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日美大厂独舞,通信芯片的5G技术格局

2020-03-26 19:37来源:互联网编辑:小狐

日美大厂独舞,通信芯片的5G技术格局(图1)

5G是未来的底层元素之一,作为5G核心器件的通信芯片顺势成为资本焦点。但通信芯片产业构成庞杂,技术细节繁多,欧美传统列强早在数十年前便将通信电子化、信息化甚至芯片化作为国防安全和战略产业部署的核心方案,部署在过去、现在和未来。

近年来,Space X的异军突起让“空天一体化”和“星间互联互通”的主题喧嚣而至,“一箭六十星”如同未来神话般地准备把地球近地轨道铺满,形成星球大战当年梦想的Starlink(星链)

随着中美两超决斗进入白热化,“空天一体化”连带的5G甚至6G通信正式列入主战议题,到底未来通信如何构建?通信硬件基础结构又如何托起这个万物互联的时代?

在笔者看来,正如中国商业航天的发展一样,通信产业需要在商业资源和资本的助推下,以国家原有技术研发存量为题,辅以全球各大先进半导体厂商多年的工程研发和产品经验,投资一批具备核心技术、先进研发工程理念以及掌握大规模生产一致性能力的研发团队和工程团队,逐步构建起技术和创业公司的创新城墙,直面美国的竞争。

▌通信芯片产业价值投资点:

Switch(开关)LNA(低噪声放大器)PA(功率放大器)Duplexer(双工器)和Filters(滤波器)五大核心器件为国产化替代之关键,资本考察重点在于创始团队是否研发了一款技术先进性产品,包括软件和硬件。

Filters(滤波器)最具商业化应用潜力且规模巨大,极具投资价值。

通信芯片的五脏六腑:如何构建未来通信大脑框架?

随着5G的到来,作为5G核心器件的通信芯片也迎来巨大的结构化增长机会。

其中,射频前端模块是无线电的接收和发射的主要功率器件,可实现射频信号的传输、转换和处理,是移动终端通信的核心组件,也是构建5G整体通信网络的基石。

日美大厂独舞,通信芯片的5G技术格局(图2)

射频前端的功能与构成

在射频前端的多个器件中,作为收发端核心器件的滤波器占比最大,一直是射频市场的半壁,2017年占比射频市场的54%,但目前滤波器国产化替代才刚刚起步,是困扰中国智能手机产业链和通信基站产业链的核心问题之一。滤波器势必是国内市场的突破重点,未来发展空间巨大。

以华为代表的巨头已开始布局,去年华为就收购了国内SAW滤波器出货量最大的好达电子。当下国内市场还有麦捷科技,德清华莹等以中电为技术核心的团队,但都尚处于初期研发和初期大规模出货阶段。

SAW滤波器主要应用于1.6GHz以下的低频段,BAW滤波器主要应用于2.5GHz以上的中高频段。

由于5G需采用4.9GHz以上的高频率,且需要多个信道同时通信,其更高时延和更大带宽让滤波器产业从SAW滤波器向BAW滤波器过渡。但BAW滤波器的制造工艺复杂程度和成本都高出SAW滤波器数倍,一定程度上制约了其迅速普及。

目前最新推出的IHP-SAW滤波器可处理频率能达到3.0GHz,且造价仅为BAW滤波器的20%-25%,既解决了一定程度的温补问题,也部分缓解了在高频场景中SAW无法应用的窘境。

现阶段,SAW滤波器和BAW滤波器全球市场均以海外龙头垄断为主,国产化替代刚刚起步。

在SAW滤波器方面,国内市场以中低难度的BAND 1,BAND 2等低端滤波器为主,主要玩家有好达电子、中电系德清华莹和深圳麦捷。

日美大厂独舞,通信芯片的5G技术格局(图3)

SAW滤波器构成原理及产业构成(智能手机)

高难度市场国内未有涉及,包括高频滤波器、双工器、多工器以及共存滤波器等迄今一片空白,海外厂商村田(Murata)TDK和太阳诱电占据市场份额的85%,呈现寡头统治。

目前国内多个厂家研发的BAND 40,是国内首次具备完整研发和生产能力的高端滤波器器件单品,有望突破国内该项产品国产化率为零的尴尬,并通过渠道逐渐渗透进入智能手机领域,逐步开展对进口SAW滤波器的国产化替代。

在BAW滤波器方面,国内市场以中低难度的BAND 1低端双工器搭配BAND 40为主。包括高频滤波器、双工器、多工器以及共存滤波器等高端市场,国内市场迄今也一片空白。

其中天津诺思的部分产品频率范围和封装尺寸可达到现有市场化的需求,以RSFD1881C,RSFD1881N为代表的双工器系列,同样进入紧锣密鼓的研发周期。

日美大厂独舞,通信芯片的5G技术格局(图4)

BAW滤波器构成原理及产业构成(智能手机)

在村田(Murata)的努力下,SAW滤波器的使用范围进一步扩大,SAW和BAW滤波器在射频频率的整体分布上,出现了些许结构性的变化,其复杂程度和射频频率所构成的产业结构整理如下:

日美大厂独舞,通信芯片的5G技术格局(图5)

从上图可以看出,随着推出TC-SAW、IHP-SAW,村田(Murata)的产业位置开始产生变化,但整体来看,Boardcom和Avago在高频领域仍然一枝独秀。国内市场主要集中在复杂程度低,射频频率低的产业位置,未来国产化替代仍长路漫漫。

通信芯片的市场格局:日美大厂独舞,中国如何后来居上?

1. 市场竞争格局

射频前端芯片市场规模受移动终端需求和单机射频芯片价值增长的双重驱动。在移动终端稳定出货的背景下,射频前端芯片行业的市场规模持续快速增长。

根据QYR Electronics Research Center的统计,2010年-2017年全球射频前端市场规模以每年约13%的速度增长,2017年达130.38亿美元,预计2020年接近190亿美元。

日美大厂独舞,通信芯片的5G技术格局(图6)

射频前端芯片市场规模

该产业链从射频元件逐渐向前端模组释放。射频元件方面,村田(Murata)和QORVO分别在LNA和PA领域展开收购以达到绝对核心的产业链控制力。

其中,村田(Murata)收购Peregrine整合PA射频元件领域的供货能力和产品一致性能力,Qorvo收购Cavendish Kinetics整合滤波器元件供应能力,射频元件供应商向前端模组厂商供货能力,从而形成向智能手机等手持设备供应的全套产业链。

日美大厂独舞,通信芯片的5G技术格局(图7)

目前Qorvo和村田(Murata)均具备全产业链布局的能力,而与高通成立联合公司的TDK则是打通了手持设备芯片、PA和滤波器的全套产业链(高通曾收购PA公司Blacksand)

在滤波器方面,村田(Murata)从电容、电感和静噪元件出发,一直到前端模块、耦合器、巴伦器、RFID到SAW滤波器的全SKU产品均有覆盖,形成了产业链局部的强大统治力。

另一家超级巨头Skyworks则针对BAW滤波器相关技术和射频前端产业链展开和巨头的竞争。梯队方面,村田(Murata)TDK和太阳诱电代表阵营,Skyworks、Avago、Qorvo和Boardcom代表美国阵营。

日美大厂独舞,通信芯片的5G技术格局(图8)

其中如上文所述,TDK和高通成为一家,Avago和Boardcom也成为一家,巨头统治的能力和范围越来越大。

而从整个射频前端市场来看,高端市场被欧美厂商全面占据,其头部三大集团占据全球超过90%的市场份额,且由于占据市场的中上游,享受全球市场给中上游客户带来的超额收益。

模仿欧美序列的国产化序列,则包括RDA与展讯合并的紫光展锐,国内4G射频方案完整度相对较高的国民飞骧和中科汉天下。尤其是中科汉天下,其4G PA导入数家知名IDH方案商和品牌客户的BOM列表,取得了阶段性的成功。

日美大厂独舞,通信芯片的5G技术格局(图9)

模仿高端厂商向PA和滤波器中下游并购的步伐,联发科和紫光展锐正向PA和滤波器过渡,拥有巨量4G(潜在5G)手机用户的联发科收购络达(AIROHA)紫光展锐也通过收购锐迪科(RDA)展开自己对PA的野心。

日美大厂独舞,通信芯片的5G技术格局(图10)

2. 国际大厂简析

1深耕PA的Skyworks

Skyworks在PA方面的布局极深,包括汽车、物联网、移动设备、基础设施、互联家庭和可穿戴设备等六个领域同时发力,覆盖了功率、双工器、开关、低噪声放大器、功率放大器和滤波器等领域,有将软硬件耦合、模块化、电子化和性封装做好的技术,展示了极其综合和强大的产品能力以及持续研发能力。

而在布局5G的道路上,Skyworks享受了智能手机所带来的巨大助力。再加上物联网应用的持续增加和模拟产品业务的集中式爆发,作为翘楚的Skyworks享受其利,实现了连续6个财务年度的集中增长。

2018年全球半导体进入下行周期,保量的集中策略导致产品价格的梯次递减,毛利率从10.6%下降到5.9%,在等待下一次行业周期到来前,Skyworks会通过收购等方式密集布局5G射频相关的产业和技术领先性标的,站稳脚跟。

日美大厂独舞,通信芯片的5G技术格局(图11)

25G射频的鼻祖Qorvo

Qorvo是提出5G原始概念的伟大公司,其涉及领域包括BAW和SAW的各型号滤波器,SAW主要是TC-SAW。随着4G-LTE等相关的高性能产品的广泛应用,Qorvo在射频前端方面的提前布局效果显著,特别是重点布局了高端滤波器产品(比如收购Cavendish Kinetics具备了一定的TC-SAW的生产能力)以及与Boardcom在BAW滤波器市场分庭抗礼的局面,让QORVO的未来仍然被一片看好。

日美大厂独舞,通信芯片的5G技术格局(图12)

Qorvo在2014年以来各大收购案均是产业链布局的关键动作。在较低的无形资产摊销、更高的营业收入和退税优惠的共同作用下,Qorvo 2019财年营业利润从2018 财年的0.7亿元增长到2.2亿元,2019年的归母净利润为1.33亿美元,同比增长432.5%。

3BAW滤波器的第一巨头Boardcom

Boardcom无线嵌入式解决方案和射频组件,在射频前端和BAW滤波器生态的产品上均有涉及。2016年Boardcom被Avago收购。

Boardcom整体受益于存储和工业体系的增长,年复合增长率在整个行业领跑者中属于翘楚地位。2017年Boardcom完成了对网络设备制造商博科的收购,并于2018年将博科并表,Boardcom 2018年净利润123.2亿美元,同比增长656%。

日美大厂独舞,通信芯片的5G技术格局(图13)

3. 国内梯队简析

1卓胜微

日美大厂独舞,通信芯片的5G技术格局(图14)

卓胜微采用RF CMOS工艺,使用射频低噪声放大器产品化,采用拼版式集成射频开关,解决了相关方案,是国内较为少见的覆盖射频前端,并进入三星、小米、华为等智能手机客户的厂商。

公司供应链能力极强,采购供货周期、备货和交付周期实力强,使得公司整体净利润始终保持在较高水准(平均超过25%)另外,公司募投了超过8亿资金用于滤波器及相关核心器件的,并持续保持对PA以及相关模组的研发和投入,保证了技术的全面性和完整性。

但卓胜微受其产业供应链影响较大,过于依赖三星单一大客户,2018年-2019年业绩巨动都由此造成。

2韦尔半导体

日美大厂独舞,通信芯片的5G技术格局(图15)

韦尔半导体有保护器件 (TVS、TSS)功率器件 (MOSFET、Schottky Diode、Transistor)电源器件 (Charger、LDO、Buck、Boost、Backlight LED Driver、 Flash LED Driver)和模拟开关等四条产品线,700多个产品型号,产品在手机、电脑、电视、通讯、安防、车载、穿戴、医疗等领域得到广泛应用。

3中科汉天下

日美大厂独舞,通信芯片的5G技术格局(图16)

中科汉天下的射频前端芯片和SoC均在国内处于领先,在通信队列中有面向手机终端供应的2G/3G/4G全系列芯片,面向AIoT市场的物联网无线连接芯片,支持英特尔,联发科、展讯等基带平台,总出货量超过7亿颗。

通信芯片的材料格局:第三代半导体材料登场

第一代半导体材料主要是指硅(Si)锗(Ge)元素半导体材料。其在国际信息产业技术中的各类分立器件、极为普遍的集成电路、电子信息网络工程、电脑、手机、电视、航空航天、各类军事工程和迅速发展的新能源、硅光伏产业中都得到了极为广泛的应用。

第二代半导体材料主要是指化合物半导体材料,如砷化镓(GaAs)锑化铟(InSb)细分来看,有GaAsAl、GaAsP等三元化合物半导体;Ge-Si、GaAs-GaP等固溶体半导体;非晶硅、玻璃态氧化物等玻璃半导体(又称非晶态半导体)酞菁、酞菁铜、聚丙烯腈等有机半导体。

第三代半导体材料主要以碳化硅(SiC)氮化镓(GaN)氧化锌(ZnO)金刚石、氮化铝(AlN)为代表的宽禁带(Eg2.3eV)半导体材料。其主要应用为半导体照明、电力电子器件、激光器和探测器等领域,每个领域产业成熟度各不相同。在前沿研究领域,宽禁带半导体还处于实验室研发阶段。

日美大厂独舞,通信芯片的5G技术格局(图17)

第一代半导体的材料基础都是硅基,但面对分立器件和应用极为普遍的集成电路越来越高的性能要求,针对元素属性,添加部分稀有元素成为化合物材料基,成为了发展趋势。

但硅基半导体未来不会被化合物半导体的发展完全替代,它仍然作为大量基础元器件支撑中低端的底层产品和部分基础产品,而其他具有特殊要求的产品需要再使用化合物进行。

比如第三代半导体具有较大的禁带宽度和较高的击穿电压,耐压和耐高温性能良好,所以可用于制造高频、高温、大功率的射频器件和其他有需求的器件。

在第三代半导体中,碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)从各类化合物中脱颖而出,成为第三代半导体的基石。

碳化硅(SiC)由于化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好,除作磨料用外,还有很多其他用途。

氮化镓(GaN)材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点,是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料,在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。

日美大厂独舞,通信芯片的5G技术格局(图18)

氮化镓(GaN)也是5G通信芯片及其相关器件的当下最理想材料。在汽车方面,氮化镓(GaN)可应用于高性能车规级芯片,小尺寸高温可靠性车规级芯片;通信塔方面,可应用于高频滤蜂窝/DAS芯片;基站方面,可应用于高性能基站芯片和高频率通信芯片。

从氮化镓(GaN)砷化镓(GaAs)和LDMOS(横向扩散金属氧化物半导体)构成的功率频谱使用范围中可以看到,从功率方面,LDMOS由于承载能力有限,位于整个使用范围的下游,在高频率和高功率方面,氮化镓(GaN)具备得天独厚的优势,而未来雷达、航空、卫星通信方面,砷化镓(GaAs)将成为最优解。

1. 国内标的

日美大厂独舞,通信芯片的5G技术格局(图19)

1稳懋

台湾稳懋成立于1999年,是全球最大的砷化镓(GaAs)晶圆代工厂及亚洲首座6寸晶圆生产砷化镓(GaAs)微波通信芯片的晶圆制造商。

稳懋拥有经验丰富的技术团队,充分掌握HBT与HEMT单晶微波积体电路的最新发展,可以持续致力于新技术研发以满足客户日新月异的需求。举例而言,L波段的HBT可应用于手机、低频无线产品、以及无线区域网路之中。

稳懋之制程技术包含HBT和HEMT两大类,已有超过20种以上之制程技术进入量产,稳懋可持续推出多样化的新技术来服务客户。在市场应用方面,也从手持式无线通讯,积极布局物联网大趋势下的5G基础建设和讯的技术,以取得未来市场先机。

日美大厂独舞,通信芯片的5G技术格局(图20)

2三安光电

三安光电成立于1999年,产业化基地分布在厦门、天津、芜湖、泉州等多个地区,是国家批准的“国家高科技产业化示范工程”企业。

三安光电专注于充分发挥基于III - V族化合物半导体材料的研发与应用的优势,发展以新的半导体砷化镓(GaAs)氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)等材料相关的核心业务。三安占据中国LED市场份额的29%,三安拥有规模化的LED芯片产能,约占全球芯片产能的19.72%,拥有1400多项专利,持续保持同样的芯片面积比竞争对手亮度高5%。

产品方面,三安光电工业品序列包括光源、室内照明、植物照明、工业照明和夜景照明;太阳能电池领域包括三代三结空间太阳能电池、高倍聚光多结太阳能电池和电热联产太阳能电池芯片。

日美大厂独舞,通信芯片的5G技术格局(图21)

三安光电由于全面的战略布局赢得了不错的财务表现,并且从2017年开始,开始出现了第三代半导体的实质性收入,氮化镓(GaN)和砷化镓(GaAs)的收入开始大幅度增长,并进入氮化镓(GaN)核心产业链。

日美大厂独舞,通信芯片的5G技术格局(图22)

日美大厂独舞,通信芯片的5G技术格局(图23)

三安光电通过GaN在核心产业链上的布局

通信芯片的5G技术格局:载波聚合+波束+频段重整

5G技术的核心是增强型移动宽带技术的运用,包括载波聚合、波束和频段重整。

其中CA功能可以支持连续或非连续载波聚合,每个载波最大可以使用的资源是110个RB。每个用户在每个载波上使用独立的HARQ 实体,每个传输块只能映射到特定的一个载波上。每个载波上面的PDCCH信道相互独立,可以重用R8版本的设计,使用每个载波的PDCCH为每个载波的PDSCH和PUSCH信道分配资源,也可以使用CIF域利用一个载波上的PDCCH信道调度多个载波的上下行资源分配。

全球不同区域的商会有不同的LTE频谱分配,因此也就有不同的载波聚合的频段组合需求。

3GPPRAN4小组中有非常多的载波聚合频段组合正在讨论,主要是确定为满足不同CA频段组合工作时基站和终端需要达到的射频指标。

目前5G频段在手机射频市场中比例迅速提高,2019年到2022年,5G手机射频市场将扩大至70亿美元的规模,从10%的占比迅速扩大至24%,成为射频市场的火车头。

日美大厂独舞,通信芯片的5G技术格局(图24)

举例来说,Qorvo在手机射频前端主要的集成模块组合方式是RF Flex™解决方案,它把各个频段的功率放大器做了集成。除此之外,开关和滤波器也可以做集成,由于Qorvo有分立器件所有的技术与工艺,在RF器件集成时具有得天独厚的优势。

除了蜂窝式的集成以外,Qorvo对Wi-Fi的信号链路也采取模块化设计,降低了成本、减小了尺寸以及缩短了客户的调试时间。同时,还有一种集成的方式为分级接收,也就是MIMO,利用射频前端N倍的接收或者发射线路提高下行或上行速率。

随着频段数量的增加和载波聚合的应用,射频前端的损耗比以往大,原本的天线不足以覆盖所有频段,无法让每一个频段内射频器件都保持最好的性能。Qorvo能通过天线调谐技术让手机在一根天线的情况下,在不同的制式、不同的网络环境下都能达到很好的连接质量。

总得来说,随着5G芯片模组集成进一步加强,行业将迎来巨大的整合机会。

日美大厂独舞,通信芯片的5G技术格局(图25)

行业重大收购事件部分列举

本文相关词条概念解析:

芯片

指内含集成电路的硅片,体积很小,常常是计算机或其他电子设备的一部分。芯片(chip)或称微电路(microcircuit)、微芯片(microchip)、集成电路(英语:integratedcircuit,IC),在电子学中是一种把电路(主要包括半导体设备,也包括被动组件等)小型化的方式,并通常制造在半导体晶圆表面上。前述将电路制造在半导体芯片表面上的集成电路又称薄膜(thin-film)集成电路。另有一种厚膜(thick-film)混成集成电路(hybridintegratedcircuit)是由独立半导体设备和被动组件,集成到衬底或线路板所构成的小型化电路。

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