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中国射频芯片的现状和出路思考

2019-05-01
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2019年4月26日清华大学108周年校庆活动在清华大学圆满成功,来自中科汉天下电子的北京邮电大学兼职教授杨清华在会上与广大校友和媒体们深刻探讨了“中国射频芯片的现状和出路思考”。


   手机芯片的天花板很高,
大陆公司骨头都抢不到


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!


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。


手机各类芯片价值占比图


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。”


全球手机基带厂商出货占比图


射频前端类产品渐渐登上历史性舞台


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。


智能手机通信系统结构示意图


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。


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%(以下年份同),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。


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(SAW)滤波器和体声波(BAW)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。


声表面波(SAW)滤波器和体声波(BAW)滤波器


声表面波(SAW)滤波器和体声波(BAW)滤波器的区别是什么?


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。


BAW滤波器:本身具有性能优势,而且BAW滤波器的尺寸还随频率升高而缩小,在高于2GHz时成本很低,这使它适合要求非常苛刻的4G、4G+应用(包括载波聚合,VoLTE)及未来应用更高频率(<6GHz)的5G应用。


滤波器产品市场需求急剧变大,手机频段碎片化、载波聚合等频谱复杂化的发展导致了对滤波器数量要求剧增,据IDC公布2016年全球智能手机总销量近15亿部,到2020年将达20亿部,年复合增长率达到7.2%。滤波器数量随手机支持频段的增加而同步增加;2012年全球3G标准协会提出的LTE-R11版本中,蜂窝通讯系统需要支持的频段增加到41个。到2020年全球5G应用支持的频段数量将实现翻番,新增50个以上通信频段。


滤波器产品市场需求


杨教授还指出,要分析智能终端滤波器竞争格局,则需要从市场容量、国际厂商、国内情况三个方面来看。


市场容量:射频滤波器市场由2015年的50亿美元,增长至2020年的130亿美元;仅需要对国外滤波器产品实现10%的进口替代,未来公司将成为一个销售额10亿美元以上级别的公司。


国际厂商:只有Avago、Qorvo等少数几家掌握BAW滤波器量产技术的公司,其中Avago和Qorvo两家市场占有率超90%;而SAW滤波器也基本被muRata、TDK等巨头垄断。


国内情况:国内尚无大批量生产和出货的企业。


日美发达国家独大,强者俞强,强者恒强?


目前全球射频前端市场总规模稳定增加,且集中度较高,前四大厂商几乎占据着85%市场,领先的厂商均是日美发达国家企业,分别是Skywork、Qorvo、AVAGO和muRata。


全球射频前端市场增长及份额


其中Skywork占据24%,全球前10大手机厂家都是其主要客户,2013年开始,Skyworks在GaAs器件全球市场的份额基本保持在第一;Qorvo占据21%,2014年9月,RFMD和TriQuint合并,专门为移动设备,3G和4G蜂窝基站,WLAN,WIMAX,GPS,国防与航空等领域的客户提供各种服务,TriQuint公司是业内最为灵活的GaAs代工业务供应商,依赖外部代工合作关系获得关键工业技术,例如用于开关的pHEMT。AVAGO占20%,AVAGO主攻无线通信、有限基础设备、工业和汽车电子产品以及消费品与计算机外围设备,专攻3G和4G领域,拥有砷化镓各路放大器产品和转力技术;muRata占20%,2012年3月1日muRata完成对Renesas旗下PA事业部的收购,从而进军PA市场,muRata在手机射频市场具备最齐全的产品线;


除此之外,全球射频公司还在不断的进行整合演变。不断可扩展技术、产品及市场渠道,进行有机结合。强强联合,强者俞强。


全球射频公司整合演变一览


但也反映出国产射频企业的成长空间巨大,中国做射频的公司按照分类不同主要有以下几家。中科汉天下电子主要做CMOS功放设计和GaAs功放设计,做GaAs功放设计还有VANCHIP、AIRROHA、RDA、Smarter Micro,做GaAs功放制造的企业有台积电、三安光电、海威华芯等,做滤波器的有信维通信,中电科技德清华莹电子有限公司,重庆声光电有限公司、麦捷科技等。


杨清华教授讲到,汉天下的功率放大器产品全球市场占有率75%,3G功放全球市场占有率达65%,4G累计出货超过2000万套;射频功放芯片等累计25亿颗,芯片月出货了已达1亿颗,超出国内其它厂家之和,排名稳居第一。


中科汉天下射频功放芯片市占率饼图


结论:机会大于挑战


杨教授言:“信息社会的芯片=工业社会的钢铁,芯片应用无处不在。


中国消费类IC在过去几十年、未来几十年的商业模式可总结为以下几点:



  1. 微创新

  2. 应用成熟期上市

  3. 性能基本过关即可

  4. 价格是杀手锏

中国IC严重依赖进口,国产化率极低,但这也意味着国产化空间巨大;消费类电子IC全面落后美日发达国家,性能突破是难点也是关键;移动终端的射频滤波器基本被国际巨头垄断,国产化市场前景依然巨大;射频芯片投入相对小,是很好的尝试点和突破口,性能提高是关键;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;如今产业环境利好,政府、资本和全社会都给以巨大支持和关注,至少有10年的窗口期,国产企业应抓住机会;IC产业没有捷径可走,必须不断试错,需要政府、资本和从业者都积极参与。

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