eng
Выпуск #10/2021
М. Макушин
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ МОНОЛИТНЫХ СВЧ ИС И GaN-РАДИОПРИБОРОВ
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ МОНОЛИТНЫХ СВЧ ИС И GaN-РАДИОПРИБОРОВ
Просмотры: 1762
DOI: 10.22184/1992-4178.2021.211.10.74.83
Рассматриваются перспективы развития рынка и технологий монолитных СВЧ ИС, а также радиоприборов на основе GaN и GaAs. Отмечается, что перспективы развития во многом зависят от технологии, по которой реализуются СВЧ ИС и радиоприборы.
Рассматриваются перспективы развития рынка и технологий монолитных СВЧ ИС, а также радиоприборов на основе GaN и GaAs. Отмечается, что перспективы развития во многом зависят от технологии, по которой реализуются СВЧ ИС и радиоприборы.
Теги: 5g networks 5g-сети gaas devices gaas-приборы gan devices gan-приборы microwave ics telecommunications equipment свч ис телекоммуникационное оборудование
Перспективы развития монолитных СВЧ ИС и GaN-радиоприборов
М. Макушин
Современная СВЧ-микроэлектроника демонстрирует перспективы устойчивого развития. Помимо традиционных для нее областей, таких как авиакосмическая и военная электроника, она все шире используется в гражданских применениях. Наиболее перспективными в гражданском секторе можно считать автомобильную электронику и средства связи, в частности инфраструктурное телекоммуникационное оборудование и трубки мобильных телефонов.
Перспективы развития рынка и технологий монолитных СВЧ ИС, а также радиоприборов во многом зависит от технологии, по которой они реализованы. Если для GaN-приборов – это в первую очередь пока военные применения, то для GaAs-приборов – это средства связи.
В автомобильной электронике рост использования радаров во многом связан с повышением стандартов безопасности, расширением использования автономных транспортных средств. При этом число радаров в машинах будет увеличиваться. Это одна из причин роста среднегодовых темпов роста продаж монолитных СВЧ ИС.
Другой, и более существенной с точки зрения объемов продаж, причиной является развертывание 5G-сетей / средств связи во все более широком масштабе. В частности, в трубках мобильных телефонов будет увеличиваться число усилителей мощности и малошумящих усилителей. Кроме того, сейчас уже разрабатываются средства и стандарты 6G-связи, появление первых опытных изделий и сетей ожидается в районе 2030 года.
По мнению отраслевых аналитиков, преимущества получат технологии, обеспечивающие более высокие плотность мощности и КПД суммирования мощности при меньших форм-факторах. Одной из них является GaN-технология, изделия на основе которой уже успешно конкурируют с кремниевыми и GaAs-решениями.
Состояние и перспективы рынка монолитных СВЧ ИС в целом
Оценка, классификация и факторы, влияющие на рынок
В настоящее время существует несколько оценок современной емкости мирового рынка монолитных СВЧ ИС и рубежей, которые он может достигнуть в 2025 и 2029 годах. Так, если продажи в 2020 году составляли от 6,8 до 8,8 млрд долл., то в 2025 году они могут достигнуть от 8,0 до 9,2 млрд долл. (табл. 1). При этом интересно отметить, что, если среднегодовые темпы прироста продаж в сложных процентах (CAGR) за период 2020–2025 годов прогнозируются на уровне около 6%, то за период 2020–2029 годов этот показатель составит почти 11% [1–7].
Существует несколько подходов к классификации монолитных СВЧ ИС – в зависимости от типа изготавливаемых компонентов, по используемым материалам и транзисторным технологиям, частотным диапазонам и конечному применению (табл. 2).
Основными факторами, которые, как ожидается, будут способствовать росту рынка монолитных СВЧ ИС в прогнозируемом периоде, являются:
Особо стоит отметить значение для увеличения потребности в монолитных СВЧ ИС такого фактора, как развертывание 5G-сетей / средств связи. Кроме того, к 2028–2029 годам могут появиться опытные образцы сетей / средств связи шестого поколения (6G), стандарты которых сейчас активно разрабатываются. Здесь также заложен потенциал существенного увеличения спроса на монолитные СВЧ ИС.
С другой стороны, есть и факторы, препятствующие росту рынка монолитных СВЧ ИС в прогнозируемый период – прежде всего это увеличение расходов на разработку данных ИС.
Географические факторы развития рынка
Особое значение в развитии мирового рынка монолитных СВЧ ИС играют страны Азиатско-Тихоокеанского региона. По темпам развития данного рынка они существенно опережают остальные страны / регионы мира. Это можно объяснить:
Значение Китая трудно переоценить – «Поднебесная» является одной из самых быстроразвивающихся экономик в мире и одним из крупнейших мировых производственных центров с динамично развивающимся сектором электроники. Увеличение военных расходов, усиление внимания правительства к автомобильному сектору и развитию перспективных технологий способствуют росту рынка монолитных СВЧ ИС.
Основные типы ИС, определяющие развитие рынка
Большинство отраслевых аналитиков выделяют на рынке монолитных СВЧ ИС сектора кремниевых, GaAs- и GaN-приборов.
Кремниевые монолитные СВЧ ИС, включая SiGe ИС, являются наиболее распространенным типом современных СВЧ-приборов, используемых в мобильных телефонах, GPS-системах, спутниковой связи и беспроводных локальных сетях. При производстве этих ИС в качестве подложки используется монокристаллический кремний (изготовление на пластинах), что обеспечивает высокие эксплуатационные характеристики при низком рабочем напряжении.
Монолитные СВЧ ИС на основе GaAs обеспечивают высокие уровни мощности и производительности наряду с низкими показателями шума. Это делает их пригодными для использования в таких применениях, как телекоммуникационное оборудование, авиакосмическая и военная электроника, потребительская электроника и т. д.
GaN монолитные СВЧ ИС работают в миллиметровом частотном диапазоне и генерируют сигналы беспроводной связи для передачи информации / данных на большие расстояния или внутри зданий / сооружений. Они также преобразуют миллиметровые волны в широкополосные радиочастоты для распространения по кабельным сетям.
Основные производители
Ключевыми игроками, работающими на мировом рынке монолитных СВЧ ИС, являются 17 фирм, из них штаб-квартиры восьми расположены в США: Analog Devices, Broadcom, Custom MMIC Design Services, MACOM, Maxim Integrated, Mini-Circuits, Qorvo, Skyworks Solutions. Франция представлена тремя производителями: OMMIC, United Monolithic Semiconductors и VectraWave. Остальные шесть это: Arralis (Ирландия), BeRex (Южная Корея), Infineon Technologies (ФРГ), Microarray Technologies (КНР), NXP Semiconductor (Нидерланды), WIN Semiconductors (Тайвань) [2, 5].
Состояние и перспективы рынка GaN- и GaAs-радиоприборов
Отсутствие в открытом доступе данных по развитию секторов GaN и GaAs монолитных СВЧ-приборов сделало необходимым для дальнейшего анализа использовать данные по GaN- и GaAs-радиоприборам, в которых монолитные СВЧ ИС занимают существенное место.
Развитие сектора GaN-радиоприборов
Долгое время GaN-технология считалась очень высококлассной и дорогостоящей, предназначенной только для военных применений. Но в середине 2010‑х годов корпорация Huawei использовала ее в удаленных радиоблоках приемопередатчиков (RRH) базовых станций сетей 4G LTE. После этого GaN-радиоприборы стали все шире внедряться в коммерческих приложениях телекоммуникационной инфраструктуры благодаря высокой плотности мощности и меньшему, по сравнению с кремниевыми и GaAs-решениями, форм-фактору. После развертывания 5G в суб-6-ГГц диапазоне GaN продемонстрировал свойства, которые превосходят существующую технологию LDMOS (горизонтальные ДМОП-транзисторы) на основе кремния с точки зрения более высокой пропускной способности и более высоких требований к плотности мощности.
Системы военного назначения на основе
Вопросы обеспечения национальной безопасности всегда были одними из главных приоритетов для любой страны. При разработке перспективных стратегий защиты и нападения военные отдают приоритет высокопроизводительным системам.
Следовательно, решающее значение для них имеют возможности создания преимуществ в вероятных конфликтах: с одной стороны, более быстрая и качественная передача данных, обеспечивающая лучшую разведку, а с другой, наоборот, способность создавать помехи для аналогичных действий вероятного противника. За последние примерно 20 лет, за счет реализации обширных программ НИОКР и крупных инвестиций, удалось разработать и внедрить электронные системы следующих поколений на основе твердотельных технологий, особенно в радиолокации, радиоэлектронной борьбе (РЭБ) и военной связи.
В области военных радаров появились системы AESA (active electronically scanned arrays), заменившие системы на основе ЭВП. AESA – это активная антенная решетка с электронным сканированием (ААРЭС), электронно-сканирующая антенная решетка. Она также известна как радар с активной фазированной антенной решеткой (АФАР). Является одним из типов нового поколения радаров с ФАР, чьи функции передатчика и приемника выполняются многочисленными твердотельными модулями приема / передачи (TRM). AESA-радары сопровождают цель своим «лучом», излучая отдельные радиоволны с каждого модуля. Эти волны структурно интерферируют под определенными углами перед антенной. AESA превосходят устаревшие пассивные электронно-сканирующие радары за счет растягивания излучаемых сигналов по полосам частот, что делает очень трудной задачей их выделение из фонового шума. Таким образом, AESA позволяет кораблям и летательным аппаратам осуществлять передачу мощных радарных сигналов, оставаясь незаметными для противника. AESA обеспечивают ряд преимуществ, таких как большая площадь обнаружения, более высокая скорость сканирования и более высокое пространственное разрешение, а также масштабируемость и упрощенная конфигурация приемопередатчиков.
В этом контексте использование приборов типа «GaN-на-SiC» в технологии AESA помогает уменьшить занимаемую площадь и вес при одновременном повышении эффективности системы. В качестве альтернативы LDMOS- и GaAs-приборам, GaN-технология обеспечивает высокую плотность мощности и более высокий КПД суммирования мощности при высокой теплопроводности в случае установки в ограниченном пространстве.
За последние годы развертывание GaN-технологии в РЛС военного назначения стало чрезвычайно популярным в рамках долгосрочных и высокобюджетных проектов в ряде стран, таких как США (на данный момент лидируют), Англия, Франция, ФРГ, Южная Корея и КНР. Соответственно ожидается, что продажи GaN-радиоприборов военного назначения будут быстро расти, и к 2025 году их стоимость превысит 1 млрд долл. (рис. 1, 2).
По данным исследовательской фирмы Yole Développement (Лион, Франция), большое число GaN-приборов, требующихся AESA РЛС, представляет собой интересную рыночную возможность для кремниевых заводов (foundry, контрактное производство ИС) и военных подрядчиков. Хотя узким местом GaN-приборов является их высокая стоимость, оборонная промышленность ожидает ее снижения по мере внедрения GaN-технологии на коммерческих рынках (особенно в сегменте 4G- и 5G-инфраструктуры) [8, 9].
5G телекоммуникационная инфраструктура:
GaN-технология устанавливает правила
На динамичном рынке 5G телекоммуникационной инфраструктуры идет непрерывная гонка за более эффективными типами антенн. Переход технологии коммуникационных соединений с RRH на активные антенные системы (AAS) будет способствовать преобразованию входных радиокаскадов из блоков с небольшим числом высокомощных радиочастотных линий в блоки с большим числом маломощных радиочастотных линий.
Кроме того, внедрение более высоких частот в суб‑6-ГГц-диапазоне, а также в режимах миллиметровых волн, подталкивает производителей оборудования к поиску новых платформ антенных технологий с большей пропускной способностью, более высокой эффективностью и лучшим управлением тепловым режимом.
В этом контексте технология GaN стала серьезным конкурентом LDMOS- и GaAs-приборам в секторе мощных применений, демонстрируя непрерывное повышение производительности и надежности, потенциально приводящее к снижению затрат на системном уровне.
Ожидается, что после проникновения на рынок 4G LTE телекоммуникационной инфраструктуры приборы типа «GaN-на-SiC» также займут устойчивые позиции (с тенденцией к расширению) в секторе 5G RRH суб‑6-ГГц- диапазона.
Тем не менее, в формирующемся сегменте 5G активных антенных систем суб‑6-Гц-диапазона (систем со многими входами и многими выходами (MIMO)) соперничество между GaN и LDMOS продолжается. В то время как экономичная технология LDMOS продолжает демонстрировать заметный прогресс по производительности в суб‑6-ГГц-диапазоне, приборы типа «GaN-на-SiC» обеспечивают высокие пропускную способность, КПД суммирования мощности и выходную мощность.
Отмечается, что 5G телекоммуникационная инфраструктура – это очень динамичный рынок, требующий от производителей оборудования принятия серьезных стратегических решений, создающих новые возможности для GaN технологических платформ. Например, в КНР, после слияния China Unicom и China Telecom, для AAS-решений с полосой пропускания более 150 МГц была выбрана GaN-технология [8].
Вопросы интеграции
Что касается малых сот, первоначально их реализации охватывали миллиметровый диапазон для удовлетворения спроса в густонаселенных городских районах. Этот сектор готов к быстрому росту, особенно из-за их небольшого размера и необходимости в большем числе устройств по причине их малого радиуса действия. В этом развивающемся сегменте среди потенциальных технологических решений наравне с SiGe-, КНИ-, КМОП- и GaAs-приборами рассматриваются и решения типа «GaN-на-SiC» и «GaN-на-Si». Производители GaN-приборов уже начали выпускать продукты, ориентированные на сектор малых сот и смежные сектора, с использованием инновационных методов интеграции [8, 9].
Возможность интеграции действительно является одним из ключевых активов радиопромышленности. Основными факторами интеграции радиоприборов являются экономия занимаемого пространства и снижение потерь РЧ-излучения. GaN-технология обеспечивает монолитную и эффективную интеграцию усилителей мощности (PA), малошумящих усилителей (LNA) и технологий коммутации как на SiC-подложках, так и на Si-подложках. При этом достигаются как высокие плотности мощности, так и низкие шумовые характеристики. С этой точки зрения технология «GaN-на-Si» является потенциальным конкурентом технологии «GaN-на-SiC», так как может предложить экономичные интегрированные решения с низкой стоимостью и использованием кремниевых подложек большого диаметра, а также масштабируемую цепочку поставок подложек.
Необходимо учитывать, что бизнес в области GaN-радиоприборов зависит не только от технологических решений разработчиков и поставщиков комплектного оборудования (OEM), но и от геополитических факторов. После введения американских санкций со II квартала 2019 года на продукцию корпорации Huawei, в 2019 году возник дефицит предложения, в основном на рынке GaN телекоммуникационной инфраструктуры. Это вынуждает участников данного рынка внимательно следить за тем, как в ближайшие годы будут развиваться различные стратегические партнерства и инвестиции в данную технологию [8].
Подложки GaN-приборов: SiC или кремний?
По данным Yole Développement, в 2020 году емкость рынка GaN-радиоприборов в целом составила 891 млн долл. При этом на приборы типа «GaN-на-SiC» приходится 342 млн долл., а на приборы типа «GaN-на-Si» – менее 5 млн долл. (менее 1% продаж) (рис. 3). Также на рынке присутствуют GaAs- и LDMOS-приборы. В период до 2026 года основной технологией останутся приборы типа «GaN-на-SiC». Их объем продаж увеличится до 2,222 млрд долл. при среднегодовом приросте продаж в сложных процентах (CAGR) за 2020–2026 годы в 17%. Но, как прогнозируется, продажи приборов типа «GaN-на-Si» будут расти опережающими темпами – с CAGR = 86%, а объем продаж в 2026 году достигнет 173 млн долл. (7% рынка). Объем рынка в целом в 2026 году составит 2,4 млрд долл. при CAGR = 18% [10].
Состояние и перспективы рынка GaAs-радиоприборов
Рынок 5G телекоммуникационной инфраструктуры – не единственная возможная сфера развития технологической платформы «GaN-на-Si». В течение нескольких последних лет ряд фирм активно развивал на этой технологической платформе решения в области усилителей мощности для трубок 5G-смартфонов. OEM-производители стремятся сэкономить пространство, занимаемое в трубках мобильных телефонов входными радиокаскадами, поэтому GaN-технология рассматривается ими как возможность революционизирования радиопромышленности за счет преимущества высоких плотности мощности и КПД суммирования мощности. Но в суб‑6-ГГц-диапазоне и в области миллиметровых волн GaN-технология сталкивается с устойчивой конкуренцией со стороны GaAs-технологии, также относящейся к материалам класса AIIIBV.
GaAs-приборы, ставшие одним из основных «строительных блоков» усилителей мощности в 3G и 4G мобильных телефонах, будут широко использоваться и в трубках 5G-смартфонов, работающих в суб‑6-ГГц-диапазоне – так как они отвечают строгим требованиям к линейности и мощности. Специалисты Yole Développement отмечают, что каждое поколение мобильных телефонов требует увеличения числа диапазонов и усилителей мощности, а с переходом на 5G ожидается увеличение общей площади, занимаемой в трубке мобильного телефона усилителями мощности. Сейчас в сфере мобильной связи существует тенденция перехода к решениям типа «система-на-кристалле» (SoC) на основе SiGe, за исключением старших моделей смартфонов, где применение GaAs-усилителей мощности остается предпочтительным из-за лучшей производительности. Однако недавно представленный стандарт Wi-Fi 6E будет работать на частоте 6 ГГц, где производительность SiGe-приборов будет ограничена, а внедрение GaAs – благоприятно.
Таким образом, ожидается, что рынок кристаллов GaAs-радиоприборов к 2025 году превысит 3,6 млрд долл., что обуславливается большим объемом рынка мобильных телефонов (рис. 4). Однако, как в случае с GaN-радиоприборами, даже зрелая индустрия GaAs-радиоприборов ощутила на себе воздействие торгово-технологических противоречий между США и КНР, а также пандемии COVID‑19, которые создали разнонаправленную динамику на мировом рынке смартфонов в период 2019–2020 годов.
* * *
Подводя итоги, можно сказать, что рынок монолитных СВЧ ИС безусловно будет динамично развиваться. Это обусловлено:
В секторе радиоприборов наиболее динамично будет развиваться GaN-технология, позволяющая создавать более миниатюрные, производительные и надежные приборы. При этом сектор приборов типа «GaN-на-Si» будет развиваться опережающими темпами по сравнению с сектором «GaN-на-SiC». По-видимому, перспективы GaN-радиоприборов радужны, но не прямолинейны. Столкнувшись с «движущейся целью» в лице зрелых кремниевых и GaAs технологических платформ в инфраструктуре 5G и входных радиокаскадов, индустрия GaN демонстрирует способность развиваться и постоянно предлагать конкурентоспособные альтернативные решения. Вероятно, что GaN-технология действительно обладает захватывающими возможностями развития бизнеса на крупных коммерческих рынках.
Литература
Global Monolithic Microwave IC Market Report 2021 // Business Growth Report. 2021. Jan. 18.
Global Monolithic Microwave IC Market – Industry Trends and Forecast to 2028 // Data Bridge. 2021. Jun.
Global Monolithic Microwave IC Market Growth 2021–2026 // 360 Research Reports. SKU ID: LPI‑18525369. Publishing Date. 2020. Dec. 31.
https://www.360researchreports.com/global-monolithic-microwave-ic-market‑18525369
Monolithic Microwave IC (MMIC) Market Size, Market Share, Application Analysis, Regional Outlook, Growth Trends, Key Players, Competitive Strategies and Forecasts, 2021 to 2029 // Research and Markets. 2021. April.
https://www.researchandmarkets.com/reports/5317915/monolithic-microwave-ic-mmic-market-size
Monolithic Microwave Integrated Circuit (MMIC) Market – Global Industry Analysis, Size, Share, Growth, Trends and Forecast 2018–2026 // Transparency Market Research. Ongoing Dec 2022.
https://www.transparencymarketresearch.com/
mmic-market.html
Monolithic Microwave IC Market Share Analysis 2021 // WBOC Industry Research, Thursday. July 22nd. 2021.
Monolithic Microwave IC Market Research Report // Dataintelo Report ID: 116951, 2021.
https://dataintelo.com/report/monolithic-microwave-ic-market/
Dogmus E. GaN and GaAs: 5G Brings Thriving Business Opportunities // Microwave Journal. 2020. November 2.
Editorial Team. RF GaN Market Expected to Reach $2 Billion by 2025 // everythingRF. 2020. May 14.
https://www.everythingrf.com/news/details/10180-RF-GaN-Market-Expected-to-Reach‑2-Billion-by‑2025
GaN for RF electronics: GaN-on-SiC vs GaN-on-Si? //
i-Micronews. 2021. June 03.
М. Макушин
Современная СВЧ-микроэлектроника демонстрирует перспективы устойчивого развития. Помимо традиционных для нее областей, таких как авиакосмическая и военная электроника, она все шире используется в гражданских применениях. Наиболее перспективными в гражданском секторе можно считать автомобильную электронику и средства связи, в частности инфраструктурное телекоммуникационное оборудование и трубки мобильных телефонов.
Перспективы развития рынка и технологий монолитных СВЧ ИС, а также радиоприборов во многом зависит от технологии, по которой они реализованы. Если для GaN-приборов – это в первую очередь пока военные применения, то для GaAs-приборов – это средства связи.
В автомобильной электронике рост использования радаров во многом связан с повышением стандартов безопасности, расширением использования автономных транспортных средств. При этом число радаров в машинах будет увеличиваться. Это одна из причин роста среднегодовых темпов роста продаж монолитных СВЧ ИС.
Другой, и более существенной с точки зрения объемов продаж, причиной является развертывание 5G-сетей / средств связи во все более широком масштабе. В частности, в трубках мобильных телефонов будет увеличиваться число усилителей мощности и малошумящих усилителей. Кроме того, сейчас уже разрабатываются средства и стандарты 6G-связи, появление первых опытных изделий и сетей ожидается в районе 2030 года.
По мнению отраслевых аналитиков, преимущества получат технологии, обеспечивающие более высокие плотность мощности и КПД суммирования мощности при меньших форм-факторах. Одной из них является GaN-технология, изделия на основе которой уже успешно конкурируют с кремниевыми и GaAs-решениями.
Состояние и перспективы рынка монолитных СВЧ ИС в целом
Оценка, классификация и факторы, влияющие на рынок
В настоящее время существует несколько оценок современной емкости мирового рынка монолитных СВЧ ИС и рубежей, которые он может достигнуть в 2025 и 2029 годах. Так, если продажи в 2020 году составляли от 6,8 до 8,8 млрд долл., то в 2025 году они могут достигнуть от 8,0 до 9,2 млрд долл. (табл. 1). При этом интересно отметить, что, если среднегодовые темпы прироста продаж в сложных процентах (CAGR) за период 2020–2025 годов прогнозируются на уровне около 6%, то за период 2020–2029 годов этот показатель составит почти 11% [1–7].
Существует несколько подходов к классификации монолитных СВЧ ИС – в зависимости от типа изготавливаемых компонентов, по используемым материалам и транзисторным технологиям, частотным диапазонам и конечному применению (табл. 2).
Основными факторами, которые, как ожидается, будут способствовать росту рынка монолитных СВЧ ИС в прогнозируемом периоде, являются:
- рост потребности в них со стороны индустрии смартфонов;
- расширение использования E-диапазона для удовлетворения растущих потребностей в пропускной способности сотовых и беспроводных сетей;
- увеличение военных расходов.
Особо стоит отметить значение для увеличения потребности в монолитных СВЧ ИС такого фактора, как развертывание 5G-сетей / средств связи. Кроме того, к 2028–2029 годам могут появиться опытные образцы сетей / средств связи шестого поколения (6G), стандарты которых сейчас активно разрабатываются. Здесь также заложен потенциал существенного увеличения спроса на монолитные СВЧ ИС.
С другой стороны, есть и факторы, препятствующие росту рынка монолитных СВЧ ИС в прогнозируемый период – прежде всего это увеличение расходов на разработку данных ИС.
Географические факторы развития рынка
Особое значение в развитии мирового рынка монолитных СВЧ ИС играют страны Азиатско-Тихоокеанского региона. По темпам развития данного рынка они существенно опережают остальные страны / регионы мира. Это можно объяснить:
- высокой популярностью сотовых телефонов;
- динамичным переходом к более быстродействующим технологиям мобильной связи (переход от 3G-сетей к 4G-сетям и далее к 5G-сетям) значительных масс абонентов;
- резким ростом использования мобильных услуг, включая социальные сети, видео, а также платежные / финансовые услуги и развитие интернет-бизнеса;
- существенным увеличением военных расходов в таких странах, как Индия, КНР, Южная Корея и Япония.
Значение Китая трудно переоценить – «Поднебесная» является одной из самых быстроразвивающихся экономик в мире и одним из крупнейших мировых производственных центров с динамично развивающимся сектором электроники. Увеличение военных расходов, усиление внимания правительства к автомобильному сектору и развитию перспективных технологий способствуют росту рынка монолитных СВЧ ИС.
Основные типы ИС, определяющие развитие рынка
Большинство отраслевых аналитиков выделяют на рынке монолитных СВЧ ИС сектора кремниевых, GaAs- и GaN-приборов.
Кремниевые монолитные СВЧ ИС, включая SiGe ИС, являются наиболее распространенным типом современных СВЧ-приборов, используемых в мобильных телефонах, GPS-системах, спутниковой связи и беспроводных локальных сетях. При производстве этих ИС в качестве подложки используется монокристаллический кремний (изготовление на пластинах), что обеспечивает высокие эксплуатационные характеристики при низком рабочем напряжении.
Монолитные СВЧ ИС на основе GaAs обеспечивают высокие уровни мощности и производительности наряду с низкими показателями шума. Это делает их пригодными для использования в таких применениях, как телекоммуникационное оборудование, авиакосмическая и военная электроника, потребительская электроника и т. д.
GaN монолитные СВЧ ИС работают в миллиметровом частотном диапазоне и генерируют сигналы беспроводной связи для передачи информации / данных на большие расстояния или внутри зданий / сооружений. Они также преобразуют миллиметровые волны в широкополосные радиочастоты для распространения по кабельным сетям.
Основные производители
Ключевыми игроками, работающими на мировом рынке монолитных СВЧ ИС, являются 17 фирм, из них штаб-квартиры восьми расположены в США: Analog Devices, Broadcom, Custom MMIC Design Services, MACOM, Maxim Integrated, Mini-Circuits, Qorvo, Skyworks Solutions. Франция представлена тремя производителями: OMMIC, United Monolithic Semiconductors и VectraWave. Остальные шесть это: Arralis (Ирландия), BeRex (Южная Корея), Infineon Technologies (ФРГ), Microarray Technologies (КНР), NXP Semiconductor (Нидерланды), WIN Semiconductors (Тайвань) [2, 5].
Состояние и перспективы рынка GaN- и GaAs-радиоприборов
Отсутствие в открытом доступе данных по развитию секторов GaN и GaAs монолитных СВЧ-приборов сделало необходимым для дальнейшего анализа использовать данные по GaN- и GaAs-радиоприборам, в которых монолитные СВЧ ИС занимают существенное место.
Развитие сектора GaN-радиоприборов
Долгое время GaN-технология считалась очень высококлассной и дорогостоящей, предназначенной только для военных применений. Но в середине 2010‑х годов корпорация Huawei использовала ее в удаленных радиоблоках приемопередатчиков (RRH) базовых станций сетей 4G LTE. После этого GaN-радиоприборы стали все шире внедряться в коммерческих приложениях телекоммуникационной инфраструктуры благодаря высокой плотности мощности и меньшему, по сравнению с кремниевыми и GaAs-решениями, форм-фактору. После развертывания 5G в суб-6-ГГц диапазоне GaN продемонстрировал свойства, которые превосходят существующую технологию LDMOS (горизонтальные ДМОП-транзисторы) на основе кремния с точки зрения более высокой пропускной способности и более высоких требований к плотности мощности.
Системы военного назначения на основе
Вопросы обеспечения национальной безопасности всегда были одними из главных приоритетов для любой страны. При разработке перспективных стратегий защиты и нападения военные отдают приоритет высокопроизводительным системам.
Следовательно, решающее значение для них имеют возможности создания преимуществ в вероятных конфликтах: с одной стороны, более быстрая и качественная передача данных, обеспечивающая лучшую разведку, а с другой, наоборот, способность создавать помехи для аналогичных действий вероятного противника. За последние примерно 20 лет, за счет реализации обширных программ НИОКР и крупных инвестиций, удалось разработать и внедрить электронные системы следующих поколений на основе твердотельных технологий, особенно в радиолокации, радиоэлектронной борьбе (РЭБ) и военной связи.
В области военных радаров появились системы AESA (active electronically scanned arrays), заменившие системы на основе ЭВП. AESA – это активная антенная решетка с электронным сканированием (ААРЭС), электронно-сканирующая антенная решетка. Она также известна как радар с активной фазированной антенной решеткой (АФАР). Является одним из типов нового поколения радаров с ФАР, чьи функции передатчика и приемника выполняются многочисленными твердотельными модулями приема / передачи (TRM). AESA-радары сопровождают цель своим «лучом», излучая отдельные радиоволны с каждого модуля. Эти волны структурно интерферируют под определенными углами перед антенной. AESA превосходят устаревшие пассивные электронно-сканирующие радары за счет растягивания излучаемых сигналов по полосам частот, что делает очень трудной задачей их выделение из фонового шума. Таким образом, AESA позволяет кораблям и летательным аппаратам осуществлять передачу мощных радарных сигналов, оставаясь незаметными для противника. AESA обеспечивают ряд преимуществ, таких как большая площадь обнаружения, более высокая скорость сканирования и более высокое пространственное разрешение, а также масштабируемость и упрощенная конфигурация приемопередатчиков.
В этом контексте использование приборов типа «GaN-на-SiC» в технологии AESA помогает уменьшить занимаемую площадь и вес при одновременном повышении эффективности системы. В качестве альтернативы LDMOS- и GaAs-приборам, GaN-технология обеспечивает высокую плотность мощности и более высокий КПД суммирования мощности при высокой теплопроводности в случае установки в ограниченном пространстве.
За последние годы развертывание GaN-технологии в РЛС военного назначения стало чрезвычайно популярным в рамках долгосрочных и высокобюджетных проектов в ряде стран, таких как США (на данный момент лидируют), Англия, Франция, ФРГ, Южная Корея и КНР. Соответственно ожидается, что продажи GaN-радиоприборов военного назначения будут быстро расти, и к 2025 году их стоимость превысит 1 млрд долл. (рис. 1, 2).
По данным исследовательской фирмы Yole Développement (Лион, Франция), большое число GaN-приборов, требующихся AESA РЛС, представляет собой интересную рыночную возможность для кремниевых заводов (foundry, контрактное производство ИС) и военных подрядчиков. Хотя узким местом GaN-приборов является их высокая стоимость, оборонная промышленность ожидает ее снижения по мере внедрения GaN-технологии на коммерческих рынках (особенно в сегменте 4G- и 5G-инфраструктуры) [8, 9].
5G телекоммуникационная инфраструктура:
GaN-технология устанавливает правила
На динамичном рынке 5G телекоммуникационной инфраструктуры идет непрерывная гонка за более эффективными типами антенн. Переход технологии коммуникационных соединений с RRH на активные антенные системы (AAS) будет способствовать преобразованию входных радиокаскадов из блоков с небольшим числом высокомощных радиочастотных линий в блоки с большим числом маломощных радиочастотных линий.
Кроме того, внедрение более высоких частот в суб‑6-ГГц-диапазоне, а также в режимах миллиметровых волн, подталкивает производителей оборудования к поиску новых платформ антенных технологий с большей пропускной способностью, более высокой эффективностью и лучшим управлением тепловым режимом.
В этом контексте технология GaN стала серьезным конкурентом LDMOS- и GaAs-приборам в секторе мощных применений, демонстрируя непрерывное повышение производительности и надежности, потенциально приводящее к снижению затрат на системном уровне.
Ожидается, что после проникновения на рынок 4G LTE телекоммуникационной инфраструктуры приборы типа «GaN-на-SiC» также займут устойчивые позиции (с тенденцией к расширению) в секторе 5G RRH суб‑6-ГГц- диапазона.
Тем не менее, в формирующемся сегменте 5G активных антенных систем суб‑6-Гц-диапазона (систем со многими входами и многими выходами (MIMO)) соперничество между GaN и LDMOS продолжается. В то время как экономичная технология LDMOS продолжает демонстрировать заметный прогресс по производительности в суб‑6-ГГц-диапазоне, приборы типа «GaN-на-SiC» обеспечивают высокие пропускную способность, КПД суммирования мощности и выходную мощность.
Отмечается, что 5G телекоммуникационная инфраструктура – это очень динамичный рынок, требующий от производителей оборудования принятия серьезных стратегических решений, создающих новые возможности для GaN технологических платформ. Например, в КНР, после слияния China Unicom и China Telecom, для AAS-решений с полосой пропускания более 150 МГц была выбрана GaN-технология [8].
Вопросы интеграции
Что касается малых сот, первоначально их реализации охватывали миллиметровый диапазон для удовлетворения спроса в густонаселенных городских районах. Этот сектор готов к быстрому росту, особенно из-за их небольшого размера и необходимости в большем числе устройств по причине их малого радиуса действия. В этом развивающемся сегменте среди потенциальных технологических решений наравне с SiGe-, КНИ-, КМОП- и GaAs-приборами рассматриваются и решения типа «GaN-на-SiC» и «GaN-на-Si». Производители GaN-приборов уже начали выпускать продукты, ориентированные на сектор малых сот и смежные сектора, с использованием инновационных методов интеграции [8, 9].
Возможность интеграции действительно является одним из ключевых активов радиопромышленности. Основными факторами интеграции радиоприборов являются экономия занимаемого пространства и снижение потерь РЧ-излучения. GaN-технология обеспечивает монолитную и эффективную интеграцию усилителей мощности (PA), малошумящих усилителей (LNA) и технологий коммутации как на SiC-подложках, так и на Si-подложках. При этом достигаются как высокие плотности мощности, так и низкие шумовые характеристики. С этой точки зрения технология «GaN-на-Si» является потенциальным конкурентом технологии «GaN-на-SiC», так как может предложить экономичные интегрированные решения с низкой стоимостью и использованием кремниевых подложек большого диаметра, а также масштабируемую цепочку поставок подложек.
Необходимо учитывать, что бизнес в области GaN-радиоприборов зависит не только от технологических решений разработчиков и поставщиков комплектного оборудования (OEM), но и от геополитических факторов. После введения американских санкций со II квартала 2019 года на продукцию корпорации Huawei, в 2019 году возник дефицит предложения, в основном на рынке GaN телекоммуникационной инфраструктуры. Это вынуждает участников данного рынка внимательно следить за тем, как в ближайшие годы будут развиваться различные стратегические партнерства и инвестиции в данную технологию [8].
Подложки GaN-приборов: SiC или кремний?
По данным Yole Développement, в 2020 году емкость рынка GaN-радиоприборов в целом составила 891 млн долл. При этом на приборы типа «GaN-на-SiC» приходится 342 млн долл., а на приборы типа «GaN-на-Si» – менее 5 млн долл. (менее 1% продаж) (рис. 3). Также на рынке присутствуют GaAs- и LDMOS-приборы. В период до 2026 года основной технологией останутся приборы типа «GaN-на-SiC». Их объем продаж увеличится до 2,222 млрд долл. при среднегодовом приросте продаж в сложных процентах (CAGR) за 2020–2026 годы в 17%. Но, как прогнозируется, продажи приборов типа «GaN-на-Si» будут расти опережающими темпами – с CAGR = 86%, а объем продаж в 2026 году достигнет 173 млн долл. (7% рынка). Объем рынка в целом в 2026 году составит 2,4 млрд долл. при CAGR = 18% [10].
Состояние и перспективы рынка GaAs-радиоприборов
Рынок 5G телекоммуникационной инфраструктуры – не единственная возможная сфера развития технологической платформы «GaN-на-Si». В течение нескольких последних лет ряд фирм активно развивал на этой технологической платформе решения в области усилителей мощности для трубок 5G-смартфонов. OEM-производители стремятся сэкономить пространство, занимаемое в трубках мобильных телефонов входными радиокаскадами, поэтому GaN-технология рассматривается ими как возможность революционизирования радиопромышленности за счет преимущества высоких плотности мощности и КПД суммирования мощности. Но в суб‑6-ГГц-диапазоне и в области миллиметровых волн GaN-технология сталкивается с устойчивой конкуренцией со стороны GaAs-технологии, также относящейся к материалам класса AIIIBV.
GaAs-приборы, ставшие одним из основных «строительных блоков» усилителей мощности в 3G и 4G мобильных телефонах, будут широко использоваться и в трубках 5G-смартфонов, работающих в суб‑6-ГГц-диапазоне – так как они отвечают строгим требованиям к линейности и мощности. Специалисты Yole Développement отмечают, что каждое поколение мобильных телефонов требует увеличения числа диапазонов и усилителей мощности, а с переходом на 5G ожидается увеличение общей площади, занимаемой в трубке мобильного телефона усилителями мощности. Сейчас в сфере мобильной связи существует тенденция перехода к решениям типа «система-на-кристалле» (SoC) на основе SiGe, за исключением старших моделей смартфонов, где применение GaAs-усилителей мощности остается предпочтительным из-за лучшей производительности. Однако недавно представленный стандарт Wi-Fi 6E будет работать на частоте 6 ГГц, где производительность SiGe-приборов будет ограничена, а внедрение GaAs – благоприятно.
Таким образом, ожидается, что рынок кристаллов GaAs-радиоприборов к 2025 году превысит 3,6 млрд долл., что обуславливается большим объемом рынка мобильных телефонов (рис. 4). Однако, как в случае с GaN-радиоприборами, даже зрелая индустрия GaAs-радиоприборов ощутила на себе воздействие торгово-технологических противоречий между США и КНР, а также пандемии COVID‑19, которые создали разнонаправленную динамику на мировом рынке смартфонов в период 2019–2020 годов.
* * *
Подводя итоги, можно сказать, что рынок монолитных СВЧ ИС безусловно будет динамично развиваться. Это обусловлено:
- развертыванием сетей и средств 5G-связи (а в последующем и 6G-технологии), включая индустрию смартфонов;
- расширением использования E-диапазона для удовлетворения растущих потребностей в пропускной способности сотовых и беспроводных сетей;
- развитием радарных технологий гражданского назначения (автомобильная электроника, авиация, в том числе беспилотная, и т. д.);
- ростом военных расходов, в структуре которых увеличиваются расходы на бортовые перспективные радары, наземные РЛС, средства ПВО и РЭБ, космическую (спутниковую) связь.
В секторе радиоприборов наиболее динамично будет развиваться GaN-технология, позволяющая создавать более миниатюрные, производительные и надежные приборы. При этом сектор приборов типа «GaN-на-Si» будет развиваться опережающими темпами по сравнению с сектором «GaN-на-SiC». По-видимому, перспективы GaN-радиоприборов радужны, но не прямолинейны. Столкнувшись с «движущейся целью» в лице зрелых кремниевых и GaAs технологических платформ в инфраструктуре 5G и входных радиокаскадов, индустрия GaN демонстрирует способность развиваться и постоянно предлагать конкурентоспособные альтернативные решения. Вероятно, что GaN-технология действительно обладает захватывающими возможностями развития бизнеса на крупных коммерческих рынках.
Литература
Global Monolithic Microwave IC Market Report 2021 // Business Growth Report. 2021. Jan. 18.
Global Monolithic Microwave IC Market – Industry Trends and Forecast to 2028 // Data Bridge. 2021. Jun.
Global Monolithic Microwave IC Market Growth 2021–2026 // 360 Research Reports. SKU ID: LPI‑18525369. Publishing Date. 2020. Dec. 31.
https://www.360researchreports.com/global-monolithic-microwave-ic-market‑18525369
Monolithic Microwave IC (MMIC) Market Size, Market Share, Application Analysis, Regional Outlook, Growth Trends, Key Players, Competitive Strategies and Forecasts, 2021 to 2029 // Research and Markets. 2021. April.
https://www.researchandmarkets.com/reports/5317915/monolithic-microwave-ic-mmic-market-size
Monolithic Microwave Integrated Circuit (MMIC) Market – Global Industry Analysis, Size, Share, Growth, Trends and Forecast 2018–2026 // Transparency Market Research. Ongoing Dec 2022.
https://www.transparencymarketresearch.com/
mmic-market.html
Monolithic Microwave IC Market Share Analysis 2021 // WBOC Industry Research, Thursday. July 22nd. 2021.
Monolithic Microwave IC Market Research Report // Dataintelo Report ID: 116951, 2021.
https://dataintelo.com/report/monolithic-microwave-ic-market/
Dogmus E. GaN and GaAs: 5G Brings Thriving Business Opportunities // Microwave Journal. 2020. November 2.
Editorial Team. RF GaN Market Expected to Reach $2 Billion by 2025 // everythingRF. 2020. May 14.
https://www.everythingrf.com/news/details/10180-RF-GaN-Market-Expected-to-Reach‑2-Billion-by‑2025
GaN for RF electronics: GaN-on-SiC vs GaN-on-Si? //
i-Micronews. 2021. June 03.
Отзывы читателей
