5G概念股看什么?Sub 6、毫米波差在哪?

移动通信的世界进步到现在的5G,从2G让我们可以上网浏览文本、3G看图片、听音乐,到4G创造了全新体验,使我们能流畅看视频、滑社群媒体、玩游戏等等。那么5G会带来什么全新的体验?又会给我们带来哪些投资机会?看完这篇文章,你将会了解以下几件事:

  1. 5G是什么?Sub 6 vs毫米波
  2. 高带宽、低延迟、广连接:5G时代的全新体验
  3. 射频组件(RF)为何需求会大增?滤波器和放大器未来的改变趋势?
  4. 射频模块集成化:SiP+AiP高度集成
  5. 哪些台湾相关产业链公司能受益?

什么是5G?

在无线通信的世界中,都是以电磁波作为发送信息的媒介,而且发送、接收端彼此的频率要相同,才能互相传递消息。可以想象一下,当你在用手机的同时,其实周边布满了无数条密密麻麻、不同频率,且肉眼看不见的电磁波。

那么要怎么决定信息传递的速度快慢呢?主要就在两个关键上:电磁波的频率和带宽。

在无线通信的世界中,都是以电磁波作为发送信息的媒介,而且发送、接收端彼此的频率要相同,才能互相传递消息。

我们可以将频率想象成火车的速度、带宽想成铁轨的宽度、发送的信息则想象为乘客,频率越高火车就开越快,带宽越大铁路就越宽,一次就能同时行驶好几班车,且除了速度更快外,载客量也更大(发送的信息量)。因此一来说,频率和带宽越高,传递信息的量就越多,速度也越快。

然而物理特性告诉我们光速=波长X频率,因此电磁波的频率越高,波长就会越短,绕射能力也越差(因为会想直接穿过障碍物,而非绕过去),在发送过程就很容易受环境影响阻挡,导致无法发送得太远。

因此以往直到4G为止的移动通信技术、及包括WiFi、蓝牙在内的各项技术,大多都是使用3.5GHz以下中低频的频段。

但到了5G时代,由于3.5 GHz以下的频段几乎都已被使用,已找不到干净且足够的频段,为了增加速度及用户体验,5G就只能往3.5GHz以上的高频段发展。

3.5 GHz以下频段大都已被使用。

我们可以将频率想象成火车的速度、带宽想成铁轨的宽度、发送的信息则想象为乘客,频率越高火车就开越快,带宽越大铁路就越宽,一次就能同时行驶好几班车,且除了速度更快外,载客量也更大(发送的信息量)。

Sub-6 VS毫米波

有了这个认识后,再来接着看看5G的技术发展,其实5G可以分为两种频段,分别是频段在6GHz以下的Sub-6,以及24GHz以上的毫米波(mmWave)。

Sub-6的频段与现有的4G LTE相近,主要差别就是将带宽增加以提升速度。(可以想象成将铁道变多样,如带宽加大,但火车速度并没有变快太多,也就是频率不变),因此又被称为5G的Phase1。

而毫米波的频段则是大幅提升至24 GHz以上,其发送速度、穿透力都很强,又被称为5G phase2。但缺点就是绕射能力低、传不远,因此就必须盖更多的小型基站(Small Cell)来增加整体信号的覆盖率。

高通秀出全球部署5G概况图。毫米波的频段为24GHz以上,其发送速度、穿透力都很强,但缺点就是绕射能力低、传不远,因此就必须盖更多的小型基站来增加整体信号的覆盖率。

由于Sub-6频段与4G LTE相近,很多设备、技术都可以沿用现有的4G LTE,发展难度、构建成本都较毫米波低,目前大部分国家都是先以Sub -6为主要发展策略。

因此我们目前所用的5G其实大都是Sub-6,而毫米波因为基础建设的构建成本高、且尚有许多技术问题需解决(例如辐射问题),至少要到2021年后才会开始明显发展。

高带宽、低延迟、广连接:5G时代的全新体验

5G除了速度快之外,更重要的在于他的三个全新特色:高带宽、低延迟、广连接。以下就简单介绍这三个特色,及会为我们生活带来什么新的改变。

高带宽(eMBB,Enhanced Mobile Broadband)

高带宽是通过增加带宽来增加速度。根据统计,5G毫米波的带宽最高可达800 MHz,比4G LTE的20 MHz增加40倍,而5G毫米波的传递速度最高可达每秒500 Mb,比4G LTE高了近10倍,速度将有明显的提升。因此,就可以实现像AR/VR、4K、8K影音等需要大流量、高网速的应用场景。

5G的高带宽与低时延让远程医疗及云计算看护得以实现。

低延迟(uRLLC:Ultra-Reliability and Low Latency Communications)

主要就是通过降低信息发送的时间来降低延迟。而完成低延迟的关键技术就是最近常听到的边缘运算(Edge Computing)。

边缘运算的概念简单来说就是在用户的就近处(例如基站旁边)设立边缘计算台,这么一来,就可以直接在Edge端处理一些较简单的信息,不需将所有信息都传回中央云计算(Cloud)处理,大大减少信息传输的时间,以降低延迟。

而低延迟的实现,也让一些全新应用场景象是自动驾驶汽车、自动工厂、远程医疗、智能零售等得以真正实现在我们的生活中。

云计算+边缘运算架构

广连接(mMTC:Massive Machine Type Communications)

广连接顾名思义就是在同样的范围内能连接更多的设备,根据统计,5G网络每平方公里约可连接100万个设备(Node),是4G LTE的10倍。因此近几年非常热门的IoT物联网,其背后能否实现的关键就是创建在5G的技术发展上。

在5G时代想要同时实现以上三个特性,就必需要Sub-6及毫米波同时互补,在需要高速上网、低延迟时使用速度较快的毫米波,需要万物互联、低功耗、高可靠度场景时则用传递距离较远、绕射能力较强的Sub-6。

因此,完整的5G其实是种异质结合网络(HetNet),他不但向下集成了4G LTE,还包含了Sub-6及毫米波的服务。

根据统计,5G网络每平方公里约可连接100万个设备(Node),是4G LTE的10倍。完整的5G其实是种异质结合网络(HetNet),他不但向下集成了4G LTE,还包含了Sub-6及毫米波的服务。

只不过目前我们所看到、体验到的5G几乎都是Sub-6为主。真正完整的5G体验其实要等毫米波成熟才能实现。

但根据市场研究、及相关产业公司经营层发布的预期来看,5G毫米波也将在2021年进入快速发展期,这其中带来的庞大投资机会除了我们上面提到的Small Cell、边缘运算、IoT之外,还包括一个在5G时代非常重要的产业:射频组件(RF:Radio Frequency)。

射频组件(RF):5G趋势带来的风口

智能手机的重要零件除了处理器(AP:Application Processor)、内存(Dram、Flash)之外,还包括负责处理、接收、传递信息的通信组件,如果没有了通信组件,我们的手机就无法打电话、使用网络、传递消息。

而通信组件主要由基带芯片(Digital Baseband)、射频收发器(RF Tranceiver/Receiver)、射频前端(RF Front-End)、及天线四大部分组成。

由于逻辑芯片(Logic IC)只会处理包含0和1的数字信号,但传递信息时却必须使用连续的模拟信号,因此智能手机发送信息的原理就是先由基带芯片将这些不连续的0和1信号转换成连续的电磁波后,再传给滤波器滤出正确的频率、再由功率放大器(PA,Power Amplifier)将电磁波放大到能发送的功率,再经由双工器、开关等将电磁波发送到天线,最后经由天线将电磁波精准发送到基站。

射频前端由各种不同功能组件组成。

其中,基带芯片又称为Modem数据芯片,由于Modem是专门处理智能手机的信号转换,通常会和手机的处理器高度集成,甚至集成在同一个SoC,因此目前主要的Modem供应商就是高通、联发科(市:2454)、三星等手机AP芯片大厂,例如高通刚推出的x60、联发科推出的T700芯片等都是智能手机专用的Modem。

基带芯片又称为Modem数据芯片,因为Modem是专门处理智能手机的信号转换,通常会和手机的处理器高度集成,所以目前主要的Modem供应商不外乎就是前几名手机AP芯片大厂。

而上面提到的滤波器(Filter)、放大器(包含功率放大器(PA)、低噪声放大器(LNA))、双工器(Duplexer)及射频开关(Switch)等组件则统称为射频前端组件(RFFE:RF Front End,以下简称RF组件)。RF组件的种类繁多,但每一项却都非常关键,缺一不可,其品质好坏直接决定了电磁波能否准确发送及发送的品质,是智能手机非常关键的组成。

从4G LTE演变到5G,基本上Modem的结构、需求量并未发生太大的改变,但由于5G要支持更多的频段,根据Skyworks报告显示,5G智能手机除了要支持Sub-6及毫米波之外,还要向下兼容4G LTE、3G、2G等频段,支持的频段从4G智能手机的15个倍增到30个,因此就需要更多的RF组件来处理更趋复杂的频段。5G智能手机频段将倍增至30个。

RF组件除了用量的提升,初期的ASP也将较4G的18元美金增长至约25元美金(预计未来ASP会因竞争加剧而下滑,但仍会较4G高),价量齐升的趋势也将推动RF组件市场在未来几年快速增长。根据研调机构指出,全球RF组件的市场规模将由2019年的170亿美元增长至2023年的310亿美元,4年的CAGR高达13%。

根据OYR Electronics Research Center的统计,2011至2018年全球射频前端规模以年复合增长率13.1%的速度增长,2018年高达149.1亿美元。受到5G网络商业化建设的影响,自2020年起,全球射频前端市场将迎来快速增长。

其中又以滤波器及功率放大器的市场最大,根据拓扑产业研究院调查指出,滤波器及功率放大器两者的市场规模就占整体RF组件的85%以上,将是未来RF组件增长的主要推手。

而随着RF组件的用量大增,但智能手机却要求轻薄的趋势下,RF组件的模块化也是未来的一大趋势。

因此,以下就花一些篇幅来分析功率放大器、滤波器,以及RF模块的未来预期、及相关供应链的投资机会。

滤波器和功率放大器合计占RFFE市场86%。射频前端的成本结构。(Source:拓璞产业研究院,2019/12)

功率放大器:GaN PA将有望成未来趋势

功率放大器(以下简称PA)顾名思义,其功能就是将电磁波的功率放大,让信号能稳定从设备发送出去,是RF组件中功耗最大的组件。

5G毫米波由于发送能力变差,因此需要更多的PA将电磁波放大。根据统计,一只5G智能手机至少需使用10-14颗PA,比4G智能手机用的5-7颗增加约1倍。

由于PA是高功率组件,从3G智能手机从以来就一直都用能承受高功率的第二代半导体砷化镓(GaAs)作为制造的基板材料。

而到了5G时代,我们认为未来Sub-6频段仍会以GaAs PA为主流,但在毫米波方面,能承受更高功率、减少更多耗损、且尺寸更小的第三代半导体,氮化镓(GaN)将成为未来PA材料的主流。

功率放大器主要供应商有美国Skyworks、Qorvo、Broadcom与日本Murata,3家美系厂商合计市场占有率高达86%。估计未来基于GaAs的PA仍会是主流产品,而InPHBT PA、GaN HEMT PA需求量则有望于5G扩大商用的过程中逐步走高。

然目前GaN因制造成本高,仅被用在军事设备及大型基站,但预期随着未来成本降低,GaN将成为毫米波PA的主流。而GaN除了将被应用在5G智能手机PA外,还可用在包括Small Cell、快充等新市场。根据研调机构Yole预估,采用GaN的功率组件市场将从2020年的0.5亿美元增长至2025年的7亿美元,以69.5%的CAGR快速增长。

然而目前GaN材料、磊晶主要都集中在美国Cree、IQE等大厂手中,而PA则为寡占市场,主要技术也都集中在欧美Skyworks、Qorvo、Broadcom、日本Murata等外国IDM大厂。

台湾厂商扮演的角色主要则以上游的材料及中下游的芯片代工为主,包括做化合物半导体的磊晶厂全新(市:2455)、GaAs代工厂稳懋(柜:3105)及宏捷科(柜:8086),目前也都在发展GaN代工相关技术,有兴趣的投资人也可以深入研究。

滤波器:从SAW往BAW、LTCC发展

滤波器的功能则类似筛子,将不需要的频段过滤掉,以传输特定频率的电磁波。

由于5G智能手机所支持的频段将从4G的15个增加到30个,因此也需使用更多的滤波器。根据Skyworks研究,一只5G智能手机需要使用的滤波器将从4G的40个增加到70个。

目前市场约70-80%的滤波器技术都是以表面声波滤波器(SAW)为主,已是非常成熟的技术,但SAW的缺点就是仅能适用在中低频段,因此随着5G毫米波的发展,能适用在高频段的体声波滤波器(BAW)及陶瓷滤波器(LTCC)将成为未来的主流。

BAW.LTCC滤波器有望成5G毫米波主流。

而目前SAW滤波器为寡占市场,主要由Murata、TDK、太阳诱电、Skyworks等海外IDM大厂瓜分,BAW则较为独占,掌握在Broadcom手中。因此我们认为随着未来BAW、LTCC逐渐普及,Broadcom将会是此趋势下的实质受益者。

RF模块未来趋势:高度集成SiP及AiP

从以上分析可知,未来RF组件的需求量将会随5G毫米波的商用而大增,但在智能手机要求轻薄的趋势下,RF组件的模块化将是未来不可避免的趋势。

然而RF组件中每个组件都有其独特的技术和制程,需要有强大的芯片设计能力才能将不同组件集成在一起,因此在过去几年RF产业也吹起了一阵整合风潮,例如Skyworks收购Panasonic射频部门、Murata并购Peregrine、Avago并购Broadcom(并购后仍叫Broadcom),整个产业越趋寡占集中。

目前Qorvo、Skyworks、Broadcom、Murata等公司都已推出各自的RF SiP模块,但即便如此,目前仍没有一家供应商有能力提供且集成每一种RF组件。例如下面iPhone 12拆解图,就分别使用了Skyworks的RF SiP模块、Avago的PA模块及Murata的毫米波RFFE模块。

目前仍然没有一家供应商有能力提供且集成每一种RF组件。如iPhone 12拆解图,就分别使用了Skyworks的RF SiP模块、Avago的PA模块及Murata的毫米波RFFE模块。

而5G毫米波则需使用更多的天线帮助信息发送(就是大家常听到的Massive MIMO),但因毫米波天线的功率耗损很高,需要尽量靠近RF组件以减少耗损,因此AiP封装(Antenna-in Packaging)技术也就此兴起。AiP封装其实就是将天线集成到RF SiP中变成一个芯片,这么一来就可以有效降低功率的耗损。

目前最积极的跨入AiP领域的就是美国的高通(Qualcomm),由于高通本身就是智能手机处理器、Modem的供应厂,所以能较单纯提供RF组件的厂商更有效率的集成RF、天线及Modem,并提供AP、Modem、AiP一条龙的服务,例如下图就是高通推出从AiP模块QTM525、到X55 Modem芯片的完整服务。

由于高通本身就是智能手机处理器、Modem的供应厂,所以能较单纯提供RF组件的厂商更有效率的集成RF、天线及Modem。

预期未来,5G智能手机的RF模块预估在Sub-6频段将继续以SiP为主流,毫米波频段则会大幅采用AiP封装,形成SiP+AiP共享的高度集成模块。

我们预估在Sub6的SiP将继续由Qorvo、Skyworks、Broadcom、Murata等既有IDM巨头瓜分,而在毫米波AiP方面,高通借由其雄厚的技术及集成能力,将有望称霸市场。

5G智能手机的RF模块预估在Sub-6频段将继续以SiP为主流,其中SiP将继续由Qorvo、Skyworks、Broadcom、Murata等既有IDM巨头瓜分。

至于台湾的供应商主要是下游的封测厂,例如RF测试大厂硅格(市:6257),以及目前AiP技术最成熟的日月光(市:3711),及近期极力在发展WLP(Wafer Level Packaging,芯片级封装)的台积电(市:2330)等,都是有望搭上此波趋势的受益者。

结论

5G是个全新的趋势,5G智能手机、IoT、AR、VR、自动驾驶汽车、智能医疗及更多全新的应用将会在未来几年融入我们的生活。

而支撑这些应用基础的RF组件也将有巨大的增长潜力。除了需求量将快速增加外,其中GaN PA的普及、BAW、LTCC滤波器的增长、及RF模块SiP+AiP的高度集成化将是未来RF产业发展的三大趋势。

投资人若有兴趣,可研究关注直接受益的厂商包括海外的高通、Qorvo、Skyworks、Broadcom、Murata等芯片大厂,Cree、IQE等第三代半导体材料厂,台湾的话则可关注台积电(市:2330)、全新(市:2455)、稳懋(柜:3105)、宏捷科(柜:8086)、硅格(市:6257)、日月光(市:3711)等相关公司。