CMOS PA，二十载风雨浮沉往事

PA（功率放大器）是射频前端（RFFE）重要器件之一，也是中国无线通信技术的掣肘环节。尽管CMOS PA并非最新技术，甚至其已有20多年的发展历程，但随着5G、物联网应用不断演进，CMOS PA技术也开始走向前台。Cluesmc

过去20多年，CMOS PA技术竞争可谓“激荡回肠”，一些参与者消弭无迹，一些参与者却在科技巨头兼并整合之下悄然成长。过去十年，一些中国本土PA企业也涉入CMOS PA，扎根技术研发，取得了一定的进展，甚至在一些细分领域已有赶超全球先进水平之势。如今看来，伴随物联网蓬勃而来，CMOS PA在未来十年内仍将是芯片工艺技术针对性能和成本的最佳选择。Cluesmc

CMOS PA的诞生

故事要从二十年前一起商业机密官司说起。Cluesmc

2004年2月6日，美国加州的一家创业公司Axiom轰动性地发布了全球第一款CMOS PA产品，其支持quad-band GSM。这意味着世界上第一款可量产的2G CMOS PA就此面世！Cluesmc

2月9日，美国德州的Silab公司同样宣布，经过四年的研发，发布全球第一款quad-band GSM CMOS PA，并且完美适配其公司成功量产的Aero系列CMOS收发机芯片！Cluesmc

一周后，Silab公司向Axiom公司递交律师函，状告Ali Niknejad（原Silab实习生，现UC-Berkeley教授，CMOS PA一代宗师）窃取商业机密并输送给Axiom。Cluesmc

然而，Axiom的技术路线与Silab实则大相径庭。CMOS PA便在这场首发争夺战的弥漫硝烟中呱呱坠地。Cluesmc

Axiom的创始人Dr.Aoki是一位日裔科学家。他师从Caltech的IC泰斗Prof. Ali Hajimiri，自2000年甚至更早便开展基于DAT（distributed-active-transformer）架构的CMOS PA设计。这种天才的想法克服了on-chip电感Q值低的缺点，单片集成了全套PA。Axiom便是他学术成果产业化的产物。在Axiom时期，Dr.Aoki又发明出一种能够克服CMOS晶体管breakdown voltage（击穿电压）低的方法，巧妙地运用了virtual ground，将NMOS晶体管的堆叠和DAT架构完美融合，可谓巧夺天工！Cluesmc

1999年，犹太裔科学家Dr.Susanne Paul从MIT取得本硕博三料学位后，在加州硅谷、北卡RTP（research triangle park）和相对贫瘠的德州里选择了德州，理由朴素且令人“啼笑皆非”：她想有一栋属于自己的大房子，并且要用自己的双手打造它。在德州，Susanne加入Silab便成为了CMOS PA带头人。当然，她也被CMOS晶体管breakdown voltage低的问题困扰得一筹莫展。Cluesmc

一天，她在为草坪割草时，一个惊世想法砰然涌现，从此Class P架构的CMOS PA诞生了！Cluesmc

2004年，DAT架构和Class P架构同时将CMOS PA带到了世界。即使从现在看来，这两种发明依然惊世骇俗。这莫不是一场美妙甚至精妙的邂逅？Cluesmc

这种碰撞开启了CMOS PA注定不平凡的一生！Silab公司的指控间接导致了Axiom商业失败，最终于2009年被射频前端芯片巨头Skyworks收购。Skyworks是一家拥有GaAs产线的IDM，面对CMOS工艺的威胁，对Axiom的收购是明显的“buy-to-kill”。Cluesmc

“背叛”与竞争

Susanne在2007年的产假期间，遭到了原下属David Buckman的“背叛”，在一场“政治风波”中心灰意冷，愤然离职。Cluesmc

数月后，原Silab公司的元老级人物Dave Pietruszynski和Jim Nohrden找到Susanne，邀请她在Austin一起缔造一家全新的CMOS PA公司，进军当时最先进的3G。Cluesmc

3G PA和2G PA有着质的区别。3G对PA线性度的要求是2G所不需要的，也是目前CMOS PA在2G统一了天下，但在线性PA领域的成功却寥寥无几的重要原因。因为将CMOS这类天生非线性的工艺设计成线性PA，实在太难了。Cluesmc

不过，这个世界级难题无疑重新激发了Susanne的斗志。Black Sand公司的成立仿佛撕开天边落霞的孤鸿，开启了线性CMOS PA的新纪元！Cluesmc

2009年，Black Sand成功发布全球第一款3G CMOS PA。这意味着线性CMOS PA的成功！次年，“背叛者”David Buckman成立的Javelin公司，也发布了3G CMOS PA。Cluesmc

进入2010年后，各色CMOS PA公司犹如井喷式涌现：Cluesmc

2011年，加州的Amalfi公司发布了2G CMOS PA，2012年末被另一家射频前端巨头RFMD（现Qorvo）收购，并购后由于开发线性3G CMOS PA失败而销声匿迹。Cluesmc

2013年，Amalfi的成功启发了中国的汉天下公司，成功量产了成本极致的2G CMOS PA，并且在2G市场一骑绝尘，成为了这个市场的“大哥大”。而后，一系列的2G CMOS PA公司如雨后春笋般涌现。然而，在线性PA的领域，各类国内公司都无法取得突破与成功，停留在饱和PA的水平。Cluesmc

2012年，加州的RF Axis公司发布了应用于WiFi和IOT的线性CMOS PA。这是CMOS PA首次进军物联网。然而，由于管理层的原因，RF Axis曾经分出了一家叫Morfis的公司，似乎没有很成功的产品面世。2016年，RF Axis被Skyworks低价收购，依然是Skyworks熟悉的绝招：buy-to-kill。2013年，Avago将Black Sand的宿敌Javelin收购，将CMOS PA技术应用于其GaAs PA的驱动级，类似于目前慧智微的hybrid PA技术；后来该团队又集体跳槽到被Murata收购的Peregrine，而后绝迹江湖。Cluesmc

2013年2月22日,高通发布了最新射频芯片——RF360前端解决方案。这是一个综合的系统级解决方案，针对解决蜂窝网络射频频段不统一的问题，首次实现了单个移动终端支持全球所有4G LTE制式和频段的设计。Cluesmc

2013年，高通RF360高调推出应用于4G的CMOS PA，一度将CMOS PA技术推到了风口浪尖之最顶尖。CMOS技术经过了十余年的迭代，替代GaAs的呼声在当时鹊起。Cluesmc

然而，高通的CMOS PA却并非天生线性，而是利用其平台优势，通过DPD技术将非线性CMOS PA线性化。这一技术在基站PA中广泛成功应用，但在手机芯片有限的运算资源和复杂的天线环境下，让高通的这一如意算盘没能打响。Cluesmc

2014年，高通高价并购Black Sand公司，希望引入线性CMOS PA技术，“拯救”投入多年的CMOS PA工程。但Susanne做了两年艰苦卓绝的努力，最终由于种种原因寡不敌众，留下种种drama，空留下无奈的泪水。Cluesmc

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“微光”初现

那么，4G线性CMOS PA之路彻底失败且无解了？Cluesmc

实际上，PA主要有CMOS、GaAs、GaN三大技术路线，其中GaN正成为中高频频段PA主要技术路线，SiGe技术路线也在崛起。然而，在高通力拱之下，CMOS PA发展声势更是一度高涨，但CMOS技术在材料上的劣势，使其高频操作性能仍有待改善，短期内打进高端LTE Cat.4的希望似乎有些渺茫。在日趋竞争激烈的射频前端市场，大多数企业都选择一个同质化的技术路线——GaAs工艺。Cluesmc

随着激烈的CMOS PA竞争风雨渐息，海外巨头通过并购整合补齐产品线，逐渐形成垄断格局。Cluesmc

2015年，射频前端巨头RFMD和TriQuint合并成立Qorvo，前者擅长PA研发，后者擅长SAW和BAW滤波器，二者实现技术互补。继收购Javelin公司之后，Avago又于2016 年收购通信芯片巨头 Broadcom 并改名为 Broadcom。至此，全球PA市场竞争格局基本形成。据Yole数据统计，Broadcom、Skyworks、Qorvo三家厂商占据全球80%以上的PA市场份额。Cluesmc

然而，在激烈并购整合过程中，一批来自高通、Black Sand、R Faxis等企业的中国核心技术人员回国，在大洋的彼岸开启了PA技术创新创业之路。Cluesmc

康希通信

在RF Axis被Skyworks低价收购之后，几位核心员工回国成立了康希通信，在前期推出了几款2G CMOS PA，后续转战GaAs工艺后，深耕WiFi市场，拥有业界少有的高线性纯CMOS射频前端技术，开创性地采用DeltaRF PA架构，设计出高性能WLAN、NB-IoT和5G NR微基站射频前端芯片，并批量化商用，做到了WiFi FEM的国内龙头，准IPO过程中。Cluesmc

汉天下（现更名昂瑞微）

Amalfi的成功就启发了中国的汉天下公司。早在2013年6月汉天下就发布了单芯片GSM CMOS射频功放/前端芯片系列产品。汉天下通过CMOS 2G PA在性能上可以媲美GaAs PA，在成本上辗压2G GaAs PA，一举取得60%以上的市场份额，并持续演进到3G和NB-IoT CMOS PA。2016年汉天下也因2G CMOS PA曾获得“第十届（2015年度）中国半导体创新产品和技术项目奖。Cluesmc

毫无疑问，CMOS工艺的PA应用于消费电子领域的技术难度还是比较大的，毕竟击穿电压比较低、线性度差都是传统CMOS工艺器件绕不过的先天性弊端。不过，尽管CMOS在材料上存在一些劣势，但其具有低成本、稳定的供应链等优势，而且拥有更好的导热性、漏电性能和抗静电等特性。Cluesmc

甚至可以说，在某种意义上，半导体技术发展的历史就是CMOS工艺进步的历史。因此，历史一再证明，一旦在满足某项应用所需的性能之后，CMOS工艺在和其它工艺的竞争中，总能成为主流。特别是随着物联网时代的到来，CMOS PA的曙光再现：一些国内企业采用低成本的CMOS工艺，抢占低功耗、低速率的物联网场景的机遇，比如飞骧科技、芯翼信息、地芯科技等。Cluesmc

飞骧科技

飞骧科技是少数同时具有砷化镓PA（GaAs）设计能力和硅基PA（CMOS和SOI）设计能力的射频芯片厂商之一。该公司从2013年开始发展SOI开关技术（SOI是CMOS的一个分支），2016年开始发展CMOS PA技术，利用CMOS技术打造了开关、LNA、CMOS PA三条产品线。飞骧科技用2G/3G的CMOS PA产品替代2G/3G的GaAs PA产品，并实现量产销售。Cluesmc

芯翼信息

芯翼信息以NB-IoT为核心赛道，于2018年推出了NB-IoT芯片，突破了全球蜂窝通信芯片的集成度瓶颈。2022年，芯翼信息发布第二代NB-IoT芯片，集成射频开关及滤波器、免32K校准，超宽压范围（2V-5V），免校准综合测试等，预计将在2023年大规模推向市场。Cluesmc

地芯科技

地芯科技是坚定的CMOS工艺路线的支持者，其创始人曾是Black Sand体硅功率放大器射频团队核心人员，带队成功开发并量产多款应用于3G/4G/IoT的功率放大器，包括世界上第一款基于体硅的线性射频功率放大器产品。2018年，地芯科技成立，现已形成射频前端、射频收发机和模拟信号链三大产品线。2022年11月，地芯科技宣布量产国产射频宽带收发机地芯风行系列GC0802，目前完成客户首轮验证！与此同时，地芯科技核心技术团队也一直都在挑战曾在高通未能实现的线性4G CMOS PA。据悉，5月中旬将在上海有重磅相关产品发布，如若此次新品与4G CMOS PA有关，或将会创造CMOS PA新历史！Cluesmc

结语

“缺芯少魂”一直悬在中国头上的“达摩克利斯之剑”。在中美半导体脱钩愈加明显的趋势下，叠加不断上升的万物互联需求，中国亟待走上国产化强“芯”之路。而CMOS PA一缕“微光”，或将在中华大地闪出一道耀眼的光芒。Cluesmc