RFIC行业十几年的沧海桑田,都经历了些什么?

2016-07-31 12:34:54     作者:矽说      来源:雷锋网

射频IC为什么这么惨?

雷锋网(搜索“雷锋网”公众号关注)按:本文作者李一雷,UCLA博士生,高通(射频组)实习工程师,矽说(微信号:silicon_talks)主笔。

其兴也勃焉

最近,一个高通的资深技术经理在和我聊天的时候感叹射频集成电路在这十几年里的起起落落。他说在美国念博士期间(上世纪九十年代末)甚至还没有一本完整的RFIC(射频集成电路)教科书,那时候怎么做射频电路全靠自己摸索。他毕业后就来了高通,见证了RFIC行业在十年前的盛景,然后转眼间RFIC就成了明日黄花,愿意做这行的新人越来越少,老人则都在担忧会不会被裁员。“太快了,也就是十几年的事情”,他感叹道。

使用分立器件无线电的大哥大电话曾是时尚的象征

RFIC行业在这十几年里的变化确实是沧海桑田。

时间回到上世纪九十年代,那时候大哥大在中国还要一万多块钱一个,当时的消费者根本不会想到今天我们能用上价廉物美的小米手机。

当时手机里的射频电路还是用昂贵的分立器件搭的,很少有人能料到不久以后我们就可以用便宜的CMOS工艺实现RFIC从而把所有的器件都集成在一片芯片上。甚至当时在制定2G的GSM标准时都没有考虑到会有CMOS RFIC这个东西,以至于在GSM标准中相位噪声指标对CMOS电路来说特别苛刻。(到了二十年后的今天,虽然CMOS IC的特征尺寸已经按照摩尔定律从当年的500nm缩小到了今天的16nm,但是GSM收发机的相位噪声指标仍然需要仔细优化才能满足!)

事实上,CMOS RFIC在当时确实面临重重困难,例如:如何实现高性能的片上电感?如何用噪声性能很差的CMOS器件实现低噪声放大器?如何用载流子迁移率比较差的CMOS器件实现高频振荡器?然而,正所谓时势造英雄,一批CMOS RFIC的先驱者做了大量漂亮的工作,解决了CMOS RFIC绝大多数的问题。

例如,Stanford的Patrick Yue(后来联合创立了Atheros,目前在港科大做教授)和UC Berkeley的Ali Niknejad(目前仍在UC Berkeley当教授)实现了硅基底芯片的高质量片上电感,UCLA的Ahmad Mirzaei(目前在博通,也是笔者的Mentor)和Asad Abidi实现了宽带CMOS片上振荡器,Stanford的Derek Schaeffer(目前在苹果)和Thomas Lee告诉大家如何用CMOS实现低噪声放大器,并且宣布随着CMOS特征尺寸缩小放大器的噪声系数会变好!CMOS RFIC掀起了一场革命,价廉物美的手机从此进入了千家万户,并推动了半导体和通信业界的繁荣。

Thomas Lee在2003年出版的经典教科书也见证了RFIC的黄金时代

时至今日,RFIC业界的前辈仍然会津津乐道当时的盛景。在美国,二十一世纪初正值互联网泡沫破灭,那时候无数码农一边上班一边自学电路想要转行做模拟/射频电路(“模拟/射频电路越老越吃香,coding则是吃青春饭”的说法正是那时候出现的),这和现在无数IC工程师一边上班一边刷LeetCode想要转行做计算机的情况多么相似!在通讯行业最火的时候,一个做Machine Learning毕业的博士想要找工作还需要自学Viterbi algorithm等通讯算法以期能够进入高通。

那时候电路设计公司野蛮成长,极度缺人,以至于有些工程师毫无电路背景的妻子在培训过一段时间后也能进入设计公司做版图设计。在中国,电路设计的外企刚刚登陆一线城市,正在大规模以高薪招聘有电路相关背景的人才。在那个射频电路的黄金时期,一个硕士毕业在研究生期间做过LNA电路仿真的人就可以轻松进入外企拿每个月1万+的月薪。

在那个时候,大家对于未来的预期是乐观的。通讯标准的定期更新(2G->3G->4G……)会推动对满足新标准RFIC的需求,而随着CMOS特征尺寸缩小,RFIC的性能会越来越好,从而开拓新的应用市场。因此,RFIC行业完全可以和CPU一样按照摩尔定律发展,市场会越来越大,RF工程师则会随着年龄增大经验越来越丰富从而越来越吃香。

然而,现实并没有像预想的那样美好。RFIC的性能虽然一直在进展,但是利润率却越来越低。高通、博通、美满等业界巨头为了节约成本纷纷合并裁员。RFIC工程师的日子是越来越难过了,许多人更是一边上班一边刷题想转行做程序员。

业界巨头联发科毛利率趋势,毛利率50%+的时代是回不去了

RFIC的尴尬现实

那么,为什么RFIC的理想与现实差那么多?为了回答这个问题,我们首先需要分析消费者的需求。

如果直接问消费者对于RFIC的需求恐怕太过抽象,所以我们不妨先考虑消费者对于无线通讯的需求。就拿WiFi为例,十多年间WiFi的连接速度从802.11b的2Mb/s增长到了如今802.11ac的100Mb/s。然而,各位读者老爷们不妨扪心自问,如果今天把你家里的WiFi从100Mb/s换成2Mb/s,真的会感觉到巨大的区别吗?

不妨看一下自己家里的路由器,是不是已经用了很多年都没有换了?对于基本的工作和娱乐(上网聊天,看视频),2Mb/s的无线连接速度已经足够。网络游戏对于上网速度是有要求,但是其要求主要是低延迟(即由远端服务器到本地的路由通畅)而非高带宽,在网络足够顺畅的条件下2Mb/s的带宽足够跑大多数网络游戏。这也是为什么玩游戏网络卡的时候玩家往往会骂电信骂联通抱怨网络垃圾,但从来不会有人去骂博通出品的无线网卡太烂。

对于带宽唯一有要求的是下载,可是目前下载速度对于整体用户体验来说只是非常非常小的一部分,毕竟不下载不舒服的人数不多。归根到底,消费者对于无线通讯速度的需求在十年间并没有指数型的增长,在这种情况下又怎么能指望无线通讯硬件(包括RFIC)市场有指数型的增长呢?

802.11ac标准WiFi早已支持100Mb/s,可是8Mb/s的中国电信宽带在2016年仍然需要1580元/年,在上层带宽只有8Mb/s的情况下使用100Mb/s的WiFi有什么意义呢?

上下游企业无法形成合力挖掘需求

那么,为什么消费者对无线通讯速度的需求增长如此疲软?其根本原因还是行业的上下游企业并没有形成合力去挖掘消费者的需求。

消费者的需求很多时候是藏在地下需要挖掘的。

一个很好的例子是触摸屏手机 ,在苹果推出iPhone之前没有人会想到消费者对触摸屏有如此大的需求,而在苹果推出iPhone以后,整个行业都发生了一场革命,从上游的软件行业到下游的触摸屏硬件(包括屏幕和驱动IC)都飞快地拥抱了这种崭新的人机交互模式并且获利颇丰,可谓挖掘消费者需求有钱大家赚的典范。

另一个上下游企业合力驱动消费者需求的例子是PC,消费者对PC更新换代的动力不仅来自于硬件增强改善用户体验(处理器芯片更强内存更大),而且来源于软件需求(操作系统更新、软件版本更新还有新游戏都需要更强的硬件)。

十年前我曾买了一台PC,主要目的就是跑WinXP开Office聊QQ上网看看新闻。当时我面对顺畅无比的电脑想着“我用这台电脑一不玩游戏二不跑大型软件,应该用上十年没问题吧”。事实证明我太Naive了,Windows更新我可以忽略,新出的五光十色的游戏我可以不玩,可是互联网相关应用逼着我换电脑我却无法抵抗。QQ每升级一次电脑都会卡一点,但是长时间不升级QQ就会因为版本太旧无法登陆。上网也是一样,随着Flash和Html5技术持续升级网页特效是越来越好看,但是内存和CPU也是越占越多(现在开一个Gmail邮箱竟然要占几百兆内存,这在十多年前主流内存配置只有512MB的时候是没法想象的)。最后,我也不得不买了台新电脑。这就是上下游企业如何合力驱动消费者进行消费的例子。

然而,在无线通讯相关领域,上下游企业并没有形成合力,上下游企业各存小心思有时甚至会互相掣肘。

比如,在4G刚刚推出的时候,新闻报道说4G可以实现50Mb/s的高速连接,可是新闻下面最热门的评论既不是在赞叹科技的发展,也不是在盼望早日能用上4G,而是在担心一旦用上了4G会不会一个月的流量瞬间就用完了!

换句话说,消费者对于高速无线通讯的需求被运营商高额的流量收费给扼杀了。处于产业链上游的RFIC工程师就这样被下游的老大哥——电信运营商给坑了。另一个例子是WiFi,只要你用的还是中国电信2Mb/s带宽的小水管,那100Mb/s的802.11ac网卡和路由器对我而言就没有太大意义。自然而然地,app开发者会在设计app的时候避免需要高网络带宽的内容,而用户因为app不需要很大的网络流量所以也意识不到一款支持高速无线上网的手机有什么意义。

这样导致的结果就是,RFIC对应的无线通讯模块在手机里面显得不那么重要,只要你能实现打电话,能上4G-LTE就行,至于你可以支持LTE是category 1(10Mb/s)还是category 3(100Mb/s)都不在乎,有时候你把支持的连接速度弄得太高消费者反而担心流量走太快!

所以目前市场上主流的手机跑分没有跑无线连接速度的,也极少有手机厂商会以上网速度快为卖点,RFIC就这样被边缘化。

相形之下,同样是芯片,Application Processor(AP)就要幸运地多。手机的操作系统、app等等都围绕着AP打转,消费者对手机最关注的指标“快不快”也由AP决定,因此AP也就成了各种跑分竞赛中的关键模块,也是手机最大的卖点。就在各个手机厂商大肆搞跑分竞赛,炒作“核战争”,晒情怀的时候,RFIC被无情地遗忘在角落,甚至手机边角是否圆润在厂商和消费者看来都比RFIC要重要!

国内4G资费偏高,如果用100Mb/s的速度全速下载只需1分钟不到即可将138元套餐的流量用完。这种时候,RFIC做得好网络连接速度快不但得不到消费者的肯定反而会引起“会不会一下就把流量用完了”的担忧。

工程师的血与泪染红了RFIC的红海

在消费者由于种种原因不怎么在乎无线通讯性能的情况下,厂商对RFIC的性能要求就是够用就好,“60分万岁多一分浪费”。你千辛万苦把接收机的灵敏度改善了3dB,结果人家消费者并不在意,用你芯片的手机厂商也不会以“手机信号好”来吸引消费者。

这时候芯片设计者唯一能做的就是cost down。这年头各种三教九流毫无技术背景的人(做杀毒软件的,做视频网站的,教英语的)都可以做手机,而这些半路出家的老板虽然不懂什么芯片指标,但是人民币毕竟还是认的。

可是,cost down之路是异常残酷而且很难回头的。为了占据市场份额不惜降价降低利润率的做法归根到底就是伤敌一千自伤八百,希望在自己流血致死之前能把竞争对手赶出目标市场。更可怕的是,在这场战争中,下游手机厂商已经习惯了低价的芯片,想要指望在把对手都赶走之后再提价提升利润率几乎是不可能的(面板厂商WinTek就是一个陷入红海后无法自拔的极好例子)。

目前,联发科,展讯等厂商已经在这场割喉战里打得不可开交,现在连高通都意图加入低端市场的竞争,手机RFIC的红海只会越来越残酷。

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