移动通信的世界进步到现在的5g，从2g让我们可以上网浏览文本、3g看图片、听音乐，到4g创造了全新体验，使我们能流畅看视频、滑社群媒体、玩游戏等等。那么5g会带来什么全新的体验？又会给我们带来哪些投资机会？看完这篇文章，你将会了解以下几件事：
- 5g是什么？sub 6 vs毫米波
- 高带宽、低延迟、广连接：5g时代的全新体验
- 射频组件（rf）为何需求会大增？滤波器和放大器未来的改变趋势？
- 射频模块集成化：sip aip高度集成
- 哪些台湾相关产业链公司能受益？
什么是5g？
在无线通信的世界中，都是以电磁波作为发送信息的媒介，而且发送、接收端彼此的频率要相同，才能互相传递消息。可以想象一下，当你在用手机的同时，其实周边布满了无数条密密麻麻、不同频率，且肉眼看不见的电磁波。
那么要怎么决定信息传递的速度快慢呢？主要就在两个关键上：电磁波的频率和带宽。
在无线通信的世界中，都是以电磁波作为发送信息的媒介，而且发送、接收端彼此的频率要相同，才能互相传递消息。
我们可以将频率想象成火车的速度、带宽想成铁轨的宽度、发送的信息则想象为乘客，频率越高火车就开越快，带宽越大铁路就越宽，一次就能同时行驶好几班车，且除了速度更快外，载客量也更大（发送的信息量）。因此一来说，频率和带宽越高，传递信息的量就越多，速度也越快。
然而物理特性告诉我们光速=波长x频率，因此电磁波的频率越高，波长就会越短，绕射能力也越差（因为会想直接穿过障碍物，而非绕过去），在发送过程就很容易受环境影响阻挡，导致无法发送得太远。
因此以往直到4g为止的移动通信技术、及包括wifi、蓝牙在内的各项技术，大多都是使用3.5ghz以下中低频的频段。
但到了5g时代，由于3.5 ghz以下的频段几乎都已被使用，已找不到干净且足够的频段，为了增加速度及用户体验，5g就只能往3.5ghz以上的高频段发展。
3.5 ghz以下频段大都已被使用。
我们可以将频率想象成火车的速度、带宽想成铁轨的宽度、发送的信息则想象为乘客，频率越高火车就开越快，带宽越大铁路就越宽，一次就能同时行驶好几班车，且除了速度更快外，载客量也更大（发送的信息量）。
sub-6 vs毫米波
有了这个认识后，再来接着看看5g的技术发展，其实5g可以分为两种频段，分别是频段在6ghz以下的sub-6，以及24ghz以上的毫米波（mmwave)。
sub-6的频段与现有的4g lte相近，主要差别就是将带宽增加以提升速度。（可以想象成将铁道变多样，如带宽加大，但火车速度并没有变快太多，也就是频率不变），因此又被称为5g的phase1。
而毫米波的频段则是大幅提升至24 ghz以上，其发送速度、穿透力都很强，又被称为5g phase2。但缺点就是绕射能力低、传不远，因此就必须盖更多的小型基站（small cell）来增加整体信号的覆盖率。
高通秀出全球部署5g概况图。毫米波的频段为24ghz以上，其发送速度、穿透力都很强，但缺点就是绕射能力低、传不远，因此就必须盖更多的小型基站来增加整体信号的覆盖率。
由于sub-6频段与4g lte相近，很多设备、技术都可以沿用现有的4g lte，发展难度、构建成本都较毫米波低，目前大部分国家都是先以sub -6为主要发展策略。
因此我们目前所用的5g其实大都是sub-6，而毫米波因为基础建设的构建成本高、且尚有许多技术问题需解决（例如辐射问题），至少要到2021年后才会开始明显发展。
高带宽、低延迟、广连接：5g时代的全新体验
5g除了速度快之外，更重要的在于他的三个全新特色：高带宽、低延迟、广连接。以下就简单介绍这三个特色，及会为我们生活带来什么新的改变。
高带宽（embb，enhanced mobile broadband）
高带宽是通过增加带宽来增加速度。根据统计，5g毫米波的带宽最高可达800 mhz，比4g lte的20 mhz增加40倍，而5g毫米波的传递速度最高可达每秒500 mb，比4g lte高了近10倍，速度将有明显的提升。因此，就可以实现像ar/vr、4k、8k影音等需要大流量、高网速的应用场景。
5g的高带宽与低时延让远程医疗及云计算看护得以实现。
低延迟（urllc：ultra-reliability and low latency communications）
主要就是通过降低信息发送的时间来降低延迟。而完成低延迟的关键技术就是最近常听到的边缘运算（edge computing）。
边缘运算的概念简单来说就是在用户的就近处（例如基站旁边）设立边缘计算台，这么一来，就可以直接在edge端处理一些较简单的信息，不需将所有信息都传回中央云计算（cloud）处理，大大减少信息传输的时间，以降低延迟。
而低延迟的实现，也让一些全新应用场景象是自动驾驶汽车、自动工厂、远程医疗、智能零售等得以真正实现在我们的生活中。
云计算 边缘运算架构
广连接（mmtc：massive machine type communications）
广连接顾名思义就是在同样的范围内能连接更多的设备，根据统计，5g网络每平方公里约可连接100万个设备（node），是4g lte的10倍。因此近几年非常热门的iot物联网，其背后能否实现的关键就是创建在5g的技术发展上。
在5g时代想要同时实现以上三个特性，就必需要sub-6及毫米波同时互补，在需要高速上网、低延迟时使用速度较快的毫米波，需要万物互联、低功耗、高可靠度场景时则用传递距离较远、绕射能力较强的sub-6。
因此，完整的5g其实是种异质结合网络（hetnet），他不但向下集成了4g lte，还包含了sub-6及毫米波的服务。
根据统计，5g网络每平方公里约可连接100万个设备（node），是4g lte的10倍。完整的5g其实是种异质结合网络（hetnet），他不但向下集成了4g lte，还包含了sub-6及毫米波的服务。
只不过目前我们所看到、体验到的5g几乎都是sub-6为主。真正完整的5g体验其实要等毫米波成熟才能实现。
但根据市场研究、及相关产业公司经营层发布的预期来看，5g毫米波也将在2021年进入快速发展期，这其中带来的庞大投资机会除了我们上面提到的small cell、边缘运算、iot之外，还包括一个在5g时代非常重要的产业：射频组件（rf：radio frequency）。
射频组件（rf）：5g趋势带来的风口
智能手机的重要零件除了处理器（ap：application processor）、内存（dram、flash）之外，还包括负责处理、接收、传递信息的通信组件，如果没有了通信组件，我们的手机就无法打电话、使用网络、传递消息。
而通信组件主要由基带芯片（digital baseband)、射频收发器（rf tranceiver/receiver）、射频前端（rf front-end）、及天线四大部分组成。
由于逻辑芯片（logic ic）只会处理包含0和1的数字信号，但传递信息时却必须使用连续的模拟信号，因此智能手机发送信息的原理就是先由基带芯片将这些不连续的0和1信号转换成连续的电磁波后，再传给滤波器滤出正确的频率、再由功率放大器（pa，power amplifier）将电磁波放大到能发送的功率，再经由双工器、开关等将电磁波发送到天线，最后经由天线将电磁波精准发送到基站。
射频前端由各种不同功能组件组成。
其中，基带芯片又称为modem数据芯片，由于modem是专门处理智能手机的信号转换，通常会和手机的处理器高度集成，甚至集成在同一个soc，因此目前主要的modem供应商就是高通、联发科（市：2454）、三星等手机ap芯片大厂，例如高通刚推出的x60、联发科推出的t700芯片等都是智能手机专用的modem。
基带芯片又称为modem数据芯片，因为modem是专门处理智能手机的信号转换，通常会和手机的处理器高度集成，所以目前主要的modem供应商不外乎就是前几名手机ap芯片大厂。
而上面提到的滤波器（filter）、放大器（包含功率放大器（pa）、低噪声放大器（lna））、双工器（duplexer）及射频开关（switch）等组件则统称为射频前端组件（rffe：rf front end，以下简称rf组件）。rf组件的种类繁多，但每一项却都非常关键，缺一不可，其品质好坏直接决定了电磁波能否准确发送及发送的品质，是智能手机非常关键的组成。
从4g lte演变到5g，基本上modem的结构、需求量并未发生太大的改变，但由于5g要支持更多的频段，根据skyworks报告显示，5g智能手机除了要支持sub-6及毫米波之外，还要向下兼容4g lte、3g、2g等频段，支持的频段从4g智能手机的15个倍增到30个，因此就需要更多的rf组件来处理更趋复杂的频段。5g智能手机频段将倍增至30个。
rf组件除了用量的提升，初期的asp也将较4g的18元美金增长至约25元美金（预计未来asp会因竞争加剧而下滑，但仍会较4g高），价量齐升的趋势也将推动rf组件市场在未来几年快速增长。根据研调机构指出，全球rf组件的市场规模将由2019年的170亿美元增长至2023年的310亿美元，4年的cagr高达13%。
根据oyr electronics research center的统计，2011至2018年全球射频前端规模以年复合增长率13.1%的速度增长，2018年高达149.1亿美元。受到5g网络商业化建设的影响，自2020年起，全球射频前端市场将迎来快速增长。
其中又以滤波器及功率放大器的市场最大，根据拓扑产业研究院调查指出，滤波器及功率放大器两者的市场规模就占整体rf组件的85%以上，将是未来rf组件增长的主要推手。
而随着rf组件的用量大增，但智能手机却要求轻薄的趋势下，rf组件的模块化也是未来的一大趋势。
因此，以下就花一些篇幅来分析功率放大器、滤波器，以及rf模块的未来预期、及相关供应链的投资机会。
滤波器和功率放大器合计占rffe市场86%。射频前端的成本结构。（source：拓璞产业研究院，2019/12）
功率放大器：gan pa将有望成未来趋势
功率放大器（以下简称pa）顾名思义，其功能就是将电磁波的功率放大，让信号能稳定从设备发送出去，是rf组件中功耗最大的组件。
5g毫米波由于发送能力变差，因此需要更多的pa将电磁波放大。根据统计，一只5g智能手机至少需使用10-14颗pa，比4g智能手机用的5-7颗增加约1倍。
由于pa是高功率组件，从3g智能手机从以来就一直都用能承受高功率的第二代半导体砷化镓（gaas）作为制造的基板材料。
而到了5g时代，我们认为未来sub-6频段仍会以gaas pa为主流，但在毫米波方面，能承受更高功率、减少更多耗损、且尺寸更小的第三代半导体，氮化镓（gan）将成为未来pa材料的主流。
功率放大器主要供应商有美国skyworks、qorvo、broadcom与日本murata，3家美系厂商合计市场占有率高达86%。估计未来基于gaas的pa仍会是主流产品，而inphbt pa、gan hemt pa需求量则有望于5g扩大商用的过程中逐步走高。
然目前gan因制造成本高，仅被用在军事设备及大型基站，但预期随着未来成本降低，gan将成为毫米波pa的主流。而gan除了将被应用在5g智能手机pa外，还可用在包括small cell、快充等新市场。根据研调机构yole预估，采用gan的功率组件市场将从2020年的0.5亿美元增长至2025年的7亿美元，以69.5%的cagr快速增长。
然而目前gan材料、磊晶主要都集中在美国cree、iqe等大厂手中，而pa则为寡占市场，主要技术也都集中在欧美skyworks、qorvo、broadcom、日本murata等外国idm大厂。
台湾厂商扮演的角色主要则以上游的材料及中下游的芯片代工为主，包括做化合物半导体的磊晶厂全新（市：2455）、gaas代工厂稳懋（柜：3105）及宏捷科（柜：8086），目前也都在发展gan代工相关技术，有兴趣的投资人也可以深入研究。
滤波器：从saw往baw、ltcc发展
滤波器的功能则类似筛子，将不需要的频段过滤掉，以传输特定频率的电磁波。
由于5g智能手机所支持的频段将从4g的15个增加到30个，因此也需使用更多的滤波器。根据skyworks研究，一只5g智能手机需要使用的滤波器将从4g的40个增加到70个。
目前市场约70-80%的滤波器技术都是以表面声波滤波器（saw）为主，已是非常成熟的技术，但saw的缺点就是仅能适用在中低频段，因此随着5g毫米波的发展，能适用在高频段的体声波滤波器（baw）及陶瓷滤波器（ltcc）将成为未来的主流。
baw.ltcc滤波器有望成5g毫米波主流。
而目前saw滤波器为寡占市场，主要由murata、tdk、太阳诱电、skyworks等海外idm大厂瓜分，baw则较为独占，掌握在broadcom手中。因此我们认为随着未来baw、ltcc逐渐普及，broadcom将会是此趋势下的实质受益者。
rf模块未来趋势：高度集成sip及aip
从以上分析可知，未来rf组件的需求量将会随5g毫米波的商用而大增，但在智能手机要求轻薄的趋势下，rf组件的模块化将是未来不可避免的趋势。
然而rf组件中每个组件都有其独特的技术和制程，需要有强大的芯片设计能力才能将不同组件集成在一起，因此在过去几年rf产业也吹起了一阵整合风潮，例如skyworks收购panasonic射频部门、murata并购peregrine、avago并购broadcom（并购后仍叫broadcom），整个产业越趋寡占集中。
目前qorvo、skyworks、broadcom、murata等公司都已推出各自的rf sip模块，但即便如此，目前仍没有一家供应商有能力提供且集成每一种rf组件。例如下面iphone 12拆解图，就分别使用了skyworks的rf sip模块、avago的pa模块及murata的毫米波rffe模块。
目前仍然没有一家供应商有能力提供且集成每一种rf组件。如iphone 12拆解图，就分别使用了skyworks的rf sip模块、avago的pa模块及murata的毫米波rffe模块。
而5g毫米波则需使用更多的天线帮助信息发送（就是大家常听到的massive mimo），但因毫米波天线的功率耗损很高，需要尽量靠近rf组件以减少耗损，因此aip封装（antenna-in packaging）技术也就此兴起。aip封装其实就是将天线集成到rf sip中变成一个芯片，这么一来就可以有效降低功率的耗损。
目前最积极的跨入aip领域的就是美国的高通（qualcomm），由于高通本身就是智能手机处理器、modem的供应厂，所以能较单纯提供rf组件的厂商更有效率的集成rf、天线及modem，并提供ap、modem、aip一条龙的服务，例如下图就是高通推出从aip模块qtm525、到x55 modem芯片的完整服务。
由于高通本身就是智能手机处理器、modem的供应厂，所以能较单纯提供rf组件的厂商更有效率的集成rf、天线及modem。
预期未来，5g智能手机的rf模块预估在sub-6频段将继续以sip为主流，毫米波频段则会大幅采用aip封装，形成sip aip共享的高度集成模块。
我们预估在sub6的sip将继续由qorvo、skyworks、broadcom、murata等既有idm巨头瓜分，而在毫米波aip方面，高通借由其雄厚的技术及集成能力，将有望称霸市场。
5g智能手机的rf模块预估在sub-6频段将继续以sip为主流，其中sip将继续由qorvo、skyworks、broadcom、murata等既有idm巨头瓜分。
至于台湾的供应商主要是下游的封测厂，例如rf测试大厂硅格（市：6257），以及目前aip技术最成熟的日月光（市：3711），及近期极力在发展wlp（wafer level packaging，芯片级封装）的台积电（市：2330）等，都是有望搭上此波趋势的受益者。
结论
5g是个全新的趋势，5g智能手机、iot、ar、vr、自动驾驶汽车、智能医疗及更多全新的应用将会在未来几年融入我们的生活。
而支撑这些应用基础的rf组件也将有巨大的增长潜力。除了需求量将快速增加外，其中gan pa的普及、baw、ltcc滤波器的增长、及rf模块sip aip的高度集成化将是未来rf产业发展的三大趋势。
投资人若有兴趣，可研究关注直接受益的厂商包括海外的高通、qorvo、skyworks、broadcom、murata等芯片大厂，cree、iqe等第三代半导体材料厂，台湾的话则可关注台积电（市：2330）、全新（市：2455）、稳懋（柜：3105）、宏捷科（柜：8086）、硅格（市：6257）、日月光（市：3711）等相关公司。