LoRa技术基础与应用(1) LPWAN领跑者LoRa芯片

1 前言

从2013年Semtech公司发布第一代商用LoRa芯片以来,LoRa技术经受住了物联网行业应用的考验,凭借其低功耗远距离等技术优势,近几年在全球物联网无线通信的细分市场上攻城拔寨,并一直保持着高速发展的态势。特别是在智能表计、智能烟感等民用公有事业领域得到广泛应用与认可,已经成为一种主流的物联网连接技术。

除了私有LoRa被广泛应用外,在LPWAN技术领域,相比其他LPWAN技术(NB-IoT、Sigfox等),LoRa技术在LPWAN市场赢得了领先地位,基于LoRa定制的LoRaWAN标准也逐步成为低功耗广域网(LPWAN)的事实标准。

来自IHS Markit报告的一组市场数据:

  • 2017年出货量超过3200万个LoRa节点,
  • 2018年则增长到了5700万个LoRa节点以上
  • 截止2019年4月,全球已部署超过 9000万个LoRa节点 和 超过24.5万个LoRa网关
  • 到2020年,在所有低功耗广域网公用网络中,超过50%都有望使用基于LoRa网络的设备
  • LPWAN连接预测,LoRaWAN 2014年到2021年复合增长率(CAGR)= 158% 

同时由于产业物联网(LPWAN技术应用领域)增长速度放缓,加上智能家居等细分市场的巨大诱惑力促成了LoRa进军消费物联网(LAN等技术应用领域)的新局面,如同阿里提出的LoRa 2.0时代,LoRa用户向着长尾市场发展,应用场景由室外走入室内。

下文我们透过对LoRa芯片成长过程的了解,可以进一步获悉,Semtech公司为LoRa技术成为“LPWAN长跑组”领跑者所精心设计与提供的配套装备,并为LoRa进军“LAN短跑组”所做的新准备。

1.1 本文内容提要

  • IC行业基础知识
    • 先简单了解一下IC行业的相关术语与概念,有助于理解LoRa芯片的相关内容。
  • LoRa芯片的发展历史
    • Semtech LoRa芯片产品图
    • LoRa芯片的多供应商格局

2 IC行业基础知识

IC行业(类似说法还有半导体行业、集成电路行业等)经过多年发展,在半导体产业链分工不断细化的背景下,IC行业的商业模式逐渐从原有单一的 IDM 模式转变为 IDM 模式、Fabless 模式、IP设计模式并存的局面。

一条完整的半导体产业链包括几十道工序,大致可以分为芯片设计芯片制造封装测试三个主要环节,同时还包括集成电路设备制造、关键材料生产等相关支撑产业。而芯片(Chip,泛称)正是上述所有环节的最终产物,芯片作为集成电路的载体,通常是一个可以立即使用的独立的整体。LoRa技术基础与应用(1) LPWAN领跑者LoRa芯片

2.1  IC产业链的主要环节

下文我们着重了解下IC芯片相关的几个关键词。

2.1 晶圆

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图2.2 晶圆

(其中一个个小方块就是一个个Die)

  • 晶圆(wafer),是制造各式芯片的基础,集成电路工厂的基本原料。
  • “可以将芯片制造比拟成用乐高积木盖房子,先有晶圆作为地基,然后一层又一层的堆叠(芯片制造流程),完成自己期望的造型(也就是各式芯片)。然而,如果没有良好的地基,盖出来的房子就会歪来歪去,不合所意,为了做出完美可用的房子,便需要一个平稳的基板。
    • 对芯片制造来说,这个基板就是晶圆。
  • 在固体材料中,有一种特殊的晶体结构──单晶(Monocrystalline),它具有原子一个接着一个紧密排列在一起的特性,可以形成一个平整的原子表层,同时与可与其它原子进行非常紧密的结合。因此,采用单晶做成晶圆,便可以满足作为基板的需求。
    • 硅是地壳中仅次于氧的第二丰富的元素(石头、沙子),半导体化学性质与物理性质稳定。
    • 脱氧后的沙子(尤其是石英)最多包含25%的硅元素,以二氧化硅(SiO2)的形式存在,因此用作半导体基础材料需要进一步提纯为硅晶体。硅晶体相对于硅就相当于是砖石相对于碳
    • 二氧化硅->经过冶金级纯化获得高纯度多晶硅->拉晶形成圆形晶柱(这也是为什么晶圆是圆的主要原因)->横向切成圆片->圆片抛光等步骤,最终生成硅晶圆(半导体硅)

2.2 IC芯片(集成电路芯片)

  • IC芯片
    • 将设计好的集成电路,经生产制造、封装测试等一系列操作后形成。
  • Die(学名)
    • 半导体元器件制造完成后,封装前的单个单元的裸片,Die经过封装后就成为一个IC。

2.3 半导体工艺制程

芯片(半导体)的工艺制程决定了单位面积上晶体管的数量,即工艺制程越先进,则在同样的面积中可以制造更多的晶体管,连接线也越细,精细度就越高,功耗也就越小(著名的摩尔定律)

当晶体管的尺寸缩小到一定程度(业内认为小于 10nm)时会产生量子效应,因此芯片的工艺制程已经越来越接近物理极限。

  • 晶体管的栅极的最小宽度(Gate栅长),就是XX nm制程中的数值。
  • 目前半导体工艺制程常用的有90nm、65nm、40nm、28nm、22nm、14nm、10nm、7nm等。
  • 中国“”,目前国产最先进制程工艺是14nm。
    • 中芯国际(smic)2019年下半年宣布14nm制程工艺的芯片已正式实现量产,2021年出货。
  • 当前量产在用的最先进工艺制程是台积电(TSMC)的7nm制程工艺。
    • 最新的Apple A12/华为麒麟980以及高通骁龙855等手机芯片都是基于7nm制程工艺。

2.4 芯片封装

  • 封装就是将IC芯片保护起来,最终形成芯片成品
    • IC芯片非常小且薄,如果不在外施加保护,会被轻易的刮伤损坏。此外,因为芯片的尺寸微小,如果不用一个较大尺寸的外壳,将不易以人工安置在电路板上。
  • 传统的芯片封装方法
    • DIP封装(Dual Inline Package),最早采用的 IC 封装技术,成本低廉的优势,适合小型且不需接太多线的芯片

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图2.3 DIP封装

    • 球格阵列(Ball Grid Array,BGA)封装,和 DIP 相比封装体积较小,可轻易的放入体积较小的装置中。

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图2.4 BGA封装

  • 新的芯片封装方法(高密度、封装整合的新阶段)
    • SiP(System In Packet)技术
      • SiP技术从封装的角度出发,对不同芯片进行并排或叠加的封装方式。通过购买各家的芯片晶圆,在最后一次封装这些 IC
      • 比如苹果Apple Watch S1中使用的S1芯片, 其采用 SiP 技术将整个系统架构封装成一颗芯片

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图2.5 SiP封装技术的典型应用代表——Apple Watch

    • SoC(System On Chip)技术
      • SoC技术是从设计的角度出发,将原本不同功能的 IP核(功能块),整合在一颗芯片中。芯片厂商根据市场需求,创建自己的芯片架构、自行增加各种片上外设,在一定程度上形成具有自主知识产权的芯片。
      • 典型的Soc芯片有骁龙835、苹果A12、华为麒麟980、联发科Helio P70、三星猎户座9810等

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图2.6 SoC芯片典型架构

2.5 IC行业的商业模式

    目前从半导体产业链分工方式来看,可基本分为三种商业模式:

  • IDM 模式( Integrated Design and Manufacture)
    • 即垂直整合制造模式
    • 是指企业除了进行集成电路研发之外,还拥有专属的晶圆、封装和测试工厂,其业务范围垂直涵盖了集成电路的各个环节,一个公司包办从设计、制造到销售的全部流程。
    • 典型代表有Intel、IBM、三星等
  • Fabless 模式
    • 即无晶圆生产线集成电路设计模式
    • 是指企业只从事集成电路设计和销售,其余环节分别委托给专业的晶圆代工厂(Foundry,典型代表有台积电、世界第二大晶圆制造商GlobalFoundries、三星等)、封装测试厂完成。
    • 典型代表有 NVIDIA、高通、苹果和华为
  • IP设计模式
    • IP设计模式上比Fabless 模式走得更远。IP核公司只负责设计电路,不负责制造、销售,不针对市场输出任何的芯片,而是向其他的供应商提供设计IP(指令集架构、微处理器、图形处理器…)和使用许可
    • 典型代表有ARM公司等

2.6 IC产品的业务模式

  • 芯片(成品
    • 比如LoRa芯片,Semtech公司在国内会通过代理渠道销售推广封装后的LoRa芯片
      • 目前此种方式代理商直接销售的主要是带有LoRa收发功能的无线模块产品,客户根据实际产品应用功能进一步定制开发。
  • 芯片晶圆
  • IP授权
    • IP核(Intellectual Property core
      • 知识产权核
      • 美国Dataquest咨询公司将半导体产业的IP定义为用于ASIC、ASSP和PLD等当中,并且是预先设计好的电路模块
    • IP授权(Intellectual Property,知识产权)
      • IC行业的一种商业模式,收取一次性技术授权费用和版税提成
      • 这种类似搭积木的开发模式,缩短了芯片开发的时间,提升了芯片的性能
      • 典型行业代表
        • ARM芯片架构的IP授权,ARM 公司是 IP 领域的绝对龙头
        • CEVA DSP架构的IP授权
  • 开源IP
    • 比如芬兰OpenCores

3 LPWAN芯片的领跑者-LoRa芯片

    下面重点了解下LPWAN领域的主角之一LoRa芯片。

3.1 LoRa的发展历程

LoRa原始技术起源于一家名为Cycleo的法国公司,Cycleo公司拥有长距离的半导体技术IP,即我们所熟知的LoRa技术前身。

  • 2007年8月,IEEE 802.15工作组采用CSS技术(2.4GHz DQPSK )与UWB技术(3-10GHz BPM/BPSK)作为IEEE 802.15.4a-2007修订版标准的物理层技术,其中CSS技术用于实现低速率无线广域网,UWB用于实现实时精准位置和感应网络(2019年9月,苹果公司最新发布iphone11内置UWB芯片,或许将带动新一轮UWB的应用风潮)
  • 2009年,法国公司Cycleo基于CSS调制技术实现一种优异的扩频通信系统——LoRa调制
  • 2012年3月,Semtech公司(高性能模拟和混合信号及高级算法的领先半导体供应商)宣布收购Cycleo公司,并入Semtech的射频产品线平台,在瑞士将LoRa技术芯片化。Semtech是芯片设计厂商(Fabless模式),LoRa晶圆在台积电生产,封装测试在马来西亚等东南亚国家完成。(LoRa的IP核归属地是在瑞士、法国)。
  • 2013年10月,Semtech发布第一代LoRa Transceiver芯片SX127x,在低速率下,具有极高的接收灵敏度。
    • -137dBm @ SF12 BW125,LoRa RX接收功耗为11.5mA@Rx boosted
    • TX发射功耗为120mA@20dBm
    • 相对空旷的室外环境下,SF12BW125实际通信距离可达6Km+
  • 2016年2月,Semtech推出基于LoRa调制的基带处理器芯片SX1301与 Multi-PHY 射频前端Transceiver芯片SX125x的LoRa网关参考设计平台。
    • 射频前端芯片SX125x负责多种LoRa物理层I/Q(In-phase / Quadrature,同相正交)数字信号与无线电模拟信号的转换。
    • 基带处理器SX1301负责对射频前端芯片SX125x的实时控制、LoRa调制与解调、数据包仲裁等。
  • 2016年11月,Semtech推出基于低成本LoRa调制的基带处理器芯片SX1308的Picocell网关参考设计平台。
    • 低成本的SX1308可用于对距离要求不是特别严格的室内应用等场景
  • 2017年上半年,Semtech发布基于2.4G的LoRa Transceiver芯片SX128x,在同等速率下,其接收性能同样大大优于传统2.4G (G)FSK芯片。2.4G频段具有更高的带宽,因此可拥有更高的速率,特别适用于低功耗远距离高速通信、室内定位等应用场景。
    • -108dBm @ SF7BW1625
    • LoRa RX接收功耗8.2mA@Rx & High Sensitivity & BW1625
    • TX发射功耗为24mA@12.5dBm。
    • 集成基于飞行时间(time of flight, ToF)的测距功能
  • 2018年1月,Semtech发布第二代LoRa Transceiver芯片SX126x,相比SX127x具有更优异的功耗、发射效率等特性,具体有以下显著提升:
    • 接收功耗减少~50%
      • LoRa RX接收功耗仅为5.3mA@DC-DC mode & Rx boosted
      • TX发射功耗为107mA@22dBm & LF
    • 覆盖范围提高20%
      • 最大支持+22 dBm发送功率
    • 封装尺寸减少45%,芯片制程工艺的优化,进一步提升能耗比
      • 4mm * 4mm
    • 单一芯片覆盖全球频段
      • 150-960MHz
    • 通过命令访问取代寄存访问方式,简化用户程序接口设计
    • 全新的扩频因子SF5,已支持密集网络应用场景
    • 可兼容已部署LoRaWAN网络的终端应用
  • 2019年上半年,Semtech发布了新一代基带处理器芯片SX1302
    • 可用于支持16个上行并发通道与2个下行通道、更优异的接收功耗、优化BOM成本、SF5SF6高速率等新特性。
    • 同时推出新的射频前端芯片SX1250,支持22dBm输出功率、更优异的接收功耗、噪声系数与BOM成本等
  • 2019年7月,Semtech发布面向智能家居的LoRa芯片LLCC68,将LoRa的市场应用范围从行业类低功耗广域网(LPWAN)扩展到智能家居、社区和消费者应用。
  • 未来,Semtech公司还计划发布融合GPS与LoRa的定位芯片、网关等芯片Costdown版本…

3.1.2 Semtech LoRa芯片产品图

LoRa芯片产品按照功能场景来分类,可大致分为Sub-GHz频段Tranceiver、2.4G频段Tranceiver、LoRa网关芯片组三大类。LoRa新一代产品通过内置DC-DC、PA等技术实现了更优异的功耗特性、发射特性等。

PS:下文LoRa产品信息主要来自Semtech官方网站 https://www.semtech.com/lora/lora-products.(截止至2019.10月)。

LoRa技术基础与应用(1) LPWAN领跑者LoRa芯片

图3.1 LoRa芯片系列产品

LoRa技术基础与应用(1) LPWAN领跑者LoRa芯片

图3.3 2.4G LoRa Transceiver产品

LoRa技术基础与应用(1) LPWAN领跑者LoRa芯片

图3.3 2.4G LoRa Transceiver产品

LoRa技术基础与应用(1) LPWAN领跑者LoRa芯片

图3.4 LoRa网关芯片产品

3.2 LoRa的多供应商格局

LoRa 技术专利所有权属于 Semtech 公司,近些年 LoRa 芯片是由Semtech独家供应。

2018年,Semtech进一步推进与扩展了LoRa芯片的业务模式,在一定程度上消除政府顾虑。除了传统的通过代理渠道销售与推广LoRa芯片(带封装),还通过销售LoRa晶圆、LoRa IP授权的方式,让客户根据自身的优势做差异化LoRa芯片,并自行销售与推广,进而改变从单一供应商转变为多供应商的格局,形成了多供应商的市场供应局面,共同做大市场,也因此缩小与NB-IoT等LPWAN技术在生态链上芯片供应商单一的劣势。

从目前市场上其他LoRa芯片供应商的最终产品形态来看,主要还是以系统级封装(SiP)产品为主。在需求多变、市场不明确的情况下, SiP 封装技术拥有了比 SoC 更短开发周期、更小投入成本与更多的产品特性,也满足了物联网产品小型化、功能多样化的发展需求。

3.2.1 第三方LoRa芯片产品简述

下面简单收集了部分LoRa芯片的第三方供应商产品。

3.2.1.2 群登科技股份有限公司

  • 群登科技股份有限公司,成立于2009年,致力于“先进通信SiP”(AcSiP = Advanced Communication System in Package)技术的开发与服务。通过封装技术(SiP)与系统微缩能力对BT、NFC、Zigbee、WiFi、GPS、2G、4G、LoRa等无线连接技术与MCU、Sensor等结合,快速实现了满足不同需求的产品组合。
    • http://www.acsip.com.tw/
  • LoRa晶圆产品

群登S76x与S78x系列集成了所有射频元器件(包括射频32M晶振、低频32.768K晶振)到一个芯片封装内,因此用户板上无需再进行射频前端设计,直接贴到目标板子就可以使用,部分LoRa产品形态如下:

LoRa技术基础与应用(1) LPWAN领跑者LoRa芯片

LoRa技术基础与应用(1) LPWAN领跑者LoRa芯片

3.2.1.3 Microchip Technology (微芯科技)

  • Microchip Technology Inc.是微控制器、模拟、FPGA、连接和电源管理半导体的领先供应商。
    • https://www.microchip.com/design-centers/wireless-connectivity/low-power-wide-area-networks/lora-technology/sam-r34-r35
    • LoRa晶圆产品

Microchiop LoRa产品形态如下: 

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LoRa技术基础与应用(1) LPWAN领跑者LoRa芯片

图3.6 Microchip LoRa SiP芯片

3.2.1.4 翱捷科技(上海)有限公司

  • 翱捷科技(上海)有限公司(ASR Microelectronics(Shanghai)Co., Ltd.)成立,致力于移动智能通讯终端、物联网、导航及其他消费类电子芯片的平台研发、方案提供、技术支持和服务等
    • http://www.asrmicro.com/asrweb/
  • LoRa晶圆产品、LoRa IP产品

LoRa技术基础与应用(1) LPWAN领跑者LoRa芯片

        LoRa技术基础与应用(1) LPWAN领跑者LoRa芯片

图3.7 ASR LoRa SiP芯片

3.2.1.5 ST(意法半导体)

  • ST意法半导体)是世界领先的提供半导体解决方案的公司,以业内最广泛的产品组合著称,意法半导体为不同电子应用领域的客户提供创新的智能驾驶和物联网半导体解决方案。凭借 STM32 完善的应用生态,2018 年 ST 开始向无线领域发力,物联网领域将会是 ST 非常重要的新产品方向。
    • https://www.stmicroelectronics.com.cn/zh/microcontrollers-microprocessors/stm32-wireless-mcus.html
  • LoRa IP产品

据悉,ST将在2020年度批量提供集成LoRa的SoC芯片STM32WL系列,极具差异化的技术优势。

3.2.1.6 更多行业公司

此外国内很多行业公司根据自身业务与发展需求推出了融合不同功能的LoRa芯片,比如腾讯云推出的LoRa物联网低成本安全芯片、深圳国民技术推出集合安全、BLE与LoRa的SiP芯片、升哲科技面向智能消防的LoRa芯片、柚石科技面向智能家居的LoRa芯片等等。

随着物联网市场的不断发展与需求多样化,未来也许会有更多公司加入到LoRa芯片供应商队伍中。

4 参考 & 推荐阅读

  • Semtech LoRa芯片产品
    • https://www.semtech.com/lora/lora-products.
  • Semtech LoRa transceivers芯片
    • https://www.semtech.com/products/wireless-rf/lora-transceivers
  • Semtech市场应用总监 《LoRa技术专栏 》视频课程——《第7期:LoRa硬件芯片、调制、测试》
    • https://h5.renrenjiang.cn/#/activity?aid=1595531&su=222018&code=021UtgPG0AkTic2VxqPG0DTyPG0UtgPT&state=appwx
  • 终于有人讲透了芯片是什么(设计-晶圆-封测)
    • https://www.cnblogs.com/shaobojiao/p/7908693.html

作者:绿森林雨景

本文授权转载自LPWANThings(ID: LPWANThings,二次转载或合作请联系 296894494@qq.com

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