5G芯片的成本為何這么高?

5G手機芯片成本將比4G同類手機產(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所趨，現(xiàn)有的工藝尚無法支撐產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，因此它們也面臨著與主芯片廠搶占市場的危機。

5G射頻前端模塊的高成本問題如何解決對降低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4000萬美元)的價格認購本土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，這在旁人看來無甚緊要的動作卻引發(fā)業(yè)內(nèi)人的隱隱擔憂：是不是這塊剛剛起來的新興市場就要陸續(xù)被主芯片大廠吞噬了?

看來，繼基帶芯片之爭后，射頻前端市場的戰(zhàn)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(xiàn)有的產(chǎn)品形態(tài)來看，它主要由射頻天線、天線開關(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，負責設(shè)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對它造成顯著的影響。

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題被解決，產(chǎn)業(yè)發(fā)展暫時也少了后顧之憂，因此可以說，毫米波信號頻段的增加是5G最大的亮點，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，對于硬件來說，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功能的模塊，因此射頻前端模塊的設(shè)計重點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。

事實上，加持毫米波信號帶來的變化是顯著而復(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，每款手機所需數(shù)量平均將由40只提升至50只。同時為實現(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，其勢必促使5G信號處理相關(guān)的芯片成本增長。此前，國際知名研究機構(gòu)HIS在拆解多款5G手機后發(fā)布了一份報告解讀了這一點，其中它特別分析了射頻前端設(shè)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頻段，這種頻段的增加直接導(dǎo)致射頻前端設(shè)計復(fù)雜度的提升，方寸之間就要容納上百個元器件?，F(xiàn)在千兆級網(wǎng)絡(luò)的來臨，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)計復(fù)雜度直線提升。通過拆解三星S8，IHS印證了自己的想法，它看見了其采用堪稱當時最復(fù)雜的前端設(shè)計，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BOM成本中占有越來愈高比例，重要性因此提升。

圖 | 三星S8前端設(shè)計圖

摩根大通發(fā)布過一份報告顯示，5G手機芯片成本將比4G同類手機產(chǎn)品貴出1.85倍，具體來說，4G手機內(nèi)部芯片預(yù)計售價約為59美元(約合人民幣397元)，按這樣的價格計算，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就已經(jīng)超過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。

高成本反向施壓廠商，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)性變革迫切

本依據(jù)摩爾定律，手機內(nèi)部的內(nèi)存、基帶芯片等都可通過工藝和技術(shù)的迭代來實現(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肉眼看見其電路板上醒目的器件設(shè)計。

無法通過工藝來消減芯片制造的成本，同時輻射性影響整塊電路板設(shè)計的復(fù)雜度，以給5G終端設(shè)備的發(fā)展帶來阻力，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)人士所一致認同的，通信模塊的高度集成是大勢所趨，現(xiàn)有的工藝尚無法支撐產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，因此它們也面臨著與主芯片廠搶占市場的危機。

這在現(xiàn)有的局勢變化中已經(jīng)有所體現(xiàn)。

此前，經(jīng)歷4G時代十多年的發(fā)展，整個終端射頻前端市場其實已經(jīng)形成了以Qorvo、Skyworks和Broadcom(Avago)三家公司為主的寡頭競爭格局。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，在終端射頻前端市場，三家企業(yè)合計占據(jù)了90%以上的市場份額，毛利率均高于40%。

但正如每一次通信升級都將給產(chǎn)業(yè)格局帶來撼動一般，這一次5G對終端射頻模塊產(chǎn)業(yè)的影響是系統(tǒng)而全面的：為了適用消費級市場，眾多原本昂貴的毫米波器件成本也伴隨著從高性能場景步入消費電子而不得不降低，同時隨著器件數(shù)量增加，材料和工藝都將發(fā)生一定程度的變革。

圖 | 前端模塊市場增長

應(yīng)著這樣一個產(chǎn)業(yè)變革機會，同時為了抓住潛在增長的這部分市場，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、紫光等公司也都開始紛紛搶占5G射頻模塊的市場，通過收購射頻模塊廠商來試圖打開一部分市場，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、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了挑戰(zhàn)，也為大廠在此刻的進入帶來了絕佳的機會，而這勢必將會誘發(fā)整條產(chǎn)業(yè)鏈上的大“地震”。

歷史遺留，MMIC的技術(shù)難點尚待解決

回到5G射頻前端模塊發(fā)展的阻力問題上，我們發(fā)現(xiàn)本質(zhì)上還是在于無法將毫米波模塊高度集成到手機芯片中。不得不說，盡管電子產(chǎn)業(yè)的技術(shù)與工藝發(fā)展已過了一個甲子，高度集成毫米波器件問題其實一直未得到解決，因此它才逐漸發(fā)展成為一個細分產(chǎn)業(yè)，即業(yè)內(nèi)熟知的MMIC。

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

但是這一點卻始終是產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展的難點。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(dǎo)下，采用以聯(lián)邦政府巨額支助的方針，動員全國高校和工業(yè)部門各大公司的力量，分工合作，對MMIC領(lǐng)域開展廣泛而深入的研究。數(shù)據(jù)顯示，當時美聯(lián)邦政府投入資金共計5.3億元，加上美工業(yè)部門投入，實際已超過10億美元。但即便如此，收效甚微。

后進入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，但是至今產(chǎn)業(yè)依然沒有達成高度一致，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)域的大廠仍在探索更加合適的材料和工藝。

目前從整個市場來看，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強等性能，GaN被一致認為是未來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(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)帶來了一股春風，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)勢是極具誘惑力的，且其在數(shù)字電路上的應(yīng)用深遠而廣泛，日本、美國、加拿大等國都在不斷進行這方面的研究，我們國家的東南大學毫米波國家重點實驗室就堅持硅基毫米波芯片，而它的研制成功勢必將會大幅降低5G芯片的成本，也將極大程度地推進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)域還是軍用高端場景，因此可以說，5G商用在成本、尺寸等方面帶來的“諸多要求”讓其本身的推進和發(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)的機會尚存，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(如紫金山實驗室就稱其研發(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)形勢變化一觸即發(fā)。