從Skyworks說(shuō)起

Skyworks是半導(dǎo)體業(yè)內(nèi)射頻元器件巨頭。近來(lái)，隨著全球手機(jī)制式從3G逐漸轉(zhuǎn)換到4G，Skyworks的業(yè)務(wù)在不斷變強(qiáng)，營(yíng)收和利潤(rùn)則不斷增加。Skyworks的凈收入在2015財(cái)年達(dá)到了32億美金之后在2016財(cái)年保持高位，而毛利潤(rùn)率則在不斷攀升，2016財(cái)年達(dá)到了51％。

Skyworks的增長(zhǎng)和中國(guó)市場(chǎng)密不可分。在之前《最依賴中國(guó)市場(chǎng)的十家美國(guó)半導(dǎo)體公司》一文中，我們指出Skyworks是最依賴中國(guó)市場(chǎng)的美國(guó)半導(dǎo)體公司，在2015年中國(guó)市場(chǎng)收入占其總收入竟達(dá)到了84％。

在2016年，Skyworks在中國(guó)的收入繼續(xù)增長(zhǎng)。Skyworks在2016財(cái)年第四季度財(cái)報(bào)中表示，它在中國(guó)進(jìn)入了華為，Oppo和Vivo等出貨量排名前茅的手機(jī)的供應(yīng)鏈，由此獲得了顯著的利潤(rùn)，并且將在未來(lái)把注意力集中在滿足中國(guó)前五手機(jī)廠商的需求。

Skyworks的中國(guó)市場(chǎng)究竟是什么

Skyworks在中國(guó)的主要收入究竟來(lái)自哪里？請(qǐng)看其官方網(wǎng)站上的圖片：

這是一張華為榮耀手機(jī)的拆解圖，其中Skyworks的模塊在圖中都已標(biāo)出。從圖中可見(jiàn)，華為手機(jī)中使用的Skyworks模塊主要是射頻前端模組（FEM），包括天線調(diào)諧器（Antenna Tuner），射頻開(kāi)關(guān)（SKY13xxx系列），PA模組以及SkyOne系列集成化FEM。這些FEM在一部手機(jī)中的價(jià)值達(dá)到了8美元以上，即每賣(mài)出一臺(tái)這樣的手機(jī)Skyworks就可以獲得8美元的收入。在中國(guó)，Skyworks打入了華為，Oppo和Vivo這些手機(jī)巨頭的供應(yīng)鏈，它的FEM業(yè)務(wù)也跟著這些手機(jī)巨大的年出貨量（三巨頭每一家2016年的年出貨量都可望超越7000萬(wàn)臺(tái)）而賺得缽滿盆滿。

什么是射頻前端模塊

隨著CMOS RFIC的普及，越來(lái)越多的模塊從分立器件轉(zhuǎn)到了集成電路上。然而，有一些器件由于各種各樣的原因，目前還無(wú)法集成到傳統(tǒng)CMOS RFIC上。這些無(wú)法集成到RFIC上的射頻器件通常稱為射頻前端模塊（RF Frontend Module， RF FEM）。一個(gè)完整的商用射頻系統(tǒng)包括使用CMOS工藝實(shí)現(xiàn)的基帶Modem，RFIC收發(fā)機(jī)，以及由非傳統(tǒng)CMOS工藝實(shí)現(xiàn)的FEM。FEM離基帶較遠(yuǎn)而離天線較近，這也是FEM器件被稱為“前端”的原因。一個(gè)典型的包含F(xiàn)EM以及RFIC／Modem的射頻系統(tǒng)架構(gòu)圖如下圖所示。

一個(gè)典型的包含F(xiàn)EM以及RFIC／Modem的射頻系統(tǒng)架構(gòu)圖

典型的FEM包含如下器件：

1． 天線相關(guān)的器件：天線調(diào)諧器（Antenna Tuner）與天線開(kāi)關(guān)（Antenna Switch）。由于現(xiàn)代射頻系統(tǒng)（如手機(jī)的射頻系統(tǒng)）通常要覆蓋多個(gè)頻帶（2G的GSM 900MHz，PCS／DCS 1．7／1．8GHz，3G的2．1GHz，4G TD－LTE的2．6GHz等等），而每個(gè)天線的頻率覆蓋范圍都有限，因此必須使用多組天線來(lái)覆蓋全部頻率，這樣就需要天線開(kāi)關(guān)來(lái)控制在不同的應(yīng)用時(shí)切換到不同的天線。同時(shí)，即使在使用同一組天線時(shí)，對(duì)于覆蓋頻帶范圍內(nèi)的不同信道頻率，天線的特征阻抗也會(huì)發(fā)生一些變化。為了保證最大功率傳輸，一般會(huì)要求特征阻抗保持在50 Ohm ，這時(shí)候就需要天線調(diào)諧器幫忙來(lái)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。對(duì)于天線開(kāi)關(guān)，當(dāng)與發(fā)射機(jī)配合使用時(shí)必須保證足夠的線性度（發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率可達(dá)30 dBm），而與接收機(jī)配合使用時(shí)必須保證足夠小的衰減，而這些要求一般CMOS工藝很難實(shí)現(xiàn)，因此必須使用非CMOS工藝。

2． 多路器（diplexer）與收／發(fā)開(kāi)關(guān)（T／R Switch）。多路器和收／發(fā)開(kāi)關(guān)的目的都是實(shí)現(xiàn)收發(fā)機(jī)與天線信號(hào)之間的定向傳播。多路器通常用于頻分多路（FDM）系統(tǒng)，其中接收機(jī)和發(fā)射機(jī)的載波頻率不同，但是可以同時(shí)工作。多路器可以將發(fā)射機(jī)信號(hào)耦合到天線，或者將天線信號(hào)耦合到接收機(jī)，并且將發(fā)射機(jī)信號(hào)與接收機(jī)進(jìn)行隔離以避免接收機(jī)鏈路被發(fā)射機(jī)干擾。收／發(fā)開(kāi)關(guān)則是用于時(shí)分多路（TDM）系統(tǒng)，其中在同一時(shí)刻接收機(jī)和發(fā)射機(jī)只會(huì)有一個(gè)在工作，因此需要把接收機(jī)或者發(fā)射機(jī)其中的一個(gè)接到天線。多路器與收／發(fā)開(kāi)關(guān)都必須滿足很高的隔離度與很低得衰減，因此無(wú)法用傳統(tǒng)CMOS工藝實(shí)現(xiàn)。

3． 濾波器。濾波器必須能夠?qū)崿F(xiàn)非常陡峭的頻率響應(yīng)曲線，這樣才能把頻帶外信號(hào)衰減到足夠小，同時(shí)噪聲和插入損耗必須足夠小。濾波器所需的品質(zhì)因數(shù)（Q）非常高，目前主流的實(shí)現(xiàn)方案是SAW（表面聲波濾波器）與BAW（體聲波濾波器）。

4．功率放大器（PA）。功率放大器是射頻系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊，它需要把發(fā)射機(jī)的信號(hào)功率放大到足夠大（如20dBm），才能滿足通訊協(xié)議的要求。隨著無(wú)線通訊協(xié)議的發(fā)展，數(shù)據(jù)率越來(lái)越高，同時(shí)無(wú)線調(diào)制方式也越來(lái)越復(fù)雜，這導(dǎo)致了功率放大器的線性度必須足夠好才能滿足協(xié)議的需求。另一方面，功率放大器的放大效率也不能太差，否則在放大信號(hào)的同時(shí)會(huì)消耗太多電池電量，導(dǎo)致手機(jī)一會(huì)兒就沒(méi)電了。CMOS工藝目前還無(wú)法實(shí)現(xiàn)同時(shí)滿足線性度和放大效率的功率放大器，因此必須使用其他工藝（如GaAs）來(lái)做功率放大器。

5．低噪聲放大器（LNA）。低噪聲放大器是接收機(jī)的關(guān)鍵模塊，決定了整個(gè)接收機(jī)的靈敏度。低噪聲放大器必須在噪聲系數(shù)很低的同時(shí)滿足線性度的需求。目前在中低端射頻系統(tǒng)中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)將LNA完全集成到RFIC上，但是在高端射頻系統(tǒng)（例如在iPhone的一些型號(hào)中）還是使用了片外LNA模組以滿足系統(tǒng)對(duì)于性能的需求。

射頻前端模塊的趨勢(shì)

射頻前端模塊發(fā)展的總體趨勢(shì)是，手機(jī)中FEM越來(lái)越重要，F(xiàn)EM在手機(jī)中所占的成本越來(lái)越高，而各大廠商在嘗試各種新的技術(shù)以獲取更多利潤(rùn)。

隨著4G日漸成熟，5G離我們?cè)絹?lái)越近，射頻系統(tǒng)也需要做出相應(yīng)變化。我們首先來(lái)看一下通信協(xié)議變化的趨勢(shì)。由上圖可見(jiàn)，手機(jī)通信協(xié)議從2G到5G的主要變化是信道帶寬不斷在變大，從2G時(shí)代的200KHz，3G時(shí)代的5MHz，到4G時(shí)代的100MHz。

到了5G時(shí)代，信道帶寬可望進(jìn)一步變寬，甚至可能接近1GHz。為了實(shí)現(xiàn)越來(lái)越寬的帶寬需求，可以有兩種方法。其一是使用更多的載波聚合技術(shù)。載波聚合技術(shù)是指使用多個(gè)不相鄰的載波頻段，每個(gè)頻段各承載一部分的帶寬，這樣總帶寬就是多個(gè)載波帶寬之和。目前載波聚合技術(shù)在4G已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，例如如果要做4G LTE Band 40（2350MHz）和Band 41（2550MHz）的兩路載波聚合，可以在Band 40和41各使用18MHz帶寬，這樣總帶寬就是36MHz。

在5G為了實(shí)現(xiàn)高帶寬，載波聚合技術(shù)的路數(shù)必須上升。這也意味著5G時(shí)的頻帶數(shù)量也會(huì)上升以滿足載波聚合的需求。第二個(gè)提高帶寬的方法就是把載波頻率移動(dòng)到毫米波范圍（例如28GHz），而毫米波頻段載波可以提供非常高的帶寬。毫米波頻率的載波可望在5G時(shí)被引入。

對(duì)于FEM來(lái)說(shuō)，目前的趨勢(shì)是一個(gè)手機(jī)終端需要的FEM器件數(shù)量在快速上升。首先，為了實(shí)現(xiàn)向后兼容，目前的4G手機(jī)上還是會(huì)需要2G－3G所需的FEM。而4G時(shí)的頻帶數(shù)量大大增多，需要更多的FEM以覆蓋這些頻段。

目前，支持4G標(biāo)準(zhǔn)手機(jī)的數(shù)量正在快速上升。2012 年 2G／3G／4G移動(dòng)通訊手持終端出貨量占比分別約為 44．7％、48．5％、6．8％；2014年分別為 17．1％、51．7％、31．2％； 2018 年預(yù)計(jì)為 6．2％、 19．1％和 74．7％。 4G 手持終端出貨量和市場(chǎng)占比逐年增加，由 2011 年 2100 萬(wàn)臺(tái)迅速增長(zhǎng)至 2015 年的 9．67 億臺(tái)，預(yù)計(jì) 2018 年可達(dá) 19．8 億臺(tái)， 2011年至 2018 年復(fù)合增速高達(dá) 91．45％。隨著4G的快速普及，F(xiàn)EM模組的總出貨量也在節(jié)節(jié)攀升。

另外，4G載波聚合需要收發(fā)機(jī)同時(shí)工作在多個(gè)頻段，因此也需要多個(gè)FEM同時(shí)工作在不同頻段。到了5G時(shí)，需要覆蓋的頻帶數(shù)預(yù)期會(huì)大大增加，載波聚合需要的路數(shù)也會(huì)上升不少，所以FEM器件數(shù)量在5G時(shí)還會(huì)繼續(xù)快速上升。以PA模組為例，4G多模多頻終端單機(jī)所需的 PA 芯片增至 5－7 顆。而且，隨著通信制式的愈加復(fù)雜，對(duì)PA的性能需求也在逐漸攀升，從而PA在手機(jī)中站的成本也越來(lái)越高。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示， 2G 時(shí)代手機(jī)單機(jī) PA 芯片成本僅 0．3 美元／部， 3G 手機(jī)則提升至約 1．25 美元／部，而 4G 時(shí)代則增至 2 美元～3．25 美元／部，高端手機(jī)成本甚至更高，僅iPhone6 射頻部分就使用了 6 顆 PA 芯片。而Strategy Analytics 預(yù)測(cè) 5G 單機(jī)需 16顆 PA，這意味著5G時(shí)PA在手機(jī)成本中所占比例也會(huì)逐漸升高。

最后，5G的一個(gè)標(biāo)志性技術(shù)是大規(guī)模MIMO。大規(guī)模MIMO需要多個(gè)天線組成的天線陣列同時(shí)工作以提高信道容量，這樣可以大大提升數(shù)據(jù)傳輸率。為了實(shí)現(xiàn)大規(guī)模MIMO，射頻系統(tǒng)必須有多組天線同時(shí)工作，因此相應(yīng)的FEM數(shù)量需求也會(huì)增加。最后，為了能覆蓋毫米波范圍的載波，也需要相應(yīng)的FEM，這也給FEM設(shè)計(jì)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

隨著手機(jī)終端需要的FEM數(shù)量上升，F(xiàn)EM在手機(jī)成本的比重也越加上升，越來(lái)越多的廠商也在紛紛加大在FEM方面的投入。例如，早些時(shí)候RFIC巨頭高通和FEM大廠TDK合資成立了RF 360，這樣高通就有了能提供從基帶Modem SoC，RFIC到FEM完整解決方案的能力。因此，F(xiàn)EM的技術(shù)發(fā)展速度也會(huì)隨著廠商的投入而加快。

目前FEM的技術(shù)發(fā)展方向主要包括如何使用新工藝以及如何增加集成度。

砷化鎵一直以來(lái)都是功放，天線開(kāi)關(guān)以及低噪聲放大器等FEM的傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工藝。然而，隨著技術(shù)的發(fā)展，成本較低的RF SOI工藝在天線開(kāi)關(guān)，低噪聲放大器等模塊中逐漸取代了砷化鎵工藝。在天線開(kāi)關(guān)和天線調(diào)諧器中，RF MEMS也有機(jī)會(huì)進(jìn)一步取代RF SOI成為新的主流。對(duì)于濾波器和多路器來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的SAW正在被BAW慢慢取代。

另一方面，F(xiàn)EM的集成度也越來(lái)越高。當(dāng)手機(jī)需要越來(lái)越多的FEM器件時(shí)，F(xiàn)EM必須增加集成度以把整個(gè)射頻系統(tǒng)的實(shí)際尺寸控制在合適的范圍內(nèi)。目前，已經(jīng)有一些廠商在研發(fā)把低噪聲放大器和開(kāi)關(guān)模組集成在一起的方案，例如Skyworks的SkyOne模組（集成了PA，開(kāi)關(guān)，多路器在同一模組上，如下圖所示）。未來(lái)隨著RF SOI和RF MEMS工藝的進(jìn)一步普及，我們可望看到集成度更高的FEM。

中國(guó)的機(jī)會(huì)

目前，中國(guó)在 FEM領(lǐng)域發(fā)展落后國(guó)際水平不少，僅僅紫光展銳，漢天下等發(fā)布了以PA為主的一些FEM產(chǎn)品，在中高端市場(chǎng)還無(wú)法與國(guó)外巨頭競(jìng)爭(zhēng)。然而，從另一個(gè)角度來(lái)看，發(fā)展還屬初步也意味著發(fā)展?jié)摿薮?。隨著中國(guó)加大對(duì)于半導(dǎo)體行業(yè)的投入，中國(guó)FEM的發(fā)展也會(huì)步入快車道。

首先，我們要看到中國(guó)公司并非沒(méi)有技術(shù)實(shí)力和決心做好FEM。例如，在成熟的2G PA領(lǐng)域，漢天下和展銳都有很好的市場(chǎng)份額。

不過(guò)，F(xiàn)EM并不是一個(gè)孤立的領(lǐng)域，而是和上下游發(fā)展有關(guān)。在2G和3G時(shí)代，通信協(xié)議和收發(fā)機(jī)SoC的核心技術(shù)都是由國(guó)外巨頭（如2G時(shí)代的諾基亞，摩托羅拉，3G時(shí)代的高通）首先研發(fā)，中國(guó)廠商的角色以追隨為主，F(xiàn)EM的研發(fā)也是如此，必須先花許多時(shí)間填補(bǔ)技術(shù)空白。

在4G時(shí)代，華為等中國(guó)廠商崛起，到了5G時(shí)代，相信中國(guó)在通信協(xié)議方面會(huì)有更多話語(yǔ)權(quán)（例如之前華為提出的Polar碼標(biāo)準(zhǔn)就獲得了國(guó)際肯定），而在收發(fā)機(jī)SoC的核心技術(shù)上也能不再落后。相應(yīng)地隨著FEM領(lǐng)域各大公司有了自己的技術(shù)積累，也能占據(jù)客觀的市場(chǎng)份額。

如果把Skyworks在中國(guó)的市場(chǎng)收入（20億美金）搶下一半，就可以有10億美金的客觀收入。而且在5G時(shí)代隨著FEM的重要性上升，這個(gè)數(shù)字或許會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于10億。

其次，F(xiàn)EM目前是IDM模式最成功的領(lǐng)域。就在其它半導(dǎo)體芯片市場(chǎng)（如處理器，SoC等等）Fabless占據(jù)大半江山的時(shí)候，在FEM市場(chǎng)仍然是IDM獨(dú)大，這是因?yàn)镕EM設(shè)計(jì)需要仔細(xì)結(jié)合器件制造工藝，有時(shí)候甚至?xí)榱嗽O(shè)計(jì)而調(diào)整工藝。

目前FEM領(lǐng)域的巨頭Skyworks， Qorvo等都有自己的生產(chǎn)線。目前，半導(dǎo)體制造工藝已經(jīng)成為限制國(guó)產(chǎn)FEM發(fā)展的重要因素。然而，隨著半導(dǎo)體大基金的持續(xù)投入，中國(guó)半導(dǎo)體制造技術(shù)可望獲得長(zhǎng)足進(jìn)展，這也會(huì)成為國(guó)產(chǎn)FEM的一個(gè)利好因素。

而且，目前許多FEM模組都在轉(zhuǎn)向RF SoI，該制造工藝相對(duì)砷化鎵等FEM的傳統(tǒng)制造工藝而言良率更高，成本更低，而且也更適合Fabless模式。我們預(yù)期在未來(lái)，會(huì)有不少中國(guó)FEM Fabless隨著RF SoI的普及而崛起。