5G芯片為什么成本這么高

5G手機(jī)芯片成本將比4G同類手機(jī)產(chǎn)品貴出1.85倍，射頻前端模塊廠商不得不面臨前所未有的行業(yè)壓力。通信模塊的高度集成是大勢(shì)所趨，現(xiàn)有的工藝尚無(wú)法支撐產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，因此它們也面臨著與主芯片廠搶占市場(chǎng)的危機(jī)。

5G射頻前端模塊的高成本問(wèn)題如何解決對(duì)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(jì)4000萬(wàn)美元）的價(jià)格認(rèn)購(gòu)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(gòu)絡(luò)達(dá)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(nèi)人的隱隱擔(dān)憂：是不是這塊剛剛起來(lái)的新興市場(chǎng)就要陸續(xù)被主芯片大廠吞噬了？

看來(lái)，繼基帶芯片之爭(zhēng)后，射頻前端市場(chǎng)的戰(zhàn)爭(zhēng)也默默被挑起。

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(dān)重要的信號(hào)處理和計(jì)算功能，所以本不重要。

從現(xiàn)有的產(chǎn)品形態(tài)來(lái)看，它主要由射頻天線、天線開(kāi)關(guān)、濾波器、雙工器等一系列組件組成，本質(zhì)上就是調(diào)制解調(diào)器，負(fù)責(zé)設(shè)備信號(hào)的收發(fā)。而因其與信號(hào)傳輸強(qiáng)相關(guān)，信號(hào)頻率、傳輸通道的改變都會(huì)對(duì)它造成顯著的影響。

圖 | 射頻前端模塊

眾所周知，和4G相比，5G最明顯的區(qū)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，因此可以說(shuō)，毫米波信號(hào)頻段的增加是5G最大的亮點(diǎn)，而正因高頻頻段這一信號(hào)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(duì)于硬件來(lái)說(shuō)，這就意味著它要在同樣大小的芯片上集成更多處理高頻信號(hào)功能的模塊，因此射頻前端模塊的設(shè)計(jì)重點(diǎn)就落在了毫米波信號(hào)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(hào)帶來(lái)的變化是顯著而復(fù)雜的。射頻前端模塊上最直觀的感受就是元器件數(shù)量的增加。據(jù)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(jī)所需數(shù)量平均將由40只提升至50只。同時(shí)為實(shí)現(xiàn)從雙通道到4通道的改變，功率放大器數(shù)量也將相應(yīng)翻倍;此外，5G終端開(kāi)關(guān)數(shù)量將升至原先的兩到三倍，天線數(shù)量也將成倍提升。

因數(shù)量的增加，在現(xiàn)有工藝加工之后，其勢(shì)必促使5G信號(hào)處理相關(guān)的芯片成本增長(zhǎng)。此前，國(guó)際知名研究機(jī)構(gòu)HIS在拆解多款5G手機(jī)后發(fā)布了一份報(bào)告解讀了這一點(diǎn)，其中它特別分析了射頻前端設(shè)計(jì)的趨勢(shì)。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(dǎo)致射頻前端設(shè)計(jì)復(fù)雜度的提升，方寸之間就要容納上百個(gè)元器件?，F(xiàn)在千兆級(jí)網(wǎng)絡(luò)的來(lái)臨，多載波、高階的調(diào)制、4x4 MIMO等技術(shù)的融入更是令前端設(shè)計(jì)復(fù)雜度直線提升。通過(guò)拆解三星S8，IHS印證了自己的想法，它看見(jiàn)了其采用堪稱當(dāng)時(shí)最復(fù)雜的前端設(shè)計(jì)，而復(fù)雜度的提升意味著成本的直接增加，這也使前端模塊在手機(jī)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(shè)計(jì)圖

摩根大通發(fā)布過(guò)一份報(bào)告顯示，5G手機(jī)芯片成本將比4G同類手機(jī)產(chǎn)品貴出1.85倍，具體來(lái)說(shuō)，4G手機(jī)內(nèi)部芯片預(yù)計(jì)售價(jià)約為59美元（約合人民幣397元），按這樣的價(jià)格計(jì)算，5G手機(jī)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(jī)，這里面，前端模塊的貢獻(xiàn)自然不可沒(méi)。

本依據(jù)摩爾定律，手機(jī)內(nèi)部的內(nèi)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(xiàn)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(xiàn)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(shè)計(jì)。

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(shè)計(jì)的復(fù)雜度，以給5G終端設(shè)備的發(fā)展帶來(lái)阻力，這使得射頻前端模塊廠商不得不面臨前所未有的行業(yè)壓力。如數(shù)位產(chǎn)業(yè)人士所一致認(rèn)同的，通信模塊的高度集成是大勢(shì)所趨，現(xiàn)有的工藝尚無(wú)法支撐產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，因此它們也面臨著與主芯片廠搶占市場(chǎng)的危機(jī)。

這在現(xiàn)有的局勢(shì)變化中已經(jīng)有所體現(xiàn)。

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(jìng)爭(zhēng)格局。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在終端射頻前端市場(chǎng)，三家企業(yè)合計(jì)占據(jù)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(jí)都將給產(chǎn)業(yè)格局帶來(lái)撼動(dòng)一般，這一次5G對(duì)終端射頻模塊產(chǎn)業(yè)的影響是系統(tǒng)而全面的：為了適用消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)，眾多原本昂貴的毫米波器件成本也伴隨著從高性能場(chǎng)景步入消費(fèi)電子而不得不降低，同時(shí)隨著器件數(shù)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(zhǎng)

應(yīng)著這樣一個(gè)產(chǎn)業(yè)變革機(jī)會(huì)，同時(shí)為了抓住潛在增長(zhǎng)的這部分市場(chǎng)，類似聯(lián)發(fā)科在射頻領(lǐng)域的布局，專注在主芯片領(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(gòu)射頻模塊廠商來(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(gòu)絡(luò)達(dá)，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(hào)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(guī)模集成電路是有難度的，因此其為材料、外形尺寸、工業(yè)設(shè)計(jì)、散熱和輻射功率的監(jiān)管要求等終端工程的方方面面帶來(lái)了挑戰(zhàn)，也為大廠在此刻的進(jìn)入帶來(lái)了絕佳的機(jī)會(huì)，而這勢(shì)必將會(huì)誘發(fā)整條產(chǎn)業(yè)鏈上的大“地震”。

回到5G射頻前端模塊發(fā)展的阻力問(wèn)題上，我們發(fā)現(xiàn)本質(zhì)上還是在于無(wú)法將毫米波模塊高度集成到手機(jī)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(xì)分產(chǎn)業(yè)，即業(yè)內(nèi)熟知的MMIC。

圖 | MMIC示例（來(lái)源：維基百科）

實(shí)現(xiàn)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(shè)備體積、重量減輕、價(jià)格也降低不少，這對(duì)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(guó)國(guó)防部就將MMIC列為軍事微電子計(jì)劃之一，并在DARPA的領(lǐng)導(dǎo)下，采用以聯(lián)邦政府巨額支助的方針，動(dòng)員全國(guó)高校和工業(yè)部門各大公司的力量，分工合作，對(duì)MMIC領(lǐng)域開(kāi)展廣泛而深入的研究。數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)時(shí)美聯(lián)邦政府投入資金共計(jì)5.3億元，加上美工業(yè)部門投入，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，隨著冷戰(zhàn)的結(jié)束，MMIC在民用方面應(yīng)用發(fā)展以每年15~20%的速度增長(zhǎng)，但是至今產(chǎn)業(yè)依然沒(méi)有達(dá)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?yàn)楦叩碾娮舆w移率、載流子飽和漂移速度和高擊穿場(chǎng)強(qiáng)等性能，GaN被一致認(rèn)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(tǒng)一的工藝一般，考慮到集成度和市場(chǎng)化發(fā)展，以及當(dāng)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(nèi)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商也多了底氣。

硅工藝在成本和集成度方面的巨大優(yōu)勢(shì)是極具誘惑力的，且其在數(shù)字電路上的應(yīng)用深遠(yuǎn)而廣泛，日本、美國(guó)、加拿大等國(guó)都在不斷進(jìn)行這方面的研究，我們國(guó)家的東南大學(xué)毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室就堅(jiān)持硅基毫米波芯片，而它的研制成功勢(shì)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。

至今為止，毫米波芯片最主要的應(yīng)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)一家芯片廠商有好的解決方案，因此留給初創(chuàng)企業(yè)的機(jī)會(huì)尚存，但是5G商業(yè)化發(fā)展已經(jīng)將近，且陸續(xù)傳出毫米波芯片成本大降的消息（如紫金山實(shí)驗(yàn)室就稱其研發(fā)的毫米波芯片已經(jīng)可以降至二十幾元），這都預(yù)示著產(chǎn)業(yè)形勢(shì)變化一觸即發(fā)。