可取代傳統PA和其他RF晶片分離式的設計,或RF前端模組(FEM),為系統業者爭取更多設計空間,同時減輕測試負擔。

與此同時,CMOS RF亦可透過低電壓設計,顯著降低驅動和運作功耗。錢永喜分析,砷化鎵和矽鍺RF基於製程和材料特性,至少要導通2.6伏特(V)的電壓才能驅動,並須供應3.3或5伏特電壓才能持續運作;相較之下,CMOS僅需1.2伏特驅動電壓和2.4伏特運作電壓,在系統電流相等的前提下,省電效益將高達30~40%,有助提升RF傳輸效率和線性度(Linearity)。

錢永喜也透露,最新一代無線區域網路(Wi-Fi)802.11ac Wave 2標準對RF元件規格非常講究,不僅要求達到-40dB EVM的線性度表現,亦須將訊號失真率控制在1%以下。對此,RFaxis的CMOS RF單晶片規格已率先達陣,正攜手通訊晶片商開發相關參考設計,可望趕在2015年上市;目前多家一級(Tier 1)網通設備廠,更已計畫將此元件列入首波採購清單,替代既有的砷化鎵RF晶片。

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