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射频芯片的国产替代

2023-04-14 13:00果壳硬科技(付斌)78评

原文标题:《射频芯片,被国产玩烂了?》

要说最近半导体哪个细分领域最热闹,当属射频领域,包括飞骧科技、慧智微、康希通信等公司正在排队 IPO。

然而,提到射频芯片,许多人的第一反应是“过气”,无论是当初射频相关企业上市连连破发,还是一级市场降温,投资机构不再偏爱射频技术,还是 Skyworks、Qorvo、Broadcom 等射频巨头向外拓展其它市场[1],种种迹象都透出悲观气息。

虽然国产在射频领域看似强大,实则仍有许多空白。6G、Wi-Fi 7 正徐徐走来,市场理应继续保持理性,但也要向未来布局。

本文是“果壳硬科技”策划的“国产替代”系列第二十二篇文章,关注射频芯片国产替代。在本文中,你将了解到:哪些芯片与射频相关,射频芯片国产整体发展情况,国产射频芯片的出路。

付斌 | 作者

李拓 | 编辑

1、让手机成为手机

射频(Radio Frenquency)一词由英文直译而来,起初最早应用于无线广播(FM / AM)中,而现在射频相关模块仍然搭载在一切需要无线及通讯的设备中,负责 2G / 3G / 4G / 5G、Wi-Fi、蓝牙、GPS、UWB、LoRa、NB-IoT 等通信协议的接收、转换与呈现。没有射频模块,手机就不能再称之为手机。

射频芯片是射频模块的核心,指的是能接收或发射射频信号并对其进行处理的集成电路,处理指的是将基带信号进行上变频和滤波的射频信号发射出去,或把接收到的射频信号通过下变频和滤波得到基带信号。

射频芯片对工艺制程要求并不高,可不受摩尔定律影响[2],但不代表它很简单。与 CPU、GPU 或是电源管理芯片不同,射频芯片设计复杂,且一般以工作频段和增益为主要衡量标准,因此市场整体较为稳定,更新较慢,不像前者那般时常有新品发布。[3]

主流射频厂商主要采用自主生产的方式运营,即 IDM(Integrated Design and Manufacture,垂直整合制造),Fabless(无制造半导体)模式的公司难以与 IDM 公司形成优势,此外,射频芯片门槛非常高,并不是说做就能做。

一方面,移动终端设备功能快速增加,5G、Wi-Fi 6 技术成为主流,射频芯片数量急剧增加,然而留给射频芯片的空间却没有同步增加,高度集成化将进一步增大其设计难度,加之不同类型芯片结合方式、干扰和共存等问题,设计难度指数化提升。举个例子来说,4G 时代,仅头部手机厂商旗舰机会采用高度集成的 PAMiD 射频前端方案,而 5G 时代,L-PAMiD 和 L-PAMiF 等已成为中高端手机标配,提供不了相关技术的射频芯片公司只会被淘汰。[4]

另一方面,从商用角度来看,设计一款射频芯片不仅需要大量理论知识,也非常考验设计者的经验,不依赖制程的集成电路大多依靠更换材料提升性能,GaAs(砷化镓)、SiGe(硅锗)、GaN(氮化镓),每一代材料,都拥有其工艺、器件和电路,加上很多射频芯片的指标要求都是在挑战工艺极限,这就要器件结构拥有诸多创新。[5]

2、四部分各有各的市场

射频芯片是一个非常泛的词,虽然很多情况下,大家口中的射频芯片多指代射频前端芯片,但实际上嵌入在手机中的射频芯片不止一种,每一种都具有广阔的市场前景。

普遍来说,手机无线通信模块分为射频前端、基带、收发器、天线四大部分,每个部分又是由大量分立的芯片组成,市场非常复杂。

智能手机通信系统结构示意图[6]

射频前端 —— 国产的最爱

射频前端 RFFE(RF Front End)是天线与射频收发芯片的必经之路,它负责无线电磁波信号的发送和接收,是移动终端设备实现蜂窝网络连接、Wi-Fi、蓝牙、GPS 等无线通信功能所必需的核心模块。

射频前端芯片通常集成多种不同器件,不同终端中所集成的器件的种类和数量也不同。大多情况下,射频前端芯片包含功率放大器(PA)、滤波器(Filter)、双工器或多工器(Duplexer 或 Multiplexer)、低噪声放大器(LNA)、开关(Switch)、天线调谐模块(ASM)等器件,而在部分终端的射频前端架构中,还会在天线开关后增设双通器(Diplexer)、连接器 (Coupler)。[7]

不同器件并非各做各的任务,而是彼此协调联动:射频功率放大器(PA)用于放大发射通道的射频信号;射频低噪声放大器(LNA)用于放大接收通路的射频信号;双工器用于隔离发射信号和接收信号;滤波器用于保留特定频段的信号,滤除特定频段外的信号;射频开关用于实现射频信号收发转换,并将不同频段射频信号集中在同一通路。[6]

此外,不同器件也影响着整机的通信质量:如整个前端的链路插损影响着射频信号功率和灵敏度,PA 放大性能会影响发射信号的功率,LNA 放大性能会影响接收信号的灵敏度,滤波器会影响射频信号的带外杂散指标等。[8]

终端部分射频前端器件介绍[7]

从 2G 到 5G,射频前端设计已大有不同:

2G~5G 射频前端构成数量变化及价值量[11]

在过去多年的发展中,射频前端不同器件工艺和材料经历多次迭代,目前 2GHz 以下频段,射频前端模块以金属氧化物半导体(CMOS)、双极结型 (BJT) 、硅锗 (SiGe)或 Bipolar CMOS 等硅集成电路制程设计为主,而 5GHz 以上频段,砷化镓场效应晶体管在电性功能表现优强势。纵观整个市场,现在射频前端各器件趋势如下 ——

不同射频前端器件的材料、特殊制造工艺都在不断发展[20]

射频前端全球市场增长稳定,且集中度极高。Yole 数据显示,美国的思佳讯(Skyworks)、博通(Broadcom)、威讯联合半导体(Qorvo)、高通(Qualcomm)和日本的村田(Murata)五家厂商的产品在 2021 年和 2022 年占据了超过 80% 的市场份额,国内厂商锐迪科、国民飞骧、唯捷创芯、韦尔股份等则只能分食仅剩的 20% 市场份额。

此外,根据 Yole 最新研判,射频前端市场将从 2022 年的 192 亿美元提升至 2028 年的 269 亿美元,年复合增长率达 5.8%。[21]

2021 年~2027 年射频前端市场预测[21]

2021 年~2027 年射频前端主要厂商市场数据[21]

专利角度来看,中国高度重视射频前端技术研究。据智慧芽数据,以射频前端作为关键词搜索,在 170 个国家 / 地区中搜索出共计 22223 条专利,总价值为 1,184,138,000 美元。其中,中国包揽了大部分,占全球射频前端专利综述的 85.21%,其次则是美国,占比为 10.48%。

从 2004 年~2023 年的专利申请趋势来看,2020 年以前全球射频前端专利申请量和授权量逐年上升,此后逐步放缓至 2018 年水平,授权占比则自 2015 年开始迅速下滑。

对比同期的无线发展情况,2004 年~2020 年正值无线技术高速迭代期,蜂窝移动技术、Wi-Fi 技术快速迭代,尤其是 5G 和 Wi-Fi 6 时期,相关技术层出不穷地浮现。而到现在,市场整体成熟度逐渐提高,叠加射频前端相关应用需求放缓,市场也恢复冷静。

射频前端专利发展趋势图,图源丨智慧芽

从射频前端申请人排名来看,华为申请数量遥遥领先,共拥有 866 个射频前端专利,其次则为 OPPO、诺思(天津)、vivo、华南理工大学、中兴、高通、电子科技大学、苹果公司等。此外,荣耀、谷歌、英特尔在射频前端领域也活跃在射频前端领域,分别拥有 103、93、91 个专利。

射频前端申请人排名分析,图源丨智慧芽

另以射频前端和芯片同时作为关键词在智慧芽搜索,在 170 个国家 / 地区中拥有共计 932 条专利,专利总价值达到 24,935,900 美元。其中,专利储备最为丰厚仍是中国,占据全球射频前端芯片专利的 78.32%,其余依次为美国 7.85%、欧洲 2.13%、韩国 1.86%、德国 1.20%、日本 1.06%。

从五局流向图来看,中国庞大数量的射频前端芯片专利的布局主要集中在国内,同时中国和美国包揽了大部分专利。

射频前端芯片技术来源国 / 地区趋势分析,图源丨智慧芽

纵览射频前端芯片领域专利申请人情况,高通的专利储备大幅领先其它公司,共计 40 个专利,此外,中兴、唯捷创芯、锐石创芯、信维通信、展讯通信、华为等国内公司在射频前端芯片的专利情况也值得关注。

射频前端芯片申请人排名分析,图源丨智慧芽

基带芯片 —— 几乎被垄断

基带(Baseband)的全名是基本频带,原指未经调制的原始电信号所固有的频率宽带,即处在中心点的 0Hz 信号,而现在它通常指手机中的通信模块,包括基带芯片、基带信号调制解调器及其它辅助元器件。

基带芯片是基带中核心部分,是无线通信的大管家,负责信号生成、调制、编码以及频移等工作。

通常来说,基带芯片独立于其它芯片,存在大量手机已有的重复器件,包括 CPU 处理器、信道编码器、数字信号处理器、调制解调器和接口模块五个部分[22]。独立的系统有助于提高运行效率,防止受到应用程序错误或操作系统更改影响。[23]

基带芯片长期被垄断,从现有市场来看,高通是基带芯片领域的绝对统治者,Strategy Analytics 报告中,2022Q3 高通的手机基带芯片收入占全球总收入的 62%,其次是联发科(26%)和三星(6%)[24]。其难点在于:

专利角度来看,为保持市场统治力,世界都在加大力度投入研发基带,尤其是在 5G 逐渐商用之后。智慧芽数据显示,以基带为关键词搜索,在 170 个国家 / 地区中共计 344255 条专利,专利总价值 40,304,149,700 美元。其中,中国基带专利数占全球的 73.13%,其次则依次为美国 14.58%、日本 5.01%、欧洲 1.73%、韩国 1.57%。

基带专利发展趋势图,图源丨智慧芽

华为在基带领域最为活跃,仅华为技术有限公司申请专利总数就高达 32200 条,其次是高通,申请专利书为 9312 条,中兴、OPPO、vivo、荣耀、三星、苹果、索尼、爱立信、诺基亚、英特尔等耳熟能详的公司也极为关注基带技术。

基带申请人排名分析,图源丨智慧芽

另以基带和芯片同时作为关键词搜索,在 170 个国家 / 地区中共计 5192 条专利,总价值 161,273,000 美元,其中,中国基带芯片专利包揽了全球相关专利总数的 73.12%,而美国、韩国、日本、德国则分别为 12.08%、5.85%、4.47%、1.60%。

从五局流向图来看,虽然中国的基带专利数量极为庞大,但布局主要集中在国内,海外布局不足。而美国、欧洲、日本、韩国虽然数量较少,但布局较为均衡,此外,美国布局到中国的基带芯片专利数量较多,比较注重中国相关市场。

基带芯片技术来源国 / 地区趋势分析,图源丨智慧芽

华为仍然是围绕基带芯片布局最广的公司,相关专利数达到 192 条,而垄断基带芯片半边天的高通、联发科、三星也具备丰富专利储备。此外,值得关注的国际企业包括安华高(Avago)、乐金电子(LG)、英飞凌(Infineon),国内企业包括中兴、TCL、展讯、华勤电子、OPPO、康佳等。

基带芯片申请人排名分析,图源丨智慧芽

射频收发 —— 被忽视的领域

正如其名,射频收发就相当于是放在手机里的信箱,帮忙收件或发件,它决定了最终整个射频单元的成本和性能。根据收发过程中频谱变换过程,射频收发芯片主要分为超外差结构(或称中频接收)、零中频架构和直接射频采样三种结构,不同结构在集成度、性能、成本、功耗上各有优劣[28]。其中,超外差结构是最经典的结构。

射频收发芯片也是国产极难突破的领域,国产化自给率几乎为零,而它的未来市场规模超过 300 亿美元,Verified Market Research 数据显示,射频收发芯片将从 2021 年的 122 亿美元增长至 2030 年的 365.7 亿美元,年复合增长率达到 11.6%[29]。随着车联网、工业物联网、卫星互联网产业发展,收发芯片市场只会不断扩张。[30]

一颗射频收发芯片由大量高品质因数分立元件构成,包括低噪声放大器、混频器、射频、中频和镜像频率抑制滤波器、压控振荡器等,且成品集成化程度越来越高,加之多模化已是硬性要求,因此 CMOS 集成工艺极为复杂和困难[31]。更为困难的是,形成的芯片产品必须能够协调其它部分模块,形成一套有机的整体系统高效运作。[32]

收发芯片领域厂家分为两类,一类是依托基频平台,将收发器作为平台的一部分,如德州仪器(TI)、高通(Qualcomm)、恩智浦(NXP)、联发科(MediaTek),另一类则是专业射频厂商,不依赖基频平台拓展收发芯片市场,如英飞凌(Infineon)、意法半导体(ST)、RFMD、Skyworks。[10]

从专利角度来看,中国在收发芯片领域的投入力度也非常大。智慧芽数据显示,以射频收发作为关键词搜索,在 170 个国家 / 地区中共计 42947 条专利,总价值达 6,278,372,500 美元,其中中国射频收发专利数占全球的 69.19%,其次为美国(26.22%)和欧洲(1.25%)。

从专利趋势来看,2018 年前,射频收发领域热度持续攀高,2018 年后,申请数量逐年减少,授权占比也持续降低。

射频收发专利发展趋势图,图源丨智慧芽

苹果、高通、OPPO、华为、中兴、vivo、联发科等公司均较为关注射频收发技术,储备大量相关技术专利,其中尤其以 OPPO 最为热衷申请射频收发专利,相关专利数接近 4000 条。

射频收发申请人排名分析,图源丨智慧芽

以射频收发和芯片同时作为关键词搜索时,在 170 个国家 / 地区中搜索出共计 1247 条专利,总价值 37,196,100 美元。其中,前四为中国、美国、法国、韩国,分别占全球射频收发芯片专利总数的 83.87%、10.03%、1.87%、1.57%。

五局流向图显示,中国和美国垄断大部分射频收发芯片专利,特别是中国在国内拥有庞大的射频收发芯片布局,但输出专利较少。

射频收发芯片技术来源国 / 地区趋势分析,图源丨智慧芽

射频收发芯片专利领域,不仅包含中兴、OPPO、华为、展讯、vivo 等国内公司,还拥有西安电子科技、中国地质大学(武汉)等高等院校。

射频收发芯片申请人排名分析,图源丨智慧芽

天线 —— 也属半导体行业

看名字,天线好像和芯片没什么关系,但其实它也是典型的半导体行业应用。

从大哥大,到老掉牙的直板手机,我们都见过大大的外置天线,直到现在,天线依旧是手机接收发射信号所必不可少的器件,它的好坏甚至决定了手机的市场生存空间。

根据结构,手机天线分为 PIFA 型、缝隙型、单极型、可重构型、含有集总参数等类型[33],最终,理想的天线一定具备多频段、宽频带、低成本、低辐射、高性能等特性。

天线设计是行业一大难点,现如今,5G 下的天线包含多频带载波聚合、4x4 MIMO 与 Wi-Fi MIMO 等多个技术,为天线调谐、放大器线性、功耗和干扰上带来巨大挑战。此外,整机中天线数量正伴随功能复杂化而不断增加,但已经没有产品把天线外置,内部留给天线的空间也非常狭窄。

面对上述难点,行业一种解决办法是将 GPS、Wi-Fi、中频、高频、超高频等通道共同使用一个天线,另一种方法是使用天线调谐,把每根天线都调谐到工作频段,但无论采用哪种设计或方法,都会增大整体设计难度,同时涉及复杂的材料创新问题。[34]

从市场空间来看,天线将从 2021 年的 198.1 亿美元成长至 2030 年的 455.8 亿美元,年复合增长率 9.7%[35]。不过,需要注意的是,高端的终端天线仍是美系厂商安费诺(Amphenol)和日系厂商村田(Murata)领先,国产依旧需要突破。

专利角度来看,天线研发与消费电子市场周期相关联。据智慧芽数据,以天线作为关键词搜索,在 170 个国家 / 地区共计 1,223,641 条专利,总价值 145,613,919,800 (美元)。

从专利趋势来看,2017 年~2020 年,行业对天线的研究保持高热情态度,而 2021 年~2022 年则衰退回 2014 年的水平,这两年正值消费电子需求不振,手机等移动终端市场下行。

天线专利发展趋势图,图源丨智慧芽

从各国占比情况来看,中国天线专利数占全球的 66.47%,而美国、日本、韩国则分别为 16.17%、7.69%、2%。

五局流向图显示,天线领域中国海外布局严重不足,对比美国、欧洲、日本、韩国则有大量专利向中国输出,以此可以看出中国天线市场对于全世界的重要性。

天线技术来源国 / 地区趋势分析,图源丨智慧芽

天线领域,华为和高通的专利数均达到第三位的两倍以上,而 OPPO、vivo、三星、中兴则紧随两家其后,拥有大量专利布局。

天线申请人排名分析,图源丨智慧芽

3、内卷的市场,国产该怎么走

射频芯片的战场一直是冷酷无情的,曾经的玩家们飞思卡尔(Freescale)、德州仪器(TI)、迈威尔(Marvell)、英伟达(NVIDIA)、STE 等先后退出市场[36],现有公司不断整合并购,诞生出一个又一个可望而不可即的巨无霸。

比如说,Qorvo 公司就是 2015 年由射频微器件公司(RF Micro Devices)与超群半导体有限公司(Tri Quint Semiconductor)两家公司合并而来,成立后又进行了多次并购,产品线扩展至物联网、5G 等领域。

虽然从上面各种射频芯片专利来看,国产好像达到了巅峰,但事实上,20 多年历史中,射频芯片技术变革并不多,国际上每家公司的几千项专利对国内构成了全方位的封锁。[37]

更为困难的是,射频芯片领域马太效应凸显,国际先进厂商拥有超过 20 年的经验积累,在面对新产品、新应用、新需求时候,这些厂商可以做得又快又好,加之同类设计成本国内与国际差别超过 20%,在同样价格下,国际厂商毛利率明显更具优势。[37]

行业人士则也感慨,射频芯片领域美国公司在吃肉,中国台湾公司在喝汤,中国大陆公司连骨头都没啃到。[36]

从国内射频芯片发展历史来看,是善变的资本市场,从不被看好,到人人追捧,再到退潮,射频芯片领域只用了将近 20 年。

2G 时代,锐迪科的成立标志着国产开始向射频前端领域突围。但 2010 年 3G 成为市场主流,资本市场仍然不看好射频芯片市场,赛道上只有无锡中普微电子、唯捷创芯寥寥的新晋玩家。

直到 4G 的出现,射频芯片成了资本眼里的香饽饽,争着抢着进入。没过多久,射频芯片市场就挤满了玩家,慧智微、卓胜微、飞骧科技、汉天下(现为昂瑞微)相继成立,市场膨胀之外,是逐渐内卷的市场。这些厂商从相对成熟的分立射频芯片着手,不断积累经验。

5G 窗口期,国产逐步实现中低端机型射频前端国产替代,积累模组能力,走向全品类供应[38],卓胜微、唯捷创芯、锐石创芯、飞骧科技、慧智微电子等公司也相继推出射频前端模组产品并大规模量产。[39]

需指出的是,虽然本土厂商已不断在射频开关、低噪声放大器等细分领域实现突破,但依然缺乏中高端产品,高度依赖进口。[40]

国产射频芯片关键事件,制表丨果壳硬科技,参考资料丨半导体行业观察[41][42],集微网[43]《军民两用技术与产品》[44]

当国产射频芯片赛道挤满玩家之后,内卷开始,曾经的香饽饽开始出现异样。

2020 年,射频前端芯片毛利率一度低至 20%,行情不断创新低,彼时大多初创企业怀揣着理想,对标 Skyworks、Qorvo、Qualcomm 一众高端芯片企业,但在一两年后产品甚至不能与国内一线品牌对标,甚至只研发了 2G、3G 这样的成熟芯片,杀价卖货成为创业公司最后的救命稻草。事实上,毛利夸张到如此地步,创业公司完全没有必要再去做成熟的低端产品国产替代,应该关注基带芯片、高端射频芯片这样难啃的硬骨头。[45][46]

这样的态势在两年后并没有得到改变,2022 年有新闻称 PA 芯片毛利率已低至个位数,亏本出货已成常态,头部厂商也希望通过这样的效应加速行业洗牌。本就身处枪林弹雨,但市场更为残酷,消费电子市场持续走低,砍单潮降临,去库存让内卷的市场更卷了,降价是这些企业唯一能够做的事。[47]

消极的市场情绪下,射频芯片企业上市碰壁也成为意料之中。2022 年 1 月 14 日,科创板基带芯片第一股翱捷科技开盘遭遇破发,竞价低开 20.99%;2022 年 1 月 27 日,臻镭科技上市当日跌幅 9.18%;2022 年 4 月 12 日,手握小米、OPPO 等大客户的唯捷创芯上市首日也下跌 36.04%。

这种市场颓势至今仍难扭转,深陷泥潭的国产射频芯片企业等不来市场复苏,等待他们的只有洗牌。行业人士也称,传统行业的投资思维并不能简单代入到芯片行业,如果还按照之前的思维去投资,行业还是会深陷泥潭不能自拔。[48]

经过不完全统计,2021 年至今,射频领域相关融资事件明显放缓。

射频领域近两年融资事件不完全统计,制表丨果壳硬科技,参考资料丨公司公告

虽然射频芯片并没有为国内市场带来福音,但没有自主的产品,一台手机就会贵上不少,国际厂商会依仗垄断优势,顺势为终端供货涨价。[49]

那么,国产射频芯片又该如何发展,果壳硬科技认为:

虽然现阶段国产射频芯片市场看似辉煌,拥有大量玩家和产品,但却依然缺乏高端射频前端芯片、基带芯片、射频收发芯片、高端天线,与其它芯片不同,迭代较为缓慢的射频芯片投资逻辑和思维均不同,回报周期更长。随着 6G、Wi-Fi 7、UWB 逐渐走向手机,市场需要进一步整合并购,一切或许才会回归正轨。

References:

本文来自微信公众号:果壳硬科技 (ID:guokr233),作者:付斌

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