车载ECU与半导体技术分析

参考文献链接

https://mp.weixin.qq.com/s/Y8PMeMuOdgfHzVNrg1t0nw

https://mp.weixin.qq.com/s/JgudZTQ_L7u5vBybaNEBaQ

https://mp.weixin.qq.com/s/CLoZ2UqDsyS_vsURFRfJQg

车载ECU嵌入式设备的诊断

诊断相关基础小知识

1.1 诊断地址
ECU的诊断地址，跟以太网设备间通讯地址设置不一样。在以太网中每个设备都有一个唯一标识符MAC地址。设备间的单播通讯如下图所示：

图 1

以太网络的端口地址直接对应物理设备，设备出厂时Mac地址直接烧录在网卡的E²PROM中，从以太网地址配置上也可以看出两者间的对应关系。ECU的诊断地址是不一样的，不存在类似以太网那样的通讯端口，没有像以太网那样地址跟设备端口的绑定关系，厂商也不会有一个唯一地址在出厂时烧录进CAN处理芯片中，我们可以把它理解为逻辑上的地址。ECU接收到诊断请求时，检查数据帧的接收地址是否跟本ECU配置的诊断地址一致，如果一致则接收并处理，不一致就丢弃。发送数据时则在数据帧对应位置写入配置好的本ECU诊断通讯响应CANID。通过下图我们可以直观的看到诊断通讯关系。

图 2

1.2 物理寻址和功能寻址

在1.1章节中我们通过以太网的设备间单播通讯来类比解释了CAN网络两个ECU间的一般通讯。我们知道以太网有单播、组播、和广播通讯，对应CAN网络有物理寻址（Physical Address）和功能寻址（FunctionalAddress）。

我们通过一个生活中的例子来说明物理寻址和功能寻址的区别。比如我们在统计办公室员工的核酸检测情况时，统计人员分别找到每个员工进行询问，这种方式就类似物理寻址，是一对一的通讯；统计人员在办公室吼一嗓子“大家核酸都做过了么，分别私下跟我说下”，然后每个员工单独回复统计员，这种一对多的询问就类似功能寻址。

通过上述例子，我们可以知道ECU间点对点通讯是物理寻址实现，一对多发出请求是通过功能寻址实现。这里我们强调下即使请求报文是功能寻址，响应端发送回复报文时依然是使用物理寻址来进行答复（不是功能寻址答复）。在实际项目中很多ECU的功能寻址地址通常都是0x7DF，具体项目中ECU地址是多少需要查阅项目对应的诊断规范文档。

通过上面两个章节的讲解，我们可以知道ECU通常情况下会有3个地址，分别对应物理寻址的发和收，以及功能地址。

我们要注意的是CAN网络是总线型网络，采用的是CSMA/CA机制。ECU间的物理寻址和功能寻址的通讯报文在物理层面上其实都是以广播的形式存在的，所有广播域内的ECU均能收到该通讯报文，至于收到该广播报文后如何处理，ECU对比报文的目的地址跟自身的物理寻址接收地址和功能寻址地址是否匹配，然后再决定后续操作。

02 统一诊断服务（UDS）

UDS的全称为Unified Diagnostic Services，关于UDS的详细描述和定义，大家可以查阅ISO 14229标准的系列文件来深入了解。网络上能够找到的关于UDS的文章非常多，我们这里从通俗易懂的角度给大家进行介绍，适合测试工程师快速入门，然后在实际项目中有工作经历之后可以通过其他方式再深入了解相关知识。

之所以一直强调UDS功能比较重要和基础，是因为USD功能在车辆生产和使用过程中对很多其他功能模块和基本操作有直接的影响。首先在车辆生产线下线时，产线电检会使用电检仪通过UDS对多个ECU写入很多必要的预设值信息，如写入对应车辆的VIN码、零件号、物流信息等，还可以激活某些特定设置，或者锁定一些特定状态以防止零部件的随意变更等等。车辆在4S店进行维护保养时，ECU固件的升级、故障码的读取和消除等等，也是通过OBD口连接使用UDS相关服务来完成的。

在上一篇文章中我们提到了，CAN网络上设备间通信基本可以分为3种情况，分别是：设备周期性主动发送一些状态报文；某个条件发生改变并符合设定要求，从而被动触发型信号发送；查询和回复型信号。这里查询和回复型主要就是UDS功能产生的。

为了方便理解，我们可以不是很准确地把UDS看作一个应用层协议（实际肯定不准确），因为在项目开发、测试、标定、排错等过程中接触最多的就是应用层相关的功能。

基于查询和回复这种问答式通信方法，在CAN网络上可以实现很多功能，如获取信息、写入信息、会话控制、重启设备、上传下载等等。我们把每种实现了特殊功能的查询和回复称为一种服务，UDS总体上有6大类，共26种不同服务。至于在具体项目中，网络架构工程师和系统设计工程师会根据实际情况对ECU支持的UDS服务种类进行裁剪，所以一般情况下ECU支持的服务种类要少于26种，通常还会对服务的对子功能做自定义设计。

2.1 请求报文

请求报文的格式比较简单，通常由3部分组成，首先是Service ID固定长度1字节，Service ID直接表明了本服务支持的功能类型，就是前面我们说的26种服务中的一种，Sub-Function是对应的具体服务的每个子功能项设置，有的服务有多个子功能，也有的服务没有子功能，所以Sub-Function项是可选项，最后Parameter项是对应到最详细子功能的属性参数配置项，属性参数的配置也是根据实际情况来进行配备。

图 3

通常Parameter在具体项目中是工程师自定义最多的对象，也有主机厂在诊断规范中会自定义子服务。

我们举一个常见的服务来给大家说明下，如10服务。Service ID是10，功能是用来做会话控制，子功能通常是3个，分别为01、02、03，没有parameter参数，3个子功能分别代表了3种不同会话模式。在某个主机厂的诊断规范中自定了子功能04，为特殊场景自定义了该会话模式。综上所述10服务的请求报文通常会有：10 01、10 02、10 03。

2.2 响应报文

对应于UDS请求报文，ECU通常有3种不同的响应处理。

1）Positive Response正响应

正响应是ECU对接收到的请求给予明确的成功内容结果返回，意味着请求得到成功执行。例如请求是读取车辆VIN码，正响应就是回答VIN是XXX。

正响应返回的报文格式跟请求报文类似分为3个部分，首先是Response SID是对请求服务的回显，Response SID的值为请求报文中SID + 0x40；其他两部分内容为Sub-Function和Parameter，这两部分的内容根据具体情况确定，在项目诊断规范中有明确规定。

正响应的报文格式如下图所示：

图 4

例如：请求10 01，正响应为50 01；请求22 XX XX，正响应为62 XX XX XX。

2）Negative Response负响应

负响应是ECU收到请求之后，无法对请求的内容正确执行，回复了失败，并附带了失败的原因。

负响应回复报文的格式同样可以分为3个部分，首先第一个字节是0x7F，表明请求失败，第二个字节为请求的服务ID，第三个字节为失败原因代码NRC。NRC代码具体对应的失败原因可以查阅NRC的表格来确定，在具体的项目中这部分内容可以查阅项目中的零部件网络诊断规范，在文章中我们多次提及了该文档，这个文档是由车型项目组的网络电子架构团队负责整体汇总发布，零部件的产品系统设计工程师负责维护和变更，所以在实际项目中可以找这两个岗位的工程师获取。

负响应报文格式如下图所示：

图 5

例如：请求10 02，负响应7F 10 7E，7F表明该相应失败，对应的失败服务是10，失败原因是7E，查阅NRC表知道7E的含义是“Sub-function not supported in active session”，提醒使用请求10 02子功能请求时不应该在当前会话模式下，当前的会话模式不支持10 02子功能请求使用。

3）无响应

无响应的出现是网络架构部门为了降低CAN网络上报文环境的复杂情况而做的设计。目的是不回复请求方正响应数据帧，即，当即将答复的响应帧为正响应时，不发送响应帧。

无响应是通过请求报文中子功能的抑制肯定响应指示位实现的。在某些服务的子功能中，最高的bit7位置为1时即设置为正响应抑制，该位置为0时关闭响应抑制。支持响应抑制设置的服务有10、11、28、3E、85等等。

图 6

例如：发送10 81，当回复是正响应时，ECU不答复；发送10 82，答复7F 10 7E，同样是请求带正响应抑制，但是ECU执行失败，此时则进行了回复。

我们之前强调，可以把UDS视为应用层协议，各主机厂对规范的自定义空间比较大，可以自由进行定制化修改。我在一个项目中遇到工程师设计了负响应抑制，跟本章节我们前面内容说的场景恰好相反，前面我们细说了当ECU响应为正响应时进行抑制，只回复失败。在一个项目中我遇到的是某些特定服务ECU正常发送正响应，只有负响应被抑制处理。所以诊断规范的自定义操作空间较大，测试设计时一定要仔细查阅相关规范。

2.3 通讯帧

在上一章节中我们使用了一些服务来举例，实例中包含了的是有效的数据内容，在CAN网络上进行UDS报文传输时，CAN网络的特性对于传输内容长度有一定要求，普通的CAN数据帧每帧8字节长度，在这个长度的报文上传输UDS协议数据时肯定会受到相应的限制，如果1帧报文长度不满足载荷需要，那就需要使用多条数据帧来信息承载。

1）单帧通讯

我们在上一章节列举的例子内容长度均比较短，7个字节的单个数据帧足够使用，这样的数据帧为单帧。

我们通过工具来查看网络上服务问答真实数据报文形式，如下所示：

图 7

我们可以看到两条报文：报文1)，Tester传输，ECU接收ID717，数据长度8字节，我们使用了SID10的会话控制服务，发送了报文“02 10 01”，其中首字节“02”表明本报文后面有效数据长度为2字节，第二字节“10”表明服务为SID10，第三字节“01”表明子功能为01，剩余4-8字节使用AA自动补全。报文2) Tester接收，ECU发送ID71F，数据长度8字节，正响应SID10的会话控制服务，发送了报文“02 50 01”，其中首字节“02”表明本报文后面有效数据长度为2字节，第二字节“50”表明SID10+0x40属于SID10服务的正响应，第三字节“01”是对应子功能。

2）多帧通讯

当一个数据帧7个字节不能完成一次通讯时，就需要把数据拆分到多个数据帧进行传输。我们同样通过下面的实例来进行讲解。

图 8

我们首先看请求报文“03 22 F1 80”，首字节“03”表明报文后面有3字节有效数据，第二字节“22”表明是SID22读取服务，22服务没有子功能，第三、四字节是$22服务读取的参数；返回报文的首帧为“10 10 62 F1 80 56 30 2E”，第一个字节“10”表明本条回复报文是多帧的第一帧，第二字节“10”表明后继有效数据长度为0x10字节，换成10进制为16字节，第三字节“62”是正响应服务SID22+0x40，第四、五字节表明Parameter参数为F1 80，后继的有效数据13字节的信息即为F1 80的读取值；第三帧报文“30 00 00 00 00 00 00 00”，为多帧的流控帧，提示首个响应报文成功发送，继续发送剩余帧；第四帧“21 30 30 2E 30 30 46 42”首字节“21”表明是多帧的第二帧，本帧其余字节均为有效数据内容；第五帧“22 4C 42 31 AA AA AA AA”，首字节“22”表明是多帧的第三帧，因全部多帧的有效长度在第一帧中记录为16字节，所以至此第三响应帧时有效数据内容只有3个字节，加上首字节的序号位，前4字节为有效位，剩余4字节自动填充。

03 部分诊断服务

本章节我们对用到的一些服务做简单介绍，后续使用最频繁的服务我们会单独讲解。

1）$3E服务

$3E服务的用处是提示ECU状态保持，如扩展会话的状态在一段时间后自动退出到默认会话，使用3E服务可以将会话保持在扩展会话模式下。

请求格式为3E 00和3E 80，其中3E 80即为正响应抑制，不需要ECU回复。3E 00的正响应回复报文格式为7E 00。

2）$11服务

$11服务的作用是将ECU进行复位，最常用的有3个子服务，分别是01、02、03，04、05分别是使能和禁用快速休眠，0x40-0x7E为主机厂和零部件供应商自定义字段。

11 01硬复位ECU，即要求ECU执行电池断电到设备上电的重启；11 02车辆点火复位，即要求ECU执行车辆整车电源从off到on状态下的设备复位；11 03软复位ECU，即要求ECU执行应用程序重启，相当于热启动。

11服务发送请求报文后，不一定有响应报文，因为ECU执行成功就是设备重启，所以有主机厂要求11服务支持正响应抑制标识，会要求发送11 81。

3）$31服务

$31Routine服务基本上是厂家定制操作最多的服务，厂家可以预设值很多操作，然后通过31服务来调用执行。比如可以让进行ECU状态检查，让ECU通过预设算法生成特定数据，然后根据这些特定数据生成状态，可以通过31服务锁定这些状态，这个功能在主机厂锁定车辆上配套ECU零部件时会经常用到，这样一旦锁定了当前车辆ECU，其他任何人都不能随意更换，车主想要对这些ECU进行更换维修只能到指定正规的4S店完成，零部件一旦随意更换，通过31服务调用执行生成的状态锁定数据跟车辆不匹配，更换的ECU根本无法正常使用。当然这只是31服务的一个设计功能。

31服务由4部分组成，第一部分SID31；第二部分子功能，分别是01启动、02停止、03查询；第三部分要调用执行的routineID，这部分开始有主机厂自定义；第四部分可选的routine控制参数，跟第三部分的routineID是对应的，也是主机厂自定义内容。例如：31 01 08 09，让ECU调用执行08 09routine，ECU执行成功反馈71 01 08 09，执行过程出现一些问题，条件不满足会返回71 01 08 09 xx yy，其中xx yy是不满足的条件，这里的不满足条件指的是执行当前31服务时的一些ECU其他信息预置条件，如执行当前服务需要已经生成了XX信息，已经锁定了XX状态等，可以理解为服务的内部执行错误。当然如果返回7F 31 7E同样是执行失败，失败的原因可以查找NRC，NCR中的错误我们可以把他理解为服务外部错误，如执行安全等级不正确，会话模式不正确，子功能不存在，超出范围限制等等，NRC错误跟上面的不满足条件失败是两种类型。

04 UDS的测试

UDS的测试通常在收到首个软件版本后就开始执行了，测试的时间段主要集中在OTS造车前，OTS开阀前必须确定UDS功能正常无故障。

UDS的测试设计依据最重要的文档就是零部件的网络诊断规范，在规范中详细定义零部件支持的所有服务，以及服务的所有子功能和属性参数。

通常UDS的功能测试设计重点在功能正常执行场景部分，按照服务、子功能、功能属性参数列举所有请求报文，分别在不同会话模式和安全控制模式下，测试物理寻址、功能寻址的返回情况。正常测试还需要对会话返回的NRC进行测试，这一部分内容通常会被测试工程师遗漏，因为NRC中有部分的测试条件难以预置。

UDS功能还需要进行异常测试的设计，这部分的测试设计通常可以跟NRC部分合并进行。

在设计DTC故障场景模拟时，需要特别注意电源短路的模拟，需要跟硬件工程师确认是否对电源供电，线路板PCB静电泄放等做保护性设计，否则容易造成板卡烧坏。

虽然我们是执行UDS的功能测试，不需要对通讯的时隙精度等进行验证，报文响应间隔时间的精度，超时时间范围精度这些时间相关测试，通常跟信号电平等等一起在开发早期完成。但我们还是建议在测试设计上加入执行时间监控测试，以及报文间隔不同时隙的测试。如多帧发送或响应时，帧间不同时间间隔设置的影响；会话自动退出的时间是否在设计要求内；$30服务不同发送时间间隔对会话保持的影响等等。这部分功能在开发初期通常比较容易出现问题。

这局“芯战”，我国“将”了英特尔一军？

近日，英特尔与中科院微电子所的专利诉讼纠纷，在历经4年多的交锋后终迎来最新进展：英特尔表示，双方已签订一项保密协议，解决所有未决诉讼，同时表示会获得一些微电子所专利的许可，并对微电子所剩余专利组合达成一份长期的不起诉约定。

如“企业专利观察”公众号所述，至此，这场中、美芯片行业最重磅的一起专利纠纷案，以中科院微电子所专利最终被英特尔认可并获得许可，而告一段落。

据悉，该项专利名为“半导体器件结构及其制作方法、及半导体鳍制作方法”的FinFET专利。本次专利诉讼纠纷的解决，意味着我国在世界集成电路最先进的芯片制造领域正在迎头赶上，经得起全球科技巨头的挑战，面对不正当的手段已掌握了一定的话语权。

中科院微电子与英特尔六次交锋均获胜

早在2018年，中科院微电子所就指控英特尔（中国）有限公司的酷睿（Core）系列处理器侵犯了其名为“半导体器件结构及其制作方法、及半导体鳍制作方法”的FinFET专利，要求英特尔赔偿至少2亿元，同时请求法院对“酷睿”产品实施禁售。

此后，针对中科院微电子所的这项FinFET专利，英特尔曾在中国、美国两地至少试图6次申请无效宣告请求。因为按照英特尔的计划，如果能够在各大市场中成功申请将中科院微电子所的专利无效化，就可以摆脱侵犯专利的嫌疑，自己非但不用赔偿，还能够继续沿用这类技术进行盈利。

不过，每次申请无效都以英特尔失败告终，由此可见，中科院微电子所在FinFET领域专利实力非常雄厚。

国外专利咨询公司LexInnova也曾在2015年进行的FinFET领域专利调查研究中显示，中科院微电子所专利申请数量在该领域排名第11位，也是中国大陆唯一进入前20位的企业，但是其专利质量却能够稳压英特尔等巨头，成为世界第一。

中科院微电子，为何能凭借

FinFET专利“将”英特尔一军

上个世纪末，半导体工艺进化之路曾一度面临停滞，摩尔定律遭受威胁，直到一位华人教授胡正明带领团队发明出「FinFET晶体管技术」，使得摩尔定律延寿了数十年。

FinFET技术成功地推动了从22nm到5nm等数代半导体工艺的发展，成为全球主流晶圆厂的“不二”之选。中科院微电子所也曾自己对涉诉专利有过评价，其重要性程度不言而喻：

涉案专利涉及当今最先进的晶体管器件的关键结构和核心工艺。该专利是在“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”国家科技重大专项（02专项）的支持下，围绕集成电路先进制造技术进行布局的若干专利组合中的核心专利之一，能够有效提升芯片集成度并降低制造成本。

简单来说，这个专利技术主要涉及半导体器件结构及其制造方法，包括半导体衬底、位于半导体衬底的鳍结构上方的栅极结构、位于栅极结构下方的鳍结构的沟道部分，以及设置在半导体衬底上方并且与沟道部分接触的至少一个外延区等等。这一专利如今普遍应用于芯片行业，对于国内而言，也是开拓芯片市场的一大利器。

行业内最早实现FinFET商业化应用的是Intel公司，英特尔率先于2011年推出了商业化的FinFET工艺技术，将FinFET技术应用到了自家的22nm制程工艺上，显著提高了性能并降低了功耗，之后台积电，韩国的现代和三星等相继在16纳米到10纳米的节点上推出了鳍式场效应晶体管产品，使得FinFET大放异彩。

中科院微电子前身为原中国科学院109厂，其所在FinFET的研发上位居国际前沿，且多数专家都有国际巨头半导体企业的从业经历。

FinFET与传统平面FET的区别主要在“鳍”上，因此对“鳍”的后续改进，就成为各家争夺的焦点，中科院微电子所正是在“鳍”的创新上投入了大量的基础性研究，有超过一多半的专利都是围绕“鳍”在研发，所研发的FinFET技术比较接近基本原理，有充足的潜力去支持前端开发，因此专利和科研成果之间的转化也就相对容易。
公开信息显示，微电子所专利数量和质量都非常可观。截至目前，微电子所围绕集成电路、高可靠器件与电路、物联网等领域已经提交中国专利申请5000余件，国外专利申请500余件，转让专利158件，达成专利许可1505件。

这些都是英特尔都很难具备对抗的实力。

写在最后

综上所述，中科院微电子所占据的优势并不是经营规模多雄厚，资金实力多强大，而是在它拥有的业界知名专家，并且这些专家一直勤勤恳恳、兢兢业业，这其中不少人在面临改革开放对我国芯片产业造成的冲击时，也依然选择坚持下来，仔细研究，如此才获得高质量的专利产出，掌握了过硬的技术专利，才使得微电子所在应对英特尔时，一直处于优势。

中国芯片需要耐心、长期主义、需要脚踏实地，也希望我们国家能拥有更这样的从业者！

第二代半导体贵族：砷化镓到底有多牛逼？

当下是第三代半导体流行的时候，由III-V族元素构成的化合物半导体GaN。
九月初的时候，有小伙伴聚在一起聊天，我们几个都是做GaAs出身的（As和N同属第V族元素）。
GaAs，现在知道这个名词的人不多了，它叫砷化镓，是第二代半导体工艺，是我们当年的主攻方向。

三代半导体对比图源：google

也是GSM、3G、4G时代小功率放大器的主要材料，用在手机前端信号放大，FEM或者PA。

FEM

FEM，Front-end modules，即就是前端模块。硬件电路中的前端模块，完成射频信号的发送放大以及接收放大（with bypass）、滤波，甚至包含功率检测、控制和开关的这样一个作用。对于WiFi产品，FEM分为2.4G FEM和5G FEM，分别应用于2.4G频段和5G频段。

图源：google

射频功率放大器（PA）是各种无线发射机的重要组成部分。在发射机的前级电路中，调制振荡电路所产生的射频信号功率很小，需要经过一系列的放大一缓冲级、中间放大级、末级功率放大级，获得足够的射频功率以后，才能馈送到天线上辐射出去。为了获得足够大的射频输出功率，必须采用射频功率放大器。
今天就来回顾一下作为第二代半导体主打材料的GaAs。
GaAs拥有一些较Si还要好的电子特性，使得GaAs可以用在高于250GHz的场合。如果等效的GaAs和Si元件同时都操作在高频时，GaAs会产生较少的噪音。
也因为GaAs有较高的崩溃压，所以GaAs比同样的Si元件更适合操作在高功率的场合。
因为这些特性，GaAs电路可以运用在移动电话、卫星通讯、微波点对点连线、雷达系统等地方。GaAs曾用来做成甘恩二极管、微波二极管和耿氏二极管以发射微波。

砷化镓的应用范围图源：中时新闻

GaAs的的另一个优点：它是直接能隙的材料，所以可以用来发光。
而Si是间接能隙的材料，只能发射非常微弱的光。（最近的技术已经可以用Si做成LED和运用在镭射）下表中禁带宽度跟发光的频率呈正相关。

材料指标解释图源：google

21世纪开始的那几年，以砷化镓、磷化铟为代表的第二代半导体材料崭露头角，并显示其巨大的优越性。
砷化镓和磷化铟半导体激光器成为光通信系统中的关键器件，同时砷化镓高速器件也开拓了光纤及移动通信的新产业。

砷化镓终端应用占比图源：StockFeel

砷化镓的用途
砷化镓是当前主流的化合物半导体材料之一，其应用可以分为三个阶段。
➢第一阶段自20世纪60年代起，砷化镓衬底开始应用于LED及太阳能电池，并在随后30年里主要应用于航天领域。
➢第二阶段自20世纪90年代起，随着移动设备的普及，砷化镓衬底开始用于生产移动设备的射频器件中。

➢第三阶段自2010年起，随着LED以及智能手机的普及，砷化镓衬底进入了规模化应用阶段，例如2017年，iPhone X首次引入了VCSEL技术用于面容识别，生产VCSEL需要使用砷化镓衬底，砷化镓衬底应用场景再次拓宽。

VCSEL

垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser）是一种半导体，其激光垂直于顶面射出，与用切开的独立芯片制成，激光由边缘射出的边射型激光有所不同。

图源：google

2021年，随着Apple、Samsung、LG、TCL等厂商加入Mini LED市场，砷化镓衬底的市场需求将迎来爆发性增长。目前，砷化镓衬底主要应用下游器件包括射频器件、LED、激光器。

砷化镓材质的射频器件应用

射频器件是实现信号发送和接收的关键器件，射频器件主要包括功率放大器、射频开关、滤波器、数模/模数转换器等器件。
其中，功率放大器是放大射频信号的器件，其直接决定移动终端和基站的无线通信距离和信号质量。
由迁移率和高饱和电子速率的显著优势，砷化镓一直是制造射频功率放大器的主流衬底材料之一。

砷化镓晶体结构图源：google

4G时代起，4G基站建设及智能手机持续普及，用于制造智能手机射频器件的砷化镓衬底需求量开始上升。进入5G时代之后，5G通信对功率、频率、传输速度提出了更高的要求，使用砷化镓衬底制造的射频器件非常适合应用于长距离、长通信时间的高频电路中。
因此，在5G时代的射频器件中，砷化镓的材料优势更加显著。
随着5G基站建设的大量铺开，将对砷化镓衬底的需求带来新的增长动力；与此同时，单部5G手机所使用的射频器件数量将较4G手机大幅增加，也将带来对砷化镓衬底需求的增长。

射频功率放大器图源：google

伴随5G通信技术的快速发展与不断推广，5G基站建设以及5G手机的推广将使砷化镓基射频器件稳步增长。手机中射频（RF）器件的成本越来越高。
一个4G全网通手机，前端RF套片的成本已达到8-10美元，含有10颗以上射频芯片，包括2-3颗PA、2-4颗开关、6-10颗滤波器。
未来随着5G的到来，RF套片的成本很可能会超过手机主芯片。再加上物联网的爆发，势必会将射频器件的需求推向高潮。
通常情况下，一部手机主板使用的射频芯片占整个线路面板的30%-40%。
据悉，一部iPhone 7仅射频芯片的成本就高达24美元，有消息称苹果今年每部手机在射频芯片上的投入将历史性地超过30美元。随着智能手机迭代加快，射频芯片也将迎来一波高峰。
苹果公司图源：google
根据Yole预测，2025年全球射频器件砷化镓衬底（折合二英寸）市场销量将超过965.70万片，2019-2025年年均复合增长率为6.32%。2025年全球射频器件砷化镓衬底市场规模将超过9,800万美元，2019-2025年年均复合增长率为5.03%。

Yole

Yole是一家咨询公司，专门从事与半导体行业和相邻行业相关的市场、供应链和技术发展的战略分析。

砷化镓材质的LED应用

LED是由化合物半导体（砷化镓、氮化镓等）组成的固体发光器件，可将电能转化为光能。
不同材料制成的LED会发出不同波长、不同颜色的光，LED按照发光颜色可分为单色LED、全彩LED和白光LED等类型。
LED根据芯片尺寸可以区分为常规LED、Mini LED、Micro LED等类型，其中常规LED主要应用于通用照明、户外大显示屏等，Mini LED、Micro LED应用于新一代显示。

使用Mini LED屏幕的电脑图源：google

随着LED照明普及率的不断提高，常规LED芯片及器件的价格不断走低。
常规LED芯片尺寸为毫米级别，对砷化镓衬底的技术要求相对较低，属于砷化镓衬底的低端需求市场，产品附加值较低，该等市场主要被境内砷化镓衬底企业占据，市场竞争激烈。
而新一代显示所使用的Mini LED和Micro LED芯片尺寸为亚毫米和微米级别，对砷化镓衬底的技术要求很高，市场主要被全球第一梯队厂商所占据。

LED芯片图源：google

砷化镓材质的激光器应用

激光器是使用受激辐射方式产生可见光或不可见光的一种器件，构造复杂，技术壁垒较高，是由大量光学材料和元器件组成的综合系统。

利用砷化镓电子迁移率高、光电性能好的特点，使用砷化镓衬底制造的红外激光器、传感器具备高功率密度、低能耗、抗高温、高发光效率、高击穿电压等特点，可用于人工智能、无人驾驶等应用领域。

砷化镓激光器图源：google

根据 Yole 预测，激光器是砷化镓衬底未来五年最大的应用增长点之一。

预计到2025年，全球激光器砷化镓衬底（折合二英寸）的市场销量将从2019年的106.2万片增长至330.3万片，年复合增长率为20.82%；预计到2025年，全球激光器砷化镓衬底市场容量将达到6,100万美元，年复合增长率为 16.82%。
说说GaAs RF PA（砷化镓工艺的射频功率放大器）
先看一下基站 PA 领域用的砷化镓。
根据Yole Development的数据，LDMOS与氮化镓将呈现出此消彼长的关系，砷化镓则保持相对稳定的市场占有率。2025年，LDMOS占比将下降到 15%，氮化镓占比将上升到45%，而砷化镓占比约为40%。
手机领域的PA主要以硅（CMOS 工艺）和砷化镓为主。其中CMOS工艺 PA，具有成本优势，但是受限于产品性能和设计复杂性，一般主要应用于2G的手机终端。而3G、4G、5G的智能终端，目前还是以砷化镓PA为主。
随着移动通信向5G演进，2G面临退网，CMOS工艺PA市场空间会越来越压缩，将主要应用于低功耗物联网为代表的领域。

智能手机PA材料占比图源：google

手机前端砷化镓（GaAs）分为三类：HBT、pHEMT、MESFET。频谱范围：1GHz到100GHz，满足低频到高频应用。射频前端芯片产品中，射频PA采用HBT工艺，RF switch和LNA采用pHEMT工艺。
RF switch和LNA已转向SOI工艺，这是大势所趋。据悉，SONY关闭了pHEMT工艺线。SiGe抢食了一部分GaAs HBT份额，而且有扩大趋势。

手机射频前端架构及功能图源：国金证券研究所

CMOS已经抢走了低频GaAs HBT市场。随着5G的到来，Qorvo预测，8GHz以下砷化镓仍是主流，8GHz以上氮化镓替代趋势明显。氮化镓（GaN）作为一种宽禁带半导体，因具有高功率密度、能耗低、适合高频率、支持更宽带宽等特点，国际射频PA巨头已经在GaN上投入了巨额资金研究。
GaAs HBT工艺基于其稳定性与不错的性价比，未来将维持一定比重。作为射频PA的主流工艺，其研发工作仍在不断的进行中，必将拓展GaAs HBT的应用空间。GaAs pHEMT也是很好的工艺，如果能持续加以开发和利用，也会有不错的市场前景。
我们关心的国产化
砷化镓三大产业链环节，晶圆、晶圆制造代工、核心元器件环节，都以欧美、日本和台湾厂商为主导，中国企业起步晚，在产业链中话语权不强。
从竞争格局来看，GaAs器件市场参与者较多，多为美国、日本与台系厂商，其中美国厂商占据前三地位，Skyworks以30.7%的市占率成为行业领导者，其次为Qorvo（28%）与Avago（7.4%）。中国企业起步晚，在产业链中话语权较弱。

GaAs器件龙头公司Skyworks 图源：google

从全球GaAs晶圆代工角度看，据Strategy Analytics数据，全球GaAs器件市场主要参与者中，美国企业占全球市场份额的75%，占有明显优势。从 GaAs晶圆代工格局来看，台系厂商稳懋占龙头地位，市场份额达72.7%，GCS以约8.4%的市占率居于第二。
不过从晶圆、代加工、应用研发三个方面来看，已经有突破的迹象。