從Skyworks說起

Skyworks是半導(dǎo)體業(yè)內(nèi)射頻元器件巨頭,。近來,，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),，營收和利潤則不斷增加,。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,，而毛利潤率則在不斷攀升，2016財(cái)年達(dá)到了51％,。

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

在2016年，Skyworks在中國的收入繼續(xù)增長,。Skyworks在2016財(cái)年第四季度財(cái)報(bào)中表示,，它在中國進(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,，并且將在未來把注意力集中在滿足中國前五手機(jī)廠商的需求。

Skyworks的中國市場究竟是什么

Skyworks在中國的主要收入究竟來自哪里,？請看其官方網(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,，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，即每賣出一臺這樣的手機(jī)Skyworks就可以獲得8美元的收入,。在中國,，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7000萬臺）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,，目前還無法集成到傳統(tǒng)CMOS RFIC上。這些無法集成到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）,，而每個天線的頻率覆蓋范圍都有限,，因此必須使用多組天線來覆蓋全部頻率，這樣就需要天線開關(guān)來控制在不同的應(yīng)用時切換到不同的天線,。同時,，即使在使用同一組天線時，對于覆蓋頻帶范圍內(nèi)的不同信道頻率,，天線的特征阻抗也會發(fā)生一些變化,。為了保證最大功率傳輸，一般會要求特征阻抗保持在50 Ohm ,，這時候就需要天線調(diào)諧器幫忙來實(shí)現(xiàn)阻抗匹配,。對于天線開關(guān),，當(dāng)與發(fā)射機(jī)配合使用時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)開關(guān)（T／R Switch）。多路器和收／發(fā)開關(guān)的目的都是實(shí)現(xiàn)收發(fā)機(jī)與天線信號之間的定向傳播,。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,，但是可以同時工作。多路器可以將發(fā)射機(jī)信號耦合到天線,，或者將天線信號耦合到接收機(jī),，并且將發(fā)射機(jī)信號與接收機(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)開關(guān)則是用于時分多路（TDM）系統(tǒng),，其中在同一時刻接收機(jī)和發(fā)射機(jī)只會有一個在工作,，因此需要把接收機(jī)或者發(fā)射機(jī)其中的一個接到天線。多路器與收／發(fā)開關(guān)都必須滿足很高的隔離度與很低得衰減,，因此無法用傳統(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衰減到足夠小,，同時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。隨著無線通訊協(xié)議的發(fā)展,，數(shù)據(jù)率越來越高,，同時無線調(diào)制方式也越來越復(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，否則在放大信號的同時會消耗太多電池電量,，導(dǎo)致手機(jī)一會兒就沒電了,。CMOS工藝目前還無法實(shí)現(xiàn)同時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的一些型號中）還是使用了片外LNA模組以滿足系統(tǒng)對于性能的需求,。

射頻前端模塊的趨勢

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

隨著4G日漸成熟,，5G離我們越來越近，射頻系統(tǒng)也需要做出相應(yīng)變化,。我們首先來看一下通信協(xié)議變化的趨勢,。由上圖可見，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時代的200KHz,，3G時代的5MHz，到4G時代的100MHz,。

到了5G時代,，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)是指使用多個不相鄰的載波頻段,，每個頻段各承載一部分的帶寬，這樣總帶寬就是多個載波帶寬之和,。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時的頻帶數(shù)量也會上升以滿足載波聚合的需求,。第二個提高帶寬的方法就是把載波頻率移動到毫米波范圍（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時被引入,。

對于FEM來說，目前的趨勢是一個手機(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)上還是會需要2G－3G所需的FEM,。而4G時的頻帶數(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占比逐年增加,，由 2011 年 2100 萬臺迅速增長至 2015 年的 9．67 億臺，預(yù)計(jì) 2018 年可達(dá) 19．8 億臺,， 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)同時工作在多個頻段，因此也需要多個FEM同時工作在不同頻段,。到了5G時,，需要覆蓋的頻帶數(shù)預(yù)期會大大增加，載波聚合需要的路數(shù)也會上升不少,，所以FEM器件數(shù)量在5G時還會繼續(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)中站的成本也越來越高,。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示， 2G 時代手機(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 5G 單機(jī)需 16顆 PA，這意味著5G時PA在手機(jī)成本中所占比例也會逐漸升高,。

最后,，5G的一個標(biāo)志性技術(shù)是大規(guī)模MIMO。大規(guī)模MIMO需要多個天線組成的天線陣列同時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工作，因此相應(yīng)的FEM數(shù)量需求也會增加,。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,，越來越多的廠商也在紛紛加大在FEM方面的投入,。例如，早些時候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。

砷化鎵一直以來都是功放,，天線開關(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。在天線開關(guān)和天線調(diào)諧器中,，RF MEMS也有機(jī)會進(jìn)一步取代RF SOI成為新的主流,。對于濾波器和多路器來說，傳統(tǒng)的SAW正在被BAW慢慢取代,。

另一方面,，F(xiàn)EM的集成度也越來越高。當(dāng)手機(jī)需要越來越多的FEM器件時,，F(xiàn)EM必須增加集成度以把整個射頻系統(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關(guān)模組集成在一起的方案,，例如Skyworks的SkyOne模組（集成了PA,，開關(guān)，多路器在同一模組上,，如下圖所示）,。未來隨著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,。

中國的機(jī)會

目前,，中國在 FEM領(lǐng)域發(fā)展落后國際水平不少,，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,，在中高端市場還無法與國外巨頭競爭,。然而，從另一個角度來看,，發(fā)展還屬初步也意味著發(fā)展?jié)摿薮?。隨著中國加大對于半導(dǎo)體行業(yè)的投入,，中國FEM的發(fā)展也會步入快車道,。

首先，我們要看到中國公司并非沒有技術(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份額,。

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

在4G時代，華為等中國廠商崛起,，到了5G時代,，相信中國在通信協(xié)議方面會有更多話語權(quán)（例如之前華為提出的Polar碼標(biāo)準(zhǔn)就獲得了國際肯定），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)客觀的市場份額。

如果把Skyworks在中國的市場收入（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時代隨著FEM的重要性上升，這個數(shù)字或許會遠(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（如處理器,，SoC等等）Fabless占據(jù)大半江山的時候,，在FEM市場仍然是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,，中國半導(dǎo)體制造技術(shù)可望獲得長足進(jìn)展,，這也會成為國產(chǎn)FEM的一個利好因素。

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，會有不少中國FEM Fabless隨著RF SoI的普及而崛起,。