Ako Mooreov zákon revolucionalizoval RF-CMOS: Príbeh o nečakanom vzostupe kremíkových čipov

Kremík a jeho rýchly nástup v oblasti rádiovej frekvencie (RF) je dôkazom sily Mooreovho zákona. Pred dvadsiatimi rokmi sa jednotlivé časti RF modulu vyrábali samostatne a integrovali sa do jedného zariadenia. Kremík zmenil všetko a umožnil vznik dnešných štýlových a tenkých mobilných telefónov. Aká bola však cesta RF-CMOS a aké sú jeho vyhliadky do budúcnosti?

Kľúčové poznatky

• RF čipy sú elektronické súčiastky pracujúce vo frekvenčnom rozsahu až do 100 gigahertzov.
• Výhodou RF-CMOS je lacná a hromadná výroba, no trpí vyššou úrovňou šumu v porovnaní s tradičnými technológiami.
• Historický prelom sa dosiahol s použitím suspendovaných induktorov a pokrokových šumových modelov.
• RF-CMOS stálo v popredí prielomových riešení pre GSM a GPRS, čo viedlo k masovej adopcii najmä v mobilných zariadeniach.
• Budúcnosť RF-CMOS v segmente 6G zostáva otvorená, pričom integrácia s III-V polovodičmi môže byť riešením.

Zákulisie RF prenosu: Zložení RF predného modulu

RF predný modul je zhluk komponentov na odosielanie a prijímanie signálov. Celý proces začína s analógovým signálom, známym ako základné pásmo. Nízkofrekvenčné signály, ako ľudský hlas, sú premieňané na vyššie frekvencie zmiešaním so signálom nosnej frekvencie. Tento proces umožňuje prenos signálu bez nutnosti obrovskej antény.

Signály sa zosilňujú pomocou výkonového zosilňovača a vysielajú prostredníctvom antény. Prijímanie signálu je v zásade rovnaké, len v opačnom poradí. Kľúčové komponenty zahŕňajú mixéry, ktoré konvertujú signály medzi rôznymi frekvenčnými pásmami, a nízkošumové zosilňovače.

Evolúcia tranzistorov pre RF aplikácie

Na začiatku boli bipolar junction tranzistory (BJT) a metal-semiconductor field effect tranzistory (MESFETy) hlavným prúdom. Inovácie v oblasti germánium-bázy alebo zmesí zlúčeninového polovodiča III-V, ako je gallium-arsenid, predchádzali kremíkovým MOSFETom, ktoré sa pôvodne považovali za nevhodné pre RF aplikácie kvôli obmedzeným frekvenciám.

Technologický pokrok, vedený Mooreovým zákonom, však drasticky zmenil pravidlá. Zmenšovanie tranzistorov umožnené menšími polovičnými rozmermi a vyššie cutoff frekvencie pripravili cestu pre komerčné využitie RF-CMOS technológií.

Vplyv Mooreovho zákona na RF-CMOS

V 90. rokoch sa kremíkové MOSFETy vďaka ich zmenšeniu a schopnosti fungovať na požadovaných frekvenciách stali základom pre rádiofrekvenčné integrované obvody (RFIC). Predpokladaná nemožnosť výroby pasívnych zariadení, ako sú cievky na silikónovom podklade, bola prekonaná vďaka inovatívnym technikám, ako je použitie suspendovaných induktorov.

Vzhľadom na výrazne nižšie výrobné náklady a schopnosť integrácie všetkých potrebných komponentov na jednom čipe sa RF-CMOS rýchlo udomácnil na trhu. Bol to kľúčový faktor umožňujúci miniaturizáciu zariadení, zníženie ich spotreby energie a nákladov na výrobu.

RF-CMOS a budúcnosť s 6G

Dnešné RF-CMOS technológie dokážu efektívne obslúžiť pásma až do 5G frekvencií. Výzvy však ležia pred 6G, kde hovory o sub-terahertzových pásmach kladú nové požiadavky na rýchlosť a silu signálu. Odpoveďou by mohlo byť spojenie RF-CMOS s výkonovými zosilňovačmi vyrobenými z III-V polovodičových čipov.

Ktorým smerom sa bude RF-CMOS uberať, ukáže čas. Je však isté, že revolúcia, ktorú vtlačilo kremík do sveta rádiovej frekvencie, natrvalo zmenila priebeh vývoja moderných technológií a zariadení.

Odkazy na štúdie a dôležité zdroje

• Na tému nárastu silikónových MOSFETov a ich aplikácií odporúčame prečítať si práce Asad Abidiho a iné výskumy z oblasti RFIC.
• Pre viac informácií o histórii a rozvoji RF technológií navštívte kanál Asianometry na YouTube a ich podcast na Stratechery Plus.

Chyby eliminované a technológie vysvetlené zrozumiteľne a jednoducho, článok prináša pohľad na dôležité technologické pokroky, ktoré formujú náš každodenný svet.

Približne 161 gCO₂ bolo uvľnených do atmosféry a na chladenie sa spotrebovalo 0.81 l vody za účelom vygenerovania tohoto článku.