Skyworks对中国高度依赖背后,国产射频的危与机

2016-12-29

从Skyworks说起

Skyworks是半导体业内射频元器件巨头。近来,随着全球手机制式从3G逐渐转换到4G,Skyworks的业务在不断变强,营收和利润则不断增加。Skyworks的净收入在2015财年达到了32亿美金之后在2016财年保持高位,而毛利润率则在不断攀升,2016财年达到了51%


Skyworks的增长和中国市场密不可分。在之前《最依赖中国市场的十家美国半导体公司》一文中,我们指出Skyworks是最依赖中国市场的美国半导体公司,在2015年中国市场收入占其总收入竟达到了84%。

在2016年,Skyworks在中国的收入继续增长。Skyworks在2016财年第四季度财报中表示,它在中国进入了华为,Oppo和Vivo等出货量排名前茅的手机的供应链,由此获得了显著的利润,并且将在未来把注意力集中在满足中国前五手机厂商的需求。

Skyworks的中国市场究竟是什么

Skyworks在中国的主要收入究竟来自哪里?请看其官方网站上的图片:


这是一张华为荣耀手机的拆解图,其中Skyworks的模块在图中都已标出。从图中可见,华为手机中使用的Skyworks模块主要是射频前端模组(FEM),包括天线调谐器(Antenna Tuner),射频开关(SKY13xxx系列),PA模组以及SkyOne系列集成化FEM。这些FEM在一部手机中的价值达到了8美元以上,即每卖出一台这样的手机Skyworks就可以获得8美元的收入。在中国,Skyworks打入了华为,Oppo和Vivo这些手机巨头的供应链,它的FEM业务也跟着这些手机巨大的年出货量(三巨头每一家2016年的年出货量都可望超越7000万台)而赚得钵满盆满。

什么是射频前端模块

随着CMOS RFIC的普及,越来越多的模块从分立器件转到了集成电路上。然而,有一些器件由于各种各样的原因,目前还无法集成到传统CMOS RFIC上。这些无法集成到RFIC上的射频器件通常称为射频前端模块(RF Frontend Module, RF FEM)。一个完整的商用射频系统包括使用CMOS工艺实现的基带Modem,RFIC收发机,以及由非传统CMOS工艺实现的FEM。FEM离基带较远而离天线较近,这也是FEM器件被称为“前端”的原因。一个典型的包含FEM以及RFIC/Modem的射频系统架构图如下图所示。

一个典型的包含FEM以及RFIC/Modem的射频系统架构图

典型的FEM包含如下器件:

1. 天线相关的器件:天线调谐器(Antenna Tuner)与天线开关(Antenna Switch)。由于现代射频系统(如手机的射频系统)通常要覆盖多个频带(2G的GSM 900MHz,PCS/DCS 1.7/1.8GHz,3G的2.1GHz,4G TD-LTE的2.6GHz等等),而每个天线的频率覆盖范围都有限,因此必须使用多组天线来覆盖全部频率,这样就需要天线开关来控制在不同的应用时切换到不同的天线。同时,即使在使用同一组天线时,对于覆盖频带范围内的不同信道频率,天线的特征阻抗也会发生一些变化。为了保证最大功率传输,一般会要求特征阻抗保持在50 Ohm ,这时候就需要天线调谐器帮忙来实现阻抗匹配。对于天线开关,当与发射机配合使用时必须保证足够的线性度(发射机的发射功率可达30 dBm),而与接收机配合使用时必须保证足够小的衰减,而这些要求一般CMOS工艺很难实现,因此必须使用非CMOS工艺。

2. 多路器(diplexer)与收/发开关(T/R Switch)。多路器和收/发开关的目的都是实现收发机与天线信号之间的定向传播。多路器通常用于频分多路(FDM)系统,其中接收机和发射机的载波频率不同,但是可以同时工作。多路器可以将发射机信号耦合到天线,或者将天线信号耦合到接收机,并且将发射机信号与接收机进行隔离以避免接收机链路被发射机干扰。收/发开关则是用于时分多路(TDM)系统,其中在同一时刻接收机和发射机只会有一个在工作,因此需要把接收机或者发射机其中的一个接到天线。多路器与收/发开关都必须满足很高的隔离度与很低得衰减,因此无法用传统CMOS工艺实现。

3. 滤波器。滤波器必须能够实现非常陡峭的频率响应曲线,这样才能把频带外信号衰减到足够小,同时噪声和插入损耗必须足够小。滤波器所需的品质因数(Q)非常高,目前主流的实现方案是SAW(表面声波滤波器)与BAW(体声波滤波器)。

4.功率放大器(PA)。功率放大器是射频系统的关键模块,它需要把发射机的信号功率放大到足够大(如20dBm),才能满足通讯协议的要求。随着无线通讯协议的发展,数据率越来越高,同时无线调制方式也越来越复杂,这导致了功率放大器的线性度必须足够好才能满足协议的需求。另一方面,功率放大器的放大效率也不能太差,否则在放大信号的同时会消耗太多电池电量,导致手机一会儿就没电了。CMOS工艺目前还无法实现同时满足线性度和放大效率的功率放大器,因此必须使用其他工艺(如GaAs)来做功率放大器。

5.低噪声放大器(LNA)。低噪声放大器是接收机的关键模块,决定了整个接收机的灵敏度。低噪声放大器必须在噪声系数很低的同时满足线性度的需求。目前在中低端射频系统中已经实现将LNA完全集成到RFIC上,但是在高端射频系统(例如在iPhone的一些型号中)还是使用了片外LNA模组以满足系统对于性能的需求。

射频前端模块的趋势

射频前端模块发展的总体趋势是,手机中FEM越来越重要,FEM在手机中所占的成本越来越高,而各大厂商在尝试各种新的技术以获取更多利润。

随着4G日渐成熟,5G离我们越来越近,射频系统也需要做出相应变化。我们首先来看一下通信协议变化的趋势。由上图可见,手机通信协议从2G到5G的主要变化是信道带宽不断在变大,从2G时代的200KHz,3G时代的5MHz,到4G时代的100MHz。到了5G时代,信道带宽可望进一步变宽,甚至可能接近1GHz。为了实现越来越宽的带宽需求,可以有两种方法。其一是使用更多的载波聚合技术。载波聚合技术是指使用多个不相邻的载波频段,每个频段各承载一部分的带宽,这样总带宽就是多个载波带宽之和。目前载波聚合技术在4G已经得到了广泛应用,例如如果要做4G LTE Band 40(2350MHz)和Band 41(2550MHz)的两路载波聚合,可以在Band 40和41各使用18MHz带宽,这样总带宽就是36MHz。在5G为了实现高带宽,载波聚合技术的路数必须上升。这也意味着5G时的频带数量也会上升以满足载波聚合的需求。第二个提高带宽的方法就是把载波频率移动到毫米波范围(例如28GHz),而毫米波频段载波可以提供非常高的带宽。毫米波频率的载波可望在5G时被引入。

对于FEM来说,目前的趋势是一个手机终端需要的FEM器件数量在快速上升。首先,为了实现向后兼容,目前的4G手机上还是会需要2G-3G所需的FEM。而4G时的频带数量大大增多,需要更多的FEM以覆盖这些频段。目前,支持4G标准手机的数量正在快速上升。2012 年 2G/3G/4G移动通讯手持终端出货量占比分别约为 44.7%、48.5%、6.8%;2014年分别为 17.1%、51.7%、31.2%; 2018 年预计为 6.2%、 19.1%和 74.7%。 4G 手持终端出货量和市场占比逐年增加,由 2011 年 2100 万台迅速增长至 2015 年的 9.67 亿台,预计 2018 年可达 19.8 亿台, 2011年至 2018 年复合增速高达 91.45%。随着4G的快速普及,FEM模组的总出货量也在节节攀升。

另外,4G载波聚合需要收发机同时工作在多个频段,因此也需要多个FEM同时工作在不同频段。到了5G时,需要覆盖的频带数预期会大大增加,载波聚合需要的路数也会上升不少,所以FEM器件数量在5G时还会继续快速上升。以PA模组为例,4G多模多频终端单机所需的 PA 芯片增至 5-7 颗。而且,随着通信制式的愈加复杂,对PA的性能需求也在逐渐攀升,从而PA在手机中站的成本也越来越高。统计结果显示, 2G 时代手机单机 PA 芯片成本仅 0.3 美元/部, 3G 手机则提升至约 1.25 美元/部,而 4G 时代则增至 2 美元~3.25 美元/部,高端手机成本甚至更高,仅iPhone6 射频部分就使用了 6 颗 PA 芯片。而Strategy Analytics 预测 5G 单机需 16颗 PA,这意味着5G时PA在手机成本中所占比例也会逐渐升高。

最后,5G的一个标志性技术是大规模MIMO。大规模MIMO需要多个天线组成的天线阵列同时工作以提高信道容量,这样可以大大提升数据传输率。为了实现大规模MIMO,射频系统必须有多组天线同时工作,因此相应的FEM数量需求也会增加。最后,为了能覆盖毫米波范围的载波,也需要相应的FEM,这也给FEM设计带来了挑战。

随着手机终端需要的FEM数量上升,FEM在手机成本的比重也越加上升,越来越多的厂商也在纷纷加大在FEM方面的投入。例如,早些时候RFIC巨头高通和FEM大厂TDK合资成立了RF 360,这样高通就有了能提供从基带Modem SoC,RFIC到FEM完整解决方案的能力。因此,FEM的技术发展速度也会随着厂商的投入而加快。

目前FEM的技术发展方向主要包括如何使用新工艺以及如何增加集成度。

砷化镓一直以来都是功放,天线开关以及低噪声放大器等FEM的传统实现工艺。然而,随着技术的发展,成本较低的RF SOI工艺在天线开关,低噪声放大器等模块中逐渐取代了砷化镓工艺。在天线开关和天线调谐器中,RF MEMS也有机会进一步取代RF SOI成为新的主流。对于滤波器和多路器来说,传统的SAW正在被BAW慢慢取代。

另一方面,FEM的集成度也越来越高。当手机需要越来越多的FEM器件时,FEM必须增加集成度以把整个射频系统的实际尺寸控制在合适的范围内。目前,已经有一些厂商在研发把低噪声放大器和开关模组集成在一起的方案,例如Skyworks的SkyOne模组(集成了PA,开关,多路器在同一模组上,如下图所示)。未来随着RF SOI和RF MEMS工艺的进一步普及,我们可望看到集成度更高的FEM。

中国的机会

目前,中国在 FEM领域发展落后国际水平不少,仅仅紫光展锐,汉天下等发布了以PA为主的一些FEM产品,在中高端市场还无法与国外巨头竞争。然而,从另一个角度来看,发展还属初步也意味着发展潜力巨大。随着中国加大对于半导体行业的投入,中国FEM的发展也会步入快车道。

首先,我们要看到中国公司并非没有技术实力和决心做好FEM。例如,在成熟的2G PA领域,汉天下和展锐都有很好的市场份额。

不过,FEM并不是一个孤立的领域,而是和上下游发展有关。在2G和3G时代,通信协议和收发机SoC的核心技术都是由国外巨头(如2G时代的诺基亚,摩托罗拉,3G时代的高通)首先研发,中国厂商的角色以追随为主,FEM的研发也是如此,必须先花许多时间填补技术空白。在4G时代,华为等中国厂商崛起,到了5G时代,相信中国在通信协议方面会有更多话语权(例如之前华为提出的Polar码标准就获得了国际肯定),而在收发机SoC的核心技术上也能不再落后。相应地随着FEM领域各大公司有了自己的技术积累,也能占据客观的市场份额。如果把Skyworks在中国的市场收入(20亿美金)抢下一半,就可以有10亿美金的客观收入。而且在5G时代随着FEM的重要性上升,这个数字或许会远远大于10亿。

其次,FEM目前是IDM模式最成功的领域。就在其它半导体芯片市场(如处理器,SoC等等)Fabless占据大半江山的时候,在FEM市场仍然是IDM独大,这是因为FEM设计需要仔细结合器件制造工艺,有时候甚至会为了设计而调整工艺。目前FEM领域的巨头Skyworks, Qorvo等都有自己的生产线。目前,半导体制造工艺已经成为限制国产FEM发展的重要因素。然而,随着半导体大基金的持续投入,中国半导体制造技术可望获得长足进展,这也会成为国产FEM的一个利好因素。而且,目前许多FEM模组都在转向RF SoI,该制造工艺相对砷化镓等FEM的传统制造工艺而言良率更高,成本更低,而且也更适合Fabless模式。我们预期在未来,会有不少中国FEM Fabless随着RF SoI的普及而崛起。


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