5G技术与测试研讨会,面向5G时代的元器件领域亦如是

by admin on 2019年11月30日

撒胡椒面还是重点突破?阿里都想干。7月25日,云栖上海峰会上,阿里披露一揽子云+智能战略:升级版数字政府项目是云服务开疆拓土的一脉相承,更受关注的则是芯片公司“平头哥”首个产品玄铁910的面世。仿效PC时代英特尔X86和移动时代ARM的“架构决胜策略”,阿里使用了新的RISC-V架构,瞄准的也是比电脑和手机更大的物联网市场。

在当前国际形势下,国产化替代之路成为更加迫切的话题,面向5G时代的元器件领域亦如是。

C114讯
4月18日消息“5G技术与测试研讨会”上周五在北京举行。在这次会议上,大唐移动副总工程师牛纲指出,在5G生态系统里大唐主要做了三个方面的布局,一是核心技术突破,二是全产品规划,三是挖掘行业应用领域。

首款产品

还记得数字电视之前时代的较早电视形态吗?在上世纪80年代,电视的调台还需要转动旋钮来捕捉信号实现。可能今天的大众会想不到,当年调台背后的底层技术,到了今天的5G时代,会成为元器件国产化替代的一个关键领域——滤波器。

在核心技术领域,大唐主要是聚焦于5G的典型应用场景,深入开发TDD的优势技术,并且建立5G的标志性技术基础。在产品开发方面,大唐主要是有系统设备、测试设备,以及集成电路的终端芯片,产业链齐全。在行业领域,大唐将和物联网、工业互联网、车联网以及安全通信厂商进行广泛地合作,构建以客户为中心的5G生态系统。

7月25日,阿里旗下芯片公司平头哥正式发布首款产品玄铁910。玄铁910基于RISC-V开源架构开发,可以用于设计制造高性能端上芯片,应用于5G、人工智能以及自动驾驶等领域,而阿里意在瞄准未来比手机、电脑更广泛的物联网领域。

新一代通信技术的到来,将对底层电子元器件、整机终端、应用生态都带来新的技术挑战,当然这也意味着国产化机会。

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据了解,RISC-V指令集可以自由地用于任何目的,允许任何人设计、制造和销售RISC-V芯片和软件。据阿里介绍,在性能方面,玄铁910比目前业界最好的RISC-V处理器性能高40%以上。

由于5G频段尤其是中高频频段的大幅增加、天线传输“通道变宽”等技术要求的变化,基于通信信号转换功能的射频器件市场被视作一个重点领域。无论从价值量还是需求数量来说,5G时代的射频前端芯片市场都将逐步呈现大幅增长态势。

阿里相关负责人介绍,玄铁910将大大降低高性能端上芯片的设计制造成本。未来在5G、人工智能、网络通信、自动驾驶等领域中,使用该处理器可使芯片性能提高一倍以上,同时芯片成本降低一半以上。

据法国调研机构Yole的预计,受益5G,射频前端市场有望从2016年101.1亿美元增长到2022年的227.8亿美元,6年复合增速14.5%。其中,滤波器变动最大,规模52.08亿美元增长到163亿美元。

为了进一步降低芯片设计门槛,平头哥还发布英雄帖,邀请有量产能力企业和高校科研机构共同打造标杆项目,并宣布“普惠芯片”计划。

但目前这仍是一个海外巨头占据强势份额的领域,部分环节的国产替代进程仍需时日,国内也尚未完全形成良好的生态共建。更有机构认为,射频领域的国产化替代处在初级阶段。

阿里巴巴集团副总裁戚肖宁表示:“传统通用芯片的模式越来越难适应碎片化AIoT场景的需求,开源、开放是大势所趋,平头哥致力于做AIoT时代的芯片基础设施提供者,让芯片更普惠。”

不过近年以来,改变在快速发生。“以前国内市场并不太关注和了解射频等元器件市场,但现在可以说到了实现国产化替代的转折点。”在接受21世纪经济报道记者专访时,杭州左蓝微电子技术有限公司创始人张树民这样表示,随着国产厂商逐渐起量,国内目前在滤波器领域的技术力量和产品品质已经接近国外的水平,国产替代的态势正在形成。“但问题是,我们积累的研发可能还是不够。要做好产品才有可能赶上国外巨头的水准。”

谋求自主

射频前端的5G机会

作为平头哥的首个产品,玄铁910项目起始于半年多以前。在2018年9月的杭州云栖大会上,阿里巴巴正式宣布成立芯片公司“平头哥半导体有限公司”。平头哥由阿里收购的国产芯片企业中天微与阿里旗下达摩院芯片团队整合而成,阿里全资控股。

为什么5G时代的射频前端开始大热?这要从这部分器件的效用说起。

作为阿里巴巴全球研究院,达摩院由阿里成立于2017年10月。成立伊始,达摩院便宣布未来三年将投入超过1000亿元用于基础科学和颠覆式技术创新研究。

总体来说,射频的主要功能在于,将电磁波信号与二进制数字信号进行转换,让信息顺利实现从基站到终端的转换和呈现。这令射频成为通信时代的重要环节。

中天微则成立于2001年,是一家致力于32位高性能低功耗嵌入式CPU研发,以芯片架构授权为核心业务的集成电路设计公司。由于在CPU核心架构研发上的深厚积淀,中天微被视为“内地唯一大规模量产的自主嵌入式CPUIPCore”。

而由射频各环节器件组成的部分被称为射频前端。具体来说,射频前端又分为发射和接收两条通路,前者涉及器件包括功率放大器、滤波器、天线开关等;后者则主要包括低噪声放大器、滤波器、射频开关和天线开关等。

阿里CTO、阿里云智能事业群总裁张建锋曾表示,收购中天微是阿里巴巴芯片布局的重要一环,IPCore是基础芯片能力的核心,进入IPCore领域是中国芯片实现“自主可控”的基础。

天风证券在研报中指出,射频前端芯片市场规模主要受移动终端需求的驱动。而5G标准下,现有的移动通信、物联网通信标准将统一,因此未来统一标准下的射频前端芯片产品,应用领域将进一步放大;同时,单个智能手机的射频前端芯片价值也将继续上升。

除了整合中天微和达摩院,阿里还投资了多家新兴芯片企业。2018年6月,国内AI芯片企业寒武纪科技宣布完成数亿美元B轮融资,原股东阿里巴巴创新投跟投。此外,阿里还投资了BarefootNetworks、深鉴、耐能、翱捷科技等芯片公司。

集邦咨询(TrendForce)分析师张琛琛则向21世纪经济报道记者表示,5G由于新增中高频频段及MIMO(多输入多输出天线系统)技术等,对射频器件的数量需求大幅提升,这也是行业对射频领域关注度越来越高的原因。

“长远来看,自研芯片可以降低阿里巴巴整体计算的成本,芯片销售以及芯片设计服务,则可以以云服务的方式交付,以更高的性能和更低的成本赋能更多的企业。”阿里巴巴相关负责人表示。

当然从技术角度,挑战也存在。她续称,由于5G的新增频段属于中高频频段,对器件的性能和技术要求都会提升。“比如移动端由于新增频段对滤波器的需求就需要插入损耗更小和Q值更高的BAW滤波器支持;基站特别是宏基站的部分则需要GaN(化合物半导体:氮化镓)的PA来支持。因此整体来说,对射频器件厂商的技术水平要求会更高。”

从零开始

张琛琛认为,射频领域的国产化进程已经在前几年启动,目前在2G、3G领域,PA国产化水平很高,4G刚启动;开关等产品技术的规格与国际差距不大;但滤波器的国产化则非常薄弱。

在PC时代,微软Windows+英特尔x86芯片的组合被业内喻为Wintel联盟,通过软硬组合的方式,Wintel联盟建立起极为成熟的生态,x86架构由此一家独大。移动时代来临之后,体量更小的ARM架构凭借更普惠的战略选择,提供CPUIP让更多合作伙伴自己去定义产品,最终也成为移动互联网时代的最大赢家之一。

值得注意的是,恰恰是射频前端中占比最大的部分,也是国产化相对薄弱的地方。据Yole预计,到2023年,手机终端射频器件整体市场规模中,滤波器占比最大,将达60%;PA将占比21%,是其中两个规模较大的市场。

与PC时代、移动互联网时代不同,AIoT时代的芯片应用场景更加丰富,企业需要能快速实现可商用的芯片,RISC-V架构具备开放、灵活、低功耗等优点,被认为是AIoT场景最核心的芯片架构之一。目前,仅以国内为例,包括中科院计算所、华为公司、阿里巴巴集团等在内的20多个国内企事业单位,都加入了RISC-V基金会,布局研究。

关键滤波器市场

因此,在中国工程院院士倪光南看来,未来RISC-V很可能成为世界主流的CPU之一,从而在CPU领域形成英特尔、ARM、RISC-V三分天下的格局。

滤波器环节的发展实际上受到历史因素影响。张树民向记者介绍道,市场中最早用到滤波器是在电视调台过程中,“电视调谐是SAW器件第一次腾飞的地方。”但随着电视的普及甚至数字化,这种调频诉求不再,诸多从业人员相继转行。也正因需求受限,国内高校也鲜有相关专业,仅个别院所还有配备。

作为“后起之秀”,RISC-V的发展给ARM带来了很大的压力。2018年6月,ARM建立了RISC-BASICS.COM的网站,以“设计系统芯片之前需要考虑的五件事”为主题从成本、生态系统、碎片化风险、安全性和设计保证五个方面说明RISC-V在这些方面的弊端。

“这方面我们基本空缺了10余年。”他表示,中国虽有军工机构一直在研究,但缺少市场竞争,进步也相对缓慢;但反观如今强势的美国和日本,历史上美国相关企业始终有与军工领域合作;日本企业则是苦苦挣扎、精耕细作而存活下来。这段时间内,产品品质高的企业得到更好地成长,反之则快速走向消亡,韩国也出现过类似情形。

在碎片化的问题上,ARM指出,由于RISC-V允许用户自己任意添加新的指令,但照此趋势发展下去,可能以后很多芯片厂商开发出的RISC-V架构处理器尽管都归属于同一RISC-V体系,但在实际应用搭配时却不能够适配同样版本的软件。

突破口出现在4G,相比3G,4G时代出现频率高但器件小的诉求特点,刚好符合滤波器产业在移动终端的应用,行业开始走向快车道。

与此同时,虽然与ARM同为开源架构,但诞生时间较晚的RISC-V不仅没有成熟的生态,甚至连成熟的产品都没有。倪光南指出,CPU芯片和操作系统是网信领域最基础的核心技术,实践表明,每一种CPU在市场竞争中要取得成功,在很大程度上取决于其生态系统。

这也是为什么5G时代,滤波器的重要性大幅提高。从功能来说,滤波器主要是为移除部分信号、同时保留需要的频率分量而存在,目的在于消除频带间相互干扰。而相比前一通信时代,5G更丰富的频段无疑对此将有更多需求。尤其在多载波聚合技术的应用之下,会造成诸多频段同时工作并排列组合,这意味着滤波器的设计也将面对更多组合的复杂情形。

艾媒咨询CEO张毅对北京商报记者表示,从芯片大规模应用的角度来看,AIoT基本上属于继PC和移动互联网之后的第三个阶段,RISC-V架构在这一阶段的应用有其明显优势,布局这一架构有助于避免国内企业在5G和物联网时代受制于人。不过,RISC-V虽然属于开源架构,但毕竟还是来自于美国,包括阿里在内的国内企业要想将这一架构相关的底层技术完全吃透也并非易事。

技术要求必然也有提升。张树民介绍道,5G核心特点包括大带宽、高功率、频率密集以及对产品要求高。但对于滤波器设计而言,带宽、品质、耐功率性等方面实际上存在“跷跷板效应”,如何捕捉平衡点尤为重要。

“面向物联网时代,RISC-V能让阿里与其他国内外企业站在同一起跑线上。”业内人士认为,未来,能否成功为RISC-V打造物联网生态将成为阿里在这条路上成败的关键。从这个意义上来说,玄铁910的发布只能算阿里芯片万里长征的第一步。

“材料、加工工艺、模型准确度、多种薄膜复合带来的影响等都要考虑在内。”张树民表示,在相关研发投入方面,国内在部分环节还有所缺失,比如“国外部分企业有专门的人才研究材料,会不断地将材料排列组合进行实验,以求实现更好的效果。但这在中国是很难看到的。”

目前,滤波器主流技术包括SAW和BAW两种,前者略比后者早10余年出现。基于两种技术路线,也衍生出两种完全不同的企业份额表现。

据天风证券统计,SAW滤波器市场来看,日本村田公司占据了47%的份额优势,其次分别是日本公司TDK和太阳诱电;BAW滤波器市场中,收购Avago公司后的博通已获取87%的绝对市场,份额第二位的Qorvo公司仅占比8%。

有行业人士认为,二者会存在演进关系。不过张树民并不这样认为,他指出,目前两类技术仍呈齐头并进竞争态势,以头部公司为首的两大阵营都希望提升各自技术路线下的产品品质。

这是源于二者适用的频率场景并不甚相同。在2GHz以下频段,SAW的价格更具优势,BAW的优势则在高频段领域。也正由于二者工艺、所用材料等大不相同,具备量产能力的代工厂也有一定差别。相对来说,SAW的生产工艺更加成熟,采用代工模式可行。“BAW技术国外、国内都有代工厂,但现在是爬坡阶段,仍需要提升能力。我预计未来1-2年内,国产代工厂的技术可以基本准备完备。”

对于其中的国产化进程,张琛琛则向记者分析道,滤波器算中国射频厂商最为薄弱的领域之一。4G时代占主流的SAW滤波器,中国厂商才刚刚开启国产化进程,BAW的部分几乎空白,仅1-2家企业具备量产能力,但要成熟量产被客户大批量采用需要比较长的积累。

“从滤波器跟国际厂商的技术水平对比来看,SAW已经比较弱了,BAW的部分差距可能还更大一点,毕竟BAW对工艺和设计的要求更高,且BAW几乎掌控在Avago、Qorvo等厂商手里,建立的技术壁垒和专利壁垒都比较高,短期突破挑战很大。”她这样表示。

探路国产化生态构建

从海外射频前端芯片领域的巨头发展来看,已经逐步形成集成化趋势。反观国内,还处在大量深耕细分领域市场的公司在探寻技术迭代的机会阶段。

这也侧面显示出国内相关生态构建尚不完备。对此,张树民指出,滤波器相关技术虽然难度较大,但国外已有量产,且技术路线都已知,这意味着国产化一定可以实现。问题在于,要基于已知的解决路径挖掘创新专利,这样将来面对或有的国际化竞争,将成为一种利器。

在近日举行的2019集微半导体峰会上,广州慧智微电子有限公司CEO李阳则指出,“国产尤其是头部厂商可以多做一步,比如苹果、三星对器件是有更多的投入,其他领域元器件过来会先评估,同时拆解你的半导体芯片做分析,国内一些头部公司已经在做。我觉得国产供应链的重要性凸显之后,这部分可以做起来,很多时候我们的客户都是不测评估板,只把这个产品直接放到板子上;此外是比价。其实更健康的做法,可以分析一下成本,这样可以优化资源投入,同时最终来真正扶持自己的合作伙伴。”

开元通技术有限公司董事长贾斌有类似观点,在峰会期间他表示,“我们希望本土头部的系统厂商真正多投一些资源,帮我们把器件的质量测试好,帮助告诉我们怎样提高。因为国内的系统厂商用海外的射频器件已经用了近二十年,积累了大量经验,我们也希望把边界打开,接受他们的指导,让元器件在设计、加工的时候把质量逐步做到客户可以接受的程度。”

当然在泛在物联的5G时代,物联网无疑将对通信底层产业链带来更大发展空间,这是另一重国产化机遇。张琛琛向记者表示,物联网前端对射频器件的要求会比手机等产品低一些,应用也相对分散,因此国产化机遇更可期,但也受到应用是否能快速落地的潜在市场风险制约。

张树民提供给记者的调研机构数据显示,到2023年,全球物联网蜂窝通信模组出货量将增加到12.5亿件,2G物联网模块被5G和非标替代。应用领域来看,车联网、智能电子通讯模组会有较大出货,未来超过50%的应用将落地在消费类、工业物联网和公共基础设施等。

他指出,对滤波器行业来说,5G物联网确将有很大需求,但还要视具体应用而定。“总体来说,5G物联网领域的滤波器是价格低、功耗小、器件越少越好。将来甚至会部署到大家想象不到的地方。”张树民如此表示。

据他介绍,左蓝微电子的期望是,当核心技术构建起来后,通过与产业链厂商合作的模式,共同推进模组生产,并针对不同应用领域提供解决方案。“面对新的通信技术变化,就有机会探索,如果新技术掌握得好,或许就有机会能超过原来的玩家。前提是要有相应的技术积累。”

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