全球半导体产业洞察

来源:全球半导体产业洞察时间:2021-01-07

一、当前全球半导体生产模式

Fabless:即专注设计的芯片公司。例如,全球芯片设计巨头高通,中国台湾的联发科以及华为海思,必须寻求领先芯片生产企业来代工生产。

IDM:即芯片从设计、生产到封装测试全部由自己完成。英特尔、德州仪器和三星等芯片巨头均采用此类模式。

Foundry:以格罗方德,中国台湾芯片生产巨头台积电、联电,中国大陆的中芯国际为代表的芯片制造企业,采用的便是这种重资产,不设计,只生产的模式。


二、半导体产业链

半导体上游材料市场,目前国产率不超过25%,具体包括硅片、抛光材料、光刻胶、光掩模板、电子特种气体、湿电子化学品、靶材等。

中游生产设备国产率仅为12%,包括刻蚀机、光刻机、沉积设备、清洗设备、测试设备等。

其中,半导体设备(主要是EUV光刻机)和材料是卡住中国半导体脖子的两个关键链条。

 

三、芯片应用场景及其发展情势

全球芯片的分布领域包括CPU、GPU、AI、边缘AI以及云端。CPU和GPU芯片一般被认为是传统芯片,其开发均依赖固定的底层架构,英特尔的X86、ARM架构以及RISC-V开源架构是各种自研芯片的三个关键路径。X86曾经统治全球芯片研发底层技术,但当前正被ARM全面超越,不论是功耗或性能,ARM均已取得领先地位,使其在专利转让费方面赚的盘满钵满。RISC-V则由于其更强的开源特征更适用于中小企业。然而,近年主要科技公司都转向芯片自研,APPLE、Microsoft、Google纷纷宣布自研通用于自身产品的特定芯片,PC、移动芯片领域的传统商业模式正迎来巨大变革。GPU领域的行业翘楚是英伟达,该公司基于Ampere架构的NVIDIAA100 GPU是目前市场上性能最强的相关领域芯片。

相比于传统芯片,AI芯片和AI边缘芯片是更具定制特征的专用芯片,且具备复杂的深度学习能力。某种程度上AI芯片是传统芯片的升级,而不是替代。AI芯片的真正使命是为未来的全链接时代,提供更具成本优势和算力稳定性的优先级选项,因此,几乎所有的现有芯片都需要转型到某种程度上的AI芯片。相较于AI芯片,边缘AI芯片也出现蓬勃景象,这得益于5G时代加速了芯片应用场景的多样化和碎片化。

与AI芯片同样繁荣的是云端芯片,顾名思义该类型芯片主要角逐火热的云端市场。国际企业如英特尔、英伟达和赛灵思已经纷纷落地新品,国内企业如百度昆仑系列、鲲云科技CAISA芯片均已实现规模化量产,但这场竞争明显才刚刚开始。

 

四、芯片设计

2018年,美国在全球芯片设计领域拥有68%的市场占有率,中国台湾16%,中国大陆13%,分别位列全球前三位。

2019年,中国芯片设计公司达1780家,但几乎全部处于中低端领域。中国在该领域的短板首先是起步晚,并不具备先进算法基础;其次,则是由于国内缺乏上下游协同的完整生态体系。目前,华大九天是中国在这一领域的代表性企业。

芯片设计最重要的软件工具是EDA(ElectronicDesign Automation),它能够将芯片的电路设计、性能分析、设计IC版图的整个过程实现自动模拟。目前美国的Synopsys、Cadence以及德国西门子垄断了该软件全球90%的市场份额。

芯片设计中的另一个关键领域是IP核(IntellectualProperty Core),即可以重复使用的、具有自主知识产权功能的模块。这些IP核可以极大简化芯片设计复杂性,拥有全面、完整的IP核便能够实现芯片设计研发的快速标准化和规模化。1990年成立于英国的ARM公司是这一领域的全球龙头,垄断了全球手机处理器和平板电脑处理器市场,其他关键供应商包括美国Synopsys、Cadence、LatticeSemiconductor、CEVA、Rambus、MentorGraphics、Sonics,英国ImaginationTechnologies和中国台湾的eMemory。目前市场上领先的芯片设计产品包括高通骁龙、苹果A系列以及华为麒麟。

其中,各个领先设计公司的专业分布差异较大,在本专业领域几乎都处于相对垄断地位。例如高通、博通的通信芯片,英伟达的GPU、AI芯片,AMD的CPU、GPU芯片,赛灵思的无线芯片和FPGA,联发科的消费电子芯片以及中国内地海思、联咏科技及瑞昱的通信芯片、手机处理器、安防芯片等。

在IP核领域令人期待的中国公司是芯原微电子,该公司虽然不提供手机芯片设计方案,但在智能穿戴设备、智能家居、汽车电子等专业领域已有不俗表现,2019年市场份额占全球1.8%。也因此,中国公司在手机芯片设计的IP核领域几乎是空白状态,各大手机厂商的设计逻辑几乎全部搭建在ARM授权基础之上。



五、芯片生产

从晶体管栅级线宽的工艺类别来看,芯片生产工艺以摩尔定律为规则,目前可以被划分为亚微米及以上、128nm、64nm、32nm、28nm、14nm、7nm、5nm和3nm。尺寸越小,工艺难度成倍增加,芯片性能也极大提升。台积电7nm工艺包含540亿个晶体管,第三代TensorCore AI核,无需任何代码就能拥有比原来强大20倍的算力。

芯片生产是当前全球半导体竞争中的最关键环节,技术难度最大,作为卡脖子的关键技术,其突破也最难,其中最重要的又是近年广为大众熟知的光刻机。目前全球最顶尖的光刻机来自荷兰的ASML,而其大股东是美国人,该公司占全球光刻机市场近81%市场份额,其7nm的EUV光刻机由数十万零部件构成,生产精度要求极高。其他知名企业包括日本尼康和佳能,国内知名光刻机制造商包括上海微电子、北方华创、中微半导体、中科院等,但其他厂商的生产总量也仅是头部公司的一个零头,且尽管进展飞速,但技术水平依然有代际差异,上海微电子是代表中国在光刻机领域的最高水准,其最快将于2021年交付28nm制程产品,而台积电已经实现7nm量产,中国大陆最大的芯片制造商中芯国际也已经实现14nm量产,另一家全球主要芯片生产商三星早于中芯国际也已经量产14nm,在制造商哪里,不仅仅是14nm,7nm,目前5nm和3nm甚至更加精细的生产技术已经实现,这意味着中国芯片关键设备制造商与全球顶尖水平还相距甚远,需要很长的征程才能解决横悬在中国芯片制造领域最大的卡脖子技术。

当然,中国芯片制造公司在量产7nm工艺芯片方面并不存在看似强大的压力,首先是中芯国际CEO梁孟松宣布该公司已经基本完成7nm生产工艺开发,只待光刻机到位,而尽管面临美国禁售压力,先前暴雷的武汉弘芯却在2019年底就已经顺利购买了ASML的7nm光刻机,也是国内唯一的一台,因此,在可能的情况下,量产7nm芯片在中国应该不久就能实现。

从半导体生产出货量来看,台积电以50%的市场占有率遥遥领先,是中国大陆第一大芯片生产商中芯国际的10倍。但在生产工艺方面,由于大量人才的引进,中芯国际已经几乎全方位的开始步入同频竞争时代,未来在5nm和3nm领域,如果中芯为首的国内厂商能奋起直追,中国大陆则依然有机会实现半导体最重要环节的弯道超车。而从应用市场来看,这些先进制程芯片主要应用于智能终端、手机、存储器等领域,但万物互联时代的快速来临则明显带来新的高精度芯片产能需求。

相对而言,封装测试由于其较低的技术要求,在中国大陆超大市场的驱动下,中国已经成为该领域的全球领先国家。



六、中国半导体行业竞争力分析

中国芯片行业缺陷 

1、       基础研究能力弱,没有类似英特尔X86、ARM等芯片设计领域的底层架构,芯片设计能力受制于源头;

2、       精密制造水平依然有代际差距,最先进的光刻机技术需要横跨14nm、7nm、5nm、3nm等数个代际才能完成国际追赶,必须有突破性进展方可摆脱关键设备的对外依赖。

 

中国芯片行业机遇

最大的芯片消费市场为中国芯片产业提供了源源不断的创新土壤;

智能时代,芯片行业面临全面AI化,中国在人工智能领域有弯道超车的机会,意味着中国将有凭借与美国平分秋色的人工智能技术,实现AI芯片弯道超车的机会。

一个行业,不论其多么特殊,归根结底根植于该国的市场规模和发展潜力,中国的整体发展和日益巩固的全球第一大消费市场地位,是中国芯片产业崛起的最大保障,也因此,中国甚至完全有能力且有必要成为世界上第一个独立完成先进芯片制造全流程的国家。

七、全球半导体的未来

摩尔定律失效的阴霾下,全球半导体只有两个出路:第一,寻找硅片的替代性材料,颠覆行业。这是华为选择的hard路径,极为艰难。第二,走向垄断。历史的来看,所有门槛足够高,创新空间日渐狭隘的行业,头部企业都必须依靠强大资本实力实现联合共谋,才能保证持续的利润。

过去,这些行业是走向保守的传统能源巨头埃克森,美孚。一度走向破产边缘的克莱斯勒,奔驰。但2020年,最为代表性的兼并是高达400亿美金交易额的英伟达并购AMD,未来,这一趋势将快速上演行业整合之路。

中小半导体企业已经彻底放弃了10纳米以下市场,通往极限的路正在成为一道道阵地防线,每突破一道防线都需要更大的损失与牺牲,一批今日的龙头在通往摩尔极限中也会陆续倒下,例如,3纳米投资超300亿美金,立即吓退一众生产商。未来的半导体行业,乐观情况下,也只会剩下为数不多的几个寡头。整个半导体行业的分化与整合现在才刚刚开始。

 

Harwen Li  国际政治经济茶餐厅