2020年是中国5G大规模商用化元年 ， 截至2020年11月 ， 三大运营商已累计建成71.8万座基站 ， 占全球比重接近7成 。 未来三年 ， 中国仍处于5G发展的导入期 ， 5G建设逐渐向县城渗透 ， 覆盖密度逐渐加深 。
5G网络的建设需要采购大量设备 ， 其中芯片器件所占成本高 ， 技术难度最大 。 在当前国际形势下 ， 华为海思等国内芯片厂商陆续被美国政府加入“实体清单” ， 影响巨大 。未来 ， 唯一的解决办法是提高国产化水平 ， 实现安全可控的国产替代 。
5G接入网由AAU、CU、DU构成 ， 涉及到的芯片有基带芯片和射频芯片 ， 其中射频芯片包含功率放大器、低噪声放大器、射频开关 。 5G承载网全面采用光纤网 ， 涉及到的芯片主要在光模块中 ， 包含激光器芯片和探测器芯片 。 5G核心网采用了SBA架构（Service Based Architecture） ， 淘汰复杂的电信专用设备 ， 采用X86服务器与虚拟软件 ， 涉及到的芯片主要是X86服务器CPU和存储芯片 。
综上 ， 5G网络设备中的芯片如下图所示 。

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一、5G网络设备芯片的国产化现状
1、5G基站基带芯片：华为、中兴具备设计能力 ， 制造环节成瓶颈
基带芯片是指用来将模拟信号转化为基带信号（数字信号） ， 或对接收到的基带信号进行解码的芯片 。
移动基站市场主要被华为、中兴、爱立信、诺基亚占领 。 其中 ， 华为海思在2019年1月推出了自行设计的天罡系列5G基站核心芯片 ， 采用台积电7nm制程 ， 华为5G基站的基带处理芯片已使用了天罡系列ASIC芯片 。 中兴的5G基站使用中兴微电子自行设计的5G多模软基带芯片MSC3.0 ， 采用的同样是台积电7nm制程 ， 该芯片是中兴首款支持5G的基带芯片 ， 集成了多种5G算法硬件加速IP ， 完备地支持5G现有协议标准 ， 并具备后续协议演进的能力 。
国外Marvell推出的5G基带处理器OCTEON Fusion可用于服务多扇区宏基站、微基站、智能射频头和分布式单元 。 诺基亚与Marvell在2020年3月就5G芯片技术达成合作协议 ， 未来诺基亚的5G基站可能采用Marvell的产品 。
此外 ， 高通于2020年10月20日宣布将推出比爱立信和华为更便宜的5G基站芯片 ， 包括基带、处理器和射频芯片 ， 不过 ， 高通并不打算参与建站 ， 仅计划向客户出售基站芯片 。
总体来看 ， 华为和中兴完全具备5G基站基带芯片的设计能力 ， 且产品性能强劲 。 虽然面临国外其他产品的竞争 ， 但完全可以满足国内运营商的需求 ， 5G基站基带芯片的研发可以实现国产替代 。 目前的瓶颈在制造环节 ， 华为与中兴的5G基站基带芯片均依赖于台积电的7nm制程 ， 境内中芯国际等制造厂商尚未实现7nm制程的突破 ， 实力相差较大 。
2、基站功率放大器：外企巨头垄断市场 ， 国内上下游厂商亟待突破
功率放大器（PA ， Power Amplifier）是射频模块的重要组成部分 ， 负责发射通道的射频信号放大 。 5G基站功率放大器主要有三种：基于硅的横向扩散金属氧化物半导体（Si LDMOS）、砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN） ， 分别代表第一、二、三代半导体材料 。 其中LDMOS与GaN功率放大器适用于宏基站 ， GaAs功率放大器适用于小基站 。 LDMOS功率放大器仅在3.5GHz频率范围内有效 ， 而GaN功率放大器则能有效满足5G的高功率、高通信频段和高效率等要求 ， 未来将逐渐挤占LDMOS功率放大器的份额 。
LDMOS功率放大器市场主要由飞思卡尔（Freescale）、恩智浦（NXP）、英飞凌（Infineon）垄断 。 2015年NXP收购Freescale ， 同时将其射频部门出售给北京建广资本 ， 后者将其改组为Ampleon公司 ， 由此 ， 中国成功突破了基站PA领域的技术空白 。
GaAs功率放大器的主要厂家有Skyworks、Qorvo、Broadcom、日本村田 ， 国内暂无厂商研发成功5G基站GaAs PA 。
GaN功率放大器的主要国外厂家有住友电工、Cree、Qorvo 和 MACOM ， 其中住友电工与Cree是行业龙头 ， 市场占有率均超过30% ， 住友电工还是华为GaN 射频器件最大供应商 。 国内厂商苏州能讯发布了适合5G移动通信的GaN功放管 ， 针对无线通信基站进行了特殊优化 ， 易于设计成Doherty架构的宽带功率放大器 。 优镓科技于2020年5月透露已完成其第一代基站氮化镓功率放大器的设计和流片 ， 预计今年推出量产级芯片 。
总体来看 ， 基站PA基本由国外厂商垄断 ， 这些领先厂商大多采取的是IDM模式 ， 具有全方位的领先优势 。 国内厂商主要靠收购和自主研发 ， 设计环节参与企业较少 ， 鲜有突破；在材料、工艺、制造环节国内厂商已有布局 ， 但也落后较多 。 目前虽然有很多厂商在推进 ， 但还很少有量产的成熟产品 ， 其原因除了发展晚、门槛高之外 ， 市场空间小（跟手机PA市场相比）也是其一 。 随着5G网络的大规模建设 ， 特别是大规模MIMO技术的应用 ， 基站PA的需求量将大增 ， 或将能加快国产化进程 。分页标题#e#
3、基站射频开关、低噪声放大器：外企巨头垄断市场 ， 国内厂商主要布局手机侧产品
射频开关（Switch）与低噪声放大器（LNA ， Low Noise Amplifier）也是射频模块的重要组成部分 ， 射频开关用于实现射频信号接收与发射的切换、不同频段的切换 。 LNA负责接收端信号放大 。
基站射频开关与LNA市场主要由国外Skyworks、Qorvo、Broadcom、村田、NXP等主导 。 国内厂家以手机侧产品为主 ， 鲜有基站侧产品 ， 其中卓胜微是国产射频开关和LNA的领导者 ， 出货量进入全球前五 。 卓胜微于2020年布局5G基站射频芯片 ， 计划投入16.4亿元 ， 分两期用5年时间研发5G通信基站射频器件并实现产业化 。
总体来看 ， 基站射频开关与低噪声放大器仍然是国外厂商垄断的格局 ， 与基站PA市场格局相同 。 不过由于技术难度相比其他射频器件较低 ， 未来实现国产替代的成功率会更高 。
4、光通信芯片：外企垄断高端市场 ， 国内厂商落后1-2代 ， 上游材料与生产设备成瓶颈
光通信芯片主要指激光器芯片（LD Chip）和探测器芯片（PD Chip） ， 分别负责电信号转换为光信号、光信号转换为电信号 ， 是光模块最核心的功能芯片 。 激光器芯片根据发光类型和调制类型主要可分为三种：DFB、EML和VCSEL ，探测器芯片主要有两种类型：PIN、APD 。 根据传输速率可分为10G、25G、50G芯片 ， 5G网络建设需要25G以上的高端芯片 。
目前低端10G光芯片市场已处于完全竞争格局 ， 国内30余家企业具备研发能力 。 高端25G及以上光芯片市场长期由外企垄断 ， 美国II-VI拥有业界最先进的64G EML光芯片 ， 博通、Neophotonics拥有56G光芯片 ， 三菱电机拥有28G EML光芯片 ， Lumentum、住友电工拥有25G光芯片 。 国内华为海思、光迅科技、武汉敏芯、陕西源杰已量产25G光芯片 ， 海信宽带、华工科技、索尔思也即将实现25G光芯片的量产 。
总体来看 ， 高端光芯片仍由国外厂商主导 ， 国内头部厂商的技术能力比国外一流厂商落后1-2代 。 其中 ， 在25G光芯片领域 ， 国内部分厂商已成功量产 ， 未来将进一步提高国产率 。 50G及以上光芯片市场完全由国外一线厂商垄断 ， 国内龙头处于攻关阶段 ， 仅有部分样品正在测试阶段 ， 未来2-3年有望批量生产 。 比起设计与制造环节 ， 上游材料与生产设备长期被外企把控 ， 是更大的瓶颈 ， 国内厂商亟待突破 。
5、X86服务器CPU：英特尔与AMD垄断市场 ， 架构授权无法获得 ， 国产替代希望渺茫
中央处理器（CPU）是计算器的运算和控制核心 ， 其功能是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据 。 服务器CPU的架构主要有X86、ARM、MIPS、Alpha ， 其中X86架构几乎占据服务器的全部市场 。 X86架构由英特尔推出 ， 采用授权模式 ， 目前仅AMD和VIA（台湾威盛）获得授权 。 在境内 ， 海光与兆芯是X86服务器CPU国产替代的主要参与者 ， 拥有X86架构的转授权 。
【澎湃新闻|报告：5G网络设备芯片的国产化现状及未来策略】英特尔是服务器市场的龙头企业 ， 主推Xeon（至强）系列CPU ， 长期占据全球服务器市场95%以上的份额 。 AMD是英特尔的最大竞争对手 ， 主要产品是EPYC（霄龙）系列CPU ， 瓜分其余不到5%的市场份额 。 台湾威盛虽然拥有X86架构的授权 ， 但并未推出服务器CPU ， 主要在嵌入式市场发力 。
天津海光通过与AMD成立合资公司的方式 ， 变相拥有了X86架构的授权 ， 自主设计的“禅定”CPU已开始量产 。 不过海光仅获得AMD第一代EPYC的Zen架构 ， 没有获得Zen2、Zen3系列架构授权 。 兆芯通过引入威盛控股获得了部分X86架构授权 ， 自主研发KH-20000、KH-30000系列服务器CPU 。 不过盛威与英特尔的X86合同已于2018年4月到期 ， 不能使用英特尔新的X86专利 ， 但旧X86专利仍可使用 。 因此兆芯也只能在旧X86架构下继续自行研发 。
总体来看 ， X86架构由英特尔掌控 ， 目前仅AMD拥有全部授权 ， 其他厂商几乎不可能获得新的授权 。 境内厂商仅海光与兆芯获得X86较早版本架构的部分授权 ， 自主设计的CPU性能表现比较一般 ， 且制造环节依赖台积电、三星、美国GF ， 实现商用化国产替代非常难 。 在可见的未来 ， X86服务器CPU市场仍将由英特尔主导 ， 与AMD共同瓜分整个市场 。
6、 X86服务器存储芯片：外企垄断高端市场 ， 国内厂商技术落后1-3代 ， 产能有待提高 ， 原材料与生产设备为更大瓶颈
存储芯片负责存储数据 ， 是服务器的核心组成部分 。 服务器用到的存储芯片主要有两种：动态随机存取存储器（DRAM）与NAND闪存 ， DRAM是服务器内存条的主要组成部分 ， 部分高端固态硬盘的缓存也用到DRAM ， NAND闪存是服务器固态硬盘的主要组成部分 。分页标题#e#
DRAM市场高度集中 ， 长期被三星、海力士、美光三家外企垄断 ， 共占全球市场的95%左右 。 三家巨头已经推出新一代DDR5 DRAM ， 制程技术从1y纳米向1z纳米演进 ， 即将开始量产 。 国内厂商切入DRAM市场较晚 ， 仅合肥长鑫有研发实力 ， 已于2019年量产1x纳米制程的DDR4 DRAM ， 技术比头部厂商落后2-3年 。
NAND闪存市场也高度集中 ， 三星、铠侠、西部数据、美光、海力士、英特尔六家外企几乎垄断整个市场 。 主流3D NAND技术节点从32层发展到64层、96层、128层、176层 ， 六家厂商已全部进入100层以上NAND市场 。 其中美光已实现176层NAND闪存的量产 ， 2020年11月开始交付客户；海力士也于2020年12月7日宣布研发成功176层NAND闪存 ， 计划2021年6月开始量产 。 国内厂商进入较晚 ， 仅长江存储有研发制造实力 ， 成立4年以来迅速实现32层、64层NAND的量产 ， 2020年4月研发成功128层NAND闪存 ， 跻身当前主流技术行列 ， 计划最晚今年上半年量产 ， 整体研发实力与国外头部企业相差不到1年 。
总体来看 ， X86服务器的存储芯片DRAM与NAND闪存市场仍由国外厂商主导 ， 国产化率比较低 。 DRAM领域国内厂商实现了零的突破 ， 但技术比较落后；NAND闪存领域国内厂商紧跟国外头部厂商 ， 技术差距不大 。 国内厂商产能低 ， 市场份额很小 ， 市场主要被国外厂商瓜分 。 未来随着产能的扩大 ， 国内厂商市场份额将持续增加 ， 但距离追上头部企业还任重道远 。
另外 ， 各厂商采取IDM模式 ， 具备设计与制造能力 ， 但原材料（如光刻胶）与生产设备（如光刻机）依赖国外产品 ， 是当前更大的瓶颈 。
7、整体评估：五类芯片从部分国产替代到完全对外依赖 ， 呈现“领跑-紧跟-掉队”三个梯队共存的局面
5G网络建设主要用到五种芯片 ， 总体来看 ， 目前国产化水平比较低 ， 高度依赖国外厂商的技术和产品 。 但也有部分芯片实现了部分国产替代 ， 未来有望进一步摆脱对外依赖 。
按国产化水平由高到低大致可做如下排名：基站基带芯片＞光通信芯片、服务器存储芯片＞基站射频芯片、服务器CPU 。 处于第一梯队的基站基带芯片 ， 完全由设备提供商华为、中兴自行设计 。 处于第二梯队的光通信芯片与服务器存储芯片 ， 国内厂商处于追赶者地位 ， 部分芯片已经达到一流水准 ， 不过目前产能有限 ， 市场份额还很小 ， 但前途比较光明 。 处于第三梯队的基站射频芯片与服务器CPU ， 国内厂商实力非常弱 ， 部分芯片完全依赖国外产品 ， 实现国产替代非常困难 。 尤其是X86服务器CPU ， 几乎被掌握X86架构的英特尔一家垄断 ， 国内厂商基本上没有存在感 ， 只能在低端市场保持微弱的存在 。 或许华为和飞腾基于ARM架构的服务器CPU能更早打破英特尔在服务器领域的垄断 。
二、5G网络设备芯片国产化研究的启示
1、对政府：扶持仅用于蜂窝通信的小众芯片产业（如基站射频芯片）
2018年底的中央经济工作会议正式提出“新基建”概念 ， 5G作为新基建的内容之一 ， 是智能时代最底层的基础设施 ， 重要性不言而喻 。 5G网络的建设需要用到大量芯片 ， 部分芯片如X86服务器CPU、存储芯片 ， 由于应用范围广（5G核心网只是其中一小部分） ， 重要程度高 ， 受到政府的大力扶持 。 比如政府部门正在推进办公用软硬件的全面国产化 ， 促进服务器厂商发展；国家集成电路产业基金第1期的最大投资单项便是投资长江存储 ， 促使中国NAND闪存技术从零起步迈入世界一流水平 。
然而还有一些芯片仅用于蜂窝通信 ， 比如基站射频芯片 ， 其特点是市场规模小、专业门槛高 。 比如在整个功率放大器（PA）市场中 ， 根据法国调研机构Yole统计 ， 手机PA市场约占65% ， WiFi PA市场约占20% ， 基站市场约占10% ， 其他为5% ， 预计2023年基站PA的市场规模将达到6亿-7亿美金 。 国内基站PA厂商远少于手机PA厂商 ， 技术也更加落后 。 这些芯片仅靠市场的力量很难发展起来 ， 但重要性却很高 ， 是实现5G网络设备自主可控不可或缺的一块短板 ， 因此 ， 需要政府投入资源进行引导扶持 。
2、对运营商：警惕涨价、断供风险 ， 适当储备设备 ， 扶持相关厂商
对国内运营商来说 ， 5G网络的建设才刚刚开始 ， 5G或将使运营商实现从低价值向高价值的跨越 ， 未来充满机会 。
不过 ， 抬头迈步的同时 ， 也需要不时低头看脚下的路是否有坑洼 。 当前最大的不确定性来自中美对抗 ， 越来越多的芯片企业被美国加入制裁清单 ， 运营商的5G建设可能面临如下风险：分页标题#e#
（1）涨价风险 。
国内厂商存在的价值一方面在于提高国产自给率 ， 另一方面在于降低产品价格 ， 这方面的例子在中国产品国产替代之路上比比皆是 。 未来如果美国的制裁导致某些芯片领域的国内厂商被迫停产或退出 ， 势必会引起国外产品涨价 ， 届时运营商的5G建设与运维都将面临更大的成本压力 ， 这对于目前面临庞大5G开支的运营商而言 ， 无疑是雪上加霜；对中国5G的发展进程而言 ， 也将带来负面影响 。
（2）断供风险 。
涨价风险建立在国外企业仍获准向中国供货的前提下 ， 如果国外企业不再向中国供应某些高端芯片产品 ， 比如X86服务器CPU ， 则5G的建设只能用性能低的国产服务器CPU ， 5G网络的能力将会大打折扣 。 再比如断供GaAs功率放大器 ， 则大量的小基站将面临无PA可用的局面 ， 5G网络的覆盖能力也将大打折扣 。
为了防范以上风险 ， 运营商需要未雨绸缪 。 一方面 ， 跟进中美对抗的最新进展 ， 适当地提前储备各种设备 ， 或提前向供应商预定 ， 争取一定缓冲期 。 另一方面 ， 积极参投5G网络设备芯片相关企业（自行投资或参与政府产业基金） ， 扶持国内厂商；在设备招标时 ， 留给使用国产芯片的企业更多指标 ， 为其提供更多订单 。
下一个时代是智能化的时代 ， 5G的建设与发展将开启智能时代的大门 ， 具有重要战略意义 。 面对当前国产化水平低、受制于国外企业的现状 ， 政府、企业、投资者要共同努力 ， 用科学的方法快速提高5G网络设备芯片国产化水平 ， 实现自主可控的国产替代 。 这是很大的挑战 ， 也将是重要的机遇 ， 对每个参与者来说 ， 都是项神圣的事业 。
（作者郭浩来自天翼物联科技有限公司研究中心）
责任编辑：张亚楠

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