5G芯片国产替代还有哪些机会

640 (8).gif

5G

5G时代对上游供应链提出更高要求

5G三大场景对网络和终端提出新要求

多样化场景需求要求5G具备多项关键能力5G三大场景的极端差异化性能需求,要求5G比前几代移动通信性能更加出众,用户体验速率、连接数密度、端到端时延、单位面积容量等成为5G的关键性能指标。为了满足5G多项关键性能,5G网络和终端都发生较大的变化,相应的上游供应链价值和供应链企业与4G时代有所差异。

image.png

现阶段5G产业链围绕大带宽应用场景为主。从移动通信发展经历看,1G到4G的传统网络以用户体验为核心,5G逐步过渡迈向以万物互联为核心。万物互联要经历人与人、人与机器、机器与机器三个发展阶段。从5G三大技术场景的发展顺序来看,阶段一(2019-2021年)以人为先,大带宽(eMBB)应用场景为主;阶段二(2021-2023年)人机互动,大连接(mMTC)物联网应用全面崛起;阶段三(2023年-长期)万物互联,低时延(uRLLC)工业控制类应用陆续成熟。本篇报告以阶段一eMBB场景为主,网络围绕NSA和SA组网的5G网络供应链,终端主要围绕5G手机供应链展开。

image.png

5G网络的基站供应链价值量显著提升

为了满足5G网络高功率、高频段和高速率的关键性能需要,5G基站设备和接入网相比4G发生了较大变化。采用大规模阵列天线(Massive MIMO)技术,结合波束赋形,通过大量阵列天线同时收发数据,可以大幅度提升网络容量和用户体验。采用有源天线(AAU),将传统基站的天线与射频单元一体化集成为AAU,可以简化站点部署,降低馈线复杂度,减少传输损耗,提升网络性能。采用CU/DU架构,通过不同的组网方案可以适配不同的基站接入场景。

image.png

5G基站的巨大变化使得基站供应链充分受益。5G AAU包括中频模块、转换模块、射频模块和阵列天线。射频模块和阵列天线变化最大,射频模块包括射频前端器件和5G特有的波束赋形器件,阵列天线将振子、PCB、滤波器集成一体化。

image.png
5G

5G核心变化零组件:市场增长空间大,海外巨头占主导,关注国产替代机遇

Soc芯片(含基带):高通、苹果占主导,海思、紫光展锐等本土企业崛起

5G手机相对4G手机而言,核心的变化是以天线、射频前端、基带为主要组成部分的网络信号接收及发送系统(射频系统)的变化。为处理5G网络信号,5G手机须升级并采用5G基带芯片,单从技术角度来看,应用处理器的升级并不必然与基带同步,但考虑到两者的集成封装及性能匹配度,5G时代,手机应用处理器也进行相应的升级。

基带芯片与应用处理器组成手机Soc芯片(系统级芯片,也有称片上系统),Soc芯片是将AP(应用处理器)与BP(基带芯片)集成在一个die(晶圆片上的单个晶片)内,AP与BP均为超大规模逻辑芯片,具有相似的硬件架构,所以能够使用相同的制程,做在一颗die上,一方面增加了集成度,可以缩小芯片面积、降低功耗,另一方面与AP绑定销售,提升了芯片价值。

Soc芯片(含基带)合计占手机BOM成本约20~25%,是手机内的核心芯片。苹果iPhone的Soc芯片自研,基带外购,采用外挂式基带方案,AP和BP独立封装成两颗芯片的形式,高通系手机一般为Soc芯片与基带集成,但亦有外挂基带方案。

基带芯片:基带芯片是终端实现通信功能必不可少的芯片,包括基带处理器、收发器、电源管理芯片、WNC等,基带芯片被称为“芯片之王”。专利技术、资金、客户资源壁垒极高,全球玩家屈指可数,且基本上无新进入者,目前有能力制造5G基带芯片的厂家只有5家,分别是:高通、海思、联发科、三星、紫光展锐。Intel曾是手机基带市场的主要企业之一,但其基带业务已被苹果收购,预计苹果最快2022年推出自研基带芯片。

Strategy Analytics数据显示,2019年全球基带芯片市场收益同比下降3%,为209亿美元。智能手机是基带出货量的主要驱动力,功能机和智能功能机次之,三者出货量比例约为75%、20%、5%;从趋势来看,2014年以后,随着华为、三星自研Soc的占比增加,高通、MTK的份额出现下降;以出货量来看,2019年基带市场出货量22.3亿片,出货量占比依次为:高通28%、联发科27%、紫光展锐16%、英特尔11%、海思10%、三星8%。

image.png
image.png

2019年整个基带市场规模达到209亿美元,其中高通收入87亿美元(占比42%)、海思收入34亿美元(16%)、Intel收入28亿美金(14%)、联发科收入27亿美元(13%)、三星LSI收入25亿美元(12%)、紫光展锐收入7.2亿美元(3%)。相比2018年一季度,高通营收占比下滑了11个百分点,以14%份额位居第二的三星则被海思、Intel超越。海思,高通和三星LSI是2019年关键的5G基带供应商,赢得了重大客户订单。

疫情对手机市场造成一定冲击,但考虑到5G基带平均单价较4G有接近200%的提升。受益于5G手机放量,预计未来三年全球基带市场复合增长率会达到10%。

随着5G智能手机渗透率的逐渐提升,5G基带芯片在整个基带芯片市场中的渗透率也将提升,海思作为关键的5G基带芯片供应商,在5G芯片领域技术积累深厚,同时立足于中国市场,拥有极强的产业链整合能力。

Soc芯片(不含基带):全球来看,具有手机Soc芯片(不含基带)设计能力的企业包括高通、苹果、联发科、海思、三星、紫光展锐等,高通占据鳌头。进入5G时代,高通、海思、三星、联发科均已经发布5G Soc芯片,华为海思麒麟990最早搭载在产品上实现量产,为全球首款旗舰5G Soc芯片,苹果也将在今年下半年发布5G Soc芯片。

image.png

由于海思Soc芯片不对外销售,本土企业紫光展锐已成长为对抗高通、联发科等巨头的“新平衡者”,且成为中国大陆最主要的手机Soc芯片企业。

通过创建定制芯片,可以更好地控制其设备中的功能和计算能力,且可以降低芯片成本,对于中国手机品牌商来说,为避免被“卡脖子”,自研或合作开发Soc芯片已成为摆在企业面前的重要课题。从全球来看,不断有企业进入Soc芯片市场,如小米与联芯合资成立松果公司,主攻手机处理器,推出了澎拜S1处理器,但之后S2却难产;Vivo与三星联合研发定制的vivo X30内置三星Exynos 980芯片;OPPO也宣布进军SoC芯片市场;谷歌移动端的首款系统级SoC芯片已于最近成功流片,预计明年将率先部署在Pixel 5手机中。鉴于手机Soc芯片高企的技术、资金及客户资源壁垒,想要挑战现有竞争格局尚需时日。

射频模块:欧美垄断市场,本土手机品牌崛起助推手机射频器件国产替代,基站侧业务机遇主要在滤波器

手机射频器件:海外企业垄断市场,中国手机品牌崛起助推本土企业国产替代

射频器件(主要是射频前端)是指在通讯系统中,天线和中频(或基带)电路之间的部分。在这一段里信号以射频形式传输。全球约90%的射频器件市场被控制在欧美厂商手中。射频前端分为发射通路和接收通路,由滤波器、功率放大器(PA)、双工器(由两组不同频率的阻带滤波器组成)、射频开关、低噪声放大器、接收机/发射机等组成。

image.png

5G增加了新频段,支持新频段就需要增加配套的射频前端芯片。据Yole Development的统计与预测,2019年全球移动终端射频前端市场为167亿美元,到2022年有望达到221.75亿美元,以市场份额来看,2019年,Skyworks20%、村田20%、Qorvo19%、博通19%,高通依靠5G基带的优势在射频前端份额上升到3%。除五大巨头之外,主流供应商还有英飞凌、华为海思、索尼、安森美、STM、NXP等。

image.png

image.png

国际领先企业起步较早,底蕴深厚,在技术、专利、工艺等方面具有较强的领先性,同时通过一系列产业整合拥有完善齐全的产品线,并在高端产品的研发实力雄厚。另一方面,大部分企业以IDM模式经营,拥有设计、制造和封测的全产业链能力,综合实力强劲。

相比之下,国内射频芯片公司由于起步较晚,基础薄弱,从相对成熟的分立射频芯片起步,并且主要集中在Fabless(无晶圆厂纯IC设计)领域。较之美国、日本、欧洲等国际领先企业在技术积累、产业环境、人才培养、创新能力等方面仍有较大差距。国内射频芯片公司逐步实现中低端机型射频前端进口替代,同时积累模组能力,逐步走向全品类供应。

目前射频前端市场的主要参与者有四类,一是以IDM模式为主的老牌射频方案巨头,有Skyworks、Qorvo、Murata和Avago(Broadcom)四家;二是以Fabless模式为主的设计公司供应商,其中高通、海思、MTK、紫光展锐近年来发展速度较快,有望上升至第一梯队;第三梯队为拥有部分射频产品,暂无整体解决方案的企业;四是化合物半导体领域晶圆代工。国产射频前端方面伴随着国产手机品牌的崛起,海思、紫光展锐已经在部分产品实现进口替代;卓胜微、汉天下、唯捷创芯拥有关键技术,并且打入知名手机品牌供应链。

image.png
5G基站射频市场价值量提升,重点关注本土企业滤波器业务机遇

5G基站采用大规模阵列天线,同时引入了波束赋形(Beamforming)技术。波束赋形就是根据特定场景自适应的调整阵列天线的辐射图的一种技术。传统的天线在没有物理调节的情况下,天线生成覆盖所有用户的宽波束,天线辐射方向是固定的,导致同时同频可服务的用户数受限。在波束赋形技术中,大规模阵列天线可以自动调节各个天线发射信号的相位,生成针对特定用户的窄波束。波束赋形可以提高终端接收信号强度,同时服务更多用户,提高网络容量,有效减少小区间的干扰。

Massive MIMO大幅提升射频前端模块和波束赋形模块器件需求量。从4G的2/4/8TR天线提升到5G的16/32/64/128TR天线,Massive MIMO带动射频前端模块(RF Front-End)和波束赋形模块(Beamformer)的器件数量大幅增加。射频前端模块负责实现信号在不同频率下的收发,主要射频器件包括功率放大器(PA)、低噪声放大器(LNA)、环形器(Circulator)、增益模块(Gain Blocks)、开关、滤波器等。波束赋形模块负责调整阵列天线的辐射方向,主要器件包括移相器(Phase Shifter)和衰减器(Attenuator)。

GaN有望成为5G时代射频的主流材料。随着有源头天线的大规模部署,单基站需要更多数量的低功率宽带功率放大器和波束赋形器件。4G时代的基站射频材料主要是横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)和砷化镓(GaAs),而LDMOS无法满足3GHz以上频段的使用,GaAs也可能成为有源天线的过渡性技术。为了更好的满足5G的高功率、高频段和高效率等要求,氮化镓(GaN)有望成为5G时代射频的主流材料。

image.png

image.png
基站射频前端市场受益于5G稳步增长。根据Yole的预计,基站射频前端市场有望从2018年的14.77亿美元增长到2025年的25.25亿美元。其中,LDMOS器件仍然占据最大的市场份额,约7.9亿美元。GaN器件将成为主流技术,市场规模有望从2018年的2.39亿美元增长到2025年的5.22亿美元。未来高性能锗化硅器件(SiGe)和RF-SOI器件将会成为市场主流技术。全球主要的基站射频供应商包括恩智浦(NXP)、亚德诺(ADI)、Qorvo、Wolfspeed、安谱隆(Ampleon)、住友电工(Sumitomo Electric)、Macom等。国内主要公司包括安谱隆(Ampleon)、三安光电、国博电子等。

陶瓷介质滤波器有望成为5G基站主流方案。5G时代,在金属腔体滤波器小型化后,解决了尺寸和重量难题,其可靠性更强,预计在相对较低频段(如2.6GHz)仍会广泛采用。陶瓷介质滤波器在小型化、轻量化、低损耗、温度稳定性、性价比上存在优势,适用于更高频段(如3.5GHz)网络建设,是未来5G基站滤波器的主流方案。从下游主设备商看,目前中兴通讯、爱立信、诺基亚主要采用小型金属腔体滤波器,华为则更积极全面的采用陶瓷介质滤波器。陶瓷介质滤波器市场潜力巨大,根据测算,5G时期,国内滤波器市场规模有望超200亿元。国内滤波器市场比较分散,主要供应商包括武汉凡谷、大富科技、灿勤科技、东山精密、世嘉科技、通宇通讯、春兴精工等。

5G

5G相关变化零组件:受5G驱动面临升级迭代,市场增长空间大,本土企业有望获益

能源管理:5G时代功耗大增,手机及基站锂电池行业受益

5G手机功耗大幅提升,电池、快充、无线充电及散热板块均受益

锂电池:5G更高速率的芯片意味着更大的功耗,华为的5G芯片将消耗目前4G调制解调器2.5倍的功率,高通的5G芯片耗电量达5.3W,若同时含镜头及3D感测操作,整部手机瞬间能耗可以达到9.6W。在5G时代,由于需要在单位时间内处理更多的数据或者实现万物互联等多种原因,手机的耗能将会增加,手机的续航能力将会再次面临挑战。为满足5G手机的高功耗,电池容量势必要扩大,预计未来双电芯/异性电芯的使用率将进一步提升。据IDC统计,全球手机电池市场规模为576亿元人民币,预计到2021年将增长至689亿元人民币,锂电池PACK(锂电池包的加工组装和包装)和BMS(电池管理系统)厂商将从中受益,如欣旺达、德赛电池等。
image.png
除了增大电池容量外,5G手机厂商需要考虑通过其他方式以延长手机的续航能力,以增加市场竞争力。

1)解决手机续航方法之一:快充。目前市场存在多种快充方案,USB PD (USB Power Delivery Specification)方案的出现,有利于推动快充普及,在各种快充技术方案的更新之外,包括GaN(氮化镓)在内的新型材料的应用也在推动快充技术的不断升级。使用氮化镓可以生产出更轻便的快速充电器。

快充产业链的上游为快充方案设计,以及GaN、电容器、连接器及线束、充电接口等电子原材料或电子元器件,中游为充电器模块、快充芯片、电源管理芯片、电芯和电芯PACK,下游则为各类充电应用。GaN生产商:三安光电、海特高新、耐威科技。芯片:圣邦股份、富满电子、士兰微;电芯和电芯PACK:欣旺达;连接器及线束:信维通信、立讯、得润电子;电容:法拉电子、艾华集团等。

image.png
2)解决手机续航方法之二:无线充电。无线充电是通过采用碎片化充电以提升充电的效率。目前无线充电的技术日趋完善,未来的渗透率有望持续提升。Yole Development预计到2024年,支持无线充电的智能手机每年出货量将超过12亿台;IHS认为全球无线充电市场规模将从2015年的17亿美元增长至2024年的150亿美元,年复合增长率达到27%。

对于无线充电需要关注五大部分:电源线片、方案设计、磁性材料、传输线圈、模组制造。从产业链角度看,分为发射端和接收端。接收端无线充电主要分为五个环节:方案设计、电源芯片、磁性材料、传输线圈及模组制造。发射端分芯片、线圈模组、方案设计。从各环节价值构成来看,方案设计和电源芯片环节技术壁垒较高,目前主要被国外企业垄断,分别占据产业链价值量的30%和28%;磁性材料是物料成本中占比最大的环节,在整个无线充电成本中占比21%,占据物料成本的50%以上;传输线圈是产业链中的关键零部件,具有较高的客户定制化特征,目前国内少数公司具有定制化能力;模组制造环节技术门槛和价值占比相对较低,占产业链成本不超过10%,目前国内较多厂商都能做到快速跟进。

从具体企业来看,电源芯片:中兴通讯、劲芯微电子、上海新捷、易冲无线等。磁性材料:无线充电中的磁性材料主要包括铁氧体、非晶和纳米晶三种。国内铁氧体供应商有:横店东磁、天通股份、顺络电子、东山精密、领益智造,绵阳北斗(信维通信)等;非晶纳米晶供应商有:安泰科技、合力泰等;纳米晶国内供应商:信维通信等。传输线圈:发射端线圈国内供应商:有励电子、泛亚电子有限公司等;接收端线圈国内供应商:东山精密、顺络电子、信维通信等。模组制造:立讯精密、硕贝德、信维通信等。

3)热管理。5G时代,热管理迎来需求爆发期。高性能使用配合长续航,5G时代手机对热管理系统的要求会再提一级。4G时代,手机热管理主要以石墨片为主,5G时代将会以热管/均热板为主流,部分高端机型可能会使用石墨烯作为热管理系统的材料。

5G时代,手机散热单机价值量有望翻倍。预计在5G时代“石墨片+热管”或“石墨片+VC液冷(真空腔均热板技术,又称均温板、均热板)”将成为手机标配,手机散热系统价值量将大幅提升。4G时代单机石墨片价值量普遍在2-3元,5G手机石墨片用量有望翻倍;而手机热管单价多在5-10元,手机VC价格约10-20元,手机散热系统均价提升空间显著。预计2022年5G手机带来散热空间31亿元。

5G基站功耗大增,锂电池行业充分受益

5G基站功耗大增带动基站电源市场扩容。5G时代,高带宽、高流量和高功率带来了功耗提升,AAU多输入输出通道数量激增,导致5G基站功耗惊人。5G单站供电功率预计将达到4000瓦,基站电源配套需进行升级改造以保障5G基站的稳定运行。传统基站设备供电主要采用-48V直流拉远方案,按照国内400万站的建设规模测算,预计5G基站电源市场空间有望达到300亿元。根据2018年三大运营商集采数据,基站电源主要供应商包括华为、中兴、维谛、中恒电气、动力源、中达电通。

基站电源上游充分受益。基站电源上游锂电池、机房温控、高压直流、UPS电源、元器件等细分领域设备厂商也充分受益。电池是5G基站电源的核心组成部分,目前锂电池优势显著,传统基站铅酸电池逐渐走向淘汰,5G基站用的电池逐渐向锂电池。电源元器件主要包括电源管理IC、COOL MOS、肖特基二极管、驱动IC、控制IC等。电源管理IC主要受益者有TI、ON、NXP、英飞凌、ADI、Intersil、罗姆等国际大厂,模拟IC设计公司3PEAK、矽力杰、圣邦等厂商也将受益。

存储:韩美垄断市场,中国大陆企业进入快速发展期

存储器是集成电路中最大的子类,2019年,全球存储器市场规模为1,094亿美元。存储器的类别较多,其三大主流产品为:DRAM(动态随机存储器,即电脑手机里的内存)、NAND FLASH(资料存储型闪存,俗称“硬盘”)及NOR FLASH(代码型闪存)等。随着5G的到来,手机用户的网络交互行为将更加频繁,来自娱乐需求、社交需求、系统需求和拍摄需求的不断提升,数据的上传和下载量将是过去4G时代的数倍,这意味着用户需要比过去速度更快、容量更大的存储设备,手机存储市场将获得较大增长。

存储器行业资金和技术门槛高,在经历产业转移,企业兼并之后,目前呈垄断竞争格局。DRAM领域三星、SK海力士和美光三足鼎立,CR3超95%;NAND领域除了DRAM三巨头外还有东芝和西部数据,CR5达93%;NOR Flash领域则由美光、Cypress、旺宏、华邦电和兆易创新垄断,CR5超90%。大陆企业与国外的技术、规模仍存在差距,自主产品亟待突破。

image.png

image.png

在存储器方面,国内已掌握19纳米DRAM技术,国际领先的是17纳米技术,时间上相差3年之内,具备赶上的可能性。同时,存储器的产品性质更加类似于大宗商品,品牌度不强,在技术成熟后,市场更加容易进入。再加之存储器市场价值的占比越来越高,也成为三星等厂商的重要利润来源,中国如能顺利进入存储器市场,将能够更好地控制国内存储器下游厂商(全球70%的智能设备生产在中国)的成本,从而一定程度上提升中国电子产业的整体利润率。因此,存储器板块的突破成为国家半导体行业政策的一个最为重点的方向,随着大基金等的成立,中国大陆存储器行业进入快速发展阶段。

长江存储近年来在闪存领域取得了较好的突破,2018年32层3D NAND成功进入市场,实现国内3D NAND零的突破;2019年9月64层3D NAND研发成功;2020年4月,长江存储跳过96层,128层3D NAND研发成功,正式达到全球闪存主流水平。2019年9月,合肥长鑫DRAM芯片自主制造项目投产,造出第一颗“合肥造”10nm级(19nm)制程工艺的8Gb DDR4内存。今年5月14日,第一个纯国产DDR4内存(采用国产长鑫颗粒)——光威弈系列Pro在京东上架,这是合肥长鑫的第一个消费级DRAM芯片产品。

参考资料来自:招商银行、驭势资本研究所

END

驭势资本是一家以研究驱动的硬科技精品投资银行,深耕集成电路5G物联网数据智能汽车科技领域,为顶尖的科技创业者提供专业资本服务。核心团队在硬科技领域拥有丰富的投融资经验,先后投资及服务的项目包括翱捷科技、臻驱科技、微众银行、微医集团、宏晶科技、晟矽微电子、地大信息、曼荼罗、美林数据、事成股份.
原文链接:https://mp.weixin.qq.com/s/7W...
微信号
yushi.jpg


更多硬科技领域的技术和市场分析请关注驭势资本专栏。
2 阅读 813
推荐阅读
0 条评论
关注数
927
内容数
46
驭势资本是一家以研究驱动的硬科技精品投资银行,深耕集成电路、5G、物联网、数据智能和汽车科技领域,为顶尖的科技创业者提供专业资本服务。
目录
极术微信服务号
关注极术微信号
实时接收点赞提醒和评论通知
Arm中国学堂公众号
关注Arm中国学堂
实时获取免费 Arm 教学资源信息
Arm中国招聘公众号
关注Arm中国招聘
实时获取 Arm 中国职位信息