文｜半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫
最近，關(guān)于蘋(píng)果自研Wi-Fi和藍(lán)牙芯片的消息甚囂塵上，先是傳出蘋(píng)果要棄用老牌供應(yīng)商博通（Broadcom）的Wi-Fi和藍(lán)牙芯片，后來(lái)又辟謠說(shuō)，由于蘋(píng)果射頻芯片研發(fā)團(tuán)隊(duì)的技術(shù)和人才積累不足，短期內(nèi)還無(wú)法擺脫對(duì)博通的依賴。
無(wú)論如何，蘋(píng)果自研Wi-Fi和藍(lán)牙芯片已經(jīng)不是秘密了。從早期的手機(jī)應(yīng)用處理器（AP），也就是知名的A系列芯片，到后來(lái)的調(diào)制解調(diào)器（基帶芯片，還在研發(fā)過(guò)程中，未商用），近兩年，蘋(píng)果又在手機(jī)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(dòng)權(quán)，并提升智能手機(jī)的整體研發(fā)效率。
不僅自研手機(jī)系統(tǒng)中各功能塊的芯片，蘋(píng)果很可能還在進(jìn)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(gè)SoC中。目前來(lái)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(jī)系統(tǒng)集成度，并降低功耗，這樣，就可以在手機(jī)內(nèi)部添加更多應(yīng)用功能模塊，給智能手機(jī)的發(fā)展提供更多的想象空間。
實(shí)際上，將AP、基帶、射頻前端芯片集成在一起并不是蘋(píng)果的創(chuàng)意，業(yè)界已經(jīng)有多家廠商在嘗試了，典型代表是手機(jī)處理器大廠，如高通和聯(lián)發(fā)科。
01、手機(jī)芯片集成度不斷提升
作為手機(jī)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(kāi)關(guān)（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(chǎng)價(jià)值的47%和32%。
基帶芯片是用來(lái)合成即將發(fā)射的基帶信號(hào)，或?qū)邮盏降幕鶐盘?hào)進(jìn)行解碼，具體來(lái)講，就是把音頻信號(hào)編譯成用來(lái)發(fā)射的基帶碼，或把收到的基帶碼解譯為音頻信號(hào)?；鶐酒€負(fù)責(zé)地址信息（手機(jī)號(hào)、網(wǎng)站地址等）、文字信息、圖片信息的編譯。手機(jī)支持的網(wǎng)絡(luò)制式則是由基帶芯片模式?jīng)Q定的。
設(shè)計(jì)基帶芯片的技術(shù)門(mén)檻很高，且研發(fā)周期長(zhǎng)，這是因?yàn)樗婕岸喾N網(wǎng)絡(luò)制式（不同國(guó)家和地區(qū)，3G/4G/5G的網(wǎng)絡(luò)制式標(biāo)準(zhǔn)不同）和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，基帶設(shè)計(jì)師團(tuán)隊(duì)需要對(duì)這些標(biāo)準(zhǔn)和網(wǎng)絡(luò)制式非常了解，并能夠?qū)⑺鼈內(nèi)跁?huì)貫通，只有具備這樣的知識(shí)儲(chǔ)備和設(shè)計(jì)能力，做出的基帶才能應(yīng)對(duì)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中各種復(fù)雜的標(biāo)準(zhǔn)和信息模式，分門(mén)別類地進(jìn)行處理?？梢哉f(shuō)，在所有手機(jī)芯片中，基帶的設(shè)計(jì)難度是最高的，這也是蘋(píng)果大力投入人力物力研發(fā)基帶芯片多年，但一直沒(méi)有能夠?qū)崿F(xiàn)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(shù)的進(jìn)步和市場(chǎng)應(yīng)用的發(fā)展，集成度不斷提升，現(xiàn)在都可以集成在一個(gè)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(diǎn)很重要，手機(jī)中的射頻前端包括多個(gè)功能塊，有的負(fù)責(zé)蜂窩移動(dòng)通信（3G/4G/5G）、有的負(fù)責(zé)WiFi、藍(lán)牙、GPS等通信，每個(gè)功能塊都是獨(dú)立的，需要不同的濾波器、PA、射頻開(kāi)關(guān)等芯片，這對(duì)集成度的要求更高了，集成難度也在增加。
當(dāng)下，手機(jī)廠商之間的競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，除了蘋(píng)果，利潤(rùn)率都不高，這樣，在成本和性能之間進(jìn)行權(quán)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(jī)型定價(jià)相關(guān)，中高端手機(jī)的集成度就高，而中低端機(jī)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(nèi)，這是全球大多數(shù)5G網(wǎng)絡(luò)采用的頻段。而在美國(guó)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(wǎng)絡(luò)制式的手機(jī)，對(duì)射頻前端集成度的要求更高，除了濾波器、PA、射頻開(kāi)關(guān)和LNA，還把天線集成進(jìn)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(gòu)相比，AiP具有電路排布面積小的優(yōu)勢(shì)，另外，天線到射頻端口傳輸路徑短，減少了信號(hào)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(hào)質(zhì)量，也能降低組裝成本。
通常情況下，毫米波AiP模組內(nèi)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(yīng)用處理器的集成
基帶芯片是手機(jī)處理器之一，隨著智能手機(jī)的興起，只有基帶是不夠的，需要應(yīng)用處理器去處理越來(lái)越多的多媒體信息（視頻、圖片、音樂(lè)、游戲等）。以前，基帶和應(yīng)用處理器多為分立結(jié)構(gòu)，近些年，隨著制程工藝水平的進(jìn)步，以及應(yīng)用對(duì)集成度要求的提升（高集成度可實(shí)現(xiàn)高傳輸效率，低成本，簡(jiǎn)化手機(jī)電路設(shè)計(jì)），越來(lái)越多的廠商將基帶和應(yīng)用處理器集成為一個(gè)SoC，并占據(jù)了市場(chǎng)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(dāng)然，這種SoC不止包含基帶和應(yīng)用處理器，還有其它功能組件，甚至相關(guān)的電源管理電路也集成進(jìn)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(lǐng)域延伸，目標(biāo)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(jī)應(yīng)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(chǎng)，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(shì)，具體表現(xiàn)在：一、由于毫米波極易衰減，毫米波AiP模組對(duì)廠商的綜合射頻設(shè)計(jì)能力提出了更高要求，基帶與AiP模組在設(shè)計(jì)上的適配，可以提升毫米波通信效率；二、AiP模組內(nèi)集成了收發(fā)器，而基帶廠商擅長(zhǎng)設(shè)計(jì)收發(fā)器，因?yàn)槭瞻l(fā)器與基帶緊密相關(guān)；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(shì)有所削弱。
設(shè)計(jì)和制程工藝壁壘
射頻前端屬于模擬器件，在設(shè)計(jì)過(guò)程中涉及大量know-how，不同頻段的芯片需要大量時(shí)間進(jìn)行研發(fā)和調(diào)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(shè)計(jì)很復(fù)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(shè)計(jì)與工藝緊密結(jié)合，設(shè)計(jì)師對(duì)工藝的深刻理解至關(guān)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(kāi)關(guān)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(hù)好關(guān)系以保持產(chǎn)能供應(yīng)就可以，但對(duì)于濾波器來(lái)說(shuō)，主要采用SAW、BAW特殊工藝，市場(chǎng)上沒(méi)有理想的代工廠，相關(guān)廠商都是IDM。
射頻前端芯片涉及工藝如此復(fù)雜，要將基帶和射頻芯片集成在一起（也就是將數(shù)字芯片和模擬芯片集成在一起），難度可想而知。
02、廠商動(dòng)作
雖然難度很高，但迫于應(yīng)用發(fā)展對(duì)集成度提出越來(lái)越高的要求，各大手機(jī)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(guò)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(wù)，例如：高通于2014年收購(gòu)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(chǎn)品；聯(lián)發(fā)科于2019年增資當(dāng)時(shí)中國(guó)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(shí)，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(luò)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(yīng)天線調(diào)諧解決方案。
毫米波AiP方面，目前，該市場(chǎng)主要被高通占據(jù)，三星、聯(lián)發(fā)科、紫光展銳、蘋(píng)果等廠商緊隨其后，預(yù)計(jì)未來(lái)份額將逐漸提升。從毫米波AiP市場(chǎng)發(fā)展情況來(lái)看，預(yù)估未來(lái)將被基帶芯片廠商壟斷。
03、結(jié)語(yǔ)
為了提升手機(jī)芯片集成度，掌控差異化競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，無(wú)論是處理器廠商，還是射頻芯片廠商，都在各自領(lǐng)域努力提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。在此基礎(chǔ)上，手機(jī)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(lái)看，基帶+射頻芯片的SoC方案實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常困難，尚無(wú)商用案例。因?yàn)檫@里邊涉及到太過(guò)復(fù)雜的數(shù)字和模擬芯片設(shè)計(jì)和制程工藝問(wèn)題。高通、聯(lián)發(fā)科等頭部手機(jī)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(zhǎng)的路要走。
而作為后來(lái)者的蘋(píng)果，雖然其A系列應(yīng)用處理器在市場(chǎng)取得巨大成功，但自研基帶芯片困難重重，預(yù)估最快也要到2026年才能商用，到那時(shí)，要想將Wi-Fi、藍(lán)牙等射頻功能集成進(jìn)去，難度很大。