5G芯片的成本為何如此之高？

5G射頻前端模塊的高成本問(wèn)題如何解決對降低5G芯片成本非常重要。

最近，聯(lián)發(fā)科正式宣布以每股兩美元（共計4000萬(wàn)美元）的價(jià)格認購本土PA龍頭唯捷創(chuàng )芯發(fā)行的普通股共19,098,449股，這是繼收購絡(luò )達之后，聯(lián)發(fā)科在射頻PA領(lǐng)域的又一次深入。

從基帶芯片向射頻前端產(chǎn)業(yè)深入，這在旁人看來(lái)無(wú)甚緊要的動(dòng)作卻引發(fā)業(yè)內人的隱隱擔憂(yōu)：是不是這塊剛剛起來(lái)的新興市場(chǎng)就要陸續被主芯片大廠(chǎng)吞噬了？

看來(lái)，繼基帶芯片之爭后，射頻前端市場(chǎng)的戰爭也默默被挑起。

從邊緣邁向核心，射頻前端模塊或成5G產(chǎn)業(yè)發(fā)展短板

說(shuō)起射頻前端模塊，因其是主芯片——基帶芯片的周邊模塊，不承擔重要的信號處理和計算功能，所以本不重要。

從現有的產(chǎn)品形態(tài)來(lái)看，它主要由射頻天線(xiàn)、天線(xiàn)開(kāi)關(guān)、濾波器、雙工器等一系列組件組成，本質(zhì)上就是調制解調器，負責設備信號的收發(fā)。而因其與信號傳輸強相關(guān)，信號頻率、傳輸通道的改變都會(huì )對它造成顯著(zhù)的影響。

圖 | 射頻前端模塊

眾所周知，和4G相比，5G最明顯的區別在于它不僅支持6GHz以下低頻段，還能延伸到26.5～300GHz的毫米波頻段，這一變化不僅讓極其稀缺的帶寬資源問(wèn)題被解決，產(chǎn)業(yè)發(fā)展暫時(shí)也少了后顧之憂(yōu)，因此可以說(shuō)，毫米波信號頻段的增加是5G最大的亮點(diǎn)，而正因高頻頻段這一信號傳輸通道的增加，射頻前端模塊在產(chǎn)品中的地位也發(fā)生了改變。

在原有波段上加持毫米波頻段，對于硬件來(lái)說(shuō)，這就意味著(zhù)它要在同樣大小的芯片上集成更多處理高頻信號功能的模塊，因此射頻前端模塊的設計重點(diǎn)就落在了毫米波信號處理技術(shù)上，而這一部分原本屬于軍用高性能芯片領(lǐng)域。

事實(shí)上，加持毫米波信號帶來(lái)的變化是顯著(zhù)而復雜的。射頻前端模塊上最直觀(guān)的感受就是元器件數量的增加。據Skyworks估算，為了添加新頻段通信功能，從4G到5G，其中的核心器件濾波器，每款手機所需數量平均將由40只提升至50只。同時(shí)為實(shí)現從雙通道到4通道的改變，功率放大器數量也將相應翻倍；此外，5G終端開(kāi)關(guān)數量將升至原先的兩到三倍，天線(xiàn)數量也將成倍提升。

因數量的增加，在現有工藝加工之后，其勢必促使5G信號處理相關(guān)的芯片成本增長(cháng)。此前，國際知名研究機構HIS在拆解多款5G手機后發(fā)布了一份報告解讀了這一點(diǎn)，其中它特別分析了射頻前端設計的趨勢。IHS表示，由于近年在全網(wǎng)通、LTE網(wǎng)速上的追求，一款終端往往需要支持多個(gè)頻段，這種頻段的增加直接導致射頻前端設計復雜度的提升，方寸之間就要容納上百個(gè)元器件?，F在千兆級網(wǎng)絡(luò )的來(lái)臨，多載波、高階的調制、4x4 MIMO等技術(shù)的融入更是令前端設計復雜度直線(xiàn)提升。通過(guò)拆解三星S8，IHS印證了自己的想法，它看見(jiàn)了其采用堪稱(chēng)當時(shí)最復雜的前端設計，而復雜度的提升意味著(zhù)成本的直接增加，這也使前端模塊在手機BOM成本中占有越來(lái)愈高比例，重要性因此提升。

圖 | 三星S8前端設計圖

摩根大通發(fā)布過(guò)一份報告顯示，5G手機芯片成本將比4G同類(lèi)手機產(chǎn)品貴出1.85倍，具體來(lái)說(shuō)，4G手機內部芯片預計售價(jià)約為59美元（約合人民幣397元），按這樣的價(jià)格計算，5G手機的芯片成本則約為1091元。其中讓人難以置信的就是僅其芯片成本價(jià)就已經(jīng)超過(guò)了市面上的很多低端機，這里面，前端模塊的貢獻自然不可沒(méi)。

高成本反向施壓廠(chǎng)商，產(chǎn)業(yè)結構性變革迫切

本依據摩爾定律，手機內部的內存、基帶芯片等都可通過(guò)工藝和技術(shù)的迭代來(lái)實(shí)現成本的降低，但是這卻不適用射頻前端模塊產(chǎn)業(yè)，因此這也就是為什么現在我們依然可以通過(guò)肉眼看見(jiàn)其電路板上醒目的器件設計。

無(wú)法通過(guò)工藝來(lái)消減芯片制造的成本，同時(shí)輻射性影響整塊電路板設計的復雜度，以給5G終端設備的發(fā)展帶來(lái)阻力，這使得射頻前端模塊廠(chǎng)商不得不面臨前所未有的行業(yè)壓力。如數位產(chǎn)業(yè)人士所一致認同的，通信模塊的高度集成是大勢所趨，現有的工藝尚無(wú)法支撐產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，因此它們也面臨著(zhù)與主芯片廠(chǎng)搶占市場(chǎng)的危機。

這在現有的局勢變化中已經(jīng)有所體現。

此前，經(jīng)歷4G時(shí)代十多年的發(fā)展，整個(gè)終端射頻前端市場(chǎng)其實(shí)已經(jīng)形成了以Qorvo、Skyworks和Broadcom（Avago）三家公司為主的寡頭競爭格局。統計數據顯示，在終端射頻前端市場(chǎng)，三家企業(yè)合計占據了90%以上的市場(chǎng)份額，毛利率均高于40%。

但正如每一次通信升級都將給產(chǎn)業(yè)格局帶來(lái)撼動(dòng)一般，這一次5G對終端射頻模塊產(chǎn)業(yè)的影響是系統而全面的：為了適用消費級市場(chǎng)，眾多原本昂貴的毫米波器件成本也伴隨著(zhù)從高性能場(chǎng)景步入消費電子而不得不降低，同時(shí)隨著(zhù)器件數量增加，材料和工藝都將發(fā)生一定程度的變革。

圖 | 前端模塊市場(chǎng)增長(cháng)

應著(zhù)這樣一個(gè)產(chǎn)業(yè)變革機會(huì )，同時(shí)為了抓住潛在增長(cháng)的這部分市場(chǎng)，類(lèi)似聯(lián)發(fā)科在射頻領(lǐng)域的布局，專(zhuān)注在主芯片領(lǐng)域的高通、紫光等公司也都開(kāi)始紛紛搶占5G射頻模塊的市場(chǎng)，通過(guò)收購射頻模塊廠(chǎng)商來(lái)試圖打開(kāi)一部分市場(chǎng)，比如高通與TDK聯(lián)合建立RF360，聯(lián)發(fā)科收購絡(luò )達，紫光展銳則有RDA。

相較于低頻集成電路，毫米波集成電路的發(fā)展一直不是那么理想，雖然毫米波集成電路也經(jīng)歷了從分立器件、混合集成電路到單片集成電路的發(fā)展道路，但是因高頻信號的易干擾等物理限制，要想把簡(jiǎn)單功能的毫米波器件集成為超大規模集成電路是有難度的，因此其為材料、外形尺寸、工業(yè)設計、散熱和輻射功率的監管要求等終端工程的方方面面帶來(lái)了挑戰，也為大廠(chǎng)在此刻的進(jìn)入帶來(lái)了絕佳的機會(huì )，而這勢必將會(huì )誘發(fā)整條產(chǎn)業(yè)鏈上的大“地震”。

歷史遺留，MMIC的技術(shù)難點(diǎn)尚待解決

回到5G射頻前端模塊發(fā)展的阻力問(wèn)題上，我們發(fā)現本質(zhì)上還是在于無(wú)法將毫米波模塊高度集成到手機芯片中。不得不說(shuō)，盡管電子產(chǎn)業(yè)的技術(shù)與工藝發(fā)展已過(guò)了一個(gè)甲子，高度集成毫米波器件問(wèn)題其實(shí)一直未得到解決，因此它才逐漸發(fā)展成為一個(gè)細分產(chǎn)業(yè)，即業(yè)內熟知的MMIC。

圖 | MMIC示例（來(lái)源：維基百科）

實(shí)現高度集成化的好處是顯而易見(jiàn)的。微薄單片集成電路具有電路損耗小、噪聲低、頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大、功率大、附加功率高等一系列優(yōu)點(diǎn)，并可縮小的電子設備體積、重量減輕、價(jià)格也降低不少，這對軍用電子裝備和民用電子產(chǎn)品都十分重要。

但是這一點(diǎn)卻始終是產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展的難點(diǎn)。早在1986年，美國國防部就將MMIC列為軍事微電子計劃之一，并在DARPA的領(lǐng)導下，采用以聯(lián)邦政府巨額支助的方針，動(dòng)員全國高校和工業(yè)部門(mén)各大公司的力量，分工合作，對MMIC領(lǐng)域開(kāi)展廣泛而深入的研究。數據顯示，當時(shí)美聯(lián)邦政府投入資金共計5.3億元，加上美工業(yè)部門(mén)投入，實(shí)際已超過(guò)10億美元。但即便如此，收效甚微。

后進(jìn)入90年代，隨著(zhù)冷戰的結束，MMIC在民用方面應用發(fā)展以每年15~20%的速度增長(cháng)，但是至今產(chǎn)業(yè)依然沒(méi)有達成高度一致，僅在取材方面，毫米波芯片就有砷化鎵（GaAs）、InP（磷化銦）、氮化鎵（GaN）和硅基（CMOS、SiGe）等各種材料，并且各家射頻領(lǐng)域的大廠(chǎng)仍在探索更加合適的材料和工藝。

目前從整個(gè)市場(chǎng)來(lái)看，GaAs工藝已成為微波毫米波集成電路的主流工藝，而因為更高的電子遷移率、載流子飽和漂移速度和高擊穿場(chǎng)強等性能，GaN被一致認為是未來(lái)射頻器件材料的首選。

但是正如集成電路發(fā)展伊始，所有器件的集成都需要采用統一的工藝一般，考慮到集成度和市場(chǎng)化發(fā)展，以及當下硅集成電路大興的背景，雖然毫米波頻段性能不足，硅基工藝仍然是產(chǎn)業(yè)內最有可能被商用的技術(shù)。

不得不提，基于CMOS工藝研發(fā)而出的車(chē)載毫米波芯片為MMIC產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了一股春風(fēng)，這讓有志于在5G通信領(lǐng)域再基于硅片集成毫米波器件的廠(chǎng)商也多了底氣。

硅工藝在成本和集成度方面的巨大優(yōu)勢是極具誘惑力的，且其在數字電路上的應用深遠而廣泛，日本、美國、加拿大等國都在不斷進(jìn)行這方面的研究，我們國家的東南大學(xué)毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗室就堅持硅基毫米波芯片，而它的研制成功勢必將會(huì )大幅降低5G芯片的成本，也將極大程度地推進(jìn)5G產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

最后

至今為止，毫米波芯片最主要的應用領(lǐng)域還是軍用高端場(chǎng)景，因此可以說(shuō)，5G商用在成本、尺寸等方面帶來(lái)的“諸多要求”讓其本身的推進(jìn)和發(fā)展也充滿(mǎn)了壓力。

目前，在5G終端射頻前端集成領(lǐng)域，尚無(wú)一家芯片廠(chǎng)商有好的解決方案，因此留給初創(chuàng )企業(yè)的機會(huì )尚存，但是5G商業(yè)化發(fā)展已經(jīng)將近，且陸續傳出毫米波芯片成本大降的消息（如紫金山實(shí)驗室就稱(chēng)其研發(fā)的毫米波芯片已經(jīng)可以降至二十幾元），這都預示著(zhù)產(chǎn)業(yè)形勢變化一觸即發(fā)。

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