從Skyworks說起

Skyworks是半導(dǎo)體業(yè)內(nèi)射頻元器件巨頭。近來，隨著全球手機制式從3G逐漸轉(zhuǎn)換到4G，Skyworks的業(yè)務(wù)在不斷變強，營收和利潤則不斷增加。Skyworks的凈收入在2015財年達到了32億美金之后在2016財年保持高位，而毛利潤率則在不斷攀升，2016財年達到了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到了84％。

在2016年，Skyworks在中國的收入繼續(xù)增長。Skyworks在2016財年第四季度財報中表示，它在中國進入了華為，Oppo和Vivo等出貨量排名前茅的手機的供應(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在一部手機中的價值達到了8美元以上，即每賣出一臺這樣的手機Skyworks就可以獲得8美元的收入。在中國，Skyworks打入了華為，Oppo和Vivo這些手機巨頭的供應(yīng)鏈，它的FEM業(yè)務(wù)也跟著這些手機巨大的年出貨量（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工藝實現(xiàn)的基帶Modem，RFIC收發(fā)機，以及由非傳統(tǒng)CMOS工藝實現(xiàn)的FEM。FEM離基帶較遠而離天線較近，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)諧器幫忙來實現(xiàn)阻抗匹配。對于天線開關(guān)，當(dāng)與發(fā)射機配合使用時必須保證足夠的線性度（發(fā)射機的發(fā)射功率可達30 dBm），而與接收機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)的目的都是實現(xiàn)收發(fā)機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)，其中接收機和發(fā)射機的載波頻率不同，但是可以同時工作。多路器可以將發(fā)射機信號耦合到天線，或者將天線信號耦合到接收機，并且將發(fā)射機信號與接收機進行隔離以避免接收機鏈路被發(fā)射機干擾。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和發(fā)射機只會有一個在工作，因此需要把接收機或者發(fā)射機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)致手機一會兒就沒電了。CMOS工藝目前還無法實現(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的關(guān)鍵模塊，決定了整個接收機的靈敏度。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，手機中FEM越來越重要，F(xiàn)EM在手機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，信道帶寬可望進一步變寬，甚至可能接近1GHz。為了實現(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終端需要的FEM器件數(shù)量在快速上升。首先，為了實現(xiàn)向后兼容，目前的4G手機上還是會需要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 2018 年可達 19．8 億臺， 2011年至 2018 年復(fù)合增速高達 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在手機中站的成本也越來越高。

統(tǒng)計結(jié)果顯示， 2G 時代手機單機 PA 芯片成本僅 0．3 美元／部， 3G 手機則提升至約 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 單機需 16顆 PA，這意味著5G時PA在手機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)計帶來了挑戰(zhàn)。

隨著手機終端需要的FEM數(shù)量上升，F(xiàn)EM在手機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也有機會進一步取代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工藝的進一步普及，我們可望看到集成度更高的FEM。

中國的機會

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薮蟆ｋS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)字或許會遠遠大于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獨大，這是因為FEM設(shè)計需要仔細結(jié)合器件制造工藝，有時候甚至?xí)榱嗽O(shè)計而調(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。