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新基建为半导体行业带来无限机遇

新基建为半导体行业带来无限机遇

如果深入这些行业的核心,会发现集成电路产业虽然不是新基建领域之一,但却是新基建基础性和先导性的产业支撑。没有集成电路,就没有现代信息技术,也就无法实现两者融合,新基建背景下蕴含着“芯基建”的无限机遇。2020年,在疫情、贸易战等因素影响下,半导体产业整体形势不容乐观;2021年,新基建能否带来转机?

新基建全称“新型基础设施建设”,2020年4月,在央视报道国家发改委首次明确了新基建的范围后,这一概念受到了广泛关注。haAesmc

新基建主要包括信息基础建设、融合基础建设、创新基础建设三方面内容,除了此前央视报道中覆盖的7大领域:5G基建、特高压、城际高铁和城际轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心、人工智能、工业互联网,还将卫星互联网加入。haAesmc

如果深入这些行业的核心,会发现集成电路产业虽然不是新基建领域之一,但却是新基建基础性和先导性的产业支撑。没有集成电路,就没有现代信息技术,也就无法实现两者融合,新基建背景下蕴含着“芯基建”的无限机遇。haAesmc

2020年,在疫情、贸易战等因素影响下,半导体产业整体形势不容乐观;2021年,新基建能否带来转机?本期《电子工程专辑》杂志采访了半导体行业内的多位专家,他们针对新基建各大领域对半导体和相关技术的需求发表了自己的看法,也让我们对2021年的半导体刚需市场有了一个展望。haAesmc

5G基建

自 2019 年工信部 5G 商用启动以来,三大运营商在全国的基站建设脚步不断加快,预计到2024年将建设554万座。此外,终端市场进一步打开后,5G基带芯片和射频芯片等关键元器件的需求将大幅上升。haAesmc

但是5G技术同样为行业带来了复杂性——频谱扩展、高速度、高频率、宽带宽、低时延和高通道数,还要求降低尺寸、重量、功耗(SWaP)和成本并支持所有当前和新兴的蜂窝标准。举例来说,5G系统的工作频率从低频到100GHz,瞬时带宽从20MHz 到 1GHz,功率放大器的平均输出功率从几瓦到几十瓦。这些改变和要求,让5G关键元件、新的软件模式、网络自优化、故障检测和自我修复等功能、计算与交换功能扩展都成为未来的关注重点。haAesmc

5G标准影响最大的是射频(RF)领域,需要一系列更高性能的射频器件来支持。Qorvo亚太区市场公关部经理漆惠(Fay Qi)认为,随着5G大规模基础建设的到来,射频前端的各类半导体产品都会出现明显的需求增长,包括功率放大器、滤波器、开关等等。haAesmc

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以RF滤波器这一类器件来举例,作为5G的关键支持组件之一,在需求增长的同时,5G也对RF滤波器也提出了更高的要求。在5G中,它被要求在实现更强整体性能的同时,还要用更少的空间、更高的2级功率(PC2)标准来完成滤波工作。不仅尺寸成为制约因素,5G的高频特性还影响了RFFE设计,需要增加额外频谱。haAesmc

“这些问题当然是挑战也是机遇,让我们很兴奋。”漆惠说到,具有高Q(品质因数)、低杂散和陡峭带缘等技术特性的体声波(BAW)滤波器产品是5G系统需要的。此外满足5G的2级功率要求还需要优异的热性能,滤波器在宽温范围内工作时不能降低带宽,才能有效利用额外的5G频谱。“Qorvo的BAW具有垂直热通量反射器,可让热量快速有效地从滤波器中消散。”BAW的拓扑结构提供了较低的电阻并防止了谐振器过热,再加上频移很小,这使它更适合因发射功率较高而易于自发热的5G应用。haAesmc

不仅是滤波器产品,由于能够在5G sub-6GHz的频率实现更高的数据容量、更广的覆盖范围和室内渗透率,5G对于射频前端领域的收发器解决方案、可用于大规模多输入多输出基站的波束成形技术都有更大的需求。haAesmc

大多数通信设备制造商在压力的驱使下,提高其系统的数据吞吐率和性能,以及添加更多的功能和特性,然而他们也面临着降低系统总功耗和成本的压力。要满足这些需求,就要先了解终端用户设备的功耗,通过恰当设计的数字电源管理系统(DPSM)可以向用户提供功耗数据,帮助做出明智的能源管理决策。haAesmc

ADI中国区工业市场总监蔡振宇认为,通信设备商需要一个强大的全新解决方案,既能支持新兴宽带应用,又能提供现有应用所需的高性能单一无线电平台。“类似ADI的射频收发器系列,以及一些高集成度的微波上变频器和下变频器。利用好这类新型器件的特性,有助于简化设计并降低成本,加快大规模MIMO的上市时间。”haAesmc

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5G通信中,除了大家关注的基带单元之外,还有被称为“远程无线电头(RHH)”的单元,据罗姆半导体(深圳)有限公司技术中心高级经理苏勇锦介绍,这种单元在每个基带单元上都会附有几个,负责转换RF信号等。由于RRH中配备了大量通信用的阵列天线,因此用来放大功率的传感器放大器,以及用来进行高级控制的电流检测用分流电阻器等通用产品的需求日益增长。haAesmc

电源技术在5G时代同样面临很大挑战,尤其是新一代基站体积越来越小,带宽越来越宽,功率越来越高,让基带单元对先进功率元器件和模拟元器件的需求与日俱增。尽管各国所使用的频段各不相同,但与4G通信相比,5G通信通常是在高频段进行的,因此业内正在研究能够高效率且高频工作的碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等宽禁带半导体功率器件的应用。haAesmc

另外在基带单元设计中,通过优化电源设计来节能的做法正在增加。这是因为5G通信需要的基站数量比4G多,尤其需要减少基站外围的功耗,一些好的设计方案也能够改善供电。例如,由于拉线成本很高,以太网供电(Power over Ethernet, PoE)通过传输数据的网线来供电能节省大量成本,“PoE供电方案的功率可以从13W直到150W,普通小基站一根网线就能提供数据和电源传输的功能,同时PoE供电加上模块设计,可以让基站电源的设计更简化。”蔡振宇举例道,另外双通道 50A 或单通道 100A 降压型DC/DC 稳压器,也能满足小尺寸、大功率电源需求。haAesmc

5G的普及,也将成为先进FPGA器件应用的强大驱动力。由于3GPP标准一直在演进,芯片开发的进度一般会滞后标准2年左右。为了在5G通信争夺中保持领先,前期企业都需要在基站主板和外围用到大量灵活的FPGA,以实现功能抢占上市先机,然后在升级中重复编程,规模化以后再用ASIC芯片替代,降低成本和开发风险。haAesmc

在过去的15年中,FPGA已经成为移动基站的重要支撑技术,5G基站所需的数据处理能力远远高于之前。Achronix半导体公司亚太区总经理罗炜亮 (Eric Law)表示: “Speedster 7t系列FPGA带有二维片上网络(2D-NoC),就像一条高速公路横跨在可编程逻辑架构和其他电路之上,总带宽超过20Tbps。能帮助基站设计人员拥有更多的资源来处理大量的数据,从而实现5G的高速、低延迟和高可靠性等特点。”haAesmc

5G基站中FPGA的用量相比4G设备超过1倍以上,但是中国目前在通信领域应用的FPGA芯片基本依赖进口。5G通信由于需要处理大量的计算,千万门级高性能FPGA是一个门槛,目前国内仅紫光同创推出了自主产权2000千万门级高性能FPGA。未来无线基带处理、高速传输和交换、承载网和核心网业务处理等高端通信应用场景,还需要5000万门级、乃至亿门级自主产权超高性能FPGA,国产化替代空间巨大的同时,难度也非常大。haAesmc

特高压

随着国家电网发布《2020年特高压和跨省500千伏及以上交直流项目前期工作计划》,明确了加速“5交5直”特高压工程相关工作,特高压输变电网络建设正在加速落地。不过在全球范围来看,特高压都是新产品,它不仅仅是一条输送线路,还需要很多变电站(针对交流输电)及换流站(针对直流输电)来保证电压等级的变换电力输送的安全可靠,同时对不同类型的终端客户做到按需分配电力及交直流的切换。作为技术上游,如何帮助没有成熟运营经验的中国电力运营商实现特高压商业化,成为了半导体厂商们最关注的课题。haAesmc

首先,各种设备和控制系统不能少,包括一次设备(直接连接高电压大电流,如变压器、开关和换流器等)和二次设备(用来监测和控制一次设备的智能控制设备)。一次设备更多的是金属和绝缘材料,二次设备则提供了更多的智能选项。haAesmc

在电力二次设备中,主要由智能感知技术来感知电压电流及外部环境的变化,根据需求和具体的变化,再由控制技术完成对故障的切除及保护、电力运行的测量控制及保护、日常的维护及保养等工作。能够精确地检测到电压电流的变化是整个控制及保护的关键,而对感知数据能及时做出判断、并能快速发出控制指令的智能器件不可或缺。要把各类传感信号和不同设备及电站的信号统一协调起来,对网络及通信的要求也会越来越多,半导体技术在这里扮演了重要角色。haAesmc

集成电路可以把模拟的电压电流信号转换成数字信号并进行调理,由微控制器(MCU)来完成逻辑判断并发出控制命令,并能将各类收集整理好的信号输送到其它设备中,由多种芯片组成的信号链可以满足智能设备所有的功能要求。haAesmc

相对于高电压大电流的一次设备来讲,二次智能设备会有更多的变化及快速的技术演进。例如对于电力设备的电压电流检测,传感器通常采用电压和电流互感器(PT/CT),信号调理从早期的运放加12位ADC,到信号调理集成加多通道同步采样16位ADC,只用了几年的时间,而且还一直在不停的演进中。haAesmc

“目前ADI有多款ADC用在电力二次智能设备中,具备的多通道同步采样、高输入阻抗及内嵌信号调理、满足单电源供电双极性输入、高转换精度及更高的输入电压容忍度等特性,都是特高压应用最需要的。”蔡振宇说到。haAesmc

未来随着集成电路精度、集成度、可靠性及兼容性变高,系统设计简化,将促进特高压技术的不断完善,在安全可靠的同时也能更好地满足未来的需求。haAesmc

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其实当前新基建中的新能源汽车充电桩、储能、数据中心、高铁和城市轨道交通等,都需要能源及电力系统强有力的支持,特高压输送的电力将会直接应用在这些领域。而这些领域对于半导体的需求同样强烈,技术演进及安全可靠的要求同样迫切。haAesmc

在电能的输送过程中,包括特高压和未来的超高压电缆都要翻山越岭,经过许多移动通信网络盲区,因此一些补齐“最后一公里”的广域网技术得到了广泛应用。比如“基于LoRa的故障指示器已经为全球许多地方的电网保驾护航。” Semtech中国区销售副总裁黄旭东说到,“在电能的配送和消费使用中,LoRa也早已用于自动抄表、变压器和充电桩等设备的监测上,包括各种电力资产追踪管理等应用,中外厂商都开发了许多基于LoRa的传感器和控制器。”haAesmc

城际高速铁路和城市轨道交通

电力牵引传动系统是高铁列车的动力之源,是动车组的“心脏”,其中的核心器件IGBT和MOSFET对技术、可靠性要求极高,也是构成高铁牵引变流器以及辅助电源系统中恒压恒频逆变器的核心部件。haAesmc

相比于MOSFET,IGBT 在轨交设备中的应用有着更长的历史。早在上世纪80 年代,IGBT就被用于电动列车牵引变流器,以代替原先采用的晶闸管和一般二级晶体管。经过30 多年的发展,IGBT 工作电压已从最初的1200V 左右扩展到了400-6500V 之间的各个层级,且未来都将固定在这一范围之内。

原创
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刘于苇
电子工程专辑(EETimes China)副主分析师。
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