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文 | 半導體産業縱橫
近日，華為首款毫米波AI超感傳感器正式亮相，據傳蘋果自研的毫米波射頻RF晶片也已完成設計，代号Turaco。聯發科與電信龍頭中華電信于7日宣布合作，攜手于聯發科新竹的研發總部打造5G毫米波晶片測試環境。
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勢，能夠更好滿足AR、VR、智能物聯系統等新興領域的性能需求。各大廠商開始專注于對毫米波晶片的研究。
什麼是毫米波晶片
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勢，可實作400MHz和800MHz的大帶寬傳輸，通過不同營運商之間的共建共享，實作超高速率的資料傳輸。同時，毫米波波長短，所需元器件尺寸較小，便于裝置産品的內建化和小型化，符合當下終端市場的主流需求。
毫米波晶片則是能夠實作在毫米波頻段進行信号收發的IC器件。由于毫米波相控陣晶片內建了毫米波技術和相控陣原理，技術難度高，在過去主要應用在軍工領域。得益于5G、6G通訊的快速疊代，毫米波才得以打開民用市場，成為全球通信産業的一大發展方向。Yole預計，到2026年，AiP和毫米波前端子產品市場價值将達到27億美元。
傳統的毫米波單片內建電路主要采用化合物半導體工藝，如砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等，其在毫米波頻段具有良好的性能，是該頻段的主流內建電路工藝。另一方面，近十幾年來矽基（CMOS、SiGe等）毫米波亞毫米波內建電路也取得了巨大進展。
GaAs和InP毫米波晶片
InP材料具有電子遷移率高和漂移速率大的特點，是實作毫米波電路和太赫茲電子器件穩定運作的主要選擇。InP基器件具有高頻、低噪聲、高效率、抗輻照等特點，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體器件在高頻、高速、高帶寬以及微波毫米波內建電路中具有明顯的優勢。目前，以砷化镓（GaAs）為代表的化合物半導體高頻器件及電路技術已經進入了成熟期，已被大量應用于高頻通信領域，尤其是移動通信和光纖通信領域。
第二代半導體GaAs和InP制作的毫米波5GPA優于矽基CMOS制作的産品，并且可以內建到用于移動裝置和5G小電池的射頻子產品中。
GaN毫米波晶片
氮化镓（GaN）作為第三代寬禁帶半導體的代表，具有大的禁帶寬度、高的電子遷移率和高介電強度等優點，可以廣泛應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域。
到2026年，在5G毫米波RFIC市場中，RF收發器和RFFE可能分别達到104億美元和235億美元的TAM。
日本Eudyna公司報道了0.15nm栅長的GaN功率器件，在30GHz功率輸出密度達13.7W／mm。美國HRL報道了多款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上功率密度達到296mW／mm。
矽基毫米波晶片
由于矽工藝在成本和內建度方面的巨大優勢，矽基毫米波內建電路的研究已成為目前的研究熱點之一。
在國家973計劃、863計劃和自然科學基金等的支援下，已快速開展研究并取得進展。東南大學毫米波國家重點實驗室基于90nm CMOS工藝成功設計了Q、V和W頻段放大器、混頻器、VCO等器件和W波段接收機、Q波段多通道收發信機以及到200GHz的CMOS倍頻器和到520GHz的SiGe振蕩器等器件。
毫米波晶片與6G關系
雖然目前的Sub-6GHz頻段經過一段時間的發展，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，受到的幹擾也更少。
5G毫米波晶片組包括基帶處理器/數據機和RFIC元件（例如RF收發器和RF前端）。由于支援5G毫米波的智能手機和其他消費類裝置的可用性不斷提高，移動裝置成為毫米波5G晶片組市場的主要貢獻者，到2026年，5G毫米波基帶處理器的安裝數量将達到38億。
三星已完成尖端mmWave射頻電路（RFIC）和數位/類比前端（DAFE）ASIC的開發，将支援28GHz和39GHz頻段的應用；2020年，高通釋出了第三代5G數據機到天線的解決方案--骁龍X60。骁龍X60使用5nm制程的5G基帶，同時也支援毫米波和Sub-6GHz聚合的解決方案。
任正非曾表示：“華為在5G技術方面的成功，是因為押中厘米波；而6G的毫米波是大方向。”
6G網絡将支援更高的峰值速率和業務容量，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。在未來網際網路的感覺和融合中，毫米波将發揮重要的作用。
毫米波晶片瓶頸
因為毫米波頻率高，具有分布式參數，本質是從“路”向場演變，其設計工藝和測試都更複雜。
一是，毫米波頻率使設計和測試比6GHz以下的射頻測試更加困難。
信号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号保真度。6GHz的接口闆在電纜、PCB和接觸器接口之間的總損耗将小于3到5dB，而設計為在40GHz下工作的接口闆在相同的信号鍊上的損耗将增加2到4倍。
這導緻精确校準變得更加困難，而且校準漂移更快，對測試結果産生影響。
大容量矽晶片首次将毫米波測試帶入ATE世界。以前的測試是使用台式裝置完成的，無法應對未來需要的數量。這促進了高頻射頻功能的重大發展，可以提供經濟生産所需的成本和吞吐量。
對于生産測試，目标是高速進行足夠好的測量，保持高吞吐量。這意味着與傳統上以較低數量完成的權衡非常不同。
雖然雷達晶片可能有1到3或4條線路，但5G晶片将有30條線路。業内人士表示：“以5G手機可能具有的容量，他們希望一次測試四個或八個，是以現在我們談論的是超過200毫米波線，而在此之前他們沒有進行任何測試。”
二是，高頻段毫米波晶片的設計成本更加昂貴。
頻段越高的毫米波雷達晶片，對半導體的截止頻率要求也越高，進而需要更先進的工藝節點，成本也愈加昂貴。例如，65nm的CMOS工藝截止頻率Fmax可到300GHz，足夠用于設計工作在60GHz或77GHz的雷達前端電路。若将工作頻率提高到140GHz，那麼使用65nm工藝的設計難度将急劇提高。頻率越高，封裝的信号完整性要求越高，封裝的成本也越高。毫米波雷達晶片最終的頻段選擇，需要在這些因素中折中考慮。
中國毫米波晶片現狀
從全球市場看，市面上已有多款與毫米波技術相關的5G晶片。英特爾（Intel）于2017年11月釋出了XMM80605G多模基帶晶片，該晶片同時支援6GHz以下頻段和28GHz毫米波頻段。高通已經能夠提供商用的毫米波終端晶片X50和X55，天線模組QTM525。
大陸5G毫米波産業鍊成熟度落後于5G低頻，也落後于美國、歐洲等國際先進水準。表現在毫米波裝置形态單一、功能和性能尚不滿足5G組網需求，以及5G毫米波晶片和終端型号較少、覆寫種類和形态不夠豐富這幾個方面。
其中，阻礙因素主要來自于高頻器件，主要包括：高速高精度的數模及模數轉換晶片、高頻功率放大器、低噪聲放大器、濾波器、內建封裝天線等等。
政策方面，去年11月，工業和資訊化部批複組建國家5G中高頻器件創新中心。中心圍繞5G中高頻器件領域重大需求，聚焦新型半導體材料及工藝、5G中高頻核心器件、面向射頻前端的矽基毫米波內建晶片等三大研發方向，支撐大陸5G中高頻器件産業創新發展。
高校方面，清華大學內建電路學院已經研制出采用65nmCMOS工藝研制了應用于衛星通信的毫米波Ka頻段射頻前端晶片，在單個晶片上內建了8個接收通道或8個發射通道（如圖1所示），單通道發射輸出功率超過12.71dBm，移相精度達到6bit，幅度控制精度達到5bit，單發射通道功耗為302mW。
杭州電子科技大學自主研發E波段毫米波晶片已實作商業化，曾于2018年在德國電信的外場實驗中，成功實作全世界首個高階毫米波外場驗證，速率達到70GBps。還在為5G毫米波移動基站樣機射頻晶片的商業招标中，擊敗Macom/Triquint/Gotmic等國際大廠，正式成為華為5G通信供應商之一。
中國電科38所釋出了一款高性能77GHz毫米波晶片及模組，其釋出的封裝天線模組包含兩顆38所自研77GHz毫米波雷達晶片，該晶片面向智能駕駛領域對核心毫米波傳感器需求，采用低成本CMOS（互補金屬氧化物半導體工藝），單片內建3個發射通道、4個接收通道及雷達波形産生等。
企業方面，和而泰的子公司铖昌科技是國内微波毫米波T/R晶片領域，除少數國防研究所之外掌握核心技術的民營企業。
2018年和而泰收購铖昌科技正式進軍毫米波射頻晶片，和而泰能夠向市場提供基于GaN、GaAs和矽基工藝的系列化産品，主要包含功率放大器晶片、低噪聲放大器晶片、模拟波束賦形晶片及射頻開關晶片等。産品已應用于通信、導航、探測、遙感、電子對抗等領域。5G基站用射頻晶片目前已完成晶片研制工作；衛星網際網路射頻晶片已小批量傳遞。
上海矽傑微電自2016年從上海微技術工業研究院孵化獨立以來，一直緻力于毫米波雷達晶片的開發，深耕毫米波雷達傳感器在消費領域、工業領域、以及汽車領域中應用落地。于2017年開發出國内第一顆具有自主知識産權的高內建度24GHz雷達SoC，目前已擁有一系列的24GHz和77GHz的毫米波雷達晶片。
亞光科技《5G毫米波通信多功能晶片研究》項目是四川省重大科技專項，公司用于通信的毫米波功率放大器已研制成功。
盛路通信研發了在國内技術領先的28G、64單元毫米波有源相控陣，并且在39G、60G以及80G做了相應的陣列天線開發。
中興通訊基于RIS毫米波的探索，6G方面，目前中興通訊基于RIS毫米波，進行了RIS的街區覆寫場景的探索。試驗表明，無RIS的場景，會限制有效覆寫範圍，而增加了RIS的情況下，覆寫範圍得到了增強和擴充。
微遠芯微研發毫米波雷達晶片及微系統技術，其主要産品為SiCMOS毫米波雷達SOC晶片、IoT低功耗射頻收發器晶片、GSM/TD-SCDMA終端功放晶片。
問智微研發微波毫米波系統級晶片（SoC），主要産品包括77GHz汽車雷達收發機射頻前端套片、60GHz矽基SoC收發晶片、122GHz混合信号雷達SoC（也稱太赫茲混合信号雷達SoC）、微波毫米波收發機SoC；5G移動通訊28GHz相控收發機前端套片等微波毫米波收發機相控多功能晶片。
随着5G的逐漸普及，6G、衛星通信也開始慢慢走入大衆的視線。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。中國移動研究院無線與終端技術研究所所長丁海煜認為，5G毫米波面臨的挑戰，一是網絡性能不夠成熟；二是成本不夠低；三是網業協同不夠深；四是端到端的标準化不夠快。
做好5G才能做好6G，毫米波的發展還需要加強産學研合作，共同推動毫米波産業成熟。