5G网络设备芯片的国产化现状及展望

经济观察

Economic Observation

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G

网络设备芯片的国产化现状及展望

◎撰文I郭浩

"三网〃的五类核心设备芯片

5

G

网络设备芯片的国产化现状

移动通信网络架构由三部分组成：接入网、承

5G基站基带芯片：华为、中兴具备设计能力，

载网、核心网。接入网主要指基站，负责将手机等通

制造环节成瓶颈

信终端连入网络，完成信息的收与发；承载网主要指

基带芯片是指用来将模拟信号转化为基带信号

光纤网络，负责信息接入网与核心网之间的传输；核

(数字信号），或对接收到的基带信号进行解码的芯

心网主要由众多专业网元设备构成，负责数据的处 片。

理、管理和分发。

移动基站市场主要被华为、中兴、爱立信、诺

5G依然采用传统的移动通信网络架构，但内部

基亚占领。其中，华为海思在2019年1月推出了

发生了很多变化。5G接入网由AAU、CU、DU构 自行设计的天罡系列5G基站核心芯片，采用台积

成，涉及的芯片有基带芯片和射频芯片，其中射频

电7nm制程，华为5G基站的基带处理芯片已使用

芯片包含功率放大器、低噪声放大器、射频幵关。

了天罡系列ASIC芯片。中兴的5G基站使用中兴微

5G承载网全面采用光纤网，涉及的芯片主要在光模

电子自行设计的5G多模软基带芯片MSC3.0,采用

块中，包含激光器芯片和探测器芯片。5G核心网采

的同样是台积电7nm制程，该芯片是中兴首款支持

用了 SBA 架构（Service Based Architecture )， 5G的基带芯片，集成了多种5G算法硬件加速EP,

淘汰复杂的电信专用设备，采用X86服务器与虚拟

完备地支持5G现有协议标准，并具备后续协议演进

软件，涉及的芯片主要是X86服务器CPU和存储芯

的能力。

片。

国外Marvell推出的5G基带处理器OCTEON

综上，5G网络设备中的芯片如下图所示。

Fusion可用于服务多扇区宏基站、微基站、智能射

基站基獅片

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

5G网络设备芯片

曰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

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5G基站基带芯片的设计能力，a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。

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1^父？收购卩1663〇316，

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，我国成功弥补了基站

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射频器件的最大供应商。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

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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，或将加快国产化进程。

基站射频幵关、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

Sky works、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。

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（LDChip )和探

测器芯片（PDChip ),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64GEML光芯片，博通、Neophotonics

拥有56G光芯片，三菱电机拥有28GEML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。

X86服务器CPU: Intel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Intel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。

Intel是服务器市场的龙头企业，主推Xeon

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(至强）系列CPU,长期占据全球服务器市场

95%以上的份额。AMD是Intel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 B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Intel的X86合同已于

2018年4月到期，不能使用Intel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Intel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Intel主导，与AMD共同瓜分

整个市场。

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。

DRAM市场高度集中，长期被三星、海力士、

美光三家外企垄断，共占全球市场份额的95%左

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右。三家巨头已经推出新一代DDR5 DRAM,制

程技术从ly纳米向lz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lx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2021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。

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

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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CKJ，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Intel —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Intel在服务器领域的垄断。

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G

网络设备芯片国产化研究的启示

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”的概念，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，得到大力扶持。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，促使我国

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

如根据法国调研机构Yole统计，在整个功率放大

器（PA)市场中，手机PA市场约占65%, Wi-

Fi PA市场约占20% ,基站市场约占10% ,其他为

5% ,预计2023年基站PA的市场规模达到6亿~7

亿美元。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

不可或缺的一环，因此需要政府投入资源进行引导

扶持。

对投资者：关注即将放量与技术亟待突破的芯

片产业

在5G网络设备芯片中，如下企业将迎来投资

机会：

国产X86服务器CPU厂商海光与兆芯值得关

注。随着政府部门办公用机软硬件的全面国产化，以

及金融等重要系统的国产化，电信企业最新的服务器

采购订单也已明确一定比例给国产设备，采用海光与

兆芯CPU的X86服务器将迎来订单量的大增。出货

量增加将带来盈利改善，进而可投入更多资金在自主

研发上，提高CPU性能，形成良性循环。因此，与

海光、兆芯CPU相关的上下游企业也将迎来利好，

值得关注。

光通信芯片、存储芯片的国内厂商均已实现技

术突破，与国外头部企业的差距缩小，接下来需要扩

大产能，快速抢占市场份额，将迎来大发展，产业链

上下游企业值得重点研究。

基站射频芯片市场将是潜在的投资机会。一是

由于5G用到了大规模MIMO技术，对射频芯片的

需求将数倍于4G基站；二是由于5G信号覆盖范围

小，建站密度也将数倍于4G;三是5G基站射频芯

片的成本更高，因此整个市场规模有望快速提高，值

得关注。不过，目前该市场国外厂商拥有垄断优势，

壁垒较高，国内厂商很少且未掌握核心技术，突破难

度较大，因此标的的选择需要慎重。

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网络的建设才刚刚幵

始，5G或将使运营商实现从低价值向高价值的跨

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越，但同时可能面临如下风险。

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的路上比比皆是。未来如

果由于一些国家的制裁，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。

这种情况如果出现，对于目前面临庞大5G幵支的运

营商而言无疑是更大的考验，也将给中国5G的发展

进程带来一定的负面影响。

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，但假设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,可能

导致5G网络能力下降。如果GaAs功率放大器出现

“断供”，则大量的小基站将面临无PA可用的局

面，影响5G网络的覆盖能力。

为了防范以上风险，运营商需要未雨绸缪。一方

面，可以适当地提前储备各种设备，或者提前向供应

商预订，争取一定的“缓冲期”。另一方面，可以积

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。

5G的建设与发展将开启智能时代的大门，具有

重要的战略意义。为了在5G时代拥有更多的话语

权，更好地建设5G,我们需要提高5G网络设备芯

片的国产化水平；为了顺利完成5G建设，拥有更安

全的5G网络，我们也需要提高5G网络设备芯片的

国产化水平。

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，都是一项神圣的事业。

作者单位：天翼物联科技有限公司

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