[原创] 华为撬动基站PA市场，为GaN再添一把火
2020-03-03
19:43:36
来源: Sophie
最近一年，由于受到国际贸易限制，华为的半导体元器件供应链迎来了新形势下的挑战，在这样的大背景下，该公司也在调整着其供应链结构，包括元器件供应商，以及自研和外购的芯片比例和种类。
去年10月，有消息称华为将部分手机PA（功率放大器，用于射频前端）的代工订单交给了本土一家知名的化合物半导体制造企业，引起了业内关注。不过，总体来看，华为的手机PA大部分还是外购于美国的射频芯片三巨头，而且晶圆代工业务主要交给中国台湾的稳懋，华为自研的PA还处于成长阶段，无论是成熟度，还是数量，目前都难以满足其巨大的手机出货需求。
进入2020年以后，全球半导体业迎来了复苏，人们都期待尽快从2019年的低迷状态中走出来，但是，突如其来的新冠肺炎疫情打破了产业发展节奏，电子半导体业开工率普遍不足，虽然芯片元器件市场需求也受到了影响，但相对于不足的产能来说，总体需求依然是旺盛的。但在手机这个大宗市场，由于受疫情影响，消费者最近的购买欲下降，使得手机订单同比明显减少，这也就影响到了上游的芯片需求，影响了多家以手机芯片为主业的厂商商机。
华为也不例外，受疫情影响，其手机芯片需求量在目前这段时间内减少了。
与此同时，最近有消息称，虽然手机芯片订单量减少了，但华为用于基础设施设备，特别是4G和5G基站的相关芯片订单量明显增加了，包括PA、网络处理器、网通芯片等等。这其中，基站用PA备受关注，原因在于，其技术含量较高，主要以进口为主，同时又处于国产替代呼声颇高的这一时段，另外，从技术角度看，PA，特别是基站用PA，正处于技术和制造工艺迭代时期，新工艺GaN正在逐步占领市场，受到的关注度也越来越高。
市场容量与日俱增
5G对于设备性能和功率效率提出了更高的要求，特别是在基站端，基站数量和单个基站成本双双上涨，这将会带来市场空间的巨大增长。依据蜂窝通信理论计算，要达到相同的覆盖率，估计中国5G宏基站数量要达到约500万个。2021年全球5G宏基站PA和滤波器市场将达到243.1亿元人民币，年均复合增长率CAGR为162.31%，2021年全球4G和5G小基站射频器件市场将达到21.54亿元人民币，CAGR为140.61%。
由于基站越来越多地用到了多天线MIMO技术，这对PA提出了更多需求。预计到2022年，4G/ 5G基础用的射频半导体市场规模将达到16亿美元，其中，MIMO PA的年复合增长率将达到135%，射频前端模块的年复合增长率将达到 119%。
相对于4G，5G基站用到的PA数会加倍增长。4G基站采用4T4R方案，按照三个扇区，对应的射频PA需求量为12个，5G基站中，预计64T64R将成为主流方案，对应的PA需求量高达192个。
功耗问题待解决
虽然，5G发展前景可期，但相关技术依然未达到成熟水平，特别是功耗问题，无论是基站，还是手机端，都存在这个问题，这也是苹果依然没有推出5G手机的一个重要原因。
特别是基站，目前来看功耗比4G高出不少，而在所有耗电的芯片元器件当中，PA是大户。因为射频信号功率很小，只有经过PA放大获得足够的射频功率后，才能馈送到天线并发射出去，因此，PA是基站发射系统的重要器件。与此同时，PA也是最耗电、效率较低的器件，有统计显示，约一半的基站功率消耗在了PA上。
然而，宏基站和小基站之间的功耗又有非常明显的区别：与宏基站相比，小基站的覆盖范围小，发射功率低，PA非线性失真较小，PA功耗占比也较小，甚至可能不需要DPD等技术来进行预失真处理。因此，对应不同的基站，特别是5G基站的需求，PA有更多的产品路线可走，未来的商机也多了起来。
GaN替代LDMOS
基站用PA市场空间巨大，但其性能和功率效率问题亟待解决。在这样的背景下，新工艺技术替代传统工艺早已被提上了议事日程。
目前的PA市场，包括基站和手机端用的，制造工艺主要包括传统的LDMOS、GaAs，以及新兴的GaN。而在基站端，传统LDMOS工艺用的更多，但是，LDMOS 技术适用于低频段，在高频应用领域存在局限性。而为了适应5G网络对性能和功率效率的需求，越来越多地应用到了GaN，它能较好地适用于大规模MIMO。
GaN具有优异的高功率密度和高频特性。GaAs拥有微波频率和5V至7V的工作电压，多年来一直广泛应用于PA。硅基LDMOS技术的工作电压为28V，已经在电信领域使用了许多年，但其主要在4GHz以下频率发挥作用，在宽带应用中的使用并不广泛。相比之下，GaN的工作电压为28V至50V，具有更高的功率密度和截止频率，在MIMO应用中，可实现高整合性解决方案。
在宏基站PA应用中，GaN凭借高频、高输出功率的优势，正在逐渐取代LDMOS；在小基站中，未来一段时间内仍然以GaAs工艺为主，这是因为它具备可靠性和高性价比的优势，但随着GaN器件成本的降低和技术的提高，GaN PA有望在小基站应用中逐步拓展。
在手机端，射频前端PA还是以GaAs工艺为主，短期内还看不到GaN的机会，主要原因是成本和高电压特性，这在手机内难以接受。
总之，很可能大部分6GHz以下宏基站应用都将采用基于GaN工艺的PA，5G网络采用的频段更高，穿透力与覆盖范围将比4G更差，因此，小基站将在5G网络建设中扮演很重要的角色。不过，由于小基站不需要如此高的功率，GaAs等现有技术仍有其优势。而传统的LDMOS工艺在基站用PA市场的份额将逐年减少，很可能在不久的将来退出历史舞台。
各显神通
目前，国内外设计和生产基站射频PA的厂商（包括IDM、Foundry和Fabless）大概有20几家，并不算很多，其中有代表性的IDM包括Qorvo、英飞凌、NXP、Cree、日本住友、ADI、MACOM，以及我国大陆地区的三安光电、海特高新（海威华芯）、苏州能讯和英诺赛科等，有代表性的Foundry包括稳懋和GCS。
在IDM当中，英飞凌和NXP是做基站PA的老资格企业，他们都是以LDMOS工艺技术起家的。NXP的业务又包括两部分，一是其原有的业务板块RF Power，另外就是收购Freescale后得到了相关资产。
随着技术的迭代和市场需求的变化，GaN工艺开始走上历史舞台，在这种情况下，2015年，NXP把RF Power卖给了中国资本，后来，英飞凌将其RF部门出售给了Cree，这也在一定程度上说明LDMOS在走下坡路，更多地用于中低端市场，高端则迎来了GaN时代，而原Freescale的相关部门正是做GaN的。在这个过程当中，有越来越多的厂商加入了竞争行列。
Cree主要由其子公司Wolfspeed经营 RF 业务。2018 年，Cree收购了英飞凌的RF部门， 该部门主要设计制造LDMOS放大器，同时拥有GaN-SiC/Si器件生产能力。收购完成后，Cree成为了全球最大的GaN射频器件供应商。Cree除为自家生产GaN射频器件外，还向外提供GaN代工生产服务。
而Qorvo在GaAs的基础上，进一步发展了GaN-on-SiC；MACOM则看好GaN-ON-Si工艺。
在Fabless当中，最受关注的莫过于华为海思了。该公司早些年就投入了PA（包括手机和基站）的研发工作，并取得了一定进展。特别是在基站端，该公司布局较早，因为当时华为就意识到了LDMOS在走下坡路，所以把自研的重点放在了GaN上，从2016年开始，华为基于LDMOS工艺的基站PA出货就仅限于4G市场，其高端客户，如欧洲3.5G高频段的基站PA大都采用日本住友的GaN产品了。因此，无论是自研，还是外购，华为的基站PA布局较早，高低端都有规划，具有一定的技术储备。
但是，对于华为巨大的基站和手机PA用量来说，其自研的PA还是远远不够用，依然以外购为主，而在当下贸易限制的大背景下，华为正在加大来自日本和中国本土的PA供应量。
结语
基站用PA的数量和质量都在提升，市场需求旺盛，特别是GaN工艺，已经势不可挡。有统计显示，我国5G宏基站使用的PA数量在2019年达到1843.2万个，今年有望达到7372.8万个，而在2019年，采用GaN工艺的占比已经和LDMOS持平，各50%，今年，基于GaN工艺的基站PA占比将达到58%，从而超过LDMOS的。
在这样的背景下，华为加大基站PA的自研力度和采购数量，无疑会为GaN的发展再添一把火。
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