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商机缓着陆 5G毫米波加速发展看2024-2025年
 

【作者: 季平】2021年03月05日 星期五

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世界行动通讯大会(GSMA)预估,2020-2034年5G毫米波频谱释出可??为全球GDP??注5650亿美元的营收。国际通讯标准化机构(3DPP)定义5G以6GHz频段为界划分2频段:Sub-6及毫米波(mmWave),前者范围介於450MHz-6GHZ(FR1频段),发展最快的国家是中国,後者范围介於24-52GHz(FR2频段),发展最快的是美国。


Sub-6GHz在4G时代发展已相当成熟,频段为3.5GHz,由於基地台建置容易,覆盖范围广、传讯距离长,可以省下基础建设架构的时间及成本,不少业者在5G发展初期选择Sub-6GHz频段。不过,Sub-6GHz所涵盖的中低频段已相当饱和,无法负荷高速大容量资料传输,这时,毫米波让所有人看到Sub-6GHz之外更好的可能性。


日、韩、美及部分欧洲国家已完成5G毫米波频谱划分,部分开始转商用,中国目前仍聚焦於Sub-6GHz的5G商用,计画在2022年进入5G毫米波商用,台湾则以Sub-6GHz为主,中华电信、远传及亚太等业者也开始架构毫米波网路。



图一 : 全球5G网路频谱分配概况。(图:GSMA)
图一 : 全球5G网路频谱分配概况。(图:GSMA)

短期内Sub-6GHz仍为主流 明日之星毫米波再等等

工研院资通所??所长丁邦安指出,5G毫米波手机是很大的市场,市场预估2025年5G智慧型手机约占70%,约44亿支,加上如固定无线接入(FWA)等约10亿台终端设置,等於有54亿个终端设置,毫米波约占10%。少数如苹果iPhone手机预留未来Sub-6GHz升级到毫米波的机型,但比例上还是Sub-6GHz居多,要先做马上有市场的Sub-6GHz还是直取门槛高、回收时间拉长的毫米波市场,端视每家公司的策略而定。



图二 : 工研院资讯与通讯研究所??所长丁邦安。(source:工研院资通所)
图二 : 工研院资讯与通讯研究所??所长丁邦安。(source:工研院资通所)

从晶片大厂如联发科及高通(Qualcomm)的布建策略可以看出Sub-6GHz与毫米波的势力消长。高通主要导入毫米波支援,联发科在5G第一阶段仅支援Sub-6GHz以下中低频段,至於晶片商海思(HiSilicon)则先切入Sub-6GHz,三星则支援毫米波联网。


丁邦安指出,毫米波属高频频段,其物理特性会让电磁波衰减快速,相较於中低频段,收讯可能较差,需要整合更多天线、射频元件才能维持相同的距离传输。经过之前4G产业链的努力,很多元件经修改就可以重新使用,因此多数公司仍以Sub-6GHz为主。回顾过去3-4年发展轨迹,联发科的策略显然比较正确,「因为电信产业技术是站在过去基础上发展,毫米波等於是从零开始,很多供应链不敢贸然跟进毫米波领域。」


毫米波晶片的优劣势

毫米波技术发展及运用过程中,毫米波晶片扮演重要角色,而毫米波晶片导入商用是否顺利,从价格敏感的毫米波手机需求可看出端倪。丁邦安举例,以北美一支5G毫米波手机空机售价约1000美元,基本硬体费用比4G多出约100美元,其中约60美元为毫米波模组费用,成本太高,手机较贵,基地台不够多,覆盖率低,这些都是5G毫米波手机发展速度缓慢的原因。简单来说,5G毫米波落地过程中遭遇2个困境,一是成本太高导致手机本身价格变贵,二是基地台覆盖率不够无法发挥5G毫米波优势。


图三 : 毫米波预计是5G下一波发展重点,工研院在研发小型基地台的过程中也积极研发毫米波相位阵列天线技术。(Source:工研院资通所)
图三 : 毫米波预计是5G下一波发展重点,工研院在研发小型基地台的过程中也积极研发毫米波相位阵列天线技术。(Source:工研院资通所)

5G毫米波发展的三个风向球

丁邦安认为,5G毫米波未来发展可以观察三股力量:晶片供应商、手机商及电信营运商。晶片供应商不仅做晶片,还要整合周边元件,根据运营商对晶片的需求做出符合的产品。


目前,晶片大厂联发科与高通可以同时提供Sub-6GHz及毫米波两个频率的终端解决方案;指标性手机商可以观察苹果、三星、小米、华为,以及已推出毫米波手机的三星跟LG;电信运营商指标如美国的AT&T、日本的NTT DOCOMO、欧洲的Orange SA或中国的中国移动通信集团。从全球第一个推出5G毫米波手机的韩国进度比预计延迟来看,2023年前手机主流应该还是Sub-6GHz,2023年後毫米波手机会慢慢增加,最终二者比例相差多少仍需观察。


毫米波未来是否发展更快的另一个风向标就是看晶片公司何时推产品。不过,晶片推出後找供应商、测试验证到使用者端最少耗时约1-1.5年,由此推估,5G毫米波晶片运用在2022年年中才可能慢慢有机会。目前市面上上百款手机,毫米波晶片手机约仅占十分之一,所以相关供应链的落地时间点会缓一点。虽然如此,毫米波对台湾半导体及封装测试产业具有很大的推力,会让所有设备升级换代,也因为投资较大,所以落地时间比较晚。


TrendForce半导体研究处资深分析师姚嘉洋认为,毫米波晶片最大的特色在於传输速度远比Sub-6GHz频段出色,缺点是传输距离较短,距离越长,讯号衰减程度越严重,目前毫米波发展最快速的领域应该是居家电视应用服务,如Verizon在美国所提供的服务是最明显的例子。


他看好电信业对毫米波技术的运用,如VR、Gaming或高画质赛事转播等。高通、三星都已经将毫米波技术整合至手机应用处理器中,「由於全球疫情仍未趋缓,电信业者对於毫米波技术的布建可能还有保留态度。」冬奥预计在2022年举办,对於在意运动赛事转播的国家来说,是否会采取部份试运行方式大胆导入毫米波技术,提升观看运动赛事的体验或许是可留意之处。


至於台湾在毫米波领域的发展,姚嘉祥认为可以留意晶圆代工、封测或是PCB等业者的发展状况,单以晶片业者来说,由於大多是国外业者领跑,但台湾如台积电、日月光等皆与国外业者保持密切的合作关系,从这点来看,台湾业者应有一定的竞争优势。


以台湾晶片大厂联发科为例,2020年5G晶片出货量超过4500万套,在低频段Sub-6GHz市场有不错成绩,2021年年初推出全新5G基频晶片M80,可同时支援毫米波和Sub-6GHz双频段,最高下行速率达7.67Gbps,上行速率最高3.76Gbps。M80 5G基频晶片已进行测试,预计2021年向客户送样。



图四 : 联发科推出全新5G数据晶片M80。(Source:联发科)
图四 : 联发科推出全新5G数据晶片M80。(Source:联发科)

5G射频元件产业近况

2020年5G商转进入基础建设打底阶段,元件的设计与制造是关键,如SoC系统单晶片、数据机晶片、电源管理晶片、CCL(铜箔基板)、天线AiP与ABF载板、PCB、散热模组、射频模组(砷化??PA族群)等,不过,毫米波频段导入5G需要先克服高传播损耗、指向性以及对於障碍物十分敏感等问题,除了布建更多小型基地台,还需要开发设计全新行动装置,使得RF前端元件/模组的设计更为复杂。


射频前端模组是由射频开关 (Switch)、功率放大器(PA)、低噪音放大器(LNA)、双工器 (Duplexer)、滤波器(Filter)和天线元件等所组成,主要供应商包含Sony、Murata、Skyworks、Qorvo、Infineon、Broadcom等,其中,约九成的功率放大器及低噪音放大器出自Skyworks、Qorvo、Broadcom及Murata(图五)。



图五 : 九成功率放大器及低噪音放大器出自四大供应商。(制图:季平)
图五 : 九成功率放大器及低噪音放大器出自四大供应商。(制图:季平)

全球功率放大器(PA)市占比最大依序为 Skyworks (43%)、Qorvo (25%)、博通 (25%)及Murata (3%)。滤波器又分表面声波(SAW)、体声波(BAW)、MEMS、IPD等,SAW及BAW为主流,表面声波(SAW)市占率以Murata最高(约50%),体声波(BAW)以Broadcom市占率最高(约85%)。全球表面声波(SAW)滤波器市占前五大厂依序为Murata (47%)、TDK (21%)、TAIYO YUDEN (14%)、Skyworks (9%)、Qorvo (4%),比重达 95%(图六)。



图六 : 全球表面声波(SAW)滤波器前五大厂占比高达95%。(制图:季平)
图六 : 全球表面声波(SAW)滤波器前五大厂占比高达95%。(制图:季平)

不同类型射频元件采用不同制程技术。以5G手机晶片来说,内含系统单晶片(SoC)、数据机晶片、射频模组等元件,晶片的设计难度更高,也因为毫米波频谱大,要处理更多数据,需要高速数位元件,电路板设计也面临诸多挑战,其他如散热性、导电材料、电路电磁干扰、共振效应等各环节都要处理好。5G手机使用的滤波器达70个,与4G的40个相比差异甚大,射频开关也是4G的三倍之多,高效射频元件运作时的散热也必须使用高价散热板克服,因此仪器设备与测试成本居高不下。


研究机构Garner预估,4G射频模组成本约19.3美元,5G达34.4美元,以三星2020年推出的S20 5G毫米波手机为例,终端售价至少1000美元,对业者来说成本压力大。此外,要兼顾5G射频模组元件增加、效能提升,异质封装必须做到节省空间但讯号完整度不减,技术难度也大。因此,纵然5G毫米波发展是未来大势所趋,短期内成本、技术问题仍难以克服,也连带影响5G毫米波产业链进程。


虽然5G毫米波手机推进不易,也有好消息传来。国际研究暨顾问机构Gartner也预估,2021年5G手机出货量将达5.39亿支,年增1.5倍,具备5G连网功能的手机市占率将从2020年的10%提升至2023年的56%。各手机龙头大厂积极推出支援5G手机的方案,如华为、小米、OPPO等,苹果也推出同时支援Sub-6GHz、毫米波规格的5G手机。市调机构 Counterpoint Research调查,苹果iPhone 12系列在2020年底成为全球最热销5G手机,热销原因是消费者对5G网路的需求高涨,有助刺激电信营运商加速布建5G毫米波基础建设。


2020年新冠疫情爆发後,射频元件大厂Skyworks曾示警,5G市场需求不如预期,5G手机普及时程将延後,晶片及关键零组件量产时程也受影响,2021年1月底则传来好消息,受惠於苹果5G iPhone销售亮眼,Skyworks及其他射频晶片制造商今年後市看好。Skyworks生产的射频晶片主要供应苹果和三星电子,随着苹果未来推出更多5G机型,Skyworks、Broadcom和Qorvo可??继续受惠。


苹果iPhone无线射频晶片主要供应商Qorvo在2021年1月推出第三代高性能低噪声放大器(LAN)系列产品,针对基站基础建设所设计,为业界最低噪声系数(2GHz时可达0.3dB),确保数据传输不中断、更稳定。



图七 : Qorvo QPL9547为第三代高性能低噪声放大器(LNA)。(source:Qorvo)
图七 : Qorvo QPL9547为第三代高性能低噪声放大器(LNA)。(source:Qorvo)

5G毫米波商机发酵需要时间淬链

市场研究显示,5G毫米波在2021年将进入快速发展期,特别是小型基地台、IoT及射频元件。除了国际龙头大厂,台湾的毫米波供应链扮演吃重角色,如台积电、联发科、日月光等,日月光高雄厂布建5G毫米垂直场域後,联发科与远传电信也携手打造5G毫米波垂直场域,有利於国内5G手机、设备制造商等产业链整合。


未来,手机晶片的晶圆制造及封装测试更依赖台湾半导体供应链,尤其5G数据机晶片及系统单晶片(SoC)至少需要7奈米及5奈米技术,除韩国三星有能力自行生产,苹果、华为海思、高通等只能委由台积电代工。此外,5G多频段特性导致封装技术朝系统级封装(SiP)发展,如前段射频SiP模组利用天线AiP整合封装技术将天线及晶片整合为SiP模组,除台积电InFO(整合扇出型封装)出现需求,SiP封测及模组代工,与射频及混合讯号测试相关的日月光、矽格、京元电等封测厂将同步受惠。5G基础建设也需要射频元件,化合物半导体族群以及与智慧型手机相关的稳懋、宏捷科等供应商预期也将受惠。


5G毫米波加速落地 2024-2025年是关键

5G毫米波供应链成熟与否可观察毫米波手机市场需求。丁邦安指出,手机是价格敏感市场,2024-2025年若毫米波手机需求提高至30-40%,或者与Sub-6GHz手机趋近,就是毫米波供应链成熟的讯号,也代表毫米波手机生产成本可以控制,技术落地成功。


未来,毫米波也可能找到其他利基,比方基地台跟基地台串联需要5G毫米波,大型运动场或室内运动环境聚集数万人时需要频宽,场域可控,布建与覆盖相对简单,业者也有利可图。


此外,具有覆盖范围广、低延迟性特色的低轨道卫星可以补足5G毫米波讯号覆盖率低、容易受地形限制的缺点,解决偏远地区、空中、海上行动网路难以覆盖的问题,也是未来5G毫米波发展的另一个利基,连带带动毫米波晶片及射频元件如阵列天线、功率放大器等需求。


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