当前位置: 澳门新豪天地3559 > 科技技术 > 正文

新豪天地中国射频芯片的现状和出路思考

时间:2019-06-28 10:02来源:科技技术
原标题:中国射频前端产业现状分析 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

原标题:中国射频前端产业现状分析

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。

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。

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。

新豪天地 1

新豪天地 2

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

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。

新豪天地,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。

新豪天地 3

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。

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。

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。

新豪天地 4

新豪天地 5

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)

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。

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%。

新豪天地 6

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。

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。

新豪天地 7

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

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。

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。

编辑:科技技术 本文来源:新豪天地中国射频芯片的现状和出路思考

关键词: 新豪天地