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根據(jù)中國海關(guān)總署數(shù)據(jù),2019年我國集成電路進(jìn)口額度3055億美元,進(jìn)口金額在中國重點(diǎn)進(jìn)口商品種類中排名第一
一、概述
半導(dǎo)體指常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料。常見的半導(dǎo)體材料有硅、鍺、砷化鎵等。硅,作為集成電路晶圓片的主要制備材料,是各種半導(dǎo)體材料應(yīng)用中最具有影響力的一種。
全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)有兩種商業(yè)模式,即IDM(Integrated Device Manufacture,集成器件制造)模式和垂直分工模式。
IDM模式是大包大攬,啥都自己干。這類企業(yè)主要有Intel、三星、德州儀器(TI)等
垂直分工模式主要包括Fabless(無晶圓制造的設(shè)計(jì)公司)+Foundry(晶圓代工廠)+OSAT(封裝測(cè)試企業(yè)),另外還有IP核(Intellectual Property Core)提供方等。
其中設(shè)計(jì)公司以高通、博通、聯(lián)發(fā)科、海思為代表;晶圓代工廠以臺(tái)積電、格羅方德(美)、聯(lián)電(中國臺(tái)灣)、中芯國際為代表;封測(cè)以日月光(中國臺(tái)灣)、矽品(臺(tái)灣)、安靠(美)、長電科技(中)為代表。
二、產(chǎn)業(yè)鏈
半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)從產(chǎn)業(yè)鏈角度劃分,可分為:材料、生產(chǎn)設(shè)備【最上游】;EDA、IP核【上游】;集成電路(芯片)設(shè)計(jì)、晶圓代工、封裝測(cè)試這7個(gè)領(lǐng)域。
1、材料與生產(chǎn)設(shè)備
半導(dǎo)體材料已經(jīng)發(fā)展到第三代。
第一代半導(dǎo)體材料以硅為代表,主要應(yīng)用于集成電路的晶圓片和功率器件。
第二代半導(dǎo)體材料砷化鎵也已經(jīng)廣泛應(yīng)用,主要應(yīng)用于大功率發(fā)光電子器件和射頻器件。
而以氮化鎵和碳化硅、氧化鋅、氧化鋁、金剛石等為代表的第三代半導(dǎo)體材料,相較前兩代產(chǎn)品性能優(yōu)勢(shì)顯著,憑借其高效率、高密度、高可靠性等優(yōu)勢(shì),在新能源汽車、通信以及家用電器等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
半導(dǎo)體材料全球市場(chǎng)規(guī)模400多億美金,日美德占主導(dǎo)地位。
半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備,包括材料加工設(shè)備、晶圓制造設(shè)備。我們重點(diǎn)關(guān)注晶圓制造設(shè)備。
半導(dǎo)體晶圓制造過程分為7大生產(chǎn)區(qū)域:擴(kuò)散、光刻、刻蝕、離子注入、薄膜生長、拋光、金屬化;相應(yīng)的,制造過程依賴七大類生產(chǎn)設(shè)備:氧化爐、光刻機(jī)、刻蝕機(jī)、離子注入器、薄膜沉積設(shè)備、化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)、清洗機(jī)。
其中最具價(jià)值的是鍍膜設(shè)備、刻蝕設(shè)備和光刻機(jī)。
光刻機(jī)被譽(yù)為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的王冠,世界上技術(shù)最先進(jìn)的公司是荷蘭的ASML,全球市場(chǎng)占有率80%。其最先進(jìn)的EUV光刻機(jī)可以做到7nm和5nm制程,單臺(tái)設(shè)備售價(jià)超過1億美金;國內(nèi)唯一一家從事光刻機(jī)研發(fā)制造的公司:上海微電子,目前只能做到90nm的制程(據(jù)說2020年年底可生產(chǎn)11nm制程的光刻機(jī))。
所謂制程,指的是IC內(nèi)電路與電路之間的距離,制程越小,同樣面積下可容納的電路就越多,集成度越高。
作為參考,當(dāng)前半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)內(nèi)頂尖工藝(7nm+10nm)占據(jù)13%的市場(chǎng)份額,主要用于CPU、GPU等超大規(guī)模邏輯集成電路的制造;14nm-28nm工藝占據(jù)了34%的市場(chǎng)份額,主要用于存儲(chǔ)芯片制造;MCU/MPU、模擬器件、分立器件和傳感器主要使用40nm以上工藝,占據(jù)了剩余的41%市場(chǎng)份額。
半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備由于技術(shù)難度高,每一種設(shè)備基本是前三名壟斷了全球90%的市場(chǎng),很遺憾,在這個(gè)名單里目前還看不到國內(nèi)廠商的身影。
值得慶幸的是,這7大類設(shè)備,都有中國企業(yè)在攻堅(jiān),雖然目前體量規(guī)模都比較小,但是在技術(shù)層面,已經(jīng)取得多項(xiàng)突破。在某些特定設(shè)備上,已經(jīng)能跟國際壟斷巨頭掰掰手腕了。
國內(nèi)生產(chǎn)規(guī)模最大的半導(dǎo)體設(shè)備廠商:北方華創(chuàng),旗下產(chǎn)品線涵蓋了沉積設(shè)備、刻蝕機(jī)、氧化爐和清洗機(jī)四大類,為國內(nèi)最全;
中微半導(dǎo)體(上海)在LED芯片的MOCVD設(shè)備方面,達(dá)到國際先進(jìn)水平。
國內(nèi)半導(dǎo)體設(shè)備企業(yè)中體量規(guī)模最大的中電科電子裝備(中國電子科技集團(tuán)旗下),主攻離子注入機(jī)和化學(xué)機(jī)械拋光機(jī);
盛美半導(dǎo)體主攻硅片清洗機(jī)。
上海微電子則是唯一研制光刻機(jī)的企業(yè)。
當(dāng)前,國內(nèi)設(shè)備廠商的主要客戶是國內(nèi)的晶圓制造廠商,如中芯國際、上海華力微、長江存儲(chǔ)、合肥長鑫、杭州士蘭微等。
國產(chǎn)集成電路制造廠家的規(guī)模,直接決定了上游設(shè)備廠家的發(fā)展。
2、EDA與IP核
EDA,即電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(Electronics Design Automation),包括電路設(shè)計(jì)與仿真工具、PCB 設(shè)計(jì)軟件、IC 設(shè)計(jì)軟件、PLD 設(shè)計(jì)工具等。
芯片制造流程長,成本高昂,容錯(cuò)率極低,所以在正式生產(chǎn)之前,需要用EDA進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)、模擬、仿真。
EDA軟件在全球不過100億美金的市值,但卻主宰著4500億美金的半導(dǎo)體市場(chǎng)。
目前EDA設(shè)計(jì)軟件領(lǐng)域集中度較高,Synopsys(美)、Cadence(美)和MentorGraphics(德)三巨頭占據(jù)了EDA設(shè)計(jì)軟件全球60%以上的市場(chǎng),在中國的市場(chǎng)占有率95%。國產(chǎn)EDA軟件公司華大九天、廣立微、芯禾科技等,只占國內(nèi)市場(chǎng)的0.8%。
國產(chǎn)EDA軟件發(fā)展始于上世紀(jì)80年代中后期,在“巴黎統(tǒng)籌委員會(huì)”的禁運(yùn)管制下,中國無法買到國外的EDA,只能自研。1991年,國產(chǎn)首款EDA熊貓系統(tǒng)發(fā)布原型,1993年正式問世,與國外的商業(yè)EDA軟件相比,差距僅在5年左右。
1994年,“巴統(tǒng)”解散,國外EDA軟件迅速進(jìn)駐中國市場(chǎng)。在“造不如買”思維的驅(qū)使下,大多國內(nèi)企業(yè)選擇使用技術(shù)更先進(jìn)的國外產(chǎn)品。中國自主的EDA軟件發(fā)展中道崩殂。
EDA軟件是基于工藝參數(shù)迭代的。只要工藝參數(shù)更新,EDA就要更新。代工廠提供工藝設(shè)計(jì)工具包(PDK),EDA廠家拿到后,根據(jù)里面的參數(shù),更新軟件。
EDA大廠與全球頂尖的代工廠合作緊密,對(duì)工藝?yán)斫獾轿?。國?nèi)EDA公司只能拿到落后的參數(shù),始終處于跟在巨頭后面撿肉渣的追趕者地位。
強(qiáng)者恒強(qiáng)。純粹靠市場(chǎng)力量,國產(chǎn)EDA很難出頭。
IP核(Intellectual Property Core)指已經(jīng)完成邏輯設(shè)計(jì)或物理設(shè)計(jì)的芯片功能模塊,通過授權(quán)允許客戶將其集成在其芯片設(shè)計(jì)中,通過流片形成最終的芯片產(chǎn)品。
目前主流的IP核有:x86(Intel)、ARM、Power(IBM)、MIPS。
IP核所使用的指令集(底層指令的集合),分為RISC(簡單指令集)和CISC(復(fù)雜指令集)兩大類。x86使用的是CISC、ARM使用的是RISC。
指令集架構(gòu),又稱為微架構(gòu),是一系列硬件電路,以實(shí)現(xiàn)指令集所規(guī)定的操作運(yùn)算。
Intel的靠與微軟聯(lián)合,占據(jù)了全球PC市場(chǎng)幾乎100%的份額。x86的IP核以及其所使用的指令集架構(gòu)是輕易不對(duì)外授權(quán)的。
前段時(shí)間英特爾停止向國內(nèi)云計(jì)算服務(wù)器龍頭公司浪潮提供芯片,浪潮信息股票應(yīng)聲跌停。
Arm指令集架構(gòu)從誕生至今聚焦于低功耗設(shè)計(jì),一直在嵌入式領(lǐng)域耕耘。
在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)大發(fā)展的這幾年,Arm指令集得到了蘋果iOS和Google的Android的支持,成為了事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。蘋果,高通,三星等國外大廠都選擇了Arm指令集。國內(nèi)廠商如華為海思,紫光展銳,瑞芯微,全志科技等也通過Arm IP核參與到全球競(jìng)爭,在手機(jī)和平板市場(chǎng)取得了較好的成績。
在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域,基于Arm指令集的處理器也占據(jù)了主導(dǎo)地位,占據(jù)了一半的MCU市場(chǎng)份額。這其中,國外廠商ST,NXP,Infenion等都有基于Arm指令集的產(chǎn)品,國內(nèi)廠商如兆易創(chuàng)新,同方微電子,大唐微電子,華大半導(dǎo)體等也通過Arm核進(jìn)入了相關(guān)領(lǐng)域,蠶食國外廠商的市場(chǎng)份額。
ARM生態(tài)如此繁榮,就不得不提ARM公司的授權(quán)策略:三級(jí)授權(quán)策略。
結(jié)合下面這張圖:
左邊即指令集架構(gòu),右邊是基于指令集架構(gòu)設(shè)計(jì)出來的IP核。
所謂三級(jí)授權(quán)指的是:
I、指令集架構(gòu)的授權(quán)??稍诖嘶A(chǔ)上進(jìn)行修改,形成自己的一套指令集架構(gòu)。蘋果就是這么干的,它買來ARM的指令集架構(gòu),修改后,形成自己的SWIFT架構(gòu),再基于此架構(gòu)設(shè)計(jì)了處理器A系列。當(dāng)然這對(duì)硬件設(shè)計(jì)能力要求很高。
II、IP核授權(quán)??稍诖嘶A(chǔ)上進(jìn)行修改,形成自己的IP核。高通就是這么干的,且其修改幅度較大,可以重新命令修改后的IP核。高通855便是基于改過的IP核設(shè)計(jì)的芯片,高通稱之為kryo。
華為海思的麒麟980也是購買的IP核授權(quán),進(jìn)行了自主修改。
III、使用級(jí)授權(quán)。也就是所謂的公版架構(gòu)。啥都不能改,只能基于買來的核,進(jìn)行SOC(system on chip,片上芯片)的設(shè)計(jì)。ARM要求購買公版架構(gòu)的廠商在自己的SOC上注明,是用到了ARM哪個(gè)系列的IP核。
x86封閉,ARM需要支付授權(quán)費(fèi)用,有沒有完全開源免費(fèi)的指令集架構(gòu),可以拿來做IP核設(shè)計(jì),和SOC設(shè)計(jì)呢?有,它就是2010年問世的RISC-V。
RISC-V是基于精簡指令集的開源指令集架構(gòu),是完全開源的,任何設(shè)計(jì)廠家都可基于它設(shè)計(jì)自己的IP核、處理器,無需支付授權(quán)費(fèi)。
PC和服務(wù)器,是x86的天下;ARM,則統(tǒng)一了移動(dòng)領(lǐng)域。RISC-V作為后生晚輩,最有獲勝希望的戰(zhàn)場(chǎng),在AIot。
實(shí)際上,國內(nèi)已經(jīng)問世的RISC-V構(gòu)架芯片,如華米科技的AI芯片黃山1號(hào)、中天微電子的CK902、阿里平頭哥的玄鐵910等,都瞄準(zhǔn)的是物聯(lián)網(wǎng)這個(gè)大市場(chǎng)。
3、設(shè)計(jì)、制造、封測(cè)
芯片設(shè)計(jì),國內(nèi)最強(qiáng)是華為海思,毫無疑問。世界第一是高通,二者從營收角度對(duì)比,后者大概是前者的3倍強(qiáng)。
然而,華為海思的設(shè)計(jì),還是基于ARM架構(gòu)。設(shè)計(jì)使用的EDA軟件,也來自于上文提到的三巨頭。
制造環(huán)節(jié),國內(nèi)種子選手是中芯國際,依靠國外生產(chǎn)設(shè)備,可批量生產(chǎn)28nm制程的芯片,其14nm制程,真正放量可能要到2020年底。中芯國際19年全年?duì)I收31億美元,中國區(qū)占比59.5%。
對(duì)比世界第一臺(tái)積電。臺(tái)積電代工的麒麟990和驍龍865的制造工藝,都已經(jīng)達(dá)到7nm。5nm也在研發(fā)中。臺(tái)積電19年全年?duì)I收364億美元,是中芯國際的10倍。
在美國禁令下,臺(tái)積電斷供華為。中芯國際需要盡快搭建去美化產(chǎn)線,任重道遠(yuǎn)。
封測(cè)行業(yè)位于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈末端,其附加價(jià)值較低,勞動(dòng)密集度高,進(jìn)入技術(shù)壁壘較低,封測(cè)龍頭日月光每年的研發(fā)費(fèi)用占收入比例約為4%左右,遠(yuǎn)低于半導(dǎo)體IC 設(shè)計(jì)、設(shè)備和制造的世界龍頭公司。
封測(cè)行業(yè)呈現(xiàn)出臺(tái)灣地區(qū)、美國、大陸地區(qū)三足鼎立之態(tài),其中長電科技/通富微電/華天科技已通過資本并購運(yùn)作,市場(chǎng)占有率躋身全球前十(長電科技市場(chǎng)規(guī)模位列全球第三)。
綜上,在整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中,中國在上游的材料、生產(chǎn)設(shè)備、EDA、IP核方面,與國際先進(jìn)水平差別較大,均不同程度受制于人;在中游,設(shè)計(jì)環(huán)節(jié),需依賴國外IP核;制造環(huán)節(jié),離臺(tái)積電還有很大差距;僅封測(cè)環(huán)節(jié),占有一席之地。
從國內(nèi)龍頭企業(yè)營業(yè)額與世界第一位的營業(yè)額對(duì)比來看。芯片設(shè)計(jì)環(huán)節(jié),我國與世界最高水平的差距是3倍,芯片制造環(huán)節(jié),差距是10倍,到了芯片生產(chǎn)設(shè)備環(huán)節(jié),差距來到了60倍。
三、產(chǎn)業(yè)歷史
如今美國在半導(dǎo)體整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節(jié),都具有壟斷優(yōu)勢(shì)。
上世紀(jì)七八十年代,日本的芯片產(chǎn)業(yè)一度領(lǐng)先美國。美國在1987年政府牽頭,集合14家美國最大的電子公司,成立了芯片研發(fā)聯(lián)盟Sematech,并獲得DARPA(美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局)的大力支持。
聯(lián)盟聚集了全美電子產(chǎn)業(yè)最優(yōu)秀的公司里最優(yōu)秀的研發(fā)人員,再加上充裕的資金,美國的芯片產(chǎn)業(yè)在80年代末開始反超日本。
半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)耗資巨大,起步階段往往依靠國家的支持。只有華為這種體量的巨頭公司,才有足夠的資金進(jìn)行研發(fā)投入,以及廣闊的下游市場(chǎng)以回收成本。
我國的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展,有3個(gè)關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)。
第一個(gè)是2008年的02專項(xiàng)啟動(dòng)的時(shí)間點(diǎn)。政府對(duì)IC全領(lǐng)域:材料、裝備、制造、設(shè)計(jì)進(jìn)行技術(shù)跟蹤和企業(yè)補(bǔ)貼。
第二個(gè)是2014年,國家啟動(dòng)集成電路大基金,截止2017年總計(jì)投入資金818億。但也是分散在所有領(lǐng)域,單一領(lǐng)域化下來也沒多少。
第三個(gè)是2018年中興事件,美國斷供中興,導(dǎo)致中興業(yè)務(wù)停擺三個(gè)月。此事件后,芯片國產(chǎn)替代成為舉國上下的共識(shí)。
目前國內(nèi)規(guī)模超100億人民幣的集成電路企業(yè)有:華為海思、中芯國際、長電科技、豪威科技、紫光展銳、比特大陸。長江存儲(chǔ)和合肥長鑫潛力很大。
當(dāng)下,美國在芯片產(chǎn)業(yè)鏈各關(guān)鍵環(huán)節(jié)對(duì)我國實(shí)行封鎖圍剿,正是我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在各重要環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)替代的戰(zhàn)略機(jī)遇,相信在國家和龍頭企業(yè)的合力下,我們最終可以實(shí)現(xiàn)自力更生,產(chǎn)業(yè)鏈“內(nèi)循環(huán)”的目標(biāo)。借用毛主席的一句話:封鎖吧,封鎖個(gè)幾年,我們什么都有了。
其實(shí),除了在主賽道窮追猛進(jìn),中國在另外一個(gè)賽道,隱隱有彎道超車之勢(shì),那就是AI專用芯片。
四、產(chǎn)業(yè)機(jī)遇
芯片產(chǎn)品按照大的領(lǐng)域劃分,可分為簡單的三類:代表過去的通用計(jì)算機(jī)芯片(CPU);代表現(xiàn)在的以人工智能芯片為主的專用芯片;代表未來的量子計(jì)算、光子計(jì)算的下一代芯片。
隨著人工智能的興起,現(xiàn)在計(jì)算領(lǐng)域的一個(gè)趨勢(shì),就是從通用的CPU解決所有問題,轉(zhuǎn)為專用芯片處理圖像處理、音頻處理這類計(jì)算量更大的任務(wù),把非計(jì)算的任務(wù)(主要是邏輯處理)交給CPU,也就是所謂的異構(gòu)計(jì)算。
x86架構(gòu)的CPU,由于技術(shù)壁壘和當(dāng)前已經(jīng)形成的產(chǎn)業(yè)生態(tài),中國很難再突圍。但是隨著移動(dòng)應(yīng)用的極大豐富,更適合移動(dòng)計(jì)算的ARM架構(gòu)的CPU興起,蘋果也發(fā)布基于ARM架構(gòu)的芯片。
用ARM架構(gòu)的CPU,搭配人工智能芯片,是中國彎道超車的機(jī)會(huì)。
人工智能當(dāng)前尚處在從感知智能向認(rèn)知智能過度階段。目前落地程度較高的圖像識(shí)別、人臉識(shí)別、語音識(shí)別都屬于感知智能。
圖像識(shí)別主要使用CNN深度學(xué)習(xí)算法模型;語音識(shí)別、自然語言處理主要使用RNN模型。
深度學(xué)習(xí)算法本質(zhì)上就是矩陣或向量的乘法、加法、指數(shù)運(yùn)算,對(duì)算力要求很高,這就催生出專門的芯片,用來處理計(jì)算問題。
因此,AI芯片也被稱之為AI加速器。
AI芯片領(lǐng)域,我國離國外先進(jìn)水平也還有一定差距,但是差距沒有傳統(tǒng)芯片領(lǐng)域那么大。
國內(nèi)代表企業(yè)有寒武紀(jì)、比特大陸、華為海思、深鑒科技等
AI芯片部分內(nèi)容較多,本文不做展開,后續(xù)有機(jī)會(huì)單獨(dú)寫一篇文章介紹。
主要參考資料:
寧南山:《未來站在中國這一邊》(書)
機(jī)器之能:這項(xiàng)主宰全球4500億半導(dǎo)體市場(chǎng)的命門,國產(chǎn)率卻不到5%
王煜全:全球風(fēng)口-焦慮的中國芯,如何化解?
虎嗅:ARM中斷合作,華為面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)
CSDN上面的一些文章
網(wǎng)上一些公開資料