2020年是中國5G大規(guī)模商用化元年，截至2020年11月，三大運營商已累計建成71.8萬座基站，占全球比重接近7成。未來三年，中國仍處于5G發(fā)展的導入期，5G建設(shè)逐漸向縣城滲透，覆蓋密度逐漸加深。
5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)需要采購大量設(shè)備，其中芯片器件所占成本高，技術(shù)難度最大。在當前國際形勢下，華為海思等國內(nèi)芯片廠商陸續(xù)被美國政府加入“實體清單”，影響巨大。?未來，唯一的解決辦法是提高國產(chǎn)化水平，實現(xiàn)安全可控的國產(chǎn)替代。
5G接入網(wǎng)由AAU、CU、DU構(gòu)成，涉及到的芯片有基帶芯片和射頻芯片，其中射頻芯片包含功率放大器、低噪聲放大器、射頻開關(guān)。5G承載網(wǎng)全面采用光纖網(wǎng)，涉及到的芯片主要在光模塊中，包含激光器芯片和探測器芯片。5G核心網(wǎng)采用了SBA架構(gòu)（Service?Based Architecture），淘汰復雜的電信專用設(shè)備，采用X86服務(wù)器與虛擬軟件，涉及到的芯片主要是X86服務(wù)器CPU和存儲芯片。
綜上，5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的芯片如下圖所示。
、占領(lǐng)。其中，華為海思在2019年1月推出了自行設(shè)計的天罡系列5G基站核心芯片，采用臺積電7nm制程，華為5G基站的基帶處理芯片已使用了天罡系列ASIC芯片。中興的5G基站使用中興微電子自行設(shè)計的5G多模軟基帶芯片MSC3.0，采用的同樣是臺積電7nm制程，該芯片是中興首款支持5G的基帶芯片，集成了多種5G算法硬件加速IP，完備地支持5G現(xiàn)有協(xié)議標準，并具備后續(xù)協(xié)議演進的能力。?
國外Marvell推出的5G基帶處理器OCTEON Fusion可用于服務(wù)多扇區(qū)宏基站、微基站、智能射頻頭和分布式單元。諾基亞與Marvell在2020年3月就5G芯片技術(shù)達成合作協(xié)議，未來諾基亞的5G基站可能采用Marvell的產(chǎn)品。
此外，高通于2020年10月20日宣布將推出比愛立信和華為更便宜的5G基站芯片，包括基帶、處理器和射頻芯片，不過，高通并不打算參與建站，僅計劃向客戶出售基站芯片。
總體來看，華為和中興完全具備5G基站基帶芯片的設(shè)計能力，且產(chǎn)品性能強勁。雖然面臨國外其他產(chǎn)品的競爭，但完全可以滿足國內(nèi)運營商的需求，5G基站基帶芯片的研發(fā)可以實現(xiàn)國產(chǎn)替代。目前的瓶頸在制造環(huán)節(jié)，華為與中興的5G基站基帶芯片均依賴于臺積電的7nm制程，境內(nèi)中芯國際等制造廠商尚未實現(xiàn)7nm制程的突破，實力相差較大。
2、基站功率放大器：外企巨頭壟斷市場，國內(nèi)上下游廠商亟待突破
功率放大器（PA，Power Amplifier）是射頻模塊的重要組成部分，負責發(fā)射通道的射頻信號放大。5G基站功率放大器主要有三種：基于硅的橫向擴散金屬氧化物半導體（Si LDMOS）、砷化鎵（GaAs）、氮化鎵（GaN），分別代表第一、二、三代半導體材料。其中LDMOS與GaN功率放大器適用于宏基站，GaAs功率放大器適用于小基站。LDMOS功率放大器僅在3.5GHz頻率范圍內(nèi)有效，而GaN功率放大器則能有效滿足5G的高功率、高通信頻段和高效率等要求，未來將逐漸擠占LDMOS功率放大器的份額。
LDMOS功率放大器市場主要由飛思卡爾（Freescale）、恩智浦（NXP）、英飛凌（Infineon）壟斷。2015年NXP收購Freescale，同時將其射頻部門出售給北京建廣資本，后者將其改組為Ampleon公司，由此，中國成功突破了基站PA領(lǐng)域的技術(shù)空白。
GaAs功率放大器的主要廠家有Skyworks、Qorvo、Broadcom、日本村田，國內(nèi)暫無廠商研發(fā)成功5G基站GaAs PA。
GaN功率放大器的主要國外廠家有住友電工、Cree、Qorvo 和 MACOM，其中住友電工與Cree是行業(yè)龍頭，市場占有率均超過30%，住友電工還是華為GaN 射頻器件最大供應商。國內(nèi)廠商蘇州能訊發(fā)布了適合5G移動通信的GaN功放管，針對無線通信基站進行了特殊優(yōu)化，易于設(shè)計成Doherty架構(gòu)的寬帶功率放大器。優(yōu)鎵科技于2020年5月透露已完成其第一代基站氮化鎵功率放大器的設(shè)計和流片，預計今年推出量產(chǎn)級芯片。
總體來看，基站PA基本由國外廠商壟斷，這些領(lǐng)先廠商大多采取的是IDM模式，具有全方位的領(lǐng)先優(yōu)勢。國內(nèi)廠商主要靠收購和自主研發(fā)，設(shè)計環(huán)節(jié)參與企業(yè)較少，鮮有突破；在材料、工藝、制造環(huán)節(jié)國內(nèi)廠商已有布局，但也落后較多。目前雖然有很多廠商在推進，但還很少有量產(chǎn)的成熟產(chǎn)品，其原因除了發(fā)展晚、門檻高之外，市場空間小（跟手機PA市場相比）也是其一。隨著5G網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模建設(shè)，特別是大規(guī)模MIMO技術(shù)的應用，基站PA的需求量將大增，或?qū)⒛芗涌靽a(chǎn)化進程。
3、基站射頻開關(guān)、低噪聲放大器：外企巨頭壟斷市場，國內(nèi)廠商主要布局手機側(cè)產(chǎn)品
射頻開關(guān)（Switch）與低噪聲放大器（LNA，Low Noise Amplifier）也是射頻模塊的重要組成部分，射頻開關(guān)用于實現(xiàn)射頻信號接收與發(fā)射的切換、不同頻段的切換。LNA負責接收端信號放大。
基站射頻開關(guān)與LNA市場主要由國外Skyworks、Qorvo、Broadcom、村田、NXP等主導。國內(nèi)廠家以手機側(cè)產(chǎn)品為主，鮮有基站側(cè)產(chǎn)品，其中是國產(chǎn)射頻開關(guān)和LNA的領(lǐng)導者，出貨量進入全球前五。卓勝微于2020年布局5G基站射頻芯片，計劃投入16.4億元，分兩期用5年時間研發(fā)5G通信基站射頻器件并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
總體來看，基站射頻開關(guān)與低噪聲放大器仍然是國外廠商壟斷的格局，與基站PA市場格局相同。不過由于技術(shù)難度相比其他射頻器件較低，未來實現(xiàn)國產(chǎn)替代的成功率會更高。
4、光通信芯片：外企壟斷高端市場，國內(nèi)廠商落后1-2代，上游材料與生產(chǎn)設(shè)備成瓶頸
光通信芯片主要指激光器芯片（LD?Chip）和探測器芯片（PD?Chip），分別負責電信號轉(zhuǎn)換為光信號、光信號轉(zhuǎn)換為電信號，是光模塊最核心的功能芯片。激光器芯片根據(jù)發(fā)光類型和調(diào)制類型主要可分為三種：DFB、EML和VCSEL， 探測器芯片主要有兩種類型：PIN、APD。根據(jù)傳輸速率可分為10G、25G、50G芯片，5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需要25G以上的高端芯片。
目前低端10G光芯片市場已處于完全競爭格局，國內(nèi)30余家企業(yè)具備研發(fā)能力。高端25G及以上光芯片市場長期由外企壟斷，美國II-VI擁有業(yè)界最先進的64G?EML光芯片，博通、Neophotonics擁有56G光芯片，三菱電機擁有28G?EML光芯片，Lumentum、住友電工擁有25G光芯片。國內(nèi)華為海思、光迅科技、武漢敏芯、陜西源杰已量產(chǎn)25G光芯片，海信寬帶、、索爾思也即將實現(xiàn)25G光芯片的量產(chǎn)。
總體來看，高端光芯片仍由國外廠商主導，國內(nèi)頭部廠商的技術(shù)能力比國外一流廠商落后1-2代。其中，在25G光芯片領(lǐng)域，國內(nèi)部分廠商已成功量產(chǎn)，未來將進一步提高國產(chǎn)率。50G及以上光芯片市場完全由國外一線廠商壟斷，國內(nèi)龍頭處于攻關(guān)階段，僅有部分樣品正在測試階段，未來2-3年有望批量生產(chǎn)。比起設(shè)計與制造環(huán)節(jié)，上游材料與生產(chǎn)設(shè)備長期被外企把控，是更大的瓶頸，國內(nèi)廠商亟待突破。
5、X86服務(wù)器CPU：與AMD壟斷市場，架構(gòu)授權(quán)無法獲得，國產(chǎn)替代希望渺茫
中央處理器（CPU）是計算器的運算和控制核心，其功能是解釋計算機指令以及處理計算機軟件中的數(shù)據(jù)。服務(wù)器CPU的架構(gòu)主要有X86、ARM、MIPS、Alpha，其中X86架構(gòu)幾乎占據(jù)服務(wù)器的全部市場。X86架構(gòu)由英特爾推出，采用授權(quán)模式，目前僅AMD和VIA（臺灣威盛）獲得授權(quán)。在境內(nèi)，海光與兆芯是X86服務(wù)器CPU國產(chǎn)替代的主要參與者，擁有X86架構(gòu)的轉(zhuǎn)授權(quán)。
英特爾是服務(wù)器市場的龍頭企業(yè)，主推Xeon（至強）系列CPU，長期占據(jù)全球服務(wù)器市場95%以上的份額。AMD是英特爾的最大競爭對手，主要產(chǎn)品是EPYC（霄龍）系列CPU，瓜分其余不到5%的市場份額。臺灣威盛雖然擁有X86架構(gòu)的授權(quán)，但并未推出服務(wù)器CPU，主要在嵌入式市場發(fā)力。
天津海光通過與AMD成立合資公司的方式，變相擁有了X86架構(gòu)的授權(quán)，自主設(shè)計的“禪定”CPU已開始量產(chǎn)。不過海光僅獲得AMD第一代EPYC的Zen架構(gòu)，沒有獲得Zen2、Zen3系列架構(gòu)授權(quán)。兆芯通過引入威盛控股獲得了部分X86架構(gòu)授權(quán)，自主研發(fā)KH-20000、KH-30000系列服務(wù)器CPU。不過盛威與英特爾的X86合同已于2018年4月到期，不能使用英特爾新的X86專利，但舊X86專利仍可使用。因此兆芯也只能在舊X86架構(gòu)下繼續(xù)自行研發(fā)。
總體來看，X86架構(gòu)由英特爾掌控，目前僅AMD擁有全部授權(quán)，其他廠商幾乎不可能獲得新的授權(quán)。境內(nèi)廠商僅海光與兆芯獲得X86較早版本架構(gòu)的部分授權(quán)，自主設(shè)計的CPU性能表現(xiàn)比較一般，且制造環(huán)節(jié)依賴臺積電、三星、美國GF，實現(xiàn)商用化國產(chǎn)替代非常難。在可見的未來，X86服務(wù)器CPU市場仍將由英特爾主導，與AMD共同瓜分整個市場。
6、?X86服務(wù)器存儲芯片：外企壟斷高端市場，國內(nèi)廠商技術(shù)落后1-3代，產(chǎn)能有待提高，原材料與生產(chǎn)設(shè)備為更大瓶頸
存儲芯片負責存儲數(shù)據(jù)，是服務(wù)器的核心組成部分。服務(wù)器用到的存儲芯片主要有兩種：動態(tài)隨機存取存儲器（DRAM）與NAND閃存，DRAM是服務(wù)器內(nèi)存條的主要組成部分，部分高端固態(tài)硬盤的緩存也用到DRAM，NAND閃存是服務(wù)器固態(tài)硬盤的主要組成部分。
DRAM市場高度集中，長期被三星、海力士、美光三家外企壟斷，共占全球市場的95%左右。三家巨頭已經(jīng)推出新一代DDR5 DRAM，制程技術(shù)從1y納米向1z納米演進，即將開始量產(chǎn)。國內(nèi)廠商切入DRAM市場較晚，僅合肥長鑫有研發(fā)實力，已于2019年量產(chǎn)1x納米制程的DDR4 DRAM，技術(shù)比頭部廠商落后2-3年。
NAND閃存市場也高度集中，三星、鎧俠、西部數(shù)據(jù)、美光、海力士、英特爾六家外企幾乎壟斷整個市場。主流3D NAND技術(shù)節(jié)點從32層發(fā)展到64層、96層、128層、176層，六家廠商已全部進入100層以上NAND市場。其中美光已實現(xiàn)176層NAND閃存的量產(chǎn)，2020年11月開始交付客戶；海力士也于2020年12月7日宣布研發(fā)成功176層NAND閃存，計劃2021年6月開始量產(chǎn)。國內(nèi)廠商進入較晚，僅長江存儲有研發(fā)制造實力，成立4年以來迅速實現(xiàn)32層、64層NAND的量產(chǎn)，2020年4月研發(fā)成功128層NAND閃存，躋身當前主流技術(shù)行列，計劃最晚今年上半年量產(chǎn)，整體研發(fā)實力與國外頭部企業(yè)相差不到1年。
總體來看，X86服務(wù)器的存儲芯片DRAM與NAND閃存市場仍由國外廠商主導，國產(chǎn)化率比較低。DRAM領(lǐng)域國內(nèi)廠商實現(xiàn)了零的突破，但技術(shù)比較落后；NAND閃存領(lǐng)域國內(nèi)廠商緊跟國外頭部廠商，技術(shù)差距不大。國內(nèi)廠商產(chǎn)能低，市場份額很小，市場主要被國外廠商瓜分。未來隨著產(chǎn)能的擴大，國內(nèi)廠商市場份額將持續(xù)增加，但距離追上頭部企業(yè)還任重道遠。
另外，各廠商采取IDM模式，具備設(shè)計與制造能力，但原材料（如光刻膠）與生產(chǎn)設(shè)備（如光刻機）依賴國外產(chǎn)品，是當前更大的瓶頸。
7、整體評估：五類芯片從部分國產(chǎn)替代到完全對外依賴，呈現(xiàn)“領(lǐng)跑-緊跟-掉隊”三個梯隊共存的局面
5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)主要用到五種芯片，總體來看，目前國產(chǎn)化水平比較低，高度依賴國外廠商的技術(shù)和產(chǎn)品。但也有部分芯片實現(xiàn)了部分國產(chǎn)替代，未來有望進一步擺脫對外依賴。
按國產(chǎn)化水平由高到低大致可做如下排名：基站基帶芯片＞光通信芯片、服務(wù)器存儲芯片＞基站射頻芯片、服務(wù)器CPU。處于第一梯隊的基站基帶芯片，完全由設(shè)備提供商華為、中興自行設(shè)計。處于第二梯隊的光通信芯片與服務(wù)器存儲芯片，國內(nèi)廠商處于追趕者地位，部分芯片已經(jīng)達到一流水準，不過目前產(chǎn)能有限，市場份額還很小，但前途比較光明。處于第三梯隊的基站射頻芯片與服務(wù)器CPU，國內(nèi)廠商實力非常弱，部分芯片完全依賴國外產(chǎn)品，實現(xiàn)國產(chǎn)替代非常困難。尤其是X86服務(wù)器CPU，幾乎被掌握X86架構(gòu)的英特爾一家壟斷，國內(nèi)廠商基本上沒有存在感，只能在低端市場保持微弱的存在?；蛟S華為和飛騰基于ARM架構(gòu)的服務(wù)器CPU能更早打破英特爾在服務(wù)器領(lǐng)域的壟斷。
二、5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備芯片國產(chǎn)化研究的啟示
1、對政府：扶持僅用于蜂窩通信的小眾芯片產(chǎn)業(yè)（如基站射頻芯片）
2018年底的中央經(jīng)濟工作會議正式提出“新基建”概念，5G作為新基建的內(nèi)容之一，是智能時代最底層的基礎(chǔ)設(shè)施，重要性不言而喻。5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)需要用到大量芯片，部分芯片如X86服務(wù)器CPU、存儲芯片，由于應用范圍廣（5G核心網(wǎng)只是其中一小部分），重要程度高，受到政府的大力扶持。比如政府部門正在推進辦公用軟硬件的全面國產(chǎn)化，促進服務(wù)器廠商發(fā)展；國家集成電路產(chǎn)業(yè)基金第1期的最大投資單項便是投資長江存儲，促使中國NAND閃存技術(shù)從零起步邁入世界一流水平。
然而還有一些芯片僅用于蜂窩通信，比如基站射頻芯片，其特點是市場規(guī)模小、專業(yè)門檻高。比如在整個功率放大器（PA）市場中，根據(jù)法國調(diào)研機構(gòu)Yole統(tǒng)計，手機PA市場約占65%，WiFi PA市場約占20%，基站市場約占10%，其他為5%，預計2023年基站PA的市場規(guī)模將達到6億-7億美金。國內(nèi)基站PA廠商遠少于手機PA廠商，技術(shù)也更加落后。這些芯片僅靠市場的力量很難發(fā)展起來，但重要性卻很高，是實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備自主可控不可或缺的一塊短板，因此，需要政府投入資源進行引導扶持。
2、對運營商：警惕漲價、斷供風險，適當儲備設(shè)備，扶持相關(guān)廠商
對國內(nèi)運營商來說，5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)才剛剛開始，5G或?qū)⑹惯\營商實現(xiàn)從低價值向高價值的跨越，未來充滿機會。
不過，抬頭邁步的同時，也需要不時低頭看腳下的路是否有坑洼。當前最大的不確定性來自中美對抗，越來越多的芯片企業(yè)被美國加入制裁清單，運營商的5G建設(shè)可能面臨如下風險：
（1）漲價風險。
國內(nèi)廠商存在的價值一方面在于提高國產(chǎn)自給率，另一方面在于降低產(chǎn)品價格，這方面的例子在中國產(chǎn)品國產(chǎn)替代之路上比比皆是。未來如果美國的制裁導致某些芯片領(lǐng)域的國內(nèi)廠商被迫停產(chǎn)或退出，勢必會引起國外產(chǎn)品漲價，屆時運營商的5G建設(shè)與運維都將面臨更大的成本壓力，這對于目前面臨龐大5G開支的運營商而言，無疑是雪上加霜；對中國5G的發(fā)展進程而言，也將帶來負面影響。
（2）斷供風險。
漲價風險建立在國外企業(yè)仍獲準向中國供貨的前提下，如果國外企業(yè)不再向中國供應某些高端芯片產(chǎn)品，比如X86服務(wù)器CPU，則5G的建設(shè)只能用性能低的國產(chǎn)服務(wù)器CPU，5G網(wǎng)絡(luò)的能力將會大打折扣。再比如斷供GaAs功率放大器，則大量的小基站將面臨無PA可用的局面，5G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋能力也將大打折扣。
為了防范以上風險，運營商需要未雨綢繆。一方面，跟進中美對抗的最新進展，適當?shù)靥崆皟涓鞣N設(shè)備，或提前向供應商預定，爭取一定緩沖期。另一方面，積極參投5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備芯片相關(guān)企業(yè)（自行投資或參與政府產(chǎn)業(yè)基金），扶持國內(nèi)廠商；在設(shè)備招標時，留給使用國產(chǎn)芯片的企業(yè)更多指標，為其提供更多訂單。
下一個時代是智能化的時代，5G的建設(shè)與發(fā)展將開啟智能時代的大門，具有重要戰(zhàn)略意義。面對當前國產(chǎn)化水平低、受制于國外企業(yè)的現(xiàn)狀，政府、企業(yè)、投資者要共同努力，用科學的方法快速提高5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備芯片國產(chǎn)化水平，實現(xiàn)自主可控的國產(chǎn)替代。這是很大的挑戰(zhàn)，也將是重要的機遇，對每個參與者來說，都是項神圣的事業(yè)。
（作者郭浩來自天翼物聯(lián)科技有限公司研究中心）
