最近,關于蘋果自研Wi-Fi和藍牙芯片的消息甚囂塵上,,先是傳出蘋果要棄用老牌供應商博通(Broadcom)的Wi-Fi和藍牙芯片,,后來又辟謠說,由于蘋果射頻芯片研發(fā)團隊的技術和人才積累不足,,短期內還無法擺脫對博通的依賴,。
無論如何,蘋果自研Wi-Fi和藍牙芯片已經不是秘密了,。從早期的手機應用處理器(AP),,也就是知名的A系列芯片,到后來的調制解調器(基帶芯片,,還在研發(fā)過程中,,未商用),近兩年,,蘋果又在手機模擬芯片,,特別是射頻方面加大了研發(fā)投入力度,以求在芯片和系統(tǒng)整合方面掌握更多主動權,,并提升智能手機的整體研發(fā)效率,。
不僅自研手機系統(tǒng)中各功能塊的芯片,蘋果很可能還在進行著這些芯片的集成研發(fā)工作,,也就是將AP,、基帶,、射頻前端(RFFE)芯片集成在一個SoC中。目前來看,,這樣的工作難度不小,,但如果能夠成功,則可以大幅提升手機系統(tǒng)集成度,,并降低功耗,,這樣,就可以在手機內部添加更多應用功能模塊,,給智能手機的發(fā)展提供更多的想象空間,。
實際上,將AP,、基帶,、射頻前端芯片集成在一起并不是蘋果的創(chuàng)意,業(yè)界已經有多家廠商在嘗試了,,典型代表是手機處理器大廠,,如高通和聯(lián)發(fā)科。
01
手機芯片集成度不斷提升
作為手機芯片的兩大組成部分,,處理器和射頻前端各自的集成度一直在提升,。
射頻前端主要包括濾波器、功率放大器(PA),、射頻開關(Switch/Tuner)和低噪聲放大器(LNA),。其中,濾波器和PA是射頻前端的兩大核心元件,,分別占市場價值的47%和32%,。
基帶芯片是用來合成即將發(fā)射的基帶信號,或對接收到的基帶信號進行解碼,,具體來講,,就是把音頻信號編譯成用來發(fā)射的基帶碼,或把收到的基帶碼解譯為音頻信號,?;鶐酒€負責地址信息(手機號、網站地址等),、文字信息,、圖片信息的編譯。手機支持的網絡制式則是由基帶芯片模式決定的,。
設計基帶芯片的技術門檻很高,,且研發(fā)周期長,這是因為它涉及多種網絡制式(不同國家和地區(qū),,3G/4G/5G的網絡制式標準不同)和協(xié)議標準,,基帶設計師團隊需要對這些標準和網絡制式非常了解,,并能夠將它們融會貫通,只有具備這樣的知識儲備和設計能力,,做出的基帶才能應對蜂窩網絡中各種復雜的標準和信息模式,,分門別類地進行處理??梢哉f,,在所有手機芯片中,基帶的設計難度是最高的,,這也是蘋果大力投入人力物力研發(fā)基帶芯片多年,,但一直沒有能夠實現商用的原因所在。
射頻前端的集成
早些年,,射頻前端的四大組成部分都是完全分立的,,隨著技術的進步和市場應用的發(fā)展,集成度不斷提升,,現在都可以集成在一個模組里邊,,且模組的集成度和小型化水平還在不斷提升。
還有一點很重要,,手機中的射頻前端包括多個功能塊,,有的負責蜂窩移動通信(3G/4G/5G)、有的負責WiFi,、藍牙,、GPS等通信,每個功能塊都是獨立的,,需要不同的濾波器,、PA、射頻開關等芯片,,這對集成度的要求更高了,集成難度也在增加,。
當下,,手機廠商之間的競爭越來越激烈,除了蘋果,,利潤率都不高,,這樣,在成本和性能之間進行權衡就成為了一件很重要的事情,,而射頻前端的模組化程度與機型定價相關,,中高端手機的集成度就高,而中低端機型受限于成本,,模組化程度不高,。
以上討論的是在Sub-6GHz頻段內,,這是全球大多數5G網絡采用的頻段。而在美國和日韓一些地區(qū),,還采用了更高頻率的毫米波頻段,,這種蜂窩網絡制式的手機,對射頻前端集成度的要求更高,,除了濾波器,、PA、射頻開關和LNA,,還把天線集成進了射頻前端,,這就需要用到AiP(Antenna in Package)封裝工藝。AiP很好地兼顧了天線性能,、成本和體積,,與分立式天線架構相比,AiP具有電路排布面積小的優(yōu)勢,,另外,,天線到射頻端口傳輸路徑短,減少了信號傳輸損耗,,有助于提升發(fā)射端效能并可改善接收端的信號質量,,也能降低組裝成本。
通常情況下,,毫米波AiP模組內集成了陣列天線,、射頻前端、射頻收發(fā)器和電源管理芯片,,幾乎涵蓋了除基帶芯片以外的所有通信元件,。
基帶與應用處理器的集成
基帶芯片是手機處理器之一,隨著智能手機的興起,,只有基帶是不夠的,,需要應用處理器去處理越來越多的多媒體信息(視頻、圖片,、音樂,、游戲等)。以前,,基帶和應用處理器多為分立結構,,近些年,隨著制程工藝水平的進步,,以及應用對集成度要求的提升(高集成度可實現高傳輸效率,,低成本,簡化手機電路設計),,越來越多的廠商將基帶和應用處理器集成為一個SoC,,并占據了市場的主流,,代表企業(yè)是高通、聯(lián)發(fā)科,、華為,、三星和紫光展銳。當然,,這種SoC不止包含基帶和應用處理器,,還有其它功能組件,甚至相關的電源管理電路也集成進去了,。
基帶與射頻芯片的集成
如前文所述,,基帶芯片廠商正在向射頻前端、天線領域延伸,,目標是提供一體化通信解決方案,,以提升集成度,降低功耗,,并為手機應用發(fā)展提供更多的想象空間,。
傳統(tǒng)射頻前端芯片廠商,如Skyworks,、Qorvo,、Broadcom、Murata等主要聚焦在Sub 6GHz市場,,與它們相比,,基帶芯片廠商在毫米波AiP模組方面具備優(yōu)勢,具體表現在:一,、由于毫米波極易衰減,,毫米波AiP模組對廠商的綜合射頻設計能力提出了更高要求,基帶與AiP模組在設計上的適配,,可以提升毫米波通信效率,;二、AiP模組內集成了收發(fā)器,,而基帶廠商擅長設計收發(fā)器,,因為收發(fā)器與基帶緊密相關;三,、毫米波射頻前端芯片工藝差異較大,傳統(tǒng)射頻廠商積累的優(yōu)勢有所削弱,。
設計和制程工藝壁壘
射頻前端屬于模擬器件,,在設計過程中涉及大量know-h(huán)ow,不同頻段的芯片需要大量時間進行研發(fā)和調試,,另外,,射頻前端芯片種類繁多,,不同器件之間差異很大,比如濾波器分為SAW,、BAW,、LTCC濾波器等。
射頻前端電路設計很復雜,,還需要考慮載波聚合,、MIMO、多頻PA等因素的影響,。
要讓射頻前端芯片具備良好的性能,,就需要設計與工藝緊密結合,設計師對工藝的深刻理解至關重要,。射頻前端芯片采用特殊制造工藝,,如GaAs、SOI,、表面聲波,、體聲波等,工藝壁壘較高,,PA多采用GaAs,、CMOS工藝,開關采用SOI工藝,,這些芯片的晶圓代工比較成熟,,只要與下游代工廠維護好關系以保持產能供應就可以,但對于濾波器來說,,主要采用SAW,、BAW特殊工藝,市場上沒有理想的代工廠,,相關廠商都是IDM,。
射頻前端芯片涉及工藝如此復雜,要將基帶和射頻芯片集成在一起(也就是將數字芯片和模擬芯片集成在一起),,難度可想而知,。
02
廠商動作
雖然難度很高,但迫于應用發(fā)展對集成度提出越來越高的要求,,各大手機處理器廠商都在將基帶,、AP和射頻前端集成在一起方面努力嘗試著。
過去這些年,,高通,、聯(lián)發(fā)科等廠商紛紛布局射頻前端業(yè)務,例如:高通于2014年收購了CMOS制程工藝PA廠商Black Sand,2016年與TDK成立了合資公司RF360,,拓展射頻前端產品,;聯(lián)發(fā)科于2019年增資當時中國大陸最大的PA公司唯捷創(chuàng)芯;展訊在2016年與射頻前端公司銳迪科合并,,并改名為紫光展銳,。
2019年2月,高通在發(fā)布其第二代5G基帶芯片驍龍X55的同時,,還推出了一套完整的5G射頻前端解決方案,,其中包括與驍龍X55配合的QTM525毫米波天線模組、全球首款5G包絡追蹤解決方案QET6100,、集成式5G/4G功率放大器和分集模組系列,,以及QAT3555 5G自適應天線調諧解決方案。
毫米波AiP方面,,目前,,該市場主要被高通占據,三星,、聯(lián)發(fā)科,、紫光展銳、蘋果等廠商緊隨其后,,預計未來份額將逐漸提升,。從毫米波AiP市場發(fā)展情況來看,預估未來將被基帶芯片廠商壟斷,。
03
結語
為了提升手機芯片集成度,,掌控差異化競爭優(yōu)勢,無論是處理器廠商,,還是射頻芯片廠商,,都在各自領域努力提升產品競爭力。在此基礎上,,手機處理器廠商還想更上一層樓,,欲將基帶和射頻前端芯片集成在一起。
從目前的發(fā)展情況來看,,基帶+射頻芯片的SoC方案實現起來非常困難,,尚無商用案例。因為這里邊涉及到太過復雜的數字和模擬芯片設計和制程工藝問題,。高通,、聯(lián)發(fā)科等頭部手機處理器企業(yè)仍處于基帶+射頻前端芯片模組化發(fā)展階段,距離集成為SoC還有較長的路要走,。而作為后來者的蘋果,,雖然其A系列應用處理器在市場取得巨大成功,但自研基帶芯片困難重重,預估最快也要到2026年才能商用,,到那時,要想將Wi-Fi,、藍牙等射頻功能集成進去,,難度很大。
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