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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。

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、藍芽在內的各項技術,大多都是使用 3.5 GHz 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 3.5 GHz 以上的高頻段發展。

Source:Skyworks

 
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(頻寬加大),但火車速度並沒有變快太多(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 24GHz 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。(Small Cell 將是 5G 時代的大趨勢,有興趣的讀者可參考富果 <iPhone 12 引爆 5G!新玩法上路將受惠的潛力名單>一文)

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。(詳細的邊緣運算內容可參考富果 <接棒 5G 的下一個大趨勢 – 邊緣運算股> 一文。)

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


Source:
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。

Source: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。

Source: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。
Source:Qualcomm

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。


Source:
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%。

Source:Global Radio Frequency Front-end Module Market Research Report 、自行整理

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。

Source:拓墣產業研究院、自行整理

 
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)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。

Source:拓墣產業研究院、自行整理

 
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。

Source: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。

Source:拓墣產業研究院、自行整理

 

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 。

Source:iFixit

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。

Source: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。

Source: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。



自我揭露與聲明:

本人/本撰寫相關團體(以下簡稱我)目前有本文提到之股票的多方部位,但預計不會在未來 72 小時內加倉。我與本文所提到的公司沒有商業關係,撰寫本文僅為分享,並無收取任何報酬。本文之資訊僅供分析參考,不保證內容之完整性與正確性,也不構成任何買賣有價證券之要約或宣傳。

責任編輯:邱翊雲(合格證券投資分析人員)

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Min Lin
Author

Fugle 富果投資研究員 / 台大財金系畢業 / Min 的投資說書小棧版主
台大、師大、政大、清大、成大等各校課程講師
私募基金、商業銀行工作經驗
持有高級證券商業務員、投信投顧業務員等證照
堅信價值投資,並從產業及財報分析出投資機會
一個愛投資同時熱愛歷史的自我實現者

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