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：
- 5G是什麼？Sub 6 vs 毫米波
- 高頻寬、低延遲、廣連結：5G時代的全新體驗
- 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？
- 射頻模組集成化：SiP+AiP高度整合
- 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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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%。
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。
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。
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。
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。
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 。
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。
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。
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
