在 5G 扩展以及视频流、游戏和物联网连接等高需求应用的推动下，全球移动网络数据流量持续上升。最新的《爱立信移动性报告》显示，从 2024 年第一季度到 2025 年第一季度，移动网络数据流量增长了 19%，加上固定无线接入（FWA）流量，预计到 2030 年，移动网络数据流量将增长近两倍，达到每月 420 艾字节[1]。流量激增的原因是连接设备增多和用户平均数据消耗量增加，而更好的流媒体质量、云游戏、人工智能应用程序和扩展现实技术则进一步推动了流量激增。扩大频谱，尤其是 6 GHz 以上的频谱，对于支持数据增长、提高无线容量和覆盖范围至关重要。随着对高性能无线连接的需求不断增长，高效、可扩展的射频技术对降低成本至关重要。随着网络从 5G 发展到 6G，基础设施必须处理更高的频率、更大的带宽和更高的密度，这就需要同时优化性能和成本的解决方案。
硅基氮化镓（GaN-Si）--一种将氮化镓的高功率效率与硅的可扩展制造相结合的技术，通过降低成本和加快部署，为下一代无线接入网络的广泛应用铺平了道路。碳化硅基氮化镓（GaN-SiC）因其高效率、出色的热传导性和高功率密度，一直是6GHz以下5G功率放大器（PA）的首选，而GaN-Si现在则被定位为射频应用的高性价比、大批量解决方案。
GF 将氮化镓-硅定位为下一代无线通信创新的关键推动力，而不仅仅是替代品，从而推动了下一波无线基础设施的发展。
射频挑战：频率更高、带宽更宽、效率更高
随着无线基础设施从 5G 发展到 6G，复杂性也随之上升。移动网络运营商（MNO）和原始设备制造商现在需要支持更高的频率、更宽的带宽和更密集的网络，同时需要降低成本和功耗，以实现盈利性部署。根据三星公司 2024 年 8 月的一份报告，在 FR1 n104（6.425-7.125 GHz）和 FR3（7.125-24.25 GHz）频段工作的无线电设备的天线元件数量预计将比目前的 5G sub-6GHz 无线电设备至少增加一倍[2]。在相同的无线电总输出功率下，更多的天线元件可降低每根天线的输出功率需求，从而使氮化镓-硅（GaN-Si）比氮化镓-碳化硅（GaN-SiC）等高性价比解决方案更受青睐。更高的频率允许更近的天线间距，从而在现有的基底面上安装更多的单个天线元件，但同时也增加了半导体数量和 BOM 成本。由于功率放大器输出要求的降低，无线电架构的这一演变使得氮化镓-硅的使用成为可能，并确立了氮化镓-硅在降低成本方面替代氮化镓-碳的领先地位。
氮化镓-硅：提高性能和可扩展性
GaN-Si 能够将氮化镓外延集成到大直径、高产能的 200 毫米硅晶片上，并利用先进 CMOS 技术所使用的相同制造基础设施。这释放了关键优势：
- 如上所述，通过规模经济降低每个射频设备的成本
- 现有硅工厂的生产量提高
- 通过异构集成或三维堆叠，有可能集成多个电路块
虽然碳化硅衬底具有更好的导热性，但与氮化镓-碳化硅相比，氮化镓-硅的材料和加工成本更低，因此非常适合大规模 MIMO 和小基站等大批量应用，支持经济高效的 RAN 扩展。氮化镓-硅在 5G FR1（3.3-7.125 GHz）和 6G FR3（7.125-24.25 GHz）中高级频段也实现了相当的射频性能。
在 GlobalFoundries，我们使硅基氮化镓能够支持广泛的基础设施应用：
- C 波段（n77/n78）和 n79 大容量 MIMO 无线电设备
- 5G 小蜂窝和开放式 RAN 平台
- 需要宽带、高线性度和高效功率放大器的 6G FR3 架构
凭借硅基可扩展性，氮化镓-硅也是共同封装射频解决方案和混合集成的理想选择，这些都是下一代无线基础设施平台的关键。
携手共创未来：GF 的氮化镓-硅路线图
在 GlobalFoundries，我们正在为下一个十年的无线创新奠定基础。我们的硅基氮化镓射频平台采用 200 毫米晶圆，旨在为无线基础设施供应商加快产品上市时间。
我们正在与生态系统合作伙伴合作，推动封装、热管理和射频电路设计方面的创新，确保氮化镓硅不仅能满足当今的 5G 需求，还能应对 6G 在频率、带宽、功率和效率方面的挑战。通过 GF 的多项目晶圆 (MPW) 计划 GlobalShuttle，客户能够以高效、经济的方式评估射频氮化镓硅技术的潜力，从而加快产品开发周期，缩短产品上市时间。
随着无线网络的不断发展，无线基础设施供应商必须采用在性能和可制造性之间取得平衡的技术。虽然氮化镓-碳化硅（GaN-SiC）仍然适用于利基、超高功率应用，但氮化镓-硅（GaN-Si）却是可扩展、高效率 RAN 部署的必由之路。通过向氮化镓-硅过渡，移动运营商和原始设备制造商可以释放氮化镓技术的优势，而不受传统衬底材料的经济限制。GlobalFoundries 很荣幸能够站在这一过渡的前沿，以可扩展的高效射频技术为无线未来提供动力。
[2]:2024 年 8 月三星研究报告
Mark Cuezon 是 GlobalFoundries 的无线基础设施和 SATCOM 终端市场总监，负责推动下一代无线连接网络和平台的战略发展和客户参与。
