Skyworks對中國高度依賴背后,國產射頻的危與機

              2016-12-29

              從Skyworks說起

              Skyworks是半導體業內射頻元器件巨頭。近來,隨著全球手機制式從3G逐漸轉換到4G,Skyworks的業務在不斷變強,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體公司》一文中,我們指出Skyworks是最依賴中國市場的美國半導體公司,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),包括天線調諧器(Antenna Tuner),射頻開關(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鏈,它的FEM業務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包括使用CMOS工藝實現的基帶Modem,RFIC收發機,以及由非傳統CMOS工藝實現的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FEM以及RFIC/Modem的射頻系統架構圖如下圖所示。

              一個典型的包含FEM以及RFIC/Modem的射頻系統架構圖

              典型的FEM包含如下器件:

              1. 天線相關的器件:天線調諧器(Antenna Tuner)與天線開關(Antenna Switch)。由于現代射頻系統(如手機的射頻系統)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來控制在不同的應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的不同信道頻率,天線的特征阻抗也會發生一些變化。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諧器幫忙來實現阻抗匹配。對于天線開關,當與發射機配合使用時必須保證足夠的線性度(發射機的發射功率可達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,因此必須使用非CMOS工藝。

              2. 多路器(diplexer)與收/發開關(T/R Switch)。多路器和收/發開關的目的都是實現收發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,其中接收機和發射機的載波頻率不同,但是可以同時工作。多路器可以將發射機信號耦合到天線,或者將天線信號耦合到接收機,并且將發射機信號與接收機進行隔離以避免接收機鏈路被發射機干擾。收/發開關則是用于時分多路(TDM)系統,其中在同一時刻接收機和發射機只會有一個在工作,因此需要把接收機或者發射機其中的一個接到天線。多路器與收/發開關都必須滿足很高的隔離度與很低得衰減,因此無法用傳統CMOS工藝實現。

              3. 濾波器。濾波器必須能夠實現非常陡峭的頻率響應曲線,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。濾波器所需的品質因數(Q)非常高,目前主流的實現方案是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的關鍵模塊,它需要把發射機的信號功率放大到足夠大(如20dBm),才能滿足通訊協議的要求。隨著無線通訊協議的發展,數據率越來越高,同時無線調制方式也越來越復雜,這導致了功率放大器的線性度必須足夠好才能滿足協議的需求。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,導致手機一會兒就沒電了。CMOS工藝目前還無法實現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很低的同時滿足線性度的需求。目前在中低端射頻系統中已經實現將LNA完全集成到RFIC上,但是在高端射頻系統(例如在iPhone的一些型號中)還是使用了片外LNA模組以滿足系統對于性能的需求。

              射頻前端模塊的趨勢

              射頻前端模塊發展的總體趨勢是,手機中FEM越來越重要,FEM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,射頻系統也需要做出相應變化。我們首先來看一下通信協議變化的趨勢。由上圖可見,手機通信協議從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。載波聚合技術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。目前載波聚合技術在4G已經得到了廣泛應用,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為了實現高帶寬,載波聚合技術的路數必須上升。這也意味著5G時的頻帶數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器件數量在快速上升。首先,為了實現向后兼容,目前的4G手機上還是會需要2G-3G所需的FEM。而4G時的頻帶數量大大增多,需要更多的FEM以覆蓋這些頻段。目前,支持4G標準手機的數量正在快速上升。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,預計 2018 年可達 19.8 億臺, 2011年至 2018 年復合增速高達 91.45%。隨著4G的快速普及,FEM模組的總出貨量也在節節攀升。

              另外,4G載波聚合需要收發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,需要覆蓋的頻帶數預期會大大增加,載波聚合需要的路數也會上升不少,所以FEM器件數量在5G時還會繼續快速上升。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。統計結果顯示, 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的一個標志性技術是大規模MIMO。大規模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據傳輸率。為了實現大規模MIMO,射頻系統必須有多組天線同時工作,因此相應的FEM數量需求也會增加。最后,為了能覆蓋毫米波范圍的載波,也需要相應的FEM,這也給FEM設計帶來了挑戰。

              隨著手機終端需要的FEM數量上升,FEM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,FEM的技術發展速度也會隨著廠商的投入而加快。

              目前FEM的技術發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,天線開關以及低噪聲放大器等FEM的傳統實現工藝。然而,隨著技術的發展,成本較低的RF SOI工藝在天線開關,低噪聲放大器等模塊中逐漸取代了砷化鎵工藝。在天線開關和天線調諧器中,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,傳統的SAW正在被BAW慢慢取代。

              另一方面,FEM的集成度也越來越高。當手機需要越來越多的FEM器件時,FEM必須增加集成度以把整個射頻系統的實際尺寸控制在合適的范圍內。目前,已經有一些廠商在研發把低噪聲放大器和開關模組集成在一起的方案,例如Skyworks的SkyOne模組(集成了PA,開關,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領域發展落后國際水平不少,僅僅紫光展銳,漢天下等發布了以PA為主的一些FEM產品,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,發展還屬初步也意味著發展潛力巨大。隨著中國加大對于半導體行業的投入,中國FEM的發展也會步入快車道。

              首先,我們要看到中國公司并非沒有技術實力和決心做好FEM。例如,在成熟的2G PA領域,漢天下和展銳都有很好的市場份額。

              不過,FEM并不是一個孤立的領域,而是和上下游發展有關。在2G和3G時代,通信協議和收發機SoC的核心技術都是由國外巨頭(如2G時代的諾基亞,摩托羅拉,3G時代的高通)首先研發,中國廠商的角色以追隨為主,FEM的研發也是如此,必須先花許多時間填補技術空白。在4G時代,華為等中國廠商崛起,到了5G時代,相信中國在通信協議方面會有更多話語權(例如之前華為提出的Polar碼標準就獲得了國際肯定),而在收發機SoC的核心技術上也能不再落后。相應地隨著FEM領域各大公司有了自己的技術積累,也能占據客觀的市場份額。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,這個數字或許會遠遠大于10億。

              其次,FEM目前是IDM模式最成功的領域。就在其它半導體芯片市場(如處理器,SoC等等)Fabless占據大半江山的時候,在FEM市場仍然是IDM獨大,這是因為FEM設計需要仔細結合器件制造工藝,有時候甚至會為了設計而調整工藝。目前FEM領域的巨頭Skyworks, Qorvo等都有自己的生產線。目前,半導體制造工藝已經成為限制國產FEM發展的重要因素。然而,隨著半導體大基金的持續投入,中國半導體制造技術可望獲得長足進展,這也會成為國產FEM的一個利好因素。而且,目前許多FEM模組都在轉向RF SoI,該制造工藝相對砷化鎵等FEM的傳統制造工藝而言良率更高,成本更低,而且也更適合Fabless模式。我們預期在未來,會有不少中國FEM Fabless隨著RF SoI的普及而崛起。


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