關(guān)于射頻前端對(duì)于智能手機(jī)的作用

隨著中美關(guān)系的發(fā)展，芯片和半導(dǎo)體器件國產(chǎn)自主化成為了近期人們關(guān)注的熱點(diǎn)。華為以及海思是中國半導(dǎo)體國產(chǎn)化的先鋒，華為手機(jī)的核心半導(dǎo)體器件中，國產(chǎn)化的比例居于同行前列。然而，如果我們仔細(xì)分析華為手機(jī)中的半導(dǎo)體器件，會(huì)發(fā)現(xiàn)射頻前端仍然是國產(chǎn)化的瓶頸。本文將分析射頻前端的重要性，并展望未來射頻前端器件國產(chǎn)化的發(fā)展。

射頻器件——難以繞過的門檻

作為一個(gè)例子，我們首先來看一下華為P30的拆解報(bào)告（來自iFixit）。在核心半導(dǎo)體芯片和元器件部分，我們發(fā)現(xiàn)華為海思在核心SoC（處理器+調(diào)制解調(diào)）、射頻SoC芯片、音頻芯片等都實(shí)現(xiàn)了自研，其存儲(chǔ)芯片分別來自于海力士（韓國）和美光（美國），傳感器芯片來自于意法半導(dǎo)體（歐洲），而射頻前端則完全來自于美國（Skyworks和Qorvo）。一旦中美關(guān)系緊張，我們認(rèn)為存儲(chǔ)器芯片還有機(jī)會(huì)去找日韓的其他供貨商來代替來自美國的鎂光，但是射頻前端，尤其是在濾波器部分，非常難以找到來自美國之外的其他貨源，因此射頻前端部分可能會(huì)成為華為手機(jī)中受到美國影響最大的部分。

射頻前端器件是手機(jī)中的核心器件之一。射頻前端器件直接與天線連接，一方面擔(dān)任手機(jī)內(nèi)無線接收鏈路的先鋒大將，完成天線開關(guān)調(diào)諧、濾波、低噪聲信號(hào)放大的工作，并把完成初步放大處理的信號(hào)交給射頻SoC做進(jìn)一步下變頻和數(shù)字化處理；同時(shí)，射頻前端器件也在發(fā)射鏈路端負(fù)責(zé)信號(hào)的最后把關(guān)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的濾波和功率放大。與射頻SoC相比，射頻SoC通常會(huì)使用CMOS工藝實(shí)現(xiàn)，而射頻前端由于性能和設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，往往會(huì)使用專用工藝實(shí)現(xiàn)。

過去，射頻前端器件都傾向于使用分立器件實(shí)現(xiàn)，每個(gè)前端器件設(shè)計(jì)公司都走IDM的路線。而目前，射頻前端的技術(shù)發(fā)展路徑是向高集成度發(fā)展，廠商也在向Fabless的路線前進(jìn)，工藝也在標(biāo)準(zhǔn)化，可以說與芯片行業(yè)發(fā)展的常規(guī)路線越來越接近。LNA、PA（功放）、開關(guān)等器件都在向集成化方向發(fā)展，例如使用SOI技術(shù)將LNA和開關(guān)器件集成在一塊芯片上，而PA也在向標(biāo)準(zhǔn)化工藝（如標(biāo)準(zhǔn)III-V族工藝甚至CMOS）方向前進(jìn)。目前，不少射頻前端公司推出的射頻前端模組都是高度集成化的，例如使用在華為P30中的Qorvo 77031模組就包括了三路PA，BAW濾波器以及天線開關(guān)。

然而，濾波器卻不受射頻前端器件標(biāo)準(zhǔn)化趨勢(shì)的影響。在射頻前端器件中，需要非常高性能（即高品質(zhì)因素）的濾波器以保證無線信號(hào)滿足通信協(xié)議對(duì)于干擾的要求。這類濾波器通常必須使用聲濾波器（低頻段用SAW，高頻段用BAW）實(shí)現(xiàn)。在濾波器領(lǐng)域，尤其是BAW濾波器領(lǐng)域，美國仍然占據(jù)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，尤其是用在4G／5G高頻段的BAW濾波器，基本是美國的博通和Qorvo等公司獨(dú)占鰲頭，目前尚未見到來自其他國家的BAW濾波器能進(jìn)入大規(guī)模商用。

因此，在這一點(diǎn)上，濾波器又成為了射頻前端中最受制于美國的器件。舉例來說，華為P30中使用的Qorvo 77031模組包含了PA，BAW濾波器以及天線開關(guān)。如果美國政府出口禁令影響華為，那么該射頻前端模組中的PA和天線開關(guān)都有機(jī)會(huì)使用來自于其他國家的供貨商，甚至使用國產(chǎn)模組替代，但是BAW濾波器卻會(huì)成為一個(gè)難以找到其他供貨源的弱點(diǎn)。一旦真的BAW被禁運(yùn)，解決方法要么是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上做巨大的努力，使用加入特別設(shè)計(jì)的射頻SoC配合SAW濾波器去做2.5GHz以上的高頻段，但是這會(huì)非常困難；或者就先退一步再進(jìn)一步，在4G和5G直接退一步放棄2.5GHz-6GHz之間的頻段，由于4G和5G頻段眾多，結(jié)合無線運(yùn)營商的支持或許可行，當(dāng)真正需要高帶寬的時(shí)候直接進(jìn)一步使用5G毫米波來滿足用戶需求（5G毫米波由于頻帶衰減特性無需濾波器支持）。

濾波器有多難做

根據(jù)中國芯片的發(fā)展歷程，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)在芯片工藝和芯片設(shè)計(jì)這兩項(xiàng)上，我們更擅長在芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域追趕。舉例來說，20年前我國在無線調(diào)制解調(diào)芯片是一片空白，而到了今天華為已經(jīng)有能力發(fā)布性能領(lǐng)先全球的5G調(diào)制解調(diào)器芯片了。從經(jīng)濟(jì)和社會(huì)角度分析這個(gè)問題，這是因?yàn)樾酒O(shè)計(jì)可以走Fabless的商業(yè)模式，F(xiàn)abless的商業(yè)模式允許芯片設(shè)計(jì)公司無需承擔(dān)建造Fab的風(fēng)險(xiǎn)和巨額費(fèi)用，因此芯片設(shè)計(jì)公司需要的資本量比較低，資產(chǎn)主要是設(shè)計(jì)IP等虛擬資產(chǎn)，換句話說少量資本即可撬動(dòng)芯片設(shè)計(jì)公司去獲取大量收入并帶來回報(bào)。因此，芯片設(shè)計(jì)公司無需國家資本的大量資助就能做得有聲有色，光靠社會(huì)力量也能把芯片設(shè)計(jì)這項(xiàng)事業(yè)做得很好。射頻器件中的LNA、PA等都比較偏重于芯片設(shè)計(jì)方向，因此我們會(huì)比較容易在這個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)國產(chǎn)化。與之相對(duì)的是芯片工藝領(lǐng)域需要大量的資本去建廠、購買設(shè)備等，因此資產(chǎn)較重，光靠社會(huì)資本的力量在落后世界領(lǐng)先水平多年的情況下很難趕上。

而射頻前端中的濾波器則是屬于同時(shí)需要芯片設(shè)計(jì)和芯片工藝的積累，這是因?yàn)闉V波器本身更像是一個(gè)半導(dǎo)體器件，因此需要在器件設(shè)計(jì)和工藝方面都有深厚積累。例如，BAW濾波器中的主流技術(shù)FBAR需要在有源區(qū)下方做高精度蝕刻，這就對(duì)芯片工藝方面提出了很高要求；另一方面，也需要能有同時(shí)了解器件物理和工藝的工程師來完成結(jié)合工藝的器件設(shè)計(jì)，來實(shí)現(xiàn)高性能濾波器。因此，為了實(shí)現(xiàn)高性能的BAW濾波器，通常需要工藝和器件設(shè)計(jì)的協(xié)同優(yōu)化，BAW濾波器廠商需要有自己的Fab已完成定制化的工藝來生產(chǎn)濾波器。而需要Fab則意味著需要很高的資本投入。

正是因?yàn)锽AW濾波器對(duì)于技術(shù)的高要求和對(duì)于資本投入的高需求，因此在全球的競爭格局上形成了寡頭壟斷的局面，僅有Qorvo和博通能大量出貨，即使Skyworks在BAW領(lǐng)域也缺乏話語權(quán)。

射頻前端器件的國產(chǎn)化之路

如我們之前所分析，射頻前端器件中離芯片設(shè)計(jì)方向較近的、可以通過標(biāo)準(zhǔn)化工藝加Fabless模式實(shí)現(xiàn)的部分，國產(chǎn)化會(huì)比較輕松。這些器件包括LNA、PA、天線開關(guān)等。例如，Vanchip、漢天下等中國公司已經(jīng)能在4G PA上真正打入主流市場，而華為海思在LNA、PA、天線開關(guān)等領(lǐng)域有不錯(cuò)的進(jìn)展。在P30中，華為用的就是自研的LNA Hi6H01s芯片。隨著這些器件走向工藝標(biāo)準(zhǔn)化，我們認(rèn)為這些器件國產(chǎn)化只是時(shí)間問題。目前，Qorvo等公司的競爭策略之一就是高集成度，即把PA等器件和濾波器器件放在同一模組中捆綁銷售，這樣可以借助他們?cè)跒V波器領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)去占領(lǐng)LNA、PA的市場。

我國需要真正下大力氣追趕的是濾波器，尤其是BAW濾波器。如前文所述，射頻前端中的濾波器可以分為SAW和BAW兩類。SAW濾波器的歷史比較悠久，目前主要是日本（如Murata、TDK）和美國（如Skyworks）廠商主導(dǎo)。我國原先一些基站SAW的IDM供應(yīng)商，例如好達(dá)電子、中電科德清華瑩等企業(yè)，近些年也積極擴(kuò)產(chǎn)進(jìn)軍終端消費(fèi)類市場。同時(shí)，中國也有卓勝微、華遠(yuǎn)微電、開元通信、宜確等設(shè)計(jì)公司通過fabless模式切入SAW濾波器市場，并取得了不錯(cuò)的進(jìn)展，據(jù)悉已經(jīng)進(jìn)入了不少主流手機(jī)的供應(yīng)鏈。然而，在BAW領(lǐng)域，中國廠商還需要加緊追趕 。

如前文所討論的，BAW濾波器需要的是工藝和設(shè)計(jì)的協(xié)同優(yōu)化，同時(shí)需要長時(shí)間的技術(shù)積累，應(yīng)該說指望在幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化替代基本不現(xiàn)實(shí)。在BAW濾波器領(lǐng)域，我們一方面應(yīng)該看到其重要性，需要不遺余力地支持，而從另一方面也應(yīng)該給相關(guān)廠商以足夠的時(shí)間，讓他們的有時(shí)間把技術(shù)做好做扎實(shí)。因?yàn)樵跒V波器的現(xiàn)有技術(shù)路徑上，國際巨頭公司不僅壟斷了市場更是壟斷了絕大部分專利，所以開辟新的技術(shù)路徑并實(shí)現(xiàn)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)就成為濾波器國產(chǎn)化的必經(jīng)之路，國內(nèi)的初創(chuàng)公司，比如云塔科技、開元通信和晶訊聚震，在這方面做出了一些卓有成效的嘗試。目前我們看到重慶聲光電、開元通信、中科漢天下等公司在FBAR BAW領(lǐng)域正在積極努力，希望我們能早日看到他們的努力得到回報(bào)！