第五代移動通信（5G）技術的快速發展對晶片產業提出了新的需求， 也給我國5G 晶片發展帶來了新的機遇和挑戰。我國在穩步推進5G 標準制定和試驗的同時，也急需加大對基帶、射頻等關鍵晶片技術產品的布局力度， 擺脫進口依賴，切實保障我國2020 年5G 商用。
當前5G 正加速向我們走來， 根據3GPP 標準工作計劃，首個全球5G 標準將在2018 年初確立，商用設備將在2019 年準備就緒，比預期提前一年。我國5G 的發展與全球同步，5G 技術研究和標準化進程不斷加速，我國已於2016 年1 月正式啟動5G 技術研發試驗，目前已經進入第二階段， 預計2017 年底將完成整體測試工作。
5G 產業涵蓋通信運營、系統設備、晶片、測試儀器儀表以及網際網路、汽車、工業等相關行業的各個環節，其中晶片是支撐5G 發展的關鍵技術要素，5G 應用場景的擴大和關鍵技術的升級正推動上遊晶片技術產業加速變革。目前我國5G 晶片基礎薄弱，部分核心技術缺失，我國在穩步推進5G 標準制定和試驗的同時，急需加大對基帶、射頻等關鍵晶片技術產品的布局力度，擺脫進口依賴，切實保障我國2020 年5G 商用，為我國引領5G 時代奠定堅實基礎。
1G 到4G 主要解決人與人之間的溝通， 5G 將實現人與物、物與物之間的溝通，應用場景涉及連續廣域覆蓋、熱點高容量、低功耗大連接和低時延高可靠。5G 將通過低頻段來滿足大覆蓋、高移動性應用場景， 同時利用高頻段豐富的頻譜資源，來滿足熱點高容量的用戶體驗速率和系統容量需求，因此5G 頻譜包含6GHz 以下低頻段和6GHz 以上高頻段。5G 在用戶體驗速率、連接數密度、端到端時延、流量密度、移動性和用戶峰值速率等關鍵性能指標上相比較於4G 都會有巨大提升，如用戶體驗速率可達1Gbps 以上，是4G 的100 倍； 連接數密度達到每平方公裡100 萬，是4G 的10 倍；端到端時延低至毫秒量級，約為4G 的1/5 ；移動性要求可滿足500km/h， 約是4G 的1.5 倍；峰值速率可達20Gbps， 是4G 的20 倍。5G 應用場景的擴大和關鍵技術的升級推動晶片技術產業加速變革。
移動通信技術的出現基本是以每十年為一個周期，終端與基站中的基帶和射頻晶片也隨著通信技術的演進而不斷升級。其中，基帶晶片主要用來進行數位訊號處理、信道編解碼、調製解調等運算工作，射頻晶片及射頻前端是處理無線信號所需的全部晶片和相關器件的總稱，包括收發器、濾波器、功率放大器（PA）、低噪聲放大器（LNA）、開關等。根據5G 標準技術升級的需求，基帶晶片依然是升級的重點所在， 當前英特爾和高通等巨頭正圍繞5G 基帶展開軍備競賽，兩家企業相繼推出5G 基帶晶片，預計2018 年商用。與此同時，5G 高頻段部署的需求也將推動射頻晶片及前端器件的技術創新，Skyworks、Qorvo、博通、村田等射頻前端巨頭通過多年專利積累已形成射頻前端技術壁壘，通過IDM 模式把控產業上下遊所有環節，壟斷優勢顯著。5G 頻段數量的急劇增加使射頻晶片數量不斷增長，也使射頻晶片的複雜度不斷提高。高通報告顯示從4G 到5G，頻段將增加一倍以上，終端配備的天線及射頻元器件的數量也將實現翻番，其中濾波器是射頻元器件增長最快的細分方向。與此同時，5G 晶片及器件的材料工藝集成技術也將發生重大變革，例如，5G 高頻段將更多採用基於氮化鋁、氧化鋅等壓電薄膜材料的體聲波（BAW）濾波器尤其是薄膜體聲波諧振器（FBAR）；基站PA 將從矽基LDMOS 器件工藝轉向承載功率和高頻性能更有優勢的氮化鎵（GaN）材料工藝；傳統的PCB 封裝基板由於高頻段損耗增大將不適用於5G 高頻段通信場景，而基於陶瓷基板材料的封裝可減少高頻段的損耗問題。
5G 高頻段毫米波的應用使基站天線尺寸降低至毫米量級，推動傳統基站的小型化，進而加速天線和射頻器件的集成化， 推動5G 毫米波晶片技術的發展。集成收發器、濾波器、PA、LNA 等射頻器件的單晶片技術和集成二維天線陣列的封裝天線技術（Antenna in Package，AiP）因在成本、面積和功耗方面的優勢，將成為5G 基站晶片技術發展的主要方向。目前三星、IBM、Anokiwave 等國外廠商紛紛加快5G 毫米波晶片研發進度，如三星28GHz 毫米波射頻晶片已經研發完成，進入商用化階段， 搭載晶片的產品將於2018 年初正式發布； IBM 和愛立信合作推出28GHz 毫米波相控陣集成電路；Anokiwave 公司發布了全球首款39GHz 頻段5G 有源天線晶片。但另一方面，我國5G 晶片技術產業發展也面臨著諸多挑戰，我國集成電路產業基礎薄弱的問題在5G 晶片領域更為凸顯。
一是設計企業面臨海外代工限制和專利封鎖。目前我國基帶、射頻等關鍵晶片設計企業的產品仍主要在海外或外資企業加工，不僅面臨頻率和功率的禁運限制，也因產能制約影響規模量產；同時，器件及晶片設計也面臨國外專利封鎖的問題，如國外濾波器技術已經非常成熟，尤其是面向高頻應用的BAW 和FBAR 濾波器，博通、Qorvo 等企業已有多年技術專利積累。
二是我國5G 晶片製造工藝水平依然落後。國內5G 晶片缺乏成熟的商用工藝支撐， 除Skyworks、Qorvo 等IDM 企業外，砷化鎵、氮化鎵等化合物半導體工藝技術主要被穩懋、宏捷科技和環宇等臺灣地區大廠掌控，代工市場份額超過90% ；格羅方德則在鍺矽和絕緣矽材料工藝方面處於領先。
三是我國裝備及材料配套方面仍然受制於人。5G 晶片關鍵裝備及材料配套主要由國外企業掌控，技術壁壘較高。設備方面， 化合物半導體射頻晶片製造的MOCVD 設備仍主要被德國愛思強和美國Veeco 所壟斷。材料方面，日本住友和美國科銳在化合物半導體材料領域市場優勢明顯；法國Soitec 和日本信越幾乎壟斷了整個SOI 晶圓市場；封裝用的高端陶瓷基板材料基本都是從日本和中國臺灣地區進口。
一是圍繞5G 終端和基站核心需求制定5G 晶片技術發展路線圖，長期持續投入， 出臺鼓勵扶持政策，大力推進我國5G 晶片技術產業的發展。二是發揮我國5G 市場優勢，推動國內企業通過合作、併購、合資、參股等形式獲取國外先進技術和優質資產。一是加強5G 晶片設計、製造、封測以及裝備材料配套等基礎核心技術的發展， 形成有效的專利布局，提升化合物半導體、鍺矽、絕緣矽等特色工藝製造水平，帶動封裝測試、裝備材料配套發展。二是支持國內企業加大對5G 基帶、射頻等關鍵晶片技術和產品的研發布局力度，加速微波、毫米波等軍用技術向5G 民用的轉化。一是在穩步推進5G 標準制定和試驗的同時，建立包含晶片、軟體、測試儀器儀表、系統設備、通信運營、行業應用等在內的5G 產業生態體系，依託整機加速5G 晶片的落地。二是重視軟體配套，逐步完善包括設計環境、系統工具等在內的晶片生態鏈，推動5G 晶片的研發進程。一是推動5G 晶片設計、製造、封測、裝備材料配套等晶片產業鏈環節間的合作， 鼓勵5G 晶片設計企業在國內流片和封測。二是注重產學研聯動，積極儲備技術資源，加大人才培育引進力度，實現人才、資本、技術、知識等創新要素的自由流動和優化配置，促進5G 晶片的協同創新與成果轉化。
作者單位：中國信息通信研究院
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