作者： Dave Lammers戴夫-拉默斯

最近，加州大学圣地亚哥分校的 Peter Asbeck 教授利用 GF 的 45RFSOI 技术，开发出一种工作频率为 28 GHz 的功率放大器，输出功率为 22dBm，功率附加效率 (PAE) 超过 40%。 当对 5G 中使用的 64QAM OFDM 信号进行后退时，即使没有数字预失真，该放大器也能在 10 dB 后退时实现 13 dBm 的平均输出功率和 17% 的 PAE。

功率放大器（PA）与大多数其他芯片不同，5G 无线解决方案所需的功率放大器可能与当今 4G 智能手机和基站所用的功率放大器大不相同。大多数 5G 无线应用将使用相控阵天线来聚焦和引导多个波束，正是这种在多个波束之间分配传输任务的能力，使 5G 有能力实现在许多人看来不可能实现的性能目标。

虽然早期的 5G 系统将使用 6 千兆赫以下的频率范围，但 5G 的真正前景来自于使用 24、28 和 39 千兆赫毫米波范围的带宽。在这些频段，将部署相控阵天线，如 4×4 阵列，每个功率放大器的工作功率远低于现在使用的单波束全向信号放大所需的功率。

南加州大学教授彼得-阿斯贝克

GF 射频业务开发总监Ned Cahoon 说，在 4G 无线世代，砷化镓（GaAs）一直是功率放大器领域的领先技术。"我们相信，我们正在从砷化镓占主导地位的 6 GHz 以下频率转向毫米波市场，在毫米波市场，大多数前端解决方案都将采用硅技术"。

射频 SOI 技术已在手机开关和天线调谐器中得到广泛应用，Cahoon 表示，射频 SOI 技术已投产十多年，目前已由 GF 扩展到 45 纳米节点的 300毫米直径晶圆，是毫米波 5G 手机、接入点和基站所需的集成前端设备的理想选择。

Cahoon 的这一想法部分基于几位功率放大器领域的重要教授所做的工作，特别是加州大学圣地亚哥分校（UCSD）的Peter Asbeck。阿斯贝克在麻省理工学院获得博士学位，在工业界开发高频无线技术长达 15 年之久，后来成为加州大学圣迭戈分校雅各布斯工程学院高性能通信器件和电路的 Skyworks 教授，并因开发砷化镓 HBT 器件而成为美国国家工程院院士。

技术现状

利用 GF 的 45RFSOI 技术，Asbeck 最近开发出工作频率为 28 GHz 的功率放大器，可提供高达 22dBm 的输出功率和超过 40% 的峰值 PAE。在 5G 应用中，传输波形需要峰值功率的大幅回退和出色的线性度。 45RFSOI 电路的平均输出功率为 13dBm，在 5G 应用中的回退 PAE 为 17%。Asbeck说："这对于大多数5G 28 GHz应用来说，是合适的功率和效率水平，"他补充说，功率放大器用于传输标准的64 QAM OFDM信号，无需使用昂贵的数字预失真（DPD）滤波技术。他指出，其他研究实验室也在接近类似的结果，但他将自己实验室基于 45RFSOI 的功率放大器描述为 "非常先进"。

"目前，不同技术在新兴 5G 系统插槽方面的竞争非常激烈。 45RFSOI 非常接近于成为配置 28 和 39 GHz 5G 射频前端模块的理想技术。我认为它很可能成为众多 5G 系统的赢家。

这句话特别有意思，因为在阿斯贝克的职业生涯中，他的大部分工作都是在砷化镓（GaAs）领域进行的，砷化镓能够更容易地支持功率放大器所需的高电压。自 1991 年调入加州大学圣迭戈分校以来，阿斯贝克率先将硅晶体管串联起来以获得更高的电压，这些 "叠加 "晶体管共同提供所需的输出功率。他说，串联排列的四个晶体管足以产生大多数功率放大器所需的电压。(简单地说，射频功率等于电压乘以电流，最佳线性电路需要更高的电压；基本上与数字集成电路相反）。

Asbeck 很快指出，与 45RFSOI 竞争的技术包括砷化镓 (GaAs)、氮化镓 (GaN) 和硅锗 (SiGe)。另一个竞争者是 GF 公司的 22FDX® 技术。在去年的一篇 Foundry File 博客中，加州大学圣地亚哥分校的另一位教授 Gabriel Rebeiz介绍了他采用 22FDX 技术开发低噪声放大器 (LNA) 的工作。

Rebeiz 在接受采访时表示，他相信基于 22FDX 的放大器的功率水平可以提高，从而开发出集成的 5G 前端解决方案。但 Rebeiz 对 Asbeck 在 45RFSOI 方面的工作表示赞赏，他说："必须将各种功能集成在一起，否则就不会有（适销对路的）部件。有了射频 SOI，除了堆叠晶体管功率放大器，还可以堆叠开关。我的团队与 GF 一起展示了基于 45RFSOI 的开关，其插入损耗仅为 0.8 dB。因此，45RFSOI 是一种理想的前端模块技术。

除了功率放大器，射频前端解决方案还需要集成低噪声放大器和开关，以及移相器和可变增益放大器。Asbeck 说，射频 SOI 已被证明是毫米波开关的 "世界最佳方法"，其性能 "优于 "采用 SiGe HBT 或 GaAs 技术的开关。

"可以肯定的是，5G 中的某些应用需要比 45RFSOI 迄今所展示的更高的输出功率。第一代 5G 部署可能会采用其他技术的功率放大器，如 SiGe HBT 或 GaAs 或 GaN。 他说："但我们认为，有很大的机会将 45RFSOI 可实现的输出功率进一步提高到瓦特级峰值功率范围，并接管这些插槽和低功率插槽。

尽量减少寄生虫

射频 SOI 的优势何在？Asbeck 说，要达到所需的输出功率水平，"需要进行晶体管堆叠，即把多个场效应晶体管串联起来，从而提高整体电压处理能力"。45RFSOI 的硅绝缘体结构消除了与体效应和衬底电容有关的所有寄生现象，而这些寄生现象会妨碍采用体CMOS 制造的电路。

此外，45RFSOI 具有高电阻率基底，可 "最大限度地降低互连和器件的电容"。三层厚金属层使得匹配网络的损耗在几乎所有集成电路技术中都是最低的。他说："高 Ft 值和 Fmax 值在 28 GHz 频率下提供了大量增益。

电池寿命对手机非常重要，它与功率放大器的效率有关。Asbeck 说："对于 28 GHz 放大器而言，45RFSOI 具有卓越的效率，而且非常接近砷化镓或氮化镓的最佳效率。我认为，高衬底电阻率和厚金属本身就为我们制造的 28 GHz 功率放大器的 PAE（功率附加效率）增加了约 5%。我们的记录是 PAE 为 47%，在一个简单的 2 层功率放大器中的饱和输出功率为 19.5 dBm。其他几个实验室也报告了使用 45RFSOI 的 PAE 在这个范围内。

Cahoon 说，Asbeck 的 45RFSOI 工作证明了高速 pFET 和 nFET 的价值。阿斯贝克说，快速 pFET 将使互补电路的使用成为可能，pFET 将改善大部分 nFET 电路的 AM-PM 特性。"他说："我们对大部分 pFET 电路也持乐观态度，因为这些晶体管的电压处理能力可能比 nFET 更强。(放大器的 AM-PM 转换是衡量由系统固有的振幅变化 (AM) 引起的不期望相位偏差 (PM) 的大小）。

对我来说，我有两点感想。其一，GF 为支持射频 SOI 等技术而"转向 "前沿的体式 CMOS 是明智之举。

听了 Asbeck、Cahoon 和 Rebeiz 的发言，人们相信毫米波 5G 无线技术是可以实现的，它将为世界提供基于经济实惠的高集成度集成电路的超快无线连接。

关于作者

戴夫-拉默斯

Dave Lammers 是 Solid State Technology 的特约撰稿人，也是 GF's Foundry Files 的特约博主。Dave 于 20 世纪 80 年代初在美联社东京分社工作时开始撰写有关半导体行业的文章，当时正值该行业快速发展时期。1985 年，他加入了《电子时报》，在东京工作的 14 年中，他报道了日本、韩国和台湾的情况。1998 年，戴夫和妻子美惠子以及四个孩子搬到奥斯汀，成立了《电子时报》德克萨斯分社。戴夫毕业于圣母大学，并在密苏里大学新闻学院获得新闻学硕士学位。

作者： Dave Lammers戴夫-拉默斯

经过数十年的发展，嵌入式 STT-MRAM 即将进入市场，取代因功耗、掩模复杂性和位元组缩放问题而在 28 纳米后节点失去动力的嵌入式 NOR 闪存。

我参加过许多次 IEDM 会议，在这些会议上，各公司在逻辑领域展开了正面交锋；例如，英特尔与 IBM 在微处理器逻辑方面的较量。12 月初在旧金山举行的第 64 届国际电子器件会议则以存储器为中心，来自 GLOBALFOUNDRIES 和其他几家公司的工程师在 IEDM 讲台上讨论了他们的嵌入式 MRAM 计划。

数据存储咨询公司Coughlin Associates 总裁汤姆-考富林（Tom Coughlin）引用杰弗里-摩尔（Geoffrey Moore）1991 年出版的一本书中的话说，几乎所有的新技术在问世后，都要经历数年的 "跨越鸿沟"、可靠性验证和客户认可等过程。

"不依赖摩尔定律的扩展解放了整个行业，"Coughlin 说。"我们正在摆脱传统的芯片制造方式，转向芯片组。我们不能再像过去那样使用传统的存储器了。

嵌入式 MRAM 是业界创造力的最佳体现。经过数十年的发展，MRAM 终于作为闪存替代技术进入市场。GF 新加坡公司的 MRAM 设备主管Kangho (Ken) Lee 说，由于与 STT-MRAM 制造合作伙伴Everspin Technologies（美国亚利桑那州钱德勒市）达成了联合开发协议，GF 在 MRAM 领域占据了领先地位，并从中获得了技术和制造经验。

准备就绪

在 12 月初的 IEDM 上，我见到了 Lee 和他的同事、可靠性工程师Lim Jia Hao，并提出了一个问题：MRAM 是否可以取代 NOR eFlash？

"我们一直在为 Everspin 进行生产，这绝对有帮助。我们的嵌入式 MRAM 正准备投入生产。我们正在鉴定我们的工艺，很快就会完成。取代 NOR 闪存是完全可能的。技术上不存在障碍，"Lee 说。

在题为 "面向低功耗汽车级 MCU 应用的 22 纳米 FD-SOI 嵌入式 MRAM 技术 "的 IEDM 演讲中，Lee 详细介绍了为满足汽车市场的严格要求而开展的工作，在汽车市场，嵌入式存储器必须能够承受低至零下 40 摄氏度、高达 150 摄氏度的工作温度。

"我们在本次 IEDM 上讨论的是我们用于汽车级应用的 MRAM。迄今为止，还没有一家公司展示过这一温度范围内的宏观数据，尤其是在 150 摄氏度的条件下。我们展示的是汽车 MRAM 的可行性，这对于未来将 STT-MRAM 作为非易失性存储器平台嵌入式应用非常重要。

特别是，GFeMRAM的误码率 (BER) 达到了亚ppm 级，可靠性极高。"MRAM有很多应用，我们的技术平台可以服务于很多应用。ADAS（高级驾驶辅助系统）可能是一个非常重要的应用。我们面临的挑战之一就是要达到 150 摄氏度的读取裕度。由于其器件特性，MRAM 在较高温度下会失去读取余量，"Lee 说。

通往汽车资质的道路

嵌入式存储器高级总监Martin Mason 表示，GF 正在积极与客户合作，开发在22FDX® 平台上采用嵌入式 MRAM 的新设计。计划在 2019 年推出多条量产带。

物联网和其他以低功耗为中心的设计将首先出现，汽车用 SoC 将在 2020 年出现。Mason 说，GF 现有客户中有 "很大一部分 "正在生产复杂的汽车用微控制器。Mason 表示，让 MRAM 通过汽车认证流程对 GF 和汽车行业未来的产品路线图至关重要。

"没有重大障碍阻碍我们满足汽车客户的要求。我们正在与他们讨论在 2020 年下半年达到要求。我们看到了实现这一目标的路线图和路径，这才是最重要的。我们现在已经有了（eMRAM）宏，并正在与客户合作进行新的设计，以鉴定我们手头的产品。我们相信我们能达到规格要求吗？答案很简单，'是的，只要稍加工程设计'，"Mason 说。

吉姆-汉迪Objective Analysis 公司的内存分析师汉迪说，心脏监视器等消费类设备的温度很少超过人的体温。但发动机或变速器控制器必须在各种高温和低温条件下工作，Handy 说这是为 eMRAM "设定了一个艰难的目标"。但客户需要它；目前还没有超过 28 纳米的 NOR 闪存可供选择。

Handy说："MRAM在前沿节点上可能很有吸引力，它不仅适用于发动机和变速箱控制器等高复杂度MCU，而且可能也适用于娱乐系统，因为娱乐系统并不是一个生死攸关的系统，"他补充说，现代汽车中的100多个MCU中，大多数将继续使用工艺节点稍老的NOR闪存。

节约电动汽车电池电量

Coughlin说，随着以电池为动力的ADAS汽车投放市场，汽车制造商正在寻找功耗低、耐高温的高复杂度MCU。"ADAS Level 4 是目前的目标，这是一个非常复杂的系统。由于这些 MCU 的晶体管数量较多，公司需要将这些设计放在领先技术上，而支持这些设计的 eMRAM 就在眼前，"Coughlin 说，"最大的问题是 MRAM 是新产品，业界没有太多的制造经验，尤其是在高温环境下。

Mason 说，GF 的汽车客户不仅需要带 eMRAM 的 22FDX 来控制发动机和变速箱，还需要它来控制其他暴露在高温下的处理器。在仪表板、ADAS 射频雷达和激光雷达系统或安装在汽车前挡风玻璃或后挡风玻璃上的摄像头中，MCU 都暴露在高温环境中。

不同接口，并排使用

Mason 介绍了 GF 的一项独特功能：将 NOR 闪存替代 eMRAM 宏与另一个具有 SRAM 类型接口的更小 eMRAM 宏放在一个裸片上。这些预制并经过验证的 eMRAM 宏可以放入 22FDX 设计中。目前已推出采用单磁隧道结 (MTJ) 位单元的 32 Mbit 和 16 Mbit 宏，并计划在 2019 年上半年推出采用 4 Mbit 宏的 NOR 闪存型接口。具有类似 SRAM 接口的 2 Mbit 宏采用每个位单元两个 MTJ 来提高读写速度。

闪存型宏程序使用相同的底层 MTJ，但具有不同的感应放大器，闪存型宏程序具有代码存储接口，而 SRAM 型宏程序则位于同一芯片上，作为持久工作类存储器，从而在微控制器内提供了一个完整的系统。

"许多客户在设计中同时使用两种宏。与 22 纳米的 SRAM 相比，使用 MRAM 并不能节省多少密度，但他们告诉我们'这并不重要，重要的是功耗'。在许多便携式应用中，功耗才是关键。Mason 说："客户非常喜欢利用芯片内部的持久性来节省功耗，它能够完全静态，支持断电后快速启动，并保留数据值。

职业生涯初期曾担任存储器设计师的 Handy 说，几十年来，人们一直在不同的（闪存和 SRAM）晶体管中为独立的 ROM 和 SRAM 功能编写代码。"在某些时候，人们会想到把 SRAM 功能放在 MRAM 中，然后人们就会开始改变编写代码的方式。但是，三十年来，人们已经习惯于用同样的方式编写代码，这需要时间来适应，"他说。

Handy 说，如果 MRAM 位元建在间距较小的较低金属层中，那么它的尺寸就会相当小。在这种情况下，MRAM 的位单元面积大约是 SRAM 缓存的一半，从而节省了芯片尺寸。但在较高的金属层中，MRAM 和 SRAM 的尺寸相似。

Mason 表示，GF 正在与许多客户合作，在基于 22FDX® 的设计中使用带有 eMRAM 的多项目晶圆 (MPW)。嵌入式 MRAM 已通过多次（五次）回流焊测试，并显示出更长的数据保留时间和耐用性。与闪存相比，它的读取速度 "非常接近"，而写入速度（200 纳秒比 20 微秒）则快得多（数量级）。

"Mason 说："结合低功耗背偏压 SOI 工艺和射频功能，GF 的 22FDX 平台是一种高度差异化的物联网开发技术。

他说，客户将在其下一代物联网（MCU）设计中评估采用 MRAM 的 GF 22FDX 工艺，以充分利用这些新技术。

"eMRAM很少存在数据保留问题，不像闪存存在很大问题。我们拥有非常广泛的设计中标渠道，设计中标金额超过 2.5 亿美元。我们正准备投产，最终完成我们的鉴定活动。与其他嵌入式 MRAM 解决方案不同的是，我们设计的 MRAM 非常坚固耐用--我们认为这是采用它作为 eFlash 存储器替代品以及从早期采用到主流接受的'跨越鸿沟'的关键所在。

"Coughlin说："MRAM将会出现，但现在它正在跨越鸿沟。当一种新技术出现在市场上时，"通常的情况是，我们会在一些不同的市场上进行尝试，看看它在哪里最有效。现在的 MRAM 就是这样。你要开始增加产量，摊销成本。整个游戏就是提高产量。成本降得越多，就越能得到市场的青睐，"他说。

关于作者

戴夫-拉默斯

Dave Lammers 是 Solid State Technology 的特约撰稿人，也是 GF's Foundry Files 的特约博主。Dave 于 20 世纪 80 年代初在美联社东京分社工作时开始撰写有关半导体行业的文章，当时正值该行业快速发展时期。1985 年，他加入了《电子时报》，在东京工作的 14 年中，他报道了日本、韩国和台湾的情况。1998 年，戴夫和妻子美惠子以及四个孩子搬到奥斯汀，成立了《电子时报》德克萨斯分社。戴夫毕业于圣母大学，并在密苏里大学新闻学院获得新闻学硕士学位。