文｜半導體產業(yè)縱橫
最近，關于蘋果自研Wi-Fi和藍牙芯片的消息甚囂塵上，先是傳出蘋果要棄用老牌供應商博通（Broadcom）的Wi-Fi和藍牙芯片，后來又辟謠說，由于蘋果射頻芯片研發(fā)團隊的技術和人才積累不足，短期內還無法擺脫對博通的依賴。
無論如何，蘋果自研Wi-Fi和藍牙芯片已經不是秘密了。從早期的手機應用處理器（AP），也就是知名的A系列芯片，到后來的調制解調器（基帶芯片，還在研發(fā)過程中，未商用），近兩年，蘋果又在手機模擬芯片，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權，并提升智能手機的整體研發(fā)效率。
不僅自研手機系統(tǒng)中各功能塊的芯片，蘋果很可能還在進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SoC中。目前來看，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系統(tǒng)集成度，并降低功耗，這樣，就可以在手機內部添加更多應用功能模塊，給智能手機的發(fā)展提供更多的想象空間。
實際上，將AP、基帶、射頻前端芯片集成在一起并不是蘋果的創(chuàng)意，業(yè)界已經有多家廠商在嘗試了，典型代表是手機處理器大廠，如高通和聯(lián)發(fā)科。
01、手機芯片集成度不斷提升
作為手機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）、射頻開關（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，分別占市場價值的47%和32%。
基帶芯片是用來合成即將發(fā)射的基帶信號，或對接收到的基帶信號進行解碼，具體來講，就是把音頻信號編譯成用來發(fā)射的基帶碼，或把收到的基帶碼解譯為音頻信號?；鶐酒€負責地址信息（手機號、網站地址等）、文字信息、圖片信息的編譯。手機支持的網絡制式則是由基帶芯片模式決定的。
設計基帶芯片的技術門檻很高，且研發(fā)周期長，這是因為它涉及多種網絡制式（不同國家和地區(qū)，3G/4G/5G的網絡制式標準不同）和協(xié)議標準，基帶設計師團隊需要對這些標準和網絡制式非常了解，并能夠將它們融會貫通，只有具備這樣的知識儲備和設計能力，做出的基帶才能應對蜂窩網絡中各種復雜的標準和信息模式，分門別類地進行處理?？梢哉f，在所有手機芯片中，基帶的設計難度是最高的，這也是蘋果大力投入人力物力研發(fā)基帶芯片多年，但一直沒有能夠實現(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，隨著技術的進步和市場應用的發(fā)展，集成度不斷提升，現(xiàn)在都可以集成在一個模組里邊，且模組的集成度和小型化水平還在不斷提升。
還有一點很重要，手機中的射頻前端包括多個功能塊，有的負責蜂窩移動通信（3G/4G/5G）、有的負責WiFi、藍牙、GPS等通信，每個功能塊都是獨立的，需要不同的濾波器、PA、射頻開關等芯片，這對集成度的要求更高了，集成難度也在增加。
當下，手機廠商之間的競爭越來越激烈，除了蘋果，利潤率都不高，這樣，在成本和性能之間進行權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型定價相關，中高端手機的集成度就高，而中低端機型受限于成本，模組化程度不高。
以上討論的是在Sub-6GHz頻段內，這是全球大多數(shù)5G網絡采用的頻段。而在美國和日韓一些地區(qū)，還采用了更高頻率的毫米波頻段，這種蜂窩網絡制式的手機，對射頻前端集成度的要求更高，除了濾波器、PA、射頻開關和LNA，還把天線集成進了射頻前端，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，與分立式天線架構相比，AiP具有電路排布面積小的優(yōu)勢，另外，天線到射頻端口傳輸路徑短，減少了信號傳輸損耗，有助于提升發(fā)射端效能并可改善接收端的信號質量，也能降低組裝成本。
通常情況下，毫米波AiP模組內集成了陣列天線、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。
基帶與應用處理器的集成
基帶芯片是手機處理器之一，隨著智能手機的興起，只有基帶是不夠的，需要應用處理器去處理越來越多的多媒體信息（視頻、圖片、音樂、游戲等）。以前，基帶和應用處理器多為分立結構，近些年，隨著制程工藝水平的進步，以及應用對集成度要求的提升（高集成度可實現(xiàn)高傳輸效率，低成本，簡化手機電路設計），越來越多的廠商將基帶和應用處理器集成為一個SoC，并占據(jù)了市場的主流，代表企業(yè)是高通、聯(lián)發(fā)科、華為、三星和紫光展銳。當然，這種SoC不止包含基帶和應用處理器，還有其它功能組件，甚至相關的電源管理電路也集成進去了。
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、天線領域延伸，目標是提供一體化通信解決方案，以提升集成度，降低功耗，并為手機應用發(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，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，具體表現(xiàn)在：一、由于毫米波極易衰減，毫米波AiP模組對廠商的綜合射頻設計能力提出了更高要求，基帶與AiP模組在設計上的適配，可以提升毫米波通信效率；二、AiP模組內集成了收發(fā)器，而基帶廠商擅長設計收發(fā)器，因為收發(fā)器與基帶緊密相關；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)勢有所削弱。
設計和制程工藝壁壘
射頻前端屬于模擬器件，在設計過程中涉及大量know-how，不同頻段的芯片需要大量時間進行研發(fā)和調試，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。
射頻前端電路設計很復雜，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，就需要設計與工藝緊密結合，設計師對工藝的深刻理解至關重要。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，開關采用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好關系以保持產能供應就可以，但對于濾波器來說，主要采用SAW、BAW特殊工藝，市場上沒有理想的代工廠，相關廠商都是IDM。
射頻前端芯片涉及工藝如此復雜，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、廠商動作
雖然難度很高，但迫于應用發(fā)展對集成度提出越來越高的要求，各大手機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，例如：高通于2014年收購了CMOS制程工藝PA廠商Black Sand，2016年與TDK成立了合資公司RF360，拓展射頻前端產品；聯(lián)發(fā)科于2019年增資當時中國大陸最大的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，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自適應天線調諧解決方案。
毫米波AiP方面，目前，該市場主要被高通占據(jù)，三星、聯(lián)發(fā)科、紫光展銳、蘋果等廠商緊隨其后，預計未來份額將逐漸提升。從毫米波AiP市場發(fā)展情況來看，預估未來將被基帶芯片廠商壟斷。
03、結語
為了提升手機芯片集成度，掌控差異化競爭優(yōu)勢，無論是處理器廠商，還是射頻芯片廠商，都在各自領域努力提升產品競爭力。在此基礎上，手機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)展情況來看，基帶+射頻芯片的SoC方案實現(xiàn)起來非常困難，尚無商用案例。因為這里邊涉及到太過復雜的數(shù)字和模擬芯片設計和制程工藝問題。高通、聯(lián)發(fā)科等頭部手機處理器企業(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還有較長的路要走。
而作為后來者的蘋果，雖然其A系列應用處理器在市場取得巨大成功，但自研基帶芯片困難重重，預估最快也要到2026年才能商用，到那時，要想將Wi-Fi、藍牙等射頻功能集成進去，難度很大。