文|半导体产业纵横
最近,关于苹果自研Wi-Fi和蓝牙芯片的消息甚嚣尘上,先是传出苹果要弃用老牌供应商博通(Broadcom)的Wi-Fi和蓝牙芯片,后来又辟谣说,由于苹果射频芯片研发团队的技术和人才积累不足,短期内还无法摆脱对博通的依赖。
无论如何,苹果自研Wi-Fi和蓝牙芯片已经不是秘密了。从早期的手机应用处理器(AP),也就是知名的A系列芯片,到后来的调制解调器(基带芯片,还在研发过程中,未商用),近两年,苹果又在手机模拟芯片,特别是射频方面加大了研发投入力度,以求在芯片和系统整合方面掌握更多主动权,并提升智能手机的整体研发效率。
不仅自研手机系统中各功能块的芯片,苹果很可能还在进行着这些芯片的集成研发工作,也就是将AP、基带、射频前端(RFFE)芯片集成在一个SoC中。目前来看,这样的工作难度不小,但如果能够成功,则可以大幅提升手机系统集成度,并降低功耗,这样,就可以在手机内部添加更多应用功能模块,给智能手机的发展提供更多的想象空间。
实际上,将AP、基带、射频前端芯片集成在一起并不是苹果的创意,业界已经有多家厂商在尝试了,典型代表是手机处理器大厂,如高通和联发科。
01、手机芯片集成度不断提升作为手机芯片的两大组成部分,处理器和射频前端各自的集成度一直在提升。
射频前端主要包括滤波器、功率放大器(PA)、射频开关(Switch/Tuner)和低噪声放大器(LNA)。其中,滤波器和PA是射频前端的两大核心元件,分别占市场价值的47%和32%。
基带芯片是用来合成即将发射的基带信号,或对接收到的基带信号进行解码,具体来讲,就是把音频信号编译成用来发射的基带码,或把收到的基带码解译为音频信号。基带芯片还负责地址信息(手机号、网站地址等)、文字信息、图片信息的编译。手机支持的网络制式则是由基带芯片模式决定的。
设计基带芯片的技术门槛很高,且研发周期长,这是因为它涉及多种网络制式(不同国家和地区,3G/4G/5G的网络制式标准不同)和协议标准,基带设计师团队需要对这些标准和网络制式非常了解,并能够将它们融会贯通,只有具备这样的知识储备和设计能力,做出的基带才能应对蜂窝网络中各种复杂的标准和信息模式,分门别类地进行处理。可以说,在所有手机芯片中,基带的设计难度是最高的,这也是苹果大力投入人力物力研发基带芯片多年,但一直没有能够实现商用的原因所在。
射频前端的集成
早些年,射频前端的四大组成部分都是完全分立的,随着技术的进步和市场应用的发展,集成度不断提升,现在都可以集成在一个模组里边,且模组的集成度和小型化水平还在不断提升。
还有一点很重要,手机中的射频前端包括多个功能块,有的负责蜂窝移动通信(3G/4G/5G)、有的负责WiFi、蓝牙、GPS等通信,每个功能块都是独立的,需要不同的滤波器、PA、射频开关等芯片,这对集成度的要求更高了,集成难度也在增加。
当下,手机厂商之间的竞争越来越激烈,除了苹果,利润率都不高,这样,在成本和性能之间进行权衡就成为了一件很重要的事情,而射频前端的模组化程度与机型定价相关,中高端手机的集成度就高,而中低端机型受限于成本,模组化程度不高。
以上讨论的是在Sub-6GHz频段内,这是全球大多数5G网络采用的频段。而在美国和日韩一些地区,还采用了更高频率的毫米波频段,这种蜂窝网络制式的手机,对射频前端集成度的要求更高,除了滤波器、PA、射频开关和LNA,还把天线集成进了射频前端,这就需要用到AiP(Antenna in Package)封装工艺。AiP很好地兼顾了天线性能、成本和体积,与分立式天线架构相比,AiP具有电路排布面积小的优势,另外,天线到射频端口传输路径短,减少了信号传输损耗,有助于提升发射端效能并可改善接收端的信号质量,也能降低组装成本。
通常情况下,毫米波AiP模组内集成了阵列天线、射频前端、射频收发器和电源管理芯片,几乎涵盖了除基带芯片以外的所有通信元件。
基带与应用处理器的集成
基带芯片是手机处理器之一,随着智能手机的兴起,只有基带是不够的,需要应用处理器去处理越来越多的多媒体信息(视频、图片、音乐、游戏等)。以前,基带和应用处理器多为分立结构,近些年,随着制程工艺水平的进步,以及应用对集成度要求的提升(高集成度可实现高传输效率,低成本,简化手机电路设计),越来越多的厂商将基带和应用处理器集成为一个SoC,并占据了市场的主流,代表企业是高通、联发科、华为、三星和紫光展锐。当然,这种SoC不止包含基带和应用处理器,还有其它功能组件,甚至相关的电源管理电路也集成进去了。
基带与射频芯片的集成
如前文所述,基带芯片厂商正在向射频前端、天线领域延伸,目标是提供一体化通信解决方案,以提升集成度,降低功耗,并为手机应用发展提供更多的想象空间。
传统射频前端芯片厂商,如Skyworks、Qorvo、Broadcom、Murata等主要聚焦在Sub 6GHz市场,与它们相比,基带芯片厂商在毫米波AiP模组方面具备优势,具体表现在:一、由于毫米波极易衰减,毫米波AiP模组对厂商的综合射频设计能力提出了更高要求,基带与AiP模组在设计上的适配,可以提升毫米波通信效率;二、AiP模组内集成了收发器,而基带厂商擅长设计收发器,因为收发器与基带紧密相关;三、毫米波射频前端芯片工艺差异较大,传统射频厂商积累的优势有所削弱。
设计和制程工艺壁垒
射频前端属于模拟器件,在设计过程中涉及大量know-how,不同频段的芯片需要大量时间进行研发和调试,另外,射频前端芯片种类繁多,不同器件之间差异很大,比如滤波器分为SAW、BAW、LTCC滤波器等。
射频前端电路设计很复杂,还需要考虑载波聚合、MIMO、多频PA等因素的影响。
要让射频前端芯片具备良好的性能,就需要设计与工艺紧密结合,设计师对工艺的深刻理解至关重要。射频前端芯片采用特殊制造工艺,如GaAs、SOI、表面声波、体声波等,工艺壁垒较高,PA多采用GaAs、CMOS工艺,开关采用SOI工艺,这些芯片的晶圆代工比较成熟,只要与下游代工厂维护好关系以保持产能供应就可以,但对于滤波器来说,主要采用SAW、BAW特殊工艺,市场上没有理想的代工厂,相关厂商都是IDM。
射频前端芯片涉及工艺如此复杂,要将基带和射频芯片集成在一起(也就是将数字芯片和模拟芯片集成在一起),难度可想而知。
02、厂商动作虽然难度很高,但迫于应用发展对集成度提出越来越高的要求,各大手机处理器厂商都在将基带、AP和射频前端集成在一起方面努力尝试着。
过去这些年,高通、联发科等厂商纷纷布局射频前端业务,例如:高通于2014年收购了CMOS制程工艺PA厂商Black Sand,2016年与TDK成立了合资公司RF360,拓展射频前端产品;联发科于2019年增资当时中国大陆最大的PA公司唯捷创芯;展讯在2016年与射频前端公司锐迪科合并,并改名为紫光展锐。
2019年2月,高通在发布其第二代5G基带芯片骁龙X55的同时,还推出了一套完整的5G射频前端解决方案,其中包括与骁龙X55配合的QTM525毫米波天线模组、全球首款5G包络追踪解决方案QET6100、集成式5G/4G功率放大器和分集模组系列,以及QAT3555 5G自适应天线调谐解决方案。
毫米波AiP方面,目前,该市场主要被高通占据,三星、联发科、紫光展锐、苹果等厂商紧随其后,预计未来份额将逐渐提升。从毫米波AiP市场发展情况来看,预估未来将被基带芯片厂商垄断。
03、结语为了提升手机芯片集成度,掌控差异化竞争优势,无论是处理器厂商,还是射频芯片厂商,都在各自领域努力提升产品竞争力。在此基础上,手机处理器厂商还想更上一层楼,欲将基带和射频前端芯片集成在一起。
从目前的发展情况来看,基带+射频芯片的SoC方案实现起来非常困难,尚无商用案例。因为这里边涉及到太过复杂的数字和模拟芯片设计和制程工艺问题。高通、联发科等头部手机处理器企业仍处于基带+射频前端芯片模组化发展阶段,距离集成为SoC还有较长的路要走。
而作为后来者的苹果,虽然其A系列应用处理器在市场取得巨大成功,但自研基带芯片困难重重,预估最快也要到2026年才能商用,到那时,要想将Wi-Fi、蓝牙等射频功能集成进去,难度很大。
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