5G概念股看什麼?Sub 6、毫米波差在哪?一文看懂產業鏈3大趨勢

2021.01.14 by
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5G概念股看什麼?Sub 6、毫米波差在哪?一文看懂產業鏈3大趨勢
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從名詞解釋到產業分析,來看5G到底是什麼、未來又有什麼發展或投資趨勢。

行動通訊的世界進步到現在的5G,從2G讓我們可以上網瀏覽文本、3G看圖片、聽音樂,到4G創造了全新體驗,使我們能流暢看影片、滑社群媒體、玩遊戲等等。那麼5G會帶來什麼全新的體驗?又會給我們帶來哪些投資機會?看完這篇文章,你將會了解以下幾件事:

  1. 5G是什麼?Sub 6 vs 毫米波
  2. 高頻寬、低延遲、廣連結:5G時代的全新體驗
  3. 射頻元件(RF)為何需求會大增?濾波器和放大器未來的改變趨勢?
  4. 射頻模組集成化:SiP+AiP高度整合
  5. 哪些台灣相關產業鏈公司能受惠?

什麼是5G?

在無線通訊的世界中,都是以電磁波作為傳送資訊的媒介,而且發送、接收端彼此的頻率要相同,才能互相傳遞訊息。可以想像一下,當你在用手機的同時,其實周遭布滿了無數條密密麻麻、不同頻率,且肉眼看不見的電磁波。

延伸閱讀:跟4G不一樣在哪?5G白話文快速看懂技術差異

那麼要怎麼決定資訊傳遞的速度快慢呢?主要就在兩個關鍵上:電磁波的頻率和頻寬。

在無線通訊的世界中,都是以電磁波作為傳送資訊的媒介,而且發送、接收端彼此的頻率要相同,才能互相傳遞訊息。
shutterstock

我們可以將頻率想像成火車的速度、頻寬想成鐵軌的寬度、傳送的資訊則想像為乘客,頻率越高火車就開越快,頻寬越大鐵路就越寬,一次就能同時行駛好幾班車,且除了速度更快外,載客量也更大(傳送的資訊量)。因此一般來說,頻率和頻寬越高,傳遞資訊的量就越多,速度也越快。

然而物理特性告訴我們光速=波長X頻率,因此電磁波的頻率越高,波長就會越短,繞射能力也越差(因為會想直接穿過障礙物,而非繞過去),在傳送過程就很容易受環境影響阻擋,導致無法傳送得太遠。

因此過往直到4G為止的行動通訊技術、及包括WiFi、藍牙在內的各項技術,大多都是使用3.5GHz以下中低頻的頻段。

但到了5G時代,由於3.5 GHz以下的頻段幾乎都已被使用,已找不到乾淨且足夠的頻段,為了增加速度及使用者體驗, 5G就只能往3.5GHz以上的高頻段發展。

3.5 GHz以下頻段大都已被使用。
Skyworks
我們可以將頻率想像成火車的速度、頻寬想成鐵軌的寬度、傳送的資訊則想像為乘客,頻率越高火車就開越快,頻寬越大鐵路就越寬,一次就能同時行駛好幾班車,且除了速度更快外,載客量也更大(傳送的資訊量)。
Flickr CC by qrevolution

Sub-6 VS 毫米波

有了這個認識後,再來接著看看5G的技術發展,其實5G可以分為兩種頻段,分別是頻段在6GHz以下的Sub-6,以及24GHz以上的毫米波(mmWave)。

Sub-6的頻段與現有的4G LTE相近,主要差別就是將頻寬增加以提升速度。(可以想像成將鐵道變多條,如頻寬加大,但火車速度並沒有變快太多,也就是頻率不變),因此又被稱為5G的Phase1。

而毫米波的頻段則是大幅提升至24 GHz以上,其傳送速度、穿透力都很強,又被稱為5G phase2。但缺點就是繞射能力低、傳不遠,因此就必須蓋更多的小型基地台(Small Cell) 來增加整體訊號的覆蓋率。

高通秀出全球布建5G概況圖。毫米波的頻段為24GHz 以上,其傳送速度、穿透力都很強,但缺點就是繞射能力低、傳不遠,因此就必須蓋更多的小型基地台來增加整體訊號的覆蓋率。
唐子晴/攝影

由於Sub-6頻段與4G LTE相近,很多設備、技術都可以沿用現有的4G LTE,發展難度、建置成本都較毫米波低,目前大部分國家都是先以Sub-6為主要發展策略。

因此我們目前所用的5G其實大都是Sub-6,而毫米波因為基礎建設的建置成本高、且尚有許多技術問題需解決(例如輻射問題),至少要到2021年後才會開始明顯發展。

高頻寬、低延遲、廣連結:5G時代的全新體驗

5G除了速度快之外,更重要的在於他的三個全新特色:高頻寬、低延遲、廣連結。以下就簡單介紹這三個特色,及會為我們生活帶來什麼新的改變。

高頻寬(eMBB,Enhanced Mobile Broadband)

高頻寬是透過增加頻寬來增加速度。根據統計,5G毫米波的頻寬最高可達800 MHz,比4G LTE的20 MHz增加40倍,而5G毫米波的傳遞速度最高可達每秒500 Mb,比4G LTE高了近10倍,速度將有明顯的提升。因此,就可以實現像AR/VR、4K、8K影音等需要大流量、高網速的應用場景。

5G的高頻寬與低時延讓遠距醫療及雲端照護得以實現。
沈勤譽 攝影

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

主要就是透過降低資訊傳送的時間來降低延遲。而達成低延遲的關鍵技術就是最近常聽到的邊緣運算(Edge Computing)。

邊緣運算的概念簡單來說就是在使用者的就近處(例如基地台旁邊)設立邊緣計算台,這麼一來,就可以直接在Edge端處理一些較簡單的資訊,不需將所有資訊都傳回中央雲端(Cloud)處理,大大減少資訊傳輸的時間,以降低延遲。

而低延遲的實現,也讓一些全新應用場景像是自駕車、自動工廠、遠距醫療、智慧零售等得以真正實現在我們的生活中。

雲端+邊緣運算架構
工研院

廣連結(mMTC:Massive Machine Type Communications)

廣連結顧名思義就是在同樣的範圍內能連接更多的裝置,根據統計,5G網路每平方公里約可連接100萬個裝置(Node),是4G LTE的10倍。因此近幾年非常熱門的IoT物聯網,其背後能否實現的關鍵就是建立在5G的技術發展上。

在5G時代想要同時實現以上三個特性,就必須要Sub-6及毫米波同時互補,在需要高速上網、低延遲時使用速度較快的毫米波,需要萬物互聯、低功耗、高可靠度場景時則用傳遞距離較遠、繞射能力較強的Sub-6。

因此,完整的5G其實是種異質結合網路(HetNet),他不但向下整合了4G LTE,還包含了Sub-6及毫米波的服務。

根據統計,5G 網路每平方公里約可連接 100 萬個裝置(Node),是 4G LTE 的 10 倍。完整的 5G 其實是種異質結合網路(HetNet),他不但向下整合了 4G LTE,還包含了 Sub-6 及毫米波的服務。
Microwave Journal

只不過目前我們所看到、體驗到的5G幾乎都是Sub-6為主。真正完整的5G體驗其實要等毫米波成熟才能實現。

但根據市場研究、及相關產業公司經營層釋出的展望來看, 5G毫米波也將在2021年進入快速發展期,這其中帶來的龐大投資機會除了我們上面提到的Small Cell、邊緣運算、IoT之外,還包括一個在5G時代非常重要的產業:射頻元件(RF:Radio Frequency)。

射頻元件(RF):5G趨勢帶來的風口

智慧型手機的重要零件除了處理器(AP:Application Processor)、記憶體(Dram、Flash)之外,還包括負責處理、接收、傳遞資訊的通信元件,如果沒有了通訊元件,我們的手機就無法打電話、使用網路、傳遞訊息。

而通訊元件主要由基頻晶片(Digital Baseband)、射頻收發器(RF Tranceiver/Receiver)、射頻前端(RF Front-End)、及天線四大部分組成。

由於邏輯晶片(Logic IC)只會處理包含0和1的數位訊號,但傳遞資訊時卻必須使用連續的類比訊號,因此智慧型手機傳送資訊的原理就是先由基頻晶片將這些不連續的0和1訊號轉換成連續的電磁波後,再傳給濾波器濾出正確的頻率、再由功率放大器(PA,Power Amplifier)將電磁波放大到能傳送的功率,再經由雙工器、開關等將電磁波傳送到天線,最後經由天線將電磁波精準發送到基地台。

射頻前端由各種不同功能元件組成。
知識力 Ansforce

其中,基頻晶片又稱為Modem數據晶片,由於Modem是專門處理智慧型手機的訊號轉換,通常會和手機的處理器高度整合,甚至整合在同一個SoC,因此目前主要的Modem供應商就是高通、聯發科(市:2454)、三星等手機AP晶片大廠,例如高通剛推出的x60、聯發科推出的T700晶片等都是智慧型手機專用的Modem。

基頻晶片又稱為 Modem 數據晶片,因為Modem 是專門處理智慧型手機的訊號轉換,通常會和手機的處理器高度整合,所以目前主要的 Modem 供應商不外乎就是前幾名手機 AP 晶片大廠。
遠傳

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而上面提到的濾波器(Filter)、放大器(包含功率放大器(PA)、低雜訊放大器(LNA))、雙工器(Duplexer)及射頻開關(Switch)等元件則統稱為射頻前端元件(RFFE:RF Front End,以下簡稱RF元件)。RF元件的種類繁多,但每一項卻都非常關鍵,缺一不可,其品質好壞直接決定了電磁波能否準確傳送及傳送的品質,是智慧型手機非常關鍵的組成。

從4G LTE演變到5G,基本上Modem的結構、需求量並未發生太大的改變,但由於5G要支援更多的頻段,根據Skyworks報告顯示,5G智慧型手機除了要支援Sub-6及毫米波之外,還要向下兼容4G LTE、3G、2G等頻段 ,支援的頻段從4G智慧型手機的15個倍增到30個,因此就需要更多的RF元件來處理更趨複雜的頻段。

5G智慧型手機頻段將倍增至30個。
Skyworks

RF元件除了用量的提升,初期的ASP也將較4G的18元美金成長至約25元美金(預計未來ASP會因競爭加劇而下滑,但仍會較4G高),價量齊升的趨勢也將推動RF元件市場在未來幾年快速成長。根據研調機構指出,全球RF元件的市場規模將由2019年的170億美元成長至2023年的310億美元,4年的CAGR高達13%。

根據 OYR Electronics Research Center 的統計,2011 至 2018 年全球射頻前 端規模以年複合增長率 13.1%的速度增長,2018 年高達 149.1億美元。受到 5G 網路商業化建設的影響,自 2020 年起,全球射頻前端市場將迎来快速增長。
Global Radio Frequency Front-end Module Market Res

其中又以濾波器及功率放大器的市場最大,根據拓墣產業研究院調查指出,濾波器及功率放大器兩者的市場規模就佔整體RF元件的85%以上,將是未來RF元件成長的主要推手。

而隨著RF元件的用量大增,但智慧型手機卻要求輕薄的趨勢下,RF元件的模組化也是未來的一大趨勢。

因此,以下就花一些篇幅來分析功率放大器、濾波器,以及RF模組的未來展望、及相關供應鏈的投資機會。

濾波器和功率放大器合計佔RFFE市場86%。射頻前端的成本結構。(Source:拓璞產業研究院,2019/12)
拓墣產業研究院

功率放大器:GaN PA將可望成未來趨勢

功率放大器(以下簡稱PA)顧名思義,其功能就是將電磁波的功率放大,讓訊號能穩定從裝置發送出去,是RF元件中功耗最大的元件。

5G毫米波由於傳送能力變差,因此需要更多的PA將電磁波放大。根據統計,一隻5G智慧型手機至少需使用10-14顆PA,比4G智慧型手機用的5-7顆增加約1倍。

由於PA是高功率元件,從3G智慧型手機從以來就一直都用能承受高功率的第二代半導體砷化鎵(GaAs)作為製造的基板材料。

而到了5G時代,我們認為未來Sub-6頻段仍會以GaAs PA為主流,但在毫米波方面,能承受更高功率、減少更多耗損、且尺寸更小的第三代半導體,氮化鎵(GaN)將成為未來PA材料的主流。

功率放大器主要供應商有美國Skyworks、Qorvo、Broadcom與日本 Murata,3家美系廠商合計市占率高達86%。估計未來基於GaAs的PA仍會是主流産品,而InPHBT PA、GaN HEMT PA需求量則有望於5G擴大商用的過程中逐步走高。
拓墣產業研究院

然目前GaN因製造成本高,僅被用在軍事設備及大型基地台,但預期隨著未來成本降低,GaN將成為毫米波PA的主流。而GaN除了將被應用在5G智慧型手機PA外,還可用在包括Small Cell、快充等新市場。根據研調機構Yole預估,採用GaN的功率元件市場將從2020年的0.5億美元成長至2025年的7億美元,以69.5%的CAGR快速成長。

然而目前GaN材料、磊晶主要都集中在美國Cree、IQE等大廠手中,而PA則為寡占市場,主要技術也都集中在歐美Skyworks、Qorvo、Broadcom、日本Murata等外國IDM大廠。

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台灣廠商扮演的角色主要則以上游的材料及中下游的晶圓代工為主,包括做化合物半導體的磊晶廠全新(市:2455)、GaAs代工廠 穩懋(櫃:3105)及宏捷科(櫃:8086),目前也都在發展GaN代工相關技術,有興趣的投資人也可以深入研究。

濾波器:從SAW往BAW、LTCC發展

濾波器的功能則類似篩子,將不需要的頻段過濾掉,以傳輸特定頻率的電磁波。

由於5G智慧型手機所支援的頻段將從4G的15個增加到30個,因此也需使用更多的濾波器。根據Skyworks研究,一隻5G智慧型手機需要使用的濾波器將從4G的40個增加到70個。

目前市場約70-80%的濾波器技術都是以表面聲波濾波器(SAW)為主,已是非常成熟的技術,但SAW的缺點就是僅能適用在中低頻段,因此隨著5G毫米波的發展,能適用在高頻段的體聲波濾波器(BAW)及陶瓷濾波器(LTCC)將成為未來的主流。

BAW.LTCC濾波器可望成5G毫米波主流。
云岫资本

而目前SAW濾波器為寡占市場,主要由Murata、TDK、太陽誘電、Skyworks等國外IDM大廠瓜分,BAW則較為獨佔,掌握在Broadcom手中。因此我們認為隨著未來BAW、LTCC逐漸普及,Broadcom將會是此趨勢下的實質受惠者。

RF模組未來趨勢:高度整合SiP + AiP

從以上分析可知,未來RF元件的需求量將會隨5G毫米波的商用而大增,但在智慧型手機要求輕薄的趨勢下,RF元件的模組化將是未來不可避免的趨勢。

然而RF元件中每個元件都有其獨特的技術和製程,需要有強大的晶片設計能力才能將不同元件整合在一起,因此在過去幾年RF產業也吹起了一陣整併風潮,例如Skyworks收購Panasonic射頻部門、Murata併購Peregrine、Avago併購Broadcom(併購後仍叫Broadcom),整個產業越趨寡占集中。

目前Qorvo、Skyworks、Broadcom、Murata等公司都已推出各自的RF SiP模組,但即便如此, 目前仍沒有一家供應商有能力提供且整合每一種RF元件。 例如下面iPhone 12拆解圖,就分別使用了Skyworks的RF SiP模組、Avago的PA模組及Murata的毫米波RFFE模組 。

iFixit
目前仍然沒有一家供應商有能力提供且整合每一種 RF 元件。如 iPhone 12 拆解圖,就分別使用了 Skyworks 的 RF SiP 模組、 Avago 的 PA 模組及 Murata 的毫米波 RFFE 模組 。
iFixit

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而5G毫米波則需使用更多的天線幫助資訊傳送(就是大家常聽到的Massive MIMO),但因毫米波天線的功率耗損很高,需要盡量靠近RF元件以減少耗損,因此AiP封裝(Antenna-in Packaging)技術也就此興起。AiP封裝其實就是將天線整合到RF SiP中變成一個晶片,這麼一來就可以有效降低功率的耗損。

目前最積極的跨入AiP領域的就是美國的高通(Qualcomm),由於高通本身就是智慧型手機處理器、Modem的供應廠,所以能較單純提供RF元件的廠商更有效率的整合RF、天線及Modem,並提供AP、Modem、AiP一條龍的服務,例如下圖就是高通推出從AiP模組QTM525、到X55 Modem晶片的完整服務。

由於高通本身就是智慧型手機處理器、Modem 的供應廠,所以能較單純提供 RF 元件的廠商更有效率的整合 RF、天線及 Modem 。
Qualcomm

展望未來,5G智慧型手機的RF模組預估在Sub-6頻段將繼續以SiP為主流,毫米波頻段則會大幅採用AiP封裝,形成SiP+AiP共用的高度整合模組。

我們預估在Sub6的SiP將繼續由Qorvo、Skyworks、Broadcom、Murata等既有IDM巨頭瓜分,而在毫米波AiP方面,高通藉由其雄厚的技術及整合能力,將有望稱霸市場。

5G 智慧型手機的 RF 模組預估在 Sub-6 頻段將繼續以 SiP 為主流,其中SiP 將繼續由 Qorvo、Skyworks、Broadcom、Murata 等既有 IDM 巨頭瓜分。
Qualcomm

至於台灣的供應商主要是下游的封測廠,例如RF測試大廠矽格(市:6257),以及目前AiP技術最成熟的日月光(市:3711),及近期極力在發展WLP(Wafer Level Packaging,晶圓級封裝)的台積電(市:2330)等,都是可望搭上此波趨勢的受惠者。

結論

5G是個全新的趨勢,5G智慧型手機、IoT、AR、VR、自駕車、智慧醫療及更多全新的應用將會在未來幾年融入我們的生活。

而支撐這些應用基礎的RF元件也將有巨大的成長潛力。除了需求量將快速增加外,其中GaN PA的普及、BAW、LTCC濾波器的成長、及RF模組SiP+AiP的高度集成化將是未來RF產業發展的三大趨勢。

投資人若有興趣,可研究關注直接受惠的廠商包括國外的高通、Qorvo、Skyworks、Broadcom、Murata 等晶片大廠,Cree、IQE等第三代半導體材料廠,台灣的話則可關注台積電(市:2330)、全新(市:2455)、穩懋(櫃:3105)、宏捷科(櫃:8086)、矽格(市:6257)、日月光(市:3711)等相關公司。

本文授權轉載自:富果

責任編輯:郭昱彣、蕭閔云

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