射頻前端模塊的趨勢(shì)

　　射頻前端模塊發(fā)展的總體趨勢(shì)是，手機(jī)中FEM越來(lái)越重要，F(xiàn)EM在手機(jī)中所占的成本越來(lái)越高，而各大廠商在嘗試各種新的技術(shù)以獲取更多利潤(rùn)。

　　我們首先來(lái)看一下通信協(xié)議變化的趨勢(shì)。由上圖可見(jiàn)，手機(jī)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(shí)代的200KHz，3G時(shí)代的5MHz，到4G時(shí)代的100MHz。

　　到了5G時(shí)代，信道帶寬可望進(jìn)一步變寬，甚至可能接近1GHz。為了實(shí)現(xiàn)越來(lái)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(gè)不相鄰的載波頻段，每個(gè)頻段各承載一部分的帶寬，這樣總帶寬就是多個(gè)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(shí)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(shí)的頻帶數(shù)量也會(huì)上升以滿足載波聚合的需求。第二個(gè)提高帶寬的方法就是把載波頻率移動(dòng)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(shí)被引入。

　　對(duì)于FEM來(lái)說(shuō)，目前的趨勢(shì)是一個(gè)手機(jī)終端需要的FEM器件數(shù)量在快速上升。首先，為了實(shí)現(xiàn)向后兼容，目前的4G手機(jī)上還是會(huì)需要2G-3G所需的FEM。而4G時(shí)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(jī)的數(shù)量正在快速上升。2012 年 2G/3G/4G移動(dòng)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(jì)為 6.2%、 19.1%和 74.7%。 4G 手持終端出貨量和市場(chǎng)占比逐年增加，由 2011 年 2100 萬(wàn)臺(tái)迅速增長(zhǎng)至 2015 年的 9.67 億臺(tái)，預(yù)計(jì) 2018 年可達(dá) 19.8 億臺(tái)， 2011年至 2018 年復(fù)合增速高達(dá) 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(jī)同時(shí)工作在多個(gè)頻段，因此也需要多個(gè)FEM同時(shí)工作在不同頻段。到了5G時(shí)，需要覆蓋的頻帶數(shù)預(yù)期會(huì)大大增加，載波聚合需要的路數(shù)也會(huì)上升不少，所以FEM器件數(shù)量在5G時(shí)還會(huì)繼續(xù)快速上升。以PA模組為例，4G多模多頻終端單機(jī)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(duì)PA的性能需求也在逐漸攀升，從而PA在手機(jī)中站的成本也越來(lái)越高。

　　統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示， 2G 時(shí)代手機(jī)單機(jī) PA 芯片成本僅 0.3 美元/部， 3G 手機(jī)則提升至約 1.25 美元/部，而 4G 時(shí)代則增至 2 美元～3.25 美元/部，高端手機(jī)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(cè) 5G 單機(jī)需 16顆 PA，這意味著5G時(shí)PA在手機(jī)成本中所占比例也會(huì)逐漸升高。

　　最后，5G的一個(gè)標(biāo)志性技術(shù)是大規(guī)模MIMO。大規(guī)模MIMO需要多個(gè)天線組成的天線陣列同時(shí)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(shí)現(xiàn)大規(guī)模MIMO，射頻系統(tǒng)必須有多組天線同時(shí)工作，因此相應(yīng)的FEM數(shù)量需求也會(huì)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(jì)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

　　隨著手機(jī)終端需要的FEM數(shù)量上升，F(xiàn)EM在手機(jī)成本的比重也越加上升，越來(lái)越多的廠商也在紛紛加大在FEM方面的投入。例如，早些時(shí)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(huì)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(lái)都是功放，天線開(kāi)關(guān)以及低噪聲放大器等FEM的傳統(tǒng)實(shí)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(kāi)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(kāi)關(guān)和天線調(diào)諧器中，RF MEMS也有機(jī)會(huì)進(jìn)一步取代RF SOI成為新的主流。對(duì)于濾波器和多路器來(lái)說(shuō)，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(lái)越高。當(dāng)手機(jī)需要越來(lái)越多的FEM器件時(shí)，F(xiàn)EM必須增加集成度以把整個(gè)射頻系統(tǒng)的實(shí)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(kāi)關(guān)模組集成在一起的方案，例如Skyworks的SkyOne模組(集成了PA，開(kāi)關(guān)，多路器在同一模組上，如下圖所示)。未來(lái)隨著RF SOI和RF MEMS工藝的進(jìn)一步普及，我們可望看到集成度更高的FEM。

　　中國(guó)的機(jī)會(huì)

　　目前，中國(guó)在FEM領(lǐng)域發(fā)展落后國(guó)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(chǎng)還無(wú)法與國(guó)外巨頭競(jìng)爭(zhēng)。然而，從另一個(gè)角度來(lái)看，發(fā)展還屬初步也意味著發(fā)展?jié)摿薮?。隨著中國(guó)加大對(duì)于半導(dǎo)體行業(yè)的投入，中國(guó)FEM的發(fā)展也會(huì)步入快車道。

　　首先，我們要看到中國(guó)公司并非沒(méi)有技術(shù)實(shí)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(chǎng)份額。

　　不過(guò)，F(xiàn)EM并不是一個(gè)孤立的領(lǐng)域，而是和上下游發(fā)展有關(guān)。在2G和3G時(shí)代，通信協(xié)議和收發(fā)機(jī)SoC的核心技術(shù)都是由國(guó)外巨頭(如2G時(shí)代的諾基亞，摩托羅拉，3G時(shí)代的高通)首先研發(fā)，中國(guó)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(shí)間填補(bǔ)技術(shù)空白。

　　在4G時(shí)代，華為等中國(guó)廠商崛起，到了5G時(shí)代，相信中國(guó)在通信協(xié)議方面會(huì)有更多話語(yǔ)權(quán)(例如之前華為提出的Polar碼標(biāo)準(zhǔn)就獲得了國(guó)際肯定)，而在收發(fā)機(jī)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(chǎng)份額。

　　如果把Skyworks在中國(guó)的市場(chǎng)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(shí)代隨著FEM的重要性上升，這個(gè)數(shù)字或許會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(chǎng)(如處理器，SoC等等)Fabless占據(jù)大半江山的時(shí)候，在FEM市場(chǎng)仍然是IDM獨(dú)大，這是因?yàn)镕EM設(shè)計(jì)需要仔細(xì)結(jié)合器件制造工藝，有時(shí)候甚至?xí)榱嗽O(shè)計(jì)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(guó)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(guó)半導(dǎo)體制造技術(shù)可望獲得長(zhǎng)足進(jìn)展，這也會(huì)成為國(guó)產(chǎn)FEM的一個(gè)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(duì)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(lái)，會(huì)有不少中國(guó)FEM Fabless隨著RF SoI的普及而崛起。