5G通讯 让半导体行业重新进入一个新起点

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【大比特导读】5G通讯,对于我们普通人而言,是个既熟悉又陌生的词组。它是被各大媒体争先报道的对象,也是中美经贸摩擦的重点问题,更是全球数字化进程下的基础建设,而通信行业在搭建5G网络的过程中,自然是少不了使用大量的半导体材料以及相关器件。

5G通讯,对于我们普通人而言,是个既熟悉又陌生的词组。它是被各大媒体争先报道的对象,也是中美经贸摩擦的重点问题,更是全球数字化进程下的基础建设,5G似乎正以一种比以往任何一场通讯革命都更猛烈的方式,进入我们的生活当中。

尽管目前各路运营商们对于5G通讯实际的情况理解都各不相同,但唯一可以确认的是我们使用的网络性能将会得到大幅度提升,并引领我们迈向一个过去不敢想象的世界。

“新基建”政策东风

新型基础设施建设,简称“新基建”,指以5G、人工智能、数据中心、工业互联网、物联网为代表的新型基础设施建设,本质上是数字化的基础设施。

随着国内疫情情况不断向好,居于新基建首要位置的5G产业也正在为中国经济发展注入新活力。近期,工信部相继发布5G+工业互联网的512工程,关于推动5G加快发展的通知等政策。相关政策将凝聚了数字转型共识,加速5G与经济 社会 各领域融合发展的步伐,特别是在行业应用领域,智慧医疗、新闻媒体、智慧城市、车联网和工业互联网等领域的应用占比接近10%,已成为5G新兴应用领域。

5G基站现状如何?

中国是目前全球5G商用网络规模最大的国家。截止目前,据工业和信息化部信息通信发展司司长、新闻发言人闻库介绍,每一周平均新开通的5G基站都超过1.5万个,到6月底,3家企业在全国已建设开通的5G基站超过了40万个。

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另外,5G开放式小基站建设也能满足垂直行业应用的多样化需求,催生更加丰富的建网模式。

目前已有197款5G终端拿到了入网许可,今年5G手机出货量达8623部,截至6月底有6600万部终端连入网络。

这里需要注意的是,由于5G具备三大典型的应用场景增强型移动宽带(eMBB)、大连接物联网(mMTC)与低时延、高可靠通信(uRLLC)。针对这三大应用场景,基站的建设需要结合实际情况而制定方案,并与以往4G基站建设有较大的出入。

正因为该三大典型应用场景,超可靠低延迟通信对于5G的发展来说才有了非同寻常的意义。近日,国际标准组织3GPP宣布R16标准正式冻结,也就意味着5G走入万物互联的阶段可算是奠定了基础。其中最大的体现就是,不管是工业场景还是自动驾驶的 汽车 等,都不允许通信产业中断或者延迟,否则后果难以设想。

5G传感器应用场景联接

其实我们不妨设想一下,当我们生活中的机器有足够多的5G应用类传感器时,我们就可以监控它,并由该机器的电子系统自主学习应用程序,知会我们什么时候需要维修或者更换部件、 *** 作系统等。以航空飞机为例,当飞机行驶一定行程后,系统会即时显示飞机内部部件的磨损迹象,在飞机着陆的那一刻,备用零件就已经准备就绪,或有人会进行精准替换。

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另外,在工业自动化领域也是需要对于价值高昂的设备进行实时监控与维护,所以能够快速接受并处理海量数据的5G应用类传感器就显得不可或缺。

在近期,GSMA举办的新基建与企业数字化论坛上,华为无线网络首席营销官甘斌就对于5G应用场景联接提出了他的看法,甘斌表示,首先,基于大带宽、低时延能力,5G网络将数百亿终端产生的海量数据实时上传到云,为云端人工智能运算提供无穷算据,并实时进行运算和处理,缩短了训练周期。其次,云端的算力应用到终端,可减少终端对本地运算能力的要求,降低终端的成本,解锁终端的资源限制,并提升用户体验。

半导体行业下一波增长趋势

5G通讯网络的建设对应的是通信行业,而通信行业在搭建5G网络的过程中,自然是少不了使用大量的半导体材料以及相关器件,甚至到了未来建设中后期,诸多应用将可以在5G网络上实现,包括物联网、人工智能、大数据、云计算、智能家居、智能驾驶等等,当这些应用接入5G通信网络的时候,更是需要有强大性能的半导体芯片支撑。

根据韩国电子和电信研究院预计,今年5G网络设备的全球市场规模将在378亿美元(约合人民币2647.25亿元)左右,并且由于“到2024年5G将覆盖全球40%以上的人口”,上述5G网络投资数字还将继续增长。

另外,SIA在本周发布的全球芯片行业年度调查中表示,全球半导体市场的年销售额接近5000亿美元。尽管最近有所下降,但通信和计算驱动着上升趋势,预计5G无线和机器学习等新兴技术将扭转当前的下滑趋势。并且,在《世界半导体贸易统计》(WSTS)预测中2021年全球芯片销售将以每年6.2%的速度 健康 增长。

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可见,随着5G技术商用的全面展开,对于半导体等智能芯片制造行业的需求缺口将得到不断扩充,并在该些领域提供了未来新兴发展方向,推动 科技 的升级与迭代。

例如在智能家居:在计算回家距离时,就已经会将室内温度调节到舒适状态,客厅的交互界面会显示时间、天气、室内设备运作情况等等。对此,晶讯软件华南区区域销售经理刘洋表示,5G技术对于智慧生活是一次质的提升,无感式控制联合的半导体芯片器件则能使用户真正感受到智能交互的魅力。

而在智能驾驶:5G技术已经为信息交互和 汽车 革新等新型发展趋势提供了应用方向,而且整车的电子元器件比重逐步也在提升,减少车辆系统损耗以及提高系统效率的技术更是迭代更新。由于5G网络使云端系统与车辆之间或车辆状况进行更为频繁的信息交互,通过减少人为干预,提供更优质的车辆驾乘体验,实现即刻反馈的机制,那么这就对通讯技术和半导体器件有着性能升级的要求,而在半导体功率器件方面,降低损耗的技术趋势则是关键。

对此,PI区域大功率市场应用工程师王强认为,首先减少系统的损耗是一个系统的工程,它包括电机、电驱动以及变速箱三个组件的损耗,最主要的就是在电控部分,目前由于很多厂商开始应用新的技术器件,例如有碳化硅、氮化镓材料助力,因此能一定程度上缩小体积,从而提高系统效率。

总之,5G通讯技术让我们意识到,在这个万物互联的时代里,技术上的挑战往往都伴随着不同工艺技术、不同材料品质、不同功能优化之间的多样整合,创新及创造高价值的终端应用产品是主要趋势。

国产替代的前半场

值得一提的是,目前受华为事件影响,国内在众多领域的龙头厂商都在加快国产半导体投入的节奏,国产替代也会成为未来几年国内半导体发展的主线。尤其是5G通讯被视为一系列最高级技术的大荟萃,这就让国产芯片设计变得更加困难,而且在芯片的灵活性、可编程性等功能有着更严苛的要求。

那么如何制定总体方案、确定技术路线,选择基础平台,搭建开发环境、决定流片工艺等等,都是国内半导体企业行动前值得考虑的问题。毕竟在5G技术影响下的国产替代前半场中,如通信基站、传感器、芯片、电源设备等元器件需求都得到集中式爆发阶段,据中国信通院预测,预计到2025年5G网络建设投资累计将达到1.2万亿元。此外,5G网络建设还将带动产业链上下游以及各行业应用投资,预计到2025年将累计带动超过3.5万亿元投资。

当中我们还需要注意得是,5G网络的的投入使用是要与大数据、物联网、云计算等层面深度融合,才能真正使5G通讯发挥实打实的作用。根据全球移动通信系统协会预测,到2025年,各大领域接入5G网络并实现互连的设备将达250亿。

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由此可见,在这庞大的市场规模背后,是亟需国产半导体器件的技术支持。易良盛 科技 (天津)有限公司研发总监许宏彦表示,相比国外半导体器件供应商,国内厂商最大的特点就是物美价廉、供货稳定、服务周到,并且通过这些年的技术积累及国内半导体工艺的成熟,国产替代的产品现在不但做到了价格便宜,质量方面也毫不逊色,甚至在借助后发优势,国产元器件在某些参数上已经超越国外品牌产品。

总的来说,随着5G通讯技术应用,各领域的国产替代会逐渐走向成熟阶段,将持续为中国经济提供动力基础,并将推动国内半导体在技术领域和应用领域的不断进步。

后来发现就连身边的同事和朋友也都有这样的“理解”,所以我觉得需要正式地写一篇文章,作为对这类说法的一个回应,以及对厘米波毫米波技术和产生这些争论原因的一个说明。

当然在此我先亮明自己的观点: 厘米波和毫米波5G没有真假之分,只有应用场景的区别,并且目前阶段,全球绝大多数国家更需要厘米波。

如上图所示,目前5G主要使用两段频率,3GPP将它们命名为FR1和FR2频段。

FR1频段的频率范围是450MHz-6GHz,又叫做Sub-6GHz频段, 因为其波长大于10毫米,所以将这个频段称为厘米波。

FR2频段的频率范围是24.25GHz-52.6GHz,由于FR2覆盖波段之中 多数为小于10毫米波长的频率,这部分频段因此得名“毫米波(mmWave)” ——但其实这个波动段中有一部分波长大于10毫米,但因为约定俗成的叫法,也就忽略了。

这个算是厘米波和毫米波称号的由来。

我们大家都知道,5G作为新一代通信技术,它属于网络信息时代的底层建筑,而像物联网、大数据、云计算、人工智能、无人驾驶等新技术,以及像VR/AR、各类5G终端电子产品、智能家居、智能交通工具等5G相关的硬件,都属于这整个生态的上层建筑。

5G通信技术作为底层建筑,在内部也存在着完整的生态,主要包含通信设备生产制造、以及通信运营,说白了就是 一个负责建设网络(通信设备企业),一个负责使用网络(通讯运营商)。

而毫米波和厘米波从技术角度来说,主要归负责建设网络的部分管。当然,生产制造者也都是从市场需求以及对未来的发展前景中进行分析判断,并最终决定生产制造的方向。 而诺基亚、爱立信、华为、中兴等通信设备企业在当前最优先考虑的就是对厘米波技术的落地应用,但不是说不发展毫米波,而是延缓对于毫米波的部署。

至于原因,就在于两者的优缺点。

厘米波的优点就是覆盖面积广,信号稳定,受到环境因素影响较小,它的缺点就是带宽没有毫米波的大,数据传输速率比起4G大很多(能达到100M/s,约为4G速率10倍以上),但是比起毫米波却小了很多。

而毫米波的优点则在于数据传输速率非常快(苹果新机发布展示过),同时时延很小,可同时连接设备的数量很大。但与此同时它的室外覆盖面积很小,非常容易受到建筑甚至树木的阻挡,受环境影响也很大,可能下雨都会极大地影响它的信号—— 总之,毫米波衰减效应太强,穿透性太弱。

当然,由于毫米波优势太突出,而且 毫米波频谱资源相较厘米波来说丰富很多 ,所以对毫米波技术的研究一直都在进行,对于它的两大弱点也有了相对可靠的手段。

比如说 Massive MIMO ,即大规模天线技术,它就是为了弥补衰减效应而发展出来的技术,原理很简单,发射天线和接收天线的单个增益既然没办法加强,那就增加数量,以提升信号强度。又比如 波束赋形 ,这个是为了解决传播路径的问题,既然穿透性很差,那就将无线信号定向传输到需要使用的方向,对于室外使用环境来说就能更精准的提升使用效率。

上边两项技术,主流设备商包括中兴、华为、大唐移动、爱立信、诺基亚以及三星都有相应的方案。

只不过大家需要知道的是, 无论如何弥补毫米波的短板,都需要付出很高的代价。 研发成本高企且不说,毫米波部件对于半导体加工的要求很高,这造成了元器件成本的增大,同时毫米波技术需要的基站数量要远大于厘米波技术,所以部署成本非常高,建好以后,海量的毫米波基站相比厘米波基站的耗电量也要大得多——运营成本非常高, 在成本如此高的情况下,却还远不能产生与之相对应的经济效益——因为5G时代可不是跟之前的移动通信时代一样,主要只针对电子产品的联网,它要承载的东西更多。

所以在当前全球各国的部署规划中,基本上都是厘米波先行,作为大范围的5G基础设施,毫米波则根据实际情况进行点状部署,比如某些工业企业、人口密集的大城市等有着实际需求且能够产生经济效益的地方。

全球各国可能只有美国例外,因为美国军方和国防建设占用了大量的厘米波频谱资源,以致于美国通信运营商只能选择毫米波频谱资源进行部署。 当然,美国的城镇化水平非常高,大城市里人口密集,具有很好的毫米波部署的先决条件。但是美国通信运营商已经在寻求美国军方对于厘米波频谱资源的腾让,他们也意识到厘米波技术的重要性。

其他发达国家的步调则基本都是厘米波为主、毫米波为辅,兼顾经济效益与实际条件。

而亚洲各国中,中日韩基本都是以厘米波为主,但日韩对于毫米波的部署与发展程度略微领先于中国,这个主要跟国情有关——我们的5G网络需要提供给14亿人使用,且覆盖面积远大于日韩,仅基于Sub-6技术的5G基站据初步规划就需要建设1400万个。当然,我们也有对于毫米波基站的部署,并且最早将于2022年开启商用。

其实很多人是比较迷惑的,4G时代的时候华为通信设备领域已经这么牛了,怎么不见制裁,为什么到了5G时代,美国忽然间发疯了一般对华为下手?

回答之前,大家应该知道 美国作为世界唯一超级大国的底气在哪里—— 科技 、军事、金融, 通俗点说就是美国硅谷、美军、美元。

华为发展厘米波基站技术,并在西方国家推广使用,包括爱立信、诺基亚等也纷纷展开相应研究,这一点仅从民生领域来说确实没什么。但我们要知道,美军的军事影响力遍及全球,北约组织实际上就是美军的后花园,这是美军能够在西欧各国驻军的原因。与此同时,美军在全球的海外军事基地、航空母舰编队、军方情报机构等,他们所使用的频谱资源都是厘米波。

所以美国在游说西方国家放弃华为的时候,基本上都会以这种巧合作为阴谋论的根基:你们国家用了华为的通信设备,那么我们的频谱资源相近,那数据就可能被窃取,安全就无法得到保障。

华为说自己不会窃取。

然后美国政客就说, 你怎么证明你们不会窃取呢?如果你们不能证明你们无法窃取,那就证明它可能会被窃取——那就是肯定能窃取。

这就叫诡辩术。

“你无法证明你没有杀人,那就证明你有杀人的嫌疑——所以我就可以说你杀了人。”——是不是很厉害?

美军靠这一招曾经收拾了伊拉克,但问题就在于华为不是伊拉克,华为背后站着中国,同时华为自己在海外的业务也确实非常透明公开。

近期瑞典反对华为5G,实际上也是美军在后边玩弄这套诡辩术,瑞典如果想加入北约,那就必须放弃华为5G。

那么有人问了,美军为什么明知道华为的厘米波5G基站对美军安全没什么威胁,却还是要反对它?

真相其实大家都知道, 因为华为不是美国公司,无法为美国军方及美国政府搜集情报提供帮助。 而且美国拿着q的时候大杀四方,有一天q跑到了别人手里,它也并不会觉得别人会拿q去打猎,它没有安全感。如果引领5G厘米波技术进展的是爱立信或者诺基亚,那相信阻碍会少上很多。

而且更重要的是,华为掌握厘米波5G技术不仅让美军感受到了威胁,还对美国 科技 造成了威胁。

同时对美国三大基石中的两个产生影响,虽然实质影响非常小,但是美国不允许出现任何意外,更何况华为背后站着的中国正在以不可阻挡的姿态迅速崛起。

这就是美国这届政府对华为的制裁不断加大力度,并最终靠着非常恶劣的方式终止华为芯片供应,以及外部的5G商业化部署。它需要把这个很小的可能性彻底地除去。

美国最终能够也没办法除掉华为,因为华为的背后站着的是中国,看上去我们国家对于华为在台面上没提供什么强有力的帮助,但其实国家对于华为的帮助远超我们的想象。

要不然华为早就和法国的阿尔斯通一样早就解体,阿尔斯通的创始人被美国法院判了125年监禁,而孟晚舟虽然也被美国刁难,但美国也没敢直接就对孟晚舟下黑手,为什么呢?只是因为美国对华为无能为力?因为美国害怕我们施以对等的惩罚,这就是加拿大出头的原因。而在美国实现了芯片断供后才发现,它对华为的实质伤害比自己想象中的要小,而且美国 科技 企业大受损失。

从最近的信息中可以判断出,孟晚舟应该离归国不远矣。加拿大已经逐渐承受不起非法羁押孟晚舟带来的各类损失及压力,美国对于华为进一步扼杀的意愿也已经随着现实的改变而发生了本质的转变。

所以现在最尴尬的就是加拿大。

但我们可能会让加拿大政府知道,只有尴尬是不够的,我们这个五千年文明古国有秋后算账的优良传统,一切等孟晚舟回国再说。

其实如果真去较真什么“真假5G”,我觉得“独立组网”(SA)和“非独立组网”(NSA)更类似于真假5G,但从本质来说,这两者提供的网络都是货真价实的5G,只不过都是为了兼顾经济效应而做出了对配置的调整。

厘米波和毫米波都属于真5G的不同路线,从本质来说,两者谁先谁后没啥区别,但如果将这个顺序放在产业链发展和用户角度去考量,就会发现先后顺序、主次顺序很重要。

如果先推进毫米波技术,而且一条腿走路,只走毫米波路线,那么建设的话就意味着资源的闲置和浪费,尤其对于我们中国这样地大物博、人口众多的国家,使用毫米波技术部署5G,将给我们整个通信网络建设运营带来极大的负担,而且还是长期的负担——因为目前还无法实现5G物联网方向的大规模应用,你花了非常大的精力和金钱建好了,却没办法收回投入(只靠5G手机入网经济效益很低),还要再投入海量的金钱和精力去维持它(耗电、耗材)—— 这就好比陷入了一种无意义的竞赛中。

而且目前我们推动毫米波基站的话,最赚钱的还是美国硅谷的那些半导体企业们,因为我们自己的半导体产业链还无法到达提供毫米波技术等级半导体元件的地步。

这样的困扰并不只存在于我国,西方发达国家的发展也并不均衡,城镇乡村的部署短期内都没办法考虑成本居高不下的毫米波方案。

所以大多数国家选择的都是厘米波先行,而 对于我国来说,厘米波先行还有其他的好处——有利于半导体产业链制造能力的提升。

我国早在几年前就已经制定了5G的发展规划,厘米波基站先行,目前也已经实现了商用,可以这么说, 厘米波5G的商用基本能够满足未来3-5年内的用户需求 ,包括用户的网络需求以及用户对于物联网、无人加势的需求。网络需求相对来说容易实现,即便上网设备数量猛增,厘米波基站可以以增益的方式实现一定的网速保障。而无人驾驶、物联网等需求在未来3-5年仍然属于发展阶段,即便有成熟的方案,也不会出现熟练众多的此类设备。

而在这三到五年间,我们的半导体产业链将因为此前的遭遇而获得更多重视及资源倾斜,也就意味着有更大的可能实现技术突破,那么很有可能,当我们真正需要大规模的毫米波技术基站的时候,我们的半导体产业链既能满足毫米波基站半导体元件的需求,也能满足消费电子、智能设备等硬件的半导体元件需求,尤其是芯片——我们将有一个时间窗口来发展我们自己的芯片制造产业链。

而如果我们在美国主导的毫米波战略下进行部署,很显然不符合我们的国家利益。

有个时间点很有意思: 我国规划2022年开启毫米波5G的商用,华为计划在上海建造一家不使用美国技术的芯片工厂,并预计将在2022年年底之前为其5G电信设备生产20nm的芯片。

那么我们的毫米波基站芯片或许将完全由国内提供。

所以如果之后即便美国松开对华为的5G芯片供应,可能我们也会拒绝——踹醒了我们,又想着把我们哄睡,可能么?

从目前来看,我们在5G发展上还是有些流于表面。

我们需要知道一件事,5G的发展水平看的并不是我们有多少5G用户,单从用户数量来看,中国的5G网络使用人数确实独一无二,但5G更大的意义可不是提供高速网络,我们需要看的是5G在工业领域的应用,对物联网、人工智能、无人驾驶等新兴领域的支撑。

所以我们听到通信运营商所公布的5G用户数量暴增,不用太过高兴,真正需要注意的是农业、采矿业、机械制造业、金属冶炼行业等对于5G的应用,以及无人驾驶、物联网建设等在大生态方面的应用,在对5G的应用上又该有着广泛而深入的 探索 。

华为的5G技术实际上做的就是修桥铺路的工作,但是整个5G生态需要的是路上有车、路边有房,而体现我们在整个5G时代发展水平的绝不仅仅是路修的多好,而是看我们依托这条路, 探索 出来了一个多大的应用空间、多么辽阔的世界。

从厘米波和毫米波路线之争中,我们最大的收获并不是证明了谁对谁错,而是看到了决定我们5G发展水平的其实是半导体产业链中的基础工业 ——光刻机制造、芯片设计软件、晶圆原材料加工等,这些决定着我们的5G将拥有什么样的发展潜力。

最后还是想说,大家真的不用羡慕哪款手机支持毫米波5G,因为市面上包括三星S20、iPhone12等支持毫米波5G的手机,基本上都只能在美国使用,而且受到很明显的地域限制——即便美国,毫米波也不可能随处可见。

而且别看三星支持毫米波,那也只是美国版本如此,韩国国内用的也是厘米波技术。厘米波是5G时代的主流基站,毫米波则作为重要补充——这样的格局将成为最终形态。

我认为我们前所未有地靠近下一个网络时代的核心位置,所以希望我们能一如既往地走自己的路,不沉迷不后退,一往无前,直至……

所向无敌。


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