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彩票365下载:中国射频芯片的现状和出路思考,

来源:http://www.aysygc.com 作者:彩票365下载 时间:2019-08-15 21:39

原标题:中国射频前端产业现状分析

报告摘要:

5G网络作为第五代移动通信网络,其峰值理论传输速度可达每秒数十Gb,这比4G网络的传输速度快了数百倍。美国研究公司StrategyAnalytics预测5G智能手机出货量将从2019年的200万增加到2025年的15亿,年复合增长率为201%。

手机芯片的天花板很高,

进入3G/4G/Pre-5G时代,射频前端,一个手机SoC里不起眼的小角色,开始在高端智能手机市场挑大梁。一旦连上移动网络,任何一台智能手机都能轻松刷朋友圈、看高清视频、下载图片、在线购物,这完全是射频前端进化的功劳,手机每一个网络制式(2G/3G/4G/WiFi/GPS),都需要自己的射频前端模块,充当手机与外界通话的桥梁——手机功能越多,它的价值越大。

射频是无线产品中一个关键部件,进入了5G时代,其背后牵动的价值尤为重要。但和很多的其他核心半导体元器件产品一样,我们国内企业的水平差距依然明显。

5G 推进步伐逐渐加快,带来新的换机潮。

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大陆公司骨头都抢不到

射频前端与智能终端一同进化

射频前端芯片包括射频开关、射频低噪声放大器、射频功率放大器、双工器、射频滤波器等芯片。射频开关用于实现射频信号接收与发射的切换、不同频段间的切换;射频低噪声放大器用于实现接收通道的射频信号放大;射频功率放大器用于实现发射通道的射频信号放大;射频滤波器用于保留特定频段内的信号,而将特定频段外的信号滤除;双工器用于将发射和接收信号的隔离,保证接收和发射在共用同一天线的情况下能正常工作。智能手机通信系统结构示意图如下。

5G网络作为第五代移动通信网络,其峰值理论传输速度可达每秒数十Gb,这比4G网络的传输速度快了数百倍。Strategy Analytics 预测5G 智能手机出货量将从2019 年的200万增加到2025 年的15 亿,年复合增长率为201%。目前,已有多家手机厂商跟进5G 步伐,发布了5G 手机时间计划。7 月23 日OPPO官方宣布Reno 5G 版正式获得中国5G 终端电信设备进网许可证,Reno 5G 版目前已三证在手,具备了5G手机商用的能力。此前,华为6 月26日官方宣布华为Mate 20 X 获得中国首张5G终端电信设备进网许可证,这标志着国产5G手机上市步伐加快,5G 商用将进一步提速。6 月份工信部向包括三大运营商和中国广电在内的四家企业也都正式发放5G 牌照,上游运营商和下游手机厂商的5G进展情况均超预期。

中国4G智能手机出货量市场份额2014年初为10%,仅仅用了两年左右市场份额就就达到了90%,5G的采用率也将和4G类似,在中国会迅速提升。

一张图感受下当前中国核心集成电路的国产芯片占有率,从下图可以看到只有唯数不多的几个核心集成电路领域中国有些许的占有率,其中工业应用的MCU占据2%;移动通信终端的应用处理器和通信处理器分别占18%和22%,NPU占15%;半导体存储器NOR Flash和图像处理均占5%;高清电视显示处理器占据5%。其他的基本占有率都是0%,满屏的0%昭示着国产芯片占有率极低!

射频前端(RFFE:Radio Frequency Front End)模块是移动终端通信系统的核心组件,对它的理解可以从两方面考虑:一是必要性,它是连接通信收发器(transceiver)和天线的必经之路;二是重要性,它的性能直接决定了移动终端可以支持的通信模式,以及接收信号强度、通话稳定性、发射功率等重要性能指标,直接影响终端用户体验。

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5G 的到来将改变基带芯片、射频、存储等领域的创新和升级。

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如下图所示,射频前端芯片包括功率放大器(PA:Power Amplifier),天线开关(Switch)、滤波器(Filter)、双工器(Duplexer和Diplexer)和低噪声放大器(LNA:Low Noise Amplifier)等,在多模/多频终端中发挥着核心作用。

射频前端结构示意图

芯片厂商发力,射频前端创新不断。华为海思、三星、联发科等企业均已研发出较为成熟的5G基带芯片。随着5G 商业化的逐步临近,现在已经形成的初步共识认为,5G 标准下现有的移动通信、物联网通信标准将进行统一,因此未来在统一标准下射频前端芯片产品的应用领域会被进一步放大。同时,5G 下单个智能手机的射频前端芯片价值亦将继续上升。5G 带来新的换机潮,存储芯片用量最大,百亿美金采购级别。我们持续强调第四波硅含量提升周期的三大核心创新驱动是5G 支持下的AI、物联网、智能驾驶,从人产生数据到接入设备自动产生数据,数据呈指数级别增长!智能驾驶智能安防对数据样本进行训练推断、物联网对感应数据进行处理等大幅催生内存性能与存储需求,数据为王。

随着物联网、AR和VR等技术的诞生和发展,对移动网络的要求更高,5G将采用NR技术,传输速率高达10Gps,比4G快达100倍、而且具有低延时、低功耗的特点。我国5G预计按照2019年预商用,2020年规模商用的规划逐步实施。

中国核心集成电路的国产芯片占有率 据WINO数据表示,自2009年到2013年手机销售额迎来了爆炸式增长,手机销售额年复合增长率高达56%,这期间主要是功能机向智能机切换,3G/4G的渗透率急速上升。而2013年以后到2017年随着4G手机需求的大增,4G的渗透率达到70%以上,这期间的手机销售额年复合增长率在13%左右,处于快速增长的阶段。2017年以后到2020年4G手机步入成熟期,平均售价提高的情况下,全球智能手机销售额年复合增长率3%左右,处于平稳增长的状态。 2014年全球智能手机品牌出货量还是三星和苹果占据主要领军位置,但这几年国产品牌华为、小米、OPPO渐渐了分得了一杯羹。尤其是华为和OPPO增长飞速,2014年华为出货量仅占5.67%,到2017年已经占到10.4%;OPPO更是由2014年的1.08%增加到了7.59%。 杨清华教授补充到“虽然说智能手机的技术门槛还是这么高,但是在芯片层面离我们依然很遥远。从千元机和旗舰机上各类芯片价值来看,目前各类手机PCBA主板上最贵的器件就是主芯片,存储器和射频前端器件。其中射频前段器件主要包括射频功放、低噪放、开关和滤波器等。但在某些旗舰手机上射频旗舰的价格甚至会超过存储器、主芯片的价格。

除通信系统以外,手持设备中的无线连接系统(Wi-Fi、GPS、Bluetooth、FM和NFC等)对射频前端芯片也有较强的需求。

射频前端芯片是移动智能终端产品的核心组成部分,追求低功耗、高性能、低成本是其技术升级的主要驱动力,也是芯片设计研发的主要方向。射频前端芯片与处理器芯片不同,后者依靠不断缩小制程实现技术升级,而作为模拟电路中应用于高频领域的一个重要分支,射频电路的技术升级主要依靠新设计、新工艺和新材料的结合。

彩票365下载,5G 时代SiP封装工艺未来前景可期。

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射频前端之所以越来越复杂,一个主要驱动因素是终端产品,由于终端产品多模、多频段的趋势导致。观察下图,一款4G全网通手机的PCB板上,囊括数十颗射频芯片,顶级终端所占比例更大。

行业中普遍采用的器件材料和工艺平台包括 RF CMOS、SOI、砷化镓、锗硅以及压电材料等,逐渐出现的新材料工艺还有氮化镓、微机电系统等,行业中的各参与者需在不同应用背景下,寻求材料、器件和工艺的最佳组合,以提高射频前端芯片产品的性能。从技术更新换代的特点上来说,射频前端芯片设计行业技术更新速度快,行业中的各参与者均需要不断进行研发,以保证产品在行业中的竞争力。这个市场需求高,但竞争也很激烈。

SiP封装工艺,是以一定的工序,在封装基板上,实现阻容感、芯片等器件的组装互连,并把芯片包封保护起来的加工过程。SIP 将一些芯片中段流程技术带入后段制程,将原本各自独立的封装元件改成以SiP技术整体整合,有效缩小封装体积以节省空间,同时缩短元件间的连接线路而使电阻降低,提升电性效果,最终实现微小封装体取代大片电路载板,有效地缩小了产品的体积,顺应了产品轻薄化的趋势。我们认为在5G时代,SIP 技术可以帮助整合不同系统上的芯片,伴随着工艺向7nm、5nm 甚至3nm 推进而稳步攀升,先进的集成电路封装技术将在降低芯片制造商成本方面发挥关键作用。

目前,已有多家手机厂商跟进5G步伐,发布了5G手机时间计划。7月23日OPPO官方宣布Reno5G版正式获得中国5G终端电信设备进网许可证,Reno5G版目前已三证在手,具备了5G手机商用的能力。此前,华为6月26日官方宣布华为Mate20X获得中国首张5G终端电信设备进网许可证,这标志着国产5G手机上市步伐加快,5G商用将进一步提速。6月份工信部向包括三大运营商和中国广电在内的四家企业也都正式发放5G牌照,上游运营商和下游手机厂商的5G进展情况均超预期。

手机各类芯片价值占比图

Mobile Expert数据显示,2020年整个全球射频前端市场会达到180亿美元,2015年到2020年复合增长率达到13%,其中很重要的一块增长就是来自于滤波器、双工器。

射频前端芯片市场规模主要受移动终端需求的驱动。近年来,随着移动终端功能的逐渐完善,手机、平板电脑等移动终端的出货量持续上升。根据 Gartner 统计,包含手机、平板电脑、超极本等在内的移动终端的出货量从 2013 年的 22 亿台增长至 2016 年的 24 亿台,预计未来保持稳定。

报告内容:

5G的到来也将改变手机零组件的创新和升级。例如毫米波带来的应用将有可能使得滤波器和终端系统侧的天线结构数量变多,陶瓷和玻璃机壳在5G通信以及无线充电上优势明显,被动元件的需求量提升等。

再从全球手机基带厂商出货量来看,2017年高通出货量高达8.23亿,占全球33.2%的比重;联发科出货量6.94亿,占据28%;展锐出货量6.7亿,占27%左右;而这三家主要是4G的基带产量占大部分。留给其他厂商的出货量只有2.92亿美元,市占率仅11.8%。其中Rreescale,TI,Broadcom,Marvell,NVIDIA,STE等先后退出市场。这反映出一个很可怕的现状:美国公司在吃肉,台湾公司在喝汤,大陆公司骨头都快啃不着了。”

滤波器、双工器之所以成为增长来源,是因为随着频段增多而增加:按照一个双工器包含两个滤波器的规格,在2015年,一个顶级智能手机里大概支持15个频段,包含50个滤波器。预计到2020年,一个顶级智能手机中将支持30-40个频段来覆盖全球频段,目前市场上最顶级的智能手机已经支持30多个频段,它包含的滤波器可以到100个以上。

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一、

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除此之外,射频前端为何市场前景广阔?答案也是因为频段 载波聚合组合的增长。

2013年以来全球移动终端出货量(含预测)

5G

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射频前端类产品渐渐登上历史性舞台

关于频段。2G/3G时代,频段极少,2G年代GSM是4个频段,3G年代TD-SCDMA是2个频段、CDMA在中国是一个频段,当时射频前端的复杂性较低,价值也较低。

终端消费者对移动智能终端需求大幅上升的原因,主要是移动智能终端已经成为集丰富功能于一体的便携设备,通过操作系统以及各种应用软件满足终端用户网络视频通信、微博社交、新闻资讯、生活服务、线上游戏、线上视频、线上购物等绝大多数需求。

推进步伐逐渐加快,带来新的换机潮

目前根据运营商计划资本支出估算,在2019年中国预计将会建设超10万台宏基站的准备,而5G宏基站的总建设量预计将会在500万台左右,同时配备约为900万台的微基站,建设总量将会远远超过4G时代的基站建设力度!

所有无线通信都需要手机终端中的WI-FI、GPS、Bluetooth等,射频前端芯片包括射频开关、射频低噪声放大器、射频功率放大器、双工器、射频滤波器等芯片。射频开关用于实现射频信号接收与发射的切换、不同频段间的切换;射频低噪声放大器用于实现接收通道的射频信号放大;射频功率放大器用于实现发射通道的射频信号放大;射频滤波器用于保留特定频段内的信号,而将特定频段外的信号滤除;双工器用于将发射和接收信号的隔离,保证接收和发射在共用同一天线的情况下能正常工作。

到4G时代早期,“五模十三频”、“五模十七频”等概念成为厂商宣传热点,可以作为手机核心竞争力——通信制式的兼容。那时候,频段增加到16个,全球全网通频段增至49个,3GPP新增的600MHz频段编号达到71个,如果纳入5G毫米波那么频段还会增加。

同时,在基于移动智能终端实现这些需求的过程中,移动数据的数据传输量和传输速度大提升,并将持续快速增长。根据 Yole Development 的研究,2016 年全球每月流量为 960 亿 GB,其中智能手机流量占比为 13%;预计到 2021 年,全球每月流量将达到2,780 亿 GB,其中智能手机流量占比亦大幅提高到 33%。

5G网络作为第五代移动通信网络,其峰值理论传输速度可达每秒数十Gb,这比4G网络的传输速度快了数百倍,这意味着一部完整的超高画质电影可在1 秒之内下载完成。Strategy Analytics 预测5G 智能手机出货量将从2019 年的200万增加到2025 年的15 亿,年复合增长率为201%。中国4G智能手机出货量市场份额2014 年初为10%,仅仅用了两年左右市场份额就就达到了90%,我们认为5G采用率也将和4G 类似,在中国会迅速提升。

​5G之基带芯片

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关于载波聚合。从2015年最开始的两个载波,增至现在的3-4个载波,预计2017年将会提出超过1000个频段组合的需求。

移动数据传输量和传输速度的不断提高主要依赖于移动通讯技术的变革,及其配套的射频前端芯片的性能的不断提高。在过去的十年间通信行业经历了从 2G(GSM/CDMA/Edge)到 3G(WCDMA/CDMA2000/TD-SCDMA),再到 4G(FDD-LTE/TD-LTE)两次重大产业升级。在 4G 普及的过程中,全网通等功能在高端智能手机中得到广泛应用,体现了智能手机兼容不同通信制式的能力,也成为了检验智能手机通信性能竞争力的核心指标之一。

IDC预计2019 年5G 手机出货量仅占了手机出货总量的0.5%,尽管在2019 年全球智能手机的整体销量将会出现下降,但是在今年下半年中,随着5G 设备开始逐渐走入消费者的身边,智能手机的销量将会开始获得提升。

5G手机与4G手机相比,在硬件上最大的区别之一在于5G基带芯片,目前高通、华为、三星、联发科、紫光展锐等巨头厂商纷纷加入5G芯片阵营的角逐,英特尔则在与苹果“分手”后,宣布退出手机5G基带芯片市场,而苹果仍积极自研5G基带芯片,摆脱受制于人的局面。

智能手机通信系统结构示意图

以上两者都需要射频前端的能力。

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基带芯片主要玩家:

近年来,随着移动终端功能的逐渐完善,手机、平板电脑等移动终端的出货量持续上升。射频前端的频段数目和价值也在急剧增加,在过去的十年间,通信行业经历了从2G(GSM/CDMA/Edge)到3G(WCDMA/CDMA2000/TD-SCDMA),再到4G(FDD-LTE/TD-LTE)两次重大产业升级。2G手机频段数是4,总价值是$0.8;3G手机是6,总价值$3.25;4G千元机频段数是8-20,总价值$8-10;4G旗舰机频段数在17-30左右,总价值$16-20;到了5G 手机达到50的频段数,总价值达$25-40。

摆在射频前端厂商面前的难题

移动通信技术的变革蓝图

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根据Yole development数据得出,射频前端各个组件市场情况,可以总结为以下三点:滤波器市场显著增加,功放和低噪放稳定增长,射频开关类产品需求多样化发展。在射频前端市场中最大的业务模块是滤波器,从2016年到2022年滤波器的年复合增占率21%,将从52亿美元增长至163亿美元,这主要的市场驱动力来自于新型天线对额外滤波的需求以及载波聚合对更多的体声波滤波器的需求;功放和低噪放的年复合增占率1%,从38亿美元增长至41亿美元,高端LTE功放市场的增长将被2G和3G市场的萎缩所平衡,由于新型天线的出现和增长,低噪放市场将稳步前行;射频开关的年复合增占率12%,从10亿美元增长至20亿美元,其市场驱动力来自于天线开关业务的增长;天线调谐器年复合增占率40%,从0.36亿美元增长至2.72亿美元,市场驱动力来自调谐功能被添加到主天线和分集天线中。

尽管射频前端前景广阔,但很多射频前端厂商在工艺设计上犯了难。IHS Markit近期发布的报告指出,自LTE设备诞生以来,射频前端的复杂性显著增加;设备其他功能的改进,导致了一个更具挑战性的设计环境。

为了提高智能手机对不同通信制式兼容的能力,4G 方案的射频前端芯片数量相比2G 方案和 3G 方案有了明显的增长,单个智能手机中射频前端芯片的整体价值也不断提高。

4G作为3G 的延伸,主要采用MIMO 技术,是利用各个天线之间空间信道的独立性来区分用户进行服务,主要包括TD-LTE 和FDD-LTE制式。我国主要采用TD-LTE 标准,2013年12 月4 日,工业和信息化部正式向三大运营商发放了4G 牌照,标志着我国通信行业正式进入了4G时代。4G 能够以100Mbps的速度下载,上传的速度也能达到20Mbps,比3G更快的传输速率、更好的频率利用率、通信更加灵活及更好的兼容性等优点,使得用户体验更加优异。

5G芯片发布时间:

杨清华教授谈到:“我们都知道滤波器是实现频段过滤的专用器件,它可以使信号中特定的频率成分通过,而极大地衰减或抑制其它频率成分;目前手机是该系统产品的最大应用市场。”在手机等无线通信领域,由于设备尺寸较小、功率较低,目前主要有2种类型的滤波器在使用,分别为声表面波滤波器和体声波滤波器,顾名思义,SAW滤波器是通过声波表面传播,BAW滤波器是通过声波体内垂直传播。目前国内没有规模量产的声表面波和体声波滤波器厂家,而国外产品的进口替代潜力大,市场规模大、利润空间高。

一方面,高端智能手机不断推陈出新,屏幕越来越大、机身越来越轻薄,这些变化直接导致射频前端组件的物理空间减少;另一方面,考虑到大尺寸屏幕对电池续航的影响,射频前端的设计要比以往更重视电源使用效率;第三,网速越来越快,射频前端模块正在变得越来越复杂。

根据 Yole Development 的统计,2G 制式智能手机中射频前端芯片的价值为 0.9美元,3G 制式智能手机中大幅上升到 3.4 美元,支持区域性 4G 制式的智能手机中射频前端芯片的价值已经达到 6.15 美元,高端 LTE 智能手机中为 15.30 美元,是 2G 制式智能手机中射频前端芯片的 17 倍。因此,在 4G 制式智能手机不断渗透的背景下,射频前端芯片行业的市场规模将持续快速增长。

5G:随着物联网、AR 和VR 等技术的诞生和发展,对移动网络的要求更高,5G 将采用NR 技术,传输速率高达10 Gps,比4G 快达100 倍、而且具有低延时、低功耗的特点。我国5G 预计按照2019年预商用,2020 年规模商用的规划逐步实施。

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尽管射频前端的复杂程度增加,然而设备PCB上留给此功能区的空间一直以来却在减少。过去几年,高端智能手机已经从仅支持有限的射频频段转为单一SKU,支持34个频段的智能手机,为了尽可能在有限的空间容纳扩展频段,射频前端越来越模块化,比之前集成了更多的PA、滤波器、双工器、开关和LNA部件,随着PCB上元器件密度越来越高,元器件间的干扰逐渐成为一个不可忽视的问题,如何对每个射频元器件实施充分有效的隔离,成为相关厂商的第二个挑战。

随着 5G 商业化的逐步临近,现在已经形成的初步共识认为,5G 标准下现有的移动通信、物联网通信标准将进行统一,因此未来在统一标准下射频前端芯片产品的应用领域会被进一步放大。同时,5G 下单个智能手机的射频前端芯片价值亦将继续上升。根据 QYR Electronics Research Center 的统计,从 2010 年至 2016 年全球射频前端市场规模以每年约 12%的速度增长,2016 年达 114.88 亿美元,未来将以 12%以上的增长率持续高速增长,2020 年接近 190 亿美元。

目前,已有多家手机厂商跟进5G 步伐,发布了5G 手机时间计划。7 月23 日OPPO官方宣布Reno 5G 版正式获得中国5G终端电信设备进网许可证,Reno 5G 版目前已三证在手,具备了5G 手机商用的能力。此前,华为6 月26日官方宣布华为Mate 20 X 获得中国首张5G 终端电信设备进网许可证,这标志着国产5G 手机上市步伐加快,5G 商用将进一步提速。6 月份工信部向包括三大运营商和中国广电在内的四家企业也都正式发放5G 牌照,上游运营商和下游手机厂商的5G 进展情况均超预期。

中国的厂商紧跟5G的步伐,2018年2月25日,在巴塞罗纳举行的MWC展会上,华为正式发布了旗下首款5G商用芯片——Balong5G01,符合5g标准R15规范,支持Sub6GHz中低频,以及28GHz高频毫米波,兼容2g/3g/4g网络。联发科也公布了其5g基带芯片产品HelioM70,符合5g标准R15规范,最快下行速率可达5gbps,兼容2g/3g/4g网络。

声表面波滤波器和体声波滤波器

一个集成化的解决方案是关键

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声表面波滤波器和体声波滤波器的区别是什么?

纵观射频前端芯片市场,器件主要分为两类,一类是使用MEMS工艺制造的滤波器,以声表面波滤波器(SAW)和体声波滤波器(BAW)为代表,第二类是使用半导体工艺制造的电路芯片,以功率放大器(PA)和开关电路(Switch)为代表。

全球射频前端市场规模

二、

2019年1月24日,华为在其北京研究所举办了华为5G发布会暨MWC2019预沟通会,会上发布了巴龙5000基带芯片。麒麟980搭配巴龙5000,正式成为首个提供5G功能的正式商用移动平台。

SAW滤波器:在2G、3G时代占据滤波器市场的主导地位;但SAW滤波器性能不足,在滤波频率高于2GHz时,不能满足苛刻频段的要求。

SAW和BAW市场都不缺玩家,而高通给出的答案是:做一个集成化的射频前端解决方案,或许能成为高端智能手机的救星。

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