我国应把握5G 机遇,加速提升化合物半导体产业竞争力

宽禁带半导体技术创新联盟 发表于 2018-01-13 11:56:12 收藏 已收藏
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我国应把握5G 机遇,加速提升化合物半导体产业竞争力

宽禁带半导体技术创新联盟 发表于 2018-01-13 11:56:12

化合物半导体是 5G 通信不可替代的核心技术。美欧日等发达国家通过产业和技术扶持计划,培育了众多龙头企业,已占领化合物半导体技术和市场高地。同时美国以危害国家安全为由,对我国实行技术封锁,频频阻挠我国资本收购国外化合物半导体企业。5G 最快将在 2020 年实现商用,我国作为全球最大的移动通信市场,化合物半导体的供给能力依然不足,应把握5G 机遇,加速提升化合物半导体产业竞争力。
我国应把握5G 机遇,加速提升化合物半导体产业竞争力

5G通信的核心技术

5G 智能手机将大量使用砷化镓(GaAs)射频器件。GaAs 射频功率放大器具有比硅(Si)器件更高的工作频率。随着移动通信频率不断提高,Si 器件已不能满足性能要求,4G 智能手机中的功率放大器已全部采用 GaAs 技术。未来 5G 通信将包括 6 GHz 以上频段,性能优越的GaAs 器件将不可替代。5G 通信支持的频段将大幅增加至 50 个以上,远大于 4G 通信的频段数(不超过 20 个),而每多支持1 个频段就需要增加 1 个放大器(或大幅提高器件复杂程度),使得单部手机中 GaAs器件成本大幅增加。赛迪智库预计 2020 年GaAs 器件市场将达到 130 亿美元。

5G 通信基站亟需更高性能的氮化镓(GaN)射频器件。GaN 射频功率放大器兼具 Si 器件的大功率和 GaAs 器件的高频率特点。为了应对 2.4 GHz 以上频段 Si 器件工作效率快速下降的问题,4G 通信基站开始使用 GaN 基功率放大器。目前约 10%的基站采用 GaN 技术,占 GaN 射频器件市场的 50% 以上。未来 5G 通信频率最高可达 85 GHz,正是 GaN 发挥优势的频段, GaN 将成为 5G 核心技术。全球每年新建约 150 万座基站,未来 5G 网络还将补充覆盖区域更小的微基站,对 GaN 器件的需求量将大幅增加。赛迪智库预计 2020 年GaN 射频器件市场将超过 6 亿美元。

发达国家已完成化合物半导体的战略布局。美国和欧洲在 21 世纪初已开始布局化合物半导体,发布技术和产业扶持计划,并培育了一批龙头企业,已占领技术和市场的高地,为 5G 通信发展奠定了基础。美国国防部先进研究项目局(DARPA)从 2002 年起先后发布宽禁带化合物半导体技术创新计划(WBGSTI 计划)和下一代 GaN 电子器件计划(NEXT 计划),帮助美国本土的 Qorvo、Cree 等化合物半导体企业迅速成长为行业龙头。欧洲防务局(EDA)于 2010 年发布旨在保障欧洲区域内化合物半导体供应链安全的 MANGA 计划,已完成预期目标。

机遇与挑战

中国开始拥有全球 5G 通信发展的话语权,为化合物半导体提供了广阔市场。华为、中兴是全球第二大和第四大通信基站供应商,华为、OPPO、vivo 是全球前五大智能手机企业。中国已建成全球最大的 4G 网络,基站数量超过 200 万。自主品牌智能手机每年出货量近 5 亿部。2013年,中国成立 IMT-2020(5G)推进组,力争成为 5G 标准制定领导者。中国推动的极化码方案被国际通信标准组织 3GPP采纳为 5G 控制信道编码方案之一。

国内具备一定的化合物半导体技术储备和产业基础。一是中科院、中电科下属研究所依托军工等市场积累了技术和人才,通过技术转化成立了中科晶电、海威华芯等企业,并且在基站用 GaN 射频器件领域具有技术领先性。二是 LED 芯片的发展为化合物半导体制造提供了产业基础。LED是基于化合物半导体的光电器件,在衬底、外延和器件环节具有技术互通性。中国 LED 芯片产业在全球占据重要地位,产业配套较成熟,可支撑化合物半导体产业发展。国家集成电路产业投资基金已入股LED 芯片龙头企业三安光电公司,投资新建化合物半导体生产线。

中国化合物半导体制造生产线缺乏,供给能力依然不足。国内现有中电科 13 所、 55 所的军品生产线,中科院半导体所等研究机构的科研线,以及三安集成、海威华芯、能讯半导体等民品生产线。军品和科研线的设计产能很小,难以满足 5G 市场需求。民品生产线尚处于技术攻关阶段,未能实现量产,现阶段供给能力几乎为零。国内民品生产线规划 2020 年产能达到 40 万片,而国际龙头企业现有产能已超过 100 万片,在4G 手机和基站市场的占有率均超过 95%。

国际对我国实行核心技术封锁,5G 产业链面临制裁风险。一是化合物半导体的军事用途使得美国阻挠中国产业崛起。化合物半导体是有源相控阵雷达等军事装备的核心组件,受到《瓦森纳安排》的出口管制。美国政府频频阻碍中国资本收购国外化合物半导体企业。2015 年以来,金沙江公司收购美国 Lumileds、三安光电收购美国GCS、福建宏芯基金收购德国 Aixtron 均被美国以危害国家安全为由予以否决。二是国内 5G 通信整机企业面临制裁风险。国内化合物半导体供给能力不足使得整机企业大量进口国外器件,供应链安全存在很大隐患。2016 年美国商务部以违反出口管制法规为由制裁中兴通讯公司,化合物半导体功率放大器和光通信芯片等均在限制目录中。后来,中兴通讯缴纳近 12 亿美元的罚款方才与美国政府达成和解。

对策和建议

以 5G 基站市场为产业发展切入点。利用国内移动通信市场优势,以 5G 基站应用为切入点,打破化合物半导体供应商和整机企业之间的合作惯性。设立重大专项,加大研发和产业化支持力度。将化合物半导体纳入强基工程、开展示范应用。鼓励华为、中兴两大基站企业培育国内供应商,大规模验证国产化合物半导体器件,提升国内化合物半导体企业竞争实力。

合理布局建设化合物半导体制造生产线。发挥化合物半导体制造生产线对产业链上下游环节的带动作用。以国家集成电路产业投资基金为资本纽带,结合区位优势和已有产业基础,在中国北方、长三角、四川、福厦泉四大区域布局建设化合物半导体生产线,避免重复和盲目建设。

成立贯穿产业链的产业联盟和国家级化合物半导体创新中心。成立吸纳“材料 -设备 - 制造 - 封装 - 整机 - 应用”各环节企业和研究机构的产业联盟,加强整机应用企业与器件企业的沟通和联系,并针对国外技术封锁定期研讨应对策略。成立以企业为主体、产学研用结合的国家级化合物半导体创新中心。研判技术路线,突破共性关键技术,加速成果产业化,优化创新生态环境。

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