5G大幕拉开,中国芯片新兵“肉搏”美日六巨头能否突围?| 独家深度

互联网
5G大幕拉开,中国芯片新兵“肉搏”美日六巨头能否突围?| 独家深度
麻省理工科技评论 2019-07-29

2019-07-29

在国内通信产业一片“缺芯少魂”的尴尬处境中,其中一些“重灾区”的受制情况远比普遍情况更糟糕。
商业
在国内通信产业一片“缺芯少魂”的尴尬处境中,其中一些“重灾区”的受制情况远比普遍情况更糟糕。

在国内通信产业一片“缺芯少魂”的尴尬处境中,其中一些“重灾区”的受制情况远比普遍情况更糟糕。

射频前端芯片即是如此。就算是在5G主芯片上,国内毕竟还有海思、紫光展锐等企业占据一块天地;但射频前端市场有超过9成份额都被外商把持,领域内的国内企业都是“小舢板”。

射频芯片直接影响着手机的信号收发。如果没有它,手机根本无法连接到移动网络。在智能手机中,它是射频收发器和天线之间的一系列组件,主要包括功率放大器(PA)、滤波器、天线开关、双工器和低噪声放大器等。

在5G相关芯片方面,即使强大如苹果,也怕被“卡脖子”。7月25日,苹果公司正式宣布,将以10亿美元的价格收购英特尔大部分的智能手机调制解调器(modem)业务。

此次收购意味着苹果要为其手机生产自己的5G调制解调器,而不是完全依赖高通的硬件。

(来源:苹果网站)

反观国内的射频芯片,其受制于人的状态亟待改变。特别是在5G时代,射频前端的重要性将更加凸显。根据调研机构统计,全球手机射频前端市场规模在 2023 年将达 350 亿美元,未来射频模块所隐含的商机不亚于手机主芯片。

在这次中美科技战中,射频芯片的“空白”成为惨烈战场,相比于产品线齐全的美国两大射频芯片供应商 Skyworks 和 Qorvo,国内供应商只能采取单点突破方式切入该市场,各家找一个切入点参与战局。

这或许是起步阶段的策略,但长期来看,补上该短板仍是长路漫漫。

制约国产射频芯片的命门

据估计, 4G 全网通手机的射频前端模块成本约 10 美元,内含 10 颗以上射频芯片,包括 2 ~ 3 颗 PA 、2~4 颗开关芯片、6~10 颗滤波器,未来到了 5G时代, 射频前端模块成本将较 4G 时代成长 3-5 倍,有机会超过手机主芯片,其中蕴含的商机不言而喻。

然而,在这样一个重要领域,国内企业的水平差距十分明显。从目前来看,全球射频前端市场集中度很高,前四大厂商Skyworks、Qorvo、Avago、Murata占据着全球85%的市场,且均是日美发达国家企业。

图 | 射频前端芯片示意图(来源:网络)

在射频前端模块中, 功率放大器 PA 芯片所受的压力首当其冲。PA 芯片的功能是负责将发送的信号放大,是最耗电的元件,随着手机频段持续增加,PA 的数量也随之增加,如4G 多模多频手机所需 PA 芯片介于 5 ~ 7 颗,5G 手机内的 PA 需求量将超过 15 颗。

可以说,PA芯片决定着手机等无线终端的通讯距离、信号质量等,是整个通讯系统芯片组中除基带主芯片之外最重要的组成部分。

根据调研机构统计, 2017 年PA芯片市场规模约为 50 亿美元,预计 2023 年将达到 70 亿美元。在射频前端模块诸元件中,PA芯片的产值处于第二位。

目前全球 PA 市场绝大部分比重被 Skyworks (43%)、Qorvo (25%)、博通(25%)、Murata (3%) 占据,其中Skyworks、Qorvo、博通是 IDM 厂,还有一个趋势是无晶圆的 PA 设计公司投入后,带动 PA 晶圆代工模式兴起。

在工艺技术方面,PA 射频芯片的制造难度越来越高,这也是为什么该市场主要由 IDM 厂商所把持。目前, PA 采用的工艺以砷化镓 GaAs 为主,其次是 SOI 、 CMOS 和 矽锗 SiGe 。过去 4G 的 PA 主要采用砷化镓工艺, 3G 的 PA 采用砷化镓或 CMOS ,比重大约是各自 50% ,未来 5G 手机的 PA 预计是延续砷化镓工艺技术。

图 | Qorvo 的应用工程师在介绍用于部署 5G 基础设施的 Qorvo GaN 功率放大器。(来源:Qorvo网站)

国产厂商在高端 PA上的缺失,让我们在即将到来的 5G 竞争中束手束脚。但射频前端模块的另一个重要部件,所面临的竞争环境更加严峻,这就是滤波器。

它是射频前端模块中市场规模最大的,2017 年产值约 80 亿美元, 2023 年将达到 225 亿美元。从销售数据上看,美日供应商几乎垄断了滤波器市场。

对国内厂商来说,最坏的情况就是对着上百亿美元的市场干着急,看着别人数钱。

滤波器功能在于杂讯过滤、抑制信号干扰,保障信号在不同频率下不会互相干扰,目前手机上用的主流滤波器包括声表面滤波器(SAW)、体声波滤波器(BAW)。

在SAW 滤波器市场方面,前五大的厂商分别为村田(47%)、TDK(21%)、太阳诱电(14%)、Skyworks (9%)、Qorvo (4%),由此可知,前5大合计比重高达 95%,形成寡占市场。

在 BAW 滤波器方面,其实寡占更严重,排名前三名分别为博通 (87%)、Qorvo (8%)、太阳诱电 (3%),合计高达 98%。

目前,一台国际通用 4G 手机,可能需要过滤最多 15 个频带上的 2G、 3G 和 4G 收发通路,此外还有 Wi-Fi、蓝牙和全球导航卫星系统,这样一来,一部手机可能需要最多 30 至 40 个滤波器。

未来,每台5G手机很可能需要放入更多的滤波器,因此事情可能变得越发复杂。

值得一提的是,由于4G、5G通讯所使用滤波器主要为 BAW 滤波器,与 2G 、 3G 使用的 SAW 在技术上有相当程度的差异。若国内供货商无法成功跨进 BAW 市场,恐将在 SAW 市场上面临更沉重的价格战压力。

总之,整体来看,射频前端技术被外商把持很深,超过 9 成市场都是外商供应,当下中国,很少有一个技术领域会如此孱弱。

与此同时,射频芯片的技术升级之路会更加坎坷。这是因为手机需要支持更多频段,这让射频前端设计的复杂度直线提升,往往在方寸之间就要容纳上百个元器件。

另一个同时发生的趋势,也让射频前端设计的难度雪上加霜。国际知名市场研究机构IHS就指出,伴随着手机设计的轻薄化发展,机身内可被利用的空间实际上是减小的,尤其是主板的空间。

因此,尽管射频前端的复杂度和重要性与日俱增,但矛盾的是,主板上留给它的空间却越来越少。

这种尴尬,国内射频前端企业体会甚深,留给他们的时间和空间,也在越来越少。

5G商机下,国内厂商的战略

面对 5G 商机到来,国内手机射频芯片能迎来黄金时期吗?国内业者的战略和看法如何?

日前 2019 集微半导体峰会上的“ 5G 国产射频芯片的挑战和机遇”中,许多国内射频芯片新秀提出看法。

广州慧智微电子是做可重构的射频芯片,可重构是指其器件可以通过软件更改,不同应用场景可以共享这个硬件,慧智微从 4G 开始做多模多频芯片,现在是 5G 的芯片和蜂窝互联网的芯片。

慧智微 CEO 李阳指出,国际行业巨头都是千人规模的公司,产品线确实非常全,到了 5G 智能手机后,射频技术会非常复杂,滤波器变成重要的角色, 5G 高通的方案约 11 颗,联发科的方案约 10 颗,其中发射有 5 颗、接收有 5 颗,慧智微也做发射部分,但问题是滤波器怎么解决?

李阳进一步分析,滤波器是两种解决办法,第一种是有一些新的频率,比如 UHP77 / 79,当前慧智微所采用的滤波器技术是 LTCC 和 IPD,其中 LTCC有合作伙伴,而 IPD 可以自己设计,但没有用国际主流的 SAW 和 BAW 滤波器。不过,仍是有一些变化可能性,因为日后是不是还需要 BAW 滤波器,现在来看需求并不清晰。还有,传统的 4G 为什么新频段没有问题?因为它是 TDD , TDD 收的时候不发,发的时候不收,所以设计没这么严格。上述提到 5G 需要这么多颗的射频芯片,在技术上一定要做高度集成。

李阳表示,滤波器在跟一些厂商合作,有海外、日系、韩系,也有国内厂商。现在的趋势是随着 5G 的变化,原来一个手机厂商自己分开采购 PA、滤波器等,但现在做集成,单独卖滤波器是没有人买的,比如两大巨头 Skyworks 和 Qorvo 的自产滤波器,他们也要找合作伙伴,无法再单一买卖了,因此,现在要跟他们建立合作关系,其实比以前容易得多,这就是一个很大的转变。

北京中科汉天下专注的射频芯片包括两个板块,一个是射频前端,主要做砷化镓功放和 CMOS 功放,其中,CMOS 功率放大器是全球出货比较靠前的,一个月差不多有 3000 万~ 4000 万的出货,同时,在砷化镓技术上也重兵投入。

另外一个板块是射频的 SoC,里面包括两个小的方向,一个是低功耗蓝牙,一个是自定义协议的非标的 2.4 G 收发的小型 SoC 。

北京中科汉天下总经理钱永学认为,短期内国内要全面达到美国的水平是不可能的,Skyworks 和 Qorvo 一年的净利润都有 40 亿- 50 亿的规模,国内业者的销售额还不及他们净利润的十分之一,短期之内全面超过它几乎是不可能。

图 | Skyworks产品图(来源:Skyworks网站)

钱永学也强调,现在能做的就是实现进口替代,国内厂商能够提供最基础产品,不至于让美国彻底卡死。但要强调的是,在国产化的过程中,与国内、国际业者都要加强合作,不能因为中美纷争,就只用国内芯片而封锁国际芯片,那等于是自己把自己封闭了。

未来国内业者想再进一步发展,可能就要等公司上市后,有更多的资本,再利用股市的杠杆做更大的事情,撬动更大的资本来进行并购,钱永学一直认为,并购是必行之路,包括获得很多知识产权等,尤其是进行海外公司并购。

再者,厦门开元通信技术有限公司主要从事先进射频滤波器,包括 BAW 滤波器、 SAW 滤波器、晶圆级封装等,这一块滤波器从 4G 时代起就应用广泛,到了 5G 时代,据说有一些手机未来可能会用到将近 100 颗的滤波器裸芯片,可以预见滤波器市场未来的商机,更重要的是,国产化的比例现在非常低。

上海迦美信芯通讯技术董事长倪文海则表示,智能手机有一个令人头痛却也被忽略的地方,就是天线,到了 5G 的智能手机,天线变成一个更头痛的问题。他进一步表示,迦美信芯采用的策略就是单点突破,尝试在天线调谐器的技术上深入研发,天线调谐器有一个优势就是比较靠近天线,不容易被集成,因此,这块领域是新创业比较容易生存和发挥的地方。

缺点是,小小的地方但技术要求又非常高,包括对工艺技术、耐压、低阻抗等方面的要求都非常高。因此,在这块技术领域上只要能够发力,有效解决手机客户的痛点,其实是跟国外替代芯片的水平差距不会太大。

再者,倪文海分析,现在 4G 全频的智能手机多的话有 4-6 颗天线调谐器,因为以前苹果手机下方有给天线提供孔径的空间,但现在被压缩,如果手机的性能、发射的灵敏度有要求的话,天线调谐器是必须要有的。第一波 5G 智能手机的话,可能需要 10-16 根天线调谐器,或是更多,需求量十分可观。手机射频前端是十分细分领域,适合国内公司做,例如射频开关其实相对简单,比 PA 容易很多,其难度在品质、运营、规模,而且是用 CMOS 做的,所以国内公司应该先集中精力把容易的技术解决掉,然后再结合去做滤波器,一步步地,往技术上层去做。

此外,国内射频芯片公司小而散,只有联手、整合,放弃内部低端市场的竞争,才有机会挑战国际巨头。

高通想通吃,国内企业还有机会吗?

国内射频芯片供应商面临的另一个挑战,是高通、联发科等做主平台的大芯片公司都想要做整体解决方案,把整个射频前端都包进去。

对于这样的挑战,李阳表示,跨领域的竞争其实一直存在,高通从 RF360 之后态度很明显,现在 5G 都是自己的产品,平台公司有他们的策略,但联发科看起来态度比较开放,因为他们也需要技术能力和高通相当的射频芯片合作伙伴。

再者,三星、海思等平台对其他独立的射频供应商而言,仍是有不错的机会,至少现阶段市场不会形成全然由主平台完全整合射频芯片的情形,独立的芯片公司如果能把产品做到比高通等外商更有竞争力,为客户创造更多的价值,仍有很大发展空间。

钱永学则表示,看起来提供整体解决方案上决心最强就是高通,联发科没有那么强烈的决心,而海思也自己有解决方案,但它备胎太大,因此不可能全部做,仍会有一些外购需求出来。钱永学强调,国内业者目前在射频芯片的主战场上,营收还不到外商净利润的十分之一,未来努力的空间还很大,机会还很多。

图|2019 集微半导体峰会上的“ 5G 国产射频芯片的挑战和机遇” (来源:DeepTech)

厦门开元通信技术有限公司董事长贾斌则表示,滤波器在每家平台可能有一些特殊指标差别,但 80% 以上需求都差不多;到了 5G 时代,问题来了,因为 5G 有很多天线、载波聚合,有些滤波器的特性确实需要导入更多新的设计。

这一波 5G 商机,对于国产替代是个巨大机会,因为有科技战“卡脖子”的事件发生,因此很多手机系统公司也会愿意尝试国产芯片,且容忍度大幅提升。

倪文海的观点是,眼前的贸易战对国产芯片是个转折机会。事实上,国内有一些公司的产品做的不错,但很多手机厂商都用惯了外商的芯片,不愿意冒险替换成国产的,但这次贸易战让大家看清一个事实,国内确实需要自己的芯片生态圈。

倪文海认为,国内供应商在人力、资源各方面都比较缺乏,很多方面无法与外商比肩,希望手机厂可以提供一些特殊通道或者特殊的手机型号等,给国内企业订单,协助他们壮大。

贾斌表示,很多国内的系统厂商已经采用外商的射频芯片几十年了,积累了大量的经验,希望帮忙国内芯片厂商在设计、加工的时候,把质量逐步提升上来,把器件的质量测试好。

钱永学也表示,大公司可能也要发挥大公司的责任,要有意的培训国内的供应链,至少要有几个机型比如中端的机型先给国产的厂家去实验,且据了解,韩国就有类似的法律规定,三星要有一定的比例给中小厂家,对国内较小企业而言,是需要得到大客户的平台支持,给予更大的容忍度来试错的。

相较于国内射频芯片的缺口巨大,在代工生产这一个板块,就有很多选择,包括身砷化镓GaAs 工艺技术的代工厂有台厂稳懋、宏捷科,以及厦门三安集成;SOI 工艺代工厂有华虹宏力、中芯国际、 GlobalFoundries 、TowerJazz ; CMOS 工艺代工厂有台积电、中芯国际、联电等; SiGe 工艺代工厂有:GlobalFoundries、TowerJazz等。

这次在 5G 机遇和科技战背景的催化下,让国内芯片厂有崛起的机会,但仍是单点突破的作战策略为主,未来要突破外商防线,仍是长途漫漫,但前方商机巨大,必须一步一个脚印才能获得一席之地。

突围之路,恐十分漫长。

麻省理工科技评论

From Tech to Deeptech