5G网络设备芯片的国产化现状及未来策略
2020年是中国5G大规模商用化元年，截至2020年11月，三大运营商已累计建成71.8万座基站，占全球比重接近7成。未来三年，中国仍处于5G发展的导入期，5G建设逐渐向县城渗透，覆盖密度逐渐加深。
5G网络的建设需要采购大量设备，其中芯片器件所占成本高，技术难度最大。在当前国际形势下，华为海思等国内芯片厂商陆续被美国政府加入“实体清单”，影响巨大。未来，唯一的解决办法是提高国产化水平，实现安全可控的国产替代。
5G接入网由AAU、CU、DU构成，涉及到的芯片有基带芯片和射频芯片，其中射频芯片包含功率放大器、低噪声放大器、射频开关。5G承载网全面采用光纤网，涉及到的芯片主要在光模块中，包含激光器芯片和探测器芯片。5G核心网采用了SBA架构（ServiceBased Architecture）,淘汰复杂的电信专用设备，采用X86服务器与虚拟软件，涉及到的芯片主要是X86服务器CPU和存储芯片。
综上，5G网络设备中的芯片如下图所示。
一、5G网络设备芯片的国产化现状
1、5G基站基带芯片：华为、中兴具备设计能力，制造环节成瓶颈
基带芯片是指用来将模拟信号转化为基带信号（数字信号），或对接收到的基带信号进行解码的芯片。
移动基站市场主要被华为、中兴、爱立信、诺基亚占领。其中，华为海思在2019年1月推出了自行设计的天罡系列5G基站核心芯片，采用台积电7nm制程，华为5G基站的基带处理芯片已使用了天罡系列ASIC芯片。中兴的5G基站使用中兴微电子自行设计的5G多模软基带芯片MSC3.0，采用的同样是台积电7nm制程，该芯片是中兴首款支持5G的基带芯片，集成了多种5G算法硬件加速IP，完备地支持5G现有协议标准，并具备后续协议演进的能力。
国外Marvell推出的5G基带处理器OCTEON Fusion可用于服务多扇区宏基站、微基站、智能射频头和分布式单元。诺基亚与Marvell在2020年3月就5G芯片技术达成合作协议，未来诺基亚的5G基站可能采用Marvell的产品。
此外，高通于2020年10月20日宣布将推出比爱立信和华为更便宜的5G基站芯片，包括基带、处理器和射频芯片，不过，高通并不打算参与建站，仅计划向客户出售基站芯片。
总体来看，华为和中兴完全具备5G基站基带芯片的设计能力，且产品性能强劲。虽然面临国外其他产品的竞争，但完全可以满足国内运营商的需求，5G基站基带芯片的研发可以实现国产替代。目前的瓶颈在制造环节，华为与中兴的5G基站基带芯片均依赖于台积电的7nm制程，境内中芯国际等制造厂商尚未实现7nm制程的突破，实力相差较大。
2、基站功率放大器：外企巨头垄断市场，国内上下游厂商亟待突破
功率放大器（PA，Power Amplifier）是射频模块的重要组成部分，负责发射通道的射频信号放大。5G基站功率放大器主要有三种：基于硅的横向扩散金属氧化物半导体（Si LDMOS）、砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN），分别代表第一、二、三代半导体材料。其中LDMOS与GaN功率放大器适用于宏基站，GaAs功率放大器适用于小基站。LDMOS功率放大器仅在3.5GHz频率范围内有效，而GaN功率放大器则能有效满足5G的高功率、高通信频段和高效率等要求，未来将逐渐挤占LDMOS功率放大器的份额。
LDMOS功率放大器市场主要由飞思卡尔（Freescale）、恩智浦（NXP）、英飞凌（Infineon）垄断。2015年NXP收购Freescale，同时将其射频部门出售给北京建广资本，后者将其改组为Ampleon公司，由此，中国成功突破了基站PA领域的技术空白。
GaAs功率放大器的主要厂家有Skyworks、Qorvo、Broadcom、日本村田，国内暂无厂商研发成功5G基站GaAs PA。
GaN功率放大器的主要国外厂家有住友电工、Cree、Qorvo 和 MACOM，其中住友电工与Cree是行业龙头，市场占有率均超过30%，住友电工还是华为GaN 射频器件最大供应商。国内厂商苏州能讯发布了适合5G移动通信的GaN功放管，针对无线通信基站进行了特殊优化，易于设计成Doherty架构的宽带功率放大器。优镓科技于2020年5月透露已完成其第一代基站氮化镓功率放大器的设计和流片，预计今年推出量产级芯片。
总体来看，基站PA基本由国外厂商垄断，这些领先厂商大多采取的是IDM模式，具有全方位的领先优势。国内厂商主要靠收购和自主研发，设计环节参与企业较少，鲜有突破；在材料、工艺、制造环节国内厂商已有布局，但也落后较多。目前虽然有很多厂商在推进，但还很少有量产的成熟产品，其原因除了发展晚、门槛高之外，市场空间小（跟手机PA市场相比）也是其一。随着5G网络的大规模建设，特别是大规模MIMO技术的应用，基站PA的需求量将大增，或将能加快国产化进程。
3、基站射频开关、低噪声放大器：外企巨头垄断市场，国内厂商主要布局手机侧产品
射频开关（Switch）与低噪声放大器（LNA，Low Noise Amplifier）也是射频模块的重要组成部分，射频开关用于实现射频信号接收与发射的切换、不同频段的切换。LNA负责接收端信号放大。
基站射频开关与LNA市场主要由国外Skyworks、Qorvo、Broadcom、村田、NXP等主导。国内厂家以手机侧产品为主，鲜有基站侧产品，其中卓胜微是国产射频开关和LNA的领导者，出货量进入全球前五。卓胜微于2020年布局5G基站射频芯片，计划投入16.4亿元，分两期用5年时间研发5G通信基站射频器件并实现产业化。
总体来看，基站射频开关与低噪声放大器仍然是国外厂商垄断的格局，与基站PA市场格局相同。不过由于技术难度相比其他射频器件较低，未来实现国产替代的成功率会更高。
4、光通信芯片：外企垄断高端市场，国内厂商落后1-2代，上游材料与生产设备成瓶颈
光通信芯片主要指激光器芯片（LDChip）和探测器芯片（PDChip），分别负责电信号转换为光信号、光信号转换为电信号，是光模块最核心的功能芯片。激光器芯片根据发光类型和调制类型主要可分为三种：DFB、EML和VCSEL, 探测器芯片主要有两种类型：PIN、APD。根据传输速率可分为10G、25G、50G芯片，5G网络建设需要25G以上的高端芯片。
目前低端10G光芯片市场已处于完全竞争格局，国内30余家企业具备研发能力。高端25G及以上光芯片市场长期由外企垄断，美国II-VI拥有业界最先进的64GEML光芯片，博通、Neophotonics拥有56G光芯片，三菱电机拥有28GEML光芯片，Lumentum、住友电工拥有25G光芯片。国内华为海思、光迅科技、武汉敏芯、陕西源杰已量产25G光芯片,海信宽带、华工科技、索尔思也即将实现25G光芯片的量产。
总体来看，高端光芯片仍由国外厂商主导，国内头部厂商的技术能力比国外一流厂商落后1-2代。其中，在25G光芯片领域，国内部分厂商已成功量产，未来将进一步提高国产率。50G及以上光芯片市场完全由国外一线厂商垄断，国内龙头处于攻关阶段，仅有部分样品正在测试阶段，未来2-3年有望批量生产。比起设计与制造环节，上游材料与生产设备长期被外企把控，是更大的瓶颈，国内厂商亟待突破。
5、X86服务器CPU：英特尔与AMD垄断市场，架构授权无法获得，国产替代希望渺茫
中央处理器（CPU）是计算器的运算和控制核心，其功能是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。服务器CPU的架构主要有X86、ARM、MIPS、Alpha，其中X86架构几乎占据服务器的全部市场。X86架构由英特尔推出，采用授权模式，目前仅AMD和VIA（台湾威盛）获得授权。在境内，海光与兆芯是X86服务器CPU国产替代的主要参与者，拥有X86架构的转授权。
英特尔是服务器市场的龙头企业，主推Xeon（至强）系列CPU，长期占据全球服务器市场95%以上的份额。AMD是英特尔的最大竞争对手，主要产品是EPYC（霄龙）系列CPU，瓜分其余不到5%的市场份额。台湾威盛虽然拥有X86架构的授权，但并未推出服务器CPU，主要在嵌入式市场发力。
天津海光通过与AMD成立合资公司的方式，变相拥有了X86架构的授权，自主设计的“禅定”CPU已开始量产。不过海光仅获得AMD第一代EPYC的Zen架构，没有获得Zen2、Zen3系列架构授权。兆芯通过引入威盛控股获得了部分X86架构授权，自主研发KH-20000、KH-30000系列服务器CPU。不过盛威与英特尔的X86合同已于2018年4月到期，不能使用英特尔新的X86专利，但旧X86专利仍可使用。因此兆芯也只能在旧X86架构下继续自行研发。
总体来看，X86架构由英特尔掌控，目前仅AMD拥有全部授权，其他厂商几乎不可能获得新的授权。境内厂商仅海光与兆芯获得X86较早版本架构的部分授权，自主设计的CPU性能表现比较一般，且制造环节依赖台积电、三星、美国GF，实现商用化国产替代非常难。在可见的未来，X86服务器CPU市场仍将由英特尔主导，与AMD共同瓜分整个市场。
6、X86服务器存储芯片：外企垄断高端市场，国内厂商技术落后1-3代，产能有待提高，原材料与生产设备为更大瓶颈
存储芯片负责存储数据，是服务器的核心组成部分。服务器用到的存储芯片主要有两种：动态随机存取存储器（DRAM）与NAND闪存，DRAM是服务器内存条的主要组成部分，部分高端固态硬盘的缓存也用到DRAM，NAND闪存是服务器固态硬盘的主要组成部分。
DRAM市场高度集中，长期被三星、海力士、美光三家外企垄断，共占全球市场的95%左右。三家巨头已经推出新一代DDR5 DRAM，制程技术从1y纳米向1z纳米演进，即将开始量产。国内厂商切入DRAM市场较晚，仅合肥长鑫有研发实力，已于2019年量产1x纳米制程的DDR4 DRAM，技术比头部厂商落后2-3年。
NAND闪存市场也高度集中，三星、铠侠、西部数据、美光、海力士、英特尔六家外企几乎垄断整个市场。主流3D NAND技术节点从32层发展到64层、96层、128层、176层，六家厂商已全部进入100层以上NAND市场。其中美光已实现176层NAND闪存的量产，2020年11月开始交付客户；海力士也于2020年12月7日宣布研发成功176层NAND闪存，计划2021年6月开始量产。国内厂商进入较晚，仅长江存储有研发制造实力，成立4年以来迅速实现32层、64层NAND的量产，2020年4月研发成功128层NAND闪存，跻身当前主流技术行列，计划最晚今年上半年量产，整体研发实力与国外头部企业相差不到1年。
总体来看，X86服务器的存储芯片DRAM与NAND闪存市场仍由国外厂商主导，国产化率比较低。DRAM领域国内厂商实现了零的突破，但技术比较落后；NAND闪存领域国内厂商紧跟国外头部厂商，技术差距不大。国内厂商产能低，市场份额很小，市场主要被国外厂商瓜分。未来随着产能的扩大，国内厂商市场份额将持续增加，但距离追上头部企业还任重道远。
另外，各厂商采取IDM模式，具备设计与制造能力，但原材料（如光刻胶）与生产设备（如光刻机）依赖国外产品，是当前更大的瓶颈。
7、整体评估：五类芯片从部分国产替代到完全对外依赖，呈现“领跑-紧跟-掉队”三个梯队共存的局面
5G网络建设主要用到五种芯片，总体来看，目前国产化水平比较低，高度依赖国外厂商的技术和产品。但也有部分芯片实现了部分国产替代，未来有望进一步摆脱对外依赖。
按国产化水平由高到低大致可做如下排名：基站基带芯片＞光通信芯片、服务器存储芯片＞基站射频芯片、服务器CPU。处于第一梯队的基站基带芯片，完全由设备提供商华为、中兴自行设计。处于第二梯队的光通信芯片与服务器存储芯片，国内厂商处于追赶者地位，部分芯片已经达到一流水准，不过目前产能有限，市场份额还很小，但前途比较光明。处于第三梯队的基站射频芯片与服务器CPU，国内厂商实力非常弱，部分芯片完全依赖国外产品，实现国产替代非常困难。尤其是X86服务器CPU，几乎被掌握X86架构的英特尔一家垄断，国内厂商基本上没有存在感，只能在低端市场保持微弱的存在。或许华为和飞腾基于ARM架构的服务器CPU能更早打破英特尔在服务器领域的垄断。
二、5G网络设备芯片国产化研究的启示
1、对政府：扶持仅用于蜂窝通信的小众芯片产业（如基站射频芯片）
2018年底的中央经济工作会议正式提出“新基建”概念，5G作为新基建的内容之一，是智能时代最底层的基础设施，重要性不言而喻。5G网络的建设需要用到大量芯片，部分芯片如X86服务器CPU、存储芯片，由于应用范围广（5G核心网只是其中一小部分），重要程度高，受到政府的大力扶持。比如政府部门正在推进办公用软硬件的全面国产化，促进服务器厂商发展；国家集成电路产业基金第1期的最大投资单项便是投资长江存储，促使中国NAND闪存技术从零起步迈入世界一流水平。
然而还有一些芯片仅用于蜂窝通信，比如基站射频芯片，其特点是市场规模小、专业门槛高。比如在整个功率放大器（PA）市场中，根据法国调研机构Yole统计，手机PA市场约占65%，WiFi PA市场约占20%，基站市场约占10%，其他为5%，预计2023年基站PA的市场规模将达到6亿-7亿美金。国内基站PA厂商远少于手机PA厂商，技术也更加落后。这些芯片仅靠市场的力量很难发展起来，但重要性却很高，是实现5G网络设备自主可控不可或缺的一块短板，因此，需要政府投入资源进行引导扶持。
2、对运营商：警惕涨价、断供风险，适当储备设备，扶持相关厂商
对国内运营商来说，5G网络的建设才刚刚开始，5G或将使运营商实现从低价值向高价值的跨越，未来充满机会。
不过，抬头迈步的同时，也需要不时低头看脚下的路是否有坑洼。当前最大的不确定性来自中美对抗，越来越多的芯片企业被美国加入制裁清单，运营商的5G建设可能面临如下风险：
（1）涨价风险。国内厂商存在的价值一方面在于提高国产自给率，另一方面在于降低产品价格，这方面的例子在中国产品国产替代之路上比比皆是。未来如果美国的制裁导致某些芯片领域的国内厂商被迫停产或退出，势必会引起国外产品涨价，届时运营商的5G建设与运维都将面临更大的成本压力，这对于目前面临庞大5G开支的运营商而言，无疑是雪上加霜；对中国5G的发展进程而言，也将带来负面影响。
（2）断供风险。涨价风险建立在国外企业仍获准向中国供货的前提下，如果国外企业不再向中国供应某些高端芯片产品,比如X86服务器CPU，则5G的建设只能用性能低的国产服务器CPU，5G网络的能力将会大打折扣。再比如断供GaAs功率放大器，则大量的小基站将面临无PA可用的局面，5G网络的覆盖能力也将大打折扣。
为了防范以上风险，运营商需要未雨绸缪。一方面，跟进中美对抗的最新进展，适当地提前储备各种设备，或提前向供应商预定，争取一定缓冲期。另一方面，积极参投5G网络设备芯片相关企业（自行投资或参与政府产业基金），扶持国内厂商；在设备招标时，留给使用国产芯片的企业更多指标，为其提供更多订单。
下一个时代是智能化的时代，5G的建设与发展将开启智能时代的大门，具有重要战略意义。面对当前国产化水平低、受制于国外企业的现状，政府、企业、投资者要共同努力，用科学的方法快速提高5G网络设备芯片国产化水平，实现自主可控的国产替代。这是很大的挑战，也将是重要的机遇，对每个参与者来说，都是项神圣的事业。
（作者郭浩来自天翼物联科技有限公司研究中心）(本文来自澎湃新闻，更多原创资讯请下载“澎湃新闻”APP)
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