我们处在一个技术爆炸的年代。数字化浪潮席卷全球,涉及到人工智能、大数据、物联网、无人驾驶、高速互联网、手势识别、5G、电动汽车和全面电气化等等诸多方面。这些新应用的出现提出了更高通信速率和能源效率以及更佳人机交互的需求。日前,在功率半导体、汽车电子和智能卡IC等领域占据领先地位的英飞凌公司,其电源管理及多元化市场事业部高管来到深圳,为我们介绍了在该公司眼中,又是怎么看待高速数据、能源效率和人机交互这三大领域未来的发展。

高速数据:锗化硅、硅基氮化镓、碳化硅基氮化镓、砷化镓……应有尽有

在英飞凌的眼中,未来5G通信世界是什么样?英飞凌电源管理及多元化市场事业部大中华区高级经理颜新表示,首先,传统的3G/4G宏蜂窝基站在5G时代会升级。蜂窝基站表现为大规模MIMO架构会越来越多。小蜂窝主要是高频热点覆盖。固定无线接入(FWA)也是高频的。NB-IoT的一个最明显的例子是共享单车。另外,智能家居、智能工厂、智能汽车等也都会连到5G的大网络上。

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5G是应对需要而来。智能楼宇、智能家居、智能终端、智能穿戴、工业、汽车、手机基站等等,它们的要求各不相同。比如智能家居需要低成本、低功耗、深覆盖、高密度、安全。智能汽车、智能工业需要超低时延、高可靠、安全、超宽带移动通信。

颜经理介绍,5G需求包含3大部分。首先,大规模物联网,即设备数量会大大增加。人均将有7台智能终端接入移动5G网络,总量达到500亿台。其次是任务关键性数据传输要求1ms超短时延,是4G网络的1/50,比眨眼速度快3倍。最后是增强型移动宽带,2020年后通信速率将达到25Gbps,是LTE平均下载速度的2500倍(1秒钟能够下载1部高清电影)。

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5G网络包括宏蜂窝、小蜂窝、回程链路、移动终端等元素。英飞凌对应的工艺技术如下图所示,能够涵盖5G所有网络应用场景。

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英飞凌基站解决方案如下图绿色部分所示。颜经理强调:“在天线侧,英飞凌有自己的合作伙伴。射频前端,英飞凌提供高集成度的器件,包括PA、LNA和开关。英飞凌提供业界首个毫米波收发器。该公司有集成式宽带BiCMOS和氮化镓放大器。”

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“接下来需要强调的是我们支持5G基站的产品,我们提供多型号、高稳定性、高效率的宽带氮化镓射频功率管。在主要的客户那里已经量产两年了。”颜经理补充。

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另外一个,该公司提供高精度设备前端模块。该模块支持宏蜂窝、小蜂窝和Massive MIMO,是一个多芯片的模块产品。首款产品是3.5GHz,大概今年年底推出,颜经理透露。

另外,他强调,这个市场大客户比较集中,而且是紧密合作研发的模式。因此,英飞凌的特点是与客户紧密合作,共同研发,提供优势、高质量、定制化的产品。

能源效率:从设备级、电源需求转向数据中心需求

全球电力需求正持续增长,从2006年与2016年,整个电能的消耗增加了30%。由于其基数已经很大,任何能源消耗对整个地球的负担都相当引人关注。英飞凌电源管理及多元化市场事业部大中华区高级市场经理陈清源表示。

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那么我们在使用电力的同时,如何才能不对地球造成更大的消耗和负担?

温室气体排放、全球暖化,已经影响到人们的生产生活。极端多变的气候会造成许多不便,越来越多的环境灾难也随之发生。因此,提高电力电子的能源效率是当务之急。

“英飞凌的产品可以从很小的瓦特数一直覆盖到很高功率。从智能手机来讲,我们每天都要充电,但是我们不希望带一个效率很差、体积很大的电器。”陈经理谈到。

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下图是直流/直流电源转换细分市场和产品组合。游戏机、显卡、台式机主机板、服务器、人工智能等方面,都是直流/直流的目标应用。

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英飞凌在四个领域占据市场领先地位。“第一,电动工具,是节能当中很重要的一环。第二,通信电源,英飞凌在4G领域占据领先地位,并将在5G时代持续提供对应和合适的产品,让制造商可以制造出最高效率的能源。第三,服务器。最后,充电桩。中国正在推动电动车市场的发展。电动车发展的快慢,充电桩占了很大的因素。充电桩最好的是像加油站一样,每隔几十公里就有一个,到处都可以找到。”陈经理表示。

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另外来看下具体解决方案。下图是一个服务器的系统架构。英飞凌能够提供整个电源上有源半导体80-90%的份额。因此,这也是该公司可以帮助客户把电源效率做高、降低损耗、降低对地球资源的消耗的原因。

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英飞凌怎么去看电源管理?“以前我们从器件出发,了解设备级需求。现在是了解电源需求。从现在到未来,我们要转而了解数据中心的需求,从而针对整个大系统设计元件,去跟客户合作,带来整个电源的节省。”陈经理表示。

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“举例来说,数据中心当中布设了几千台甚至上万台数据机/服务器,如果能够有效利用能源、节省能源,无论是在电源转换或是空调冷却上,我们可以有效省掉大概25%。数据中心的电力费用一直都是很大一笔开销。我们在电力方面至少一年可以省个几百万电费。数据中心的拥有者可以实现省电,此外,这对地球也是一个贡献。”陈经理补充。

英飞凌是全球首家成功采用硅材料制作300mm(12寸)薄晶圆的功率半导体公司。之所以要投入这么大的精力去做12寸,是因为未来电源需求会持续增加,英飞凌也会持续投资。

这一制造工艺带来的优势,一是它的单位产出。它比8寸(200毫米)晶圆的产出多了1.5倍。第二,成本管控。300毫米晶圆的前端制造单位成本在中长期要比200毫米晶圆更有竞争力。第三,英飞凌会根据市场需求持续扩展产能,满足市场需求。

最后,他总结到,英飞凌在能源效率方面有四个主张。“第一,我们一直在持续增强我们技术领先的优势,持续在投入,持续在投资我们的技术,涵盖从元件、设计到系统的各方面。第二,我们可以提供最高功率转换的元件。第三,我们的产能也配合市场的需求,我们持续在投资。德国的12寸厂也是为这个目的而产生的。最后,我们会跟客户持续合作,提供和制造最佳的电源器件。”他表示。

人机交互:毫米波雷达正被谷歌用来开发手势识别

“移动通信的发展来源于市场需求。从1G到5G,通信速率从2.4kbps发展到将会超过1Gbps,在手机领域也将引起很多的改变。”英飞凌电源管理及多元化市场事业部大中华区总监麦正奇表示。

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我们今天的LTE手机,最热门的话题无外乎是天线的调节、载波聚合等等。LTE在4G的部分已经大大改善了手机的传输效率。

而到5G时代,移动通信会增加很多新频段,也会引入MIMO技术,从而使通信速率成倍增加。因此,到4.5G和5G,未来的使用者需要更大的频宽,手机的部分架构也必须要做不同的改变。

更进一步, 5G手机将会利用到更高频的毫米波部分,可能会用到27G、28G甚至更高的一些频率。

“英飞凌在这当中提供低噪声放大器和结合开关的低噪放模块,可以提供更低的噪声系数,即功噪比。也可以提供电池,在生命周期上可以提供更久的时间。”麦总说。

天线调节是手机当中非常重要的一块,它不但可以提升本身接收信号的效率,还可以降低PA功耗,维持在高档接收状况下的功耗。

还有射频开关,用于频段切换。英飞凌也提供开关的组合。

接下来来看传感器的部分。传感器方面,英飞凌有四类目标应用:气体传感器,比如二氧化碳传感器;高性能MEMS麦克风;压力传感器;光学传感器,通过光学波形的转换来侦测人体运动、心跳或血氧等运动。

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英飞凌的毫米波雷达分成三个主要不同的应用领域。第一个领域是汽车应用,这部分主要基于24GHz雷达。24GHz雷达可以应用于三个指标检测:BSD(盲点侦测)、RCTA(后方横向警示)以及LCA(变换车道辅助)。

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对于工业应用,24GHz雷达则可以应用于智能家居、无人机、机器人以及智能照明。目前智能家电当中有一些需要做运动检测、照明检测以及监控和安全。在无人机领域,目前有很多客户需要做碰撞避免、着陆感应以及侦测高度。在机器人部分,在生产线的自动化生产过程中,它可以侦测物体位置以及避免碰撞。在服务机器人,即扫地机器人上,它也可以作碰撞检测。智能照明(室内外)也是毫米波雷达的一个非常重要的应用。它可以在室内外侦测人体移动,然后决定是否打开开关。智能路灯则可以在整条路上没有车的情况下把路灯关掉,但是如果有车来,则可以从暗到明,甚至根据车流状况不同,进行一些监控。

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最后是60GHz雷达的应用。英飞凌跟谷歌在合作进行手势识别开发,谷歌负责算法开发,英飞凌负责提供硬件。手势识别可以设计到手机、平板电脑或笔记本电脑里,甚至可以用来实现VR和AR。

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