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全球芯片产业链与中国芯片产业的现状

2018-6-13 23:49| 发布者: redchina| 查看: 15087| 评论: 0|原作者: 中兴大城咨询

摘要: 芯片的设计生产具有明显的垂直产业链条及全球分工的特性。IP核环节主要由以ARM公司为代表的英国掌控,美国市场发展态势也十分良好,中国在IP核领域则基本空白,缺乏具有竞争力的成果。芯片设计以美国为主,中国的芯片设计企业仍处在发展阶段。

2018年3月以来,美国高举贸易保护大旗,以违反美方单方面宣布的伊朗制裁规则为借口,禁止美国企业向中兴通讯出售任何电子技术或通讯元件,打击中国以电子信息为代表的高端制造业升级。

以中兴通讯为典型代表,中国电子信息产业整体上硬件整机产品强、核心元件弱,在CPU、GPU等芯片核心元器件上大量依赖进口和外国技术授权,美国发出限售令20天后,拥有8万员工的中兴通讯就宣布彻底停摆。尽管近期中兴公司已经与美国商务部达成协议,以10亿美元罚款等巨大的代价换来解除芯片禁令。但随着中美贸易战的持续发酵,中国电子信息“缺芯少魂”的问题受到广泛关注。

芯片,即集成电路(integrated circuit,缩写IC),又称微电路/晶片,是将电路小型化并集成在半导体晶圆表面所形成的电子器件,是现代信息社会各种处理器的核心。

1 芯片产业链

完整的芯片产业链包括上游支撑产业链、中游核心产业链、下游需求产业链三大部分。上游支撑产业链指半导体设备和材料行业,为芯片的生产提供必要的工具和原料。下游需求产业链包括移动通信、计算机、存储器、无线网络、汽车电子、电视机和监测设备等,是芯片主要的应用领域。

芯片的中游核心产业链按专业分工不同又可细化为四个环节:

一是IP核,指用于ASIC或FPGA中的预先设计好的电路功能模块,是芯片设计产业的最关键产业要素和竞争力体现。

二是芯片设计,即依据下游系统厂商的要求设计芯片,分为前端设计和后端设计。前端设计决定芯片的逻辑、模块、门电路关系,后端设计则负责是布局布线。

三是芯片制造,指依照芯片设计环节的规模和技术要求进行芯片生产,技术专业性要求较高,具有明显的规模效应和集聚效应。在芯片制造工艺流程中,光刻机是晶圆工厂必须用到的生产设备。而光刻机的高精尖特性使得其研发面临着非常高的技术、资金门槛。目前全球只有荷兰ASML、尼康、佳能可以生产出最先进的光刻机, ASML自2011年已经垄断了高端光刻机市场,是目前最先进的7nm晶圆EUV光刻机唯一供货商,同时还控制了中、低端光刻机市场过半的市场份额,尼康、佳能由于技术原因难以赶超ASML。

美国对华“芯片禁令”背后的全球芯片产业版图与中国软肋

四是芯片封测,指对制造生产的芯片进行电路、老化等测试,并将通过测试的晶圆按照产品型号及功能需求进一步加工形成独立芯片。

美国对华“芯片禁令”背后的全球芯片产业版图与中国软肋

芯片产业链

芯片核心产业链的流程可以简单描述为:以电路设计为主导,由芯片设计公司设计出芯片,然后委托芯片制造厂生产晶圆,再委托封装厂进行芯片封装、测试,最后销售给电子整机产品生产企业。

基于核心产业链的各个环节,目前芯片行业主要的商业模式包括IDM和垂直分工两种。IDM整合元件制造商(Integrated Device Manufacturer)模式,即一家公司涵盖从芯片设计到芯片制造、封装测试以及投向消费市场的大部分产业链环节。IDM企业通常具有资源的内部整合优势,典型企业如英特尔、三星等。垂直分工模式,即设计(Fabless)+代工(Foundry)+封测厂商,它起源于专业化背景下的产业分工,设计商(Fabless)指有能力设计芯片架构,但是却没有晶圆厂生产芯片,需要找代工厂代为生产的厂商,知名的有Qualcomm、苹果和华为。代工厂(Foundry)则是无芯片设计能力、但有晶圆生产技术的厂商,代表公司是台积电。封测厂商,就是专注于封装测试环节的公司,典型的有日月光、长电科技等。

美国对华“芯片禁令”背后的全球芯片产业版图与中国软肋

2 芯片产业全球发展

从全球芯片产业发展来看,排名前十的半导体企业里美国有5家企业上榜,占总营收的50%;韩国2家,占总营收的20%;新加坡、日本及欧洲地各1家,分别占比10%。其中,IDM型企业有8家,以三星电子、英特尔为代表,非IDM型企业有高通、博通2家,都集中在芯片设计的产业链环节。

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2.1 全球IDM企业发展

IDM(Integrated Device Manufacture)集成器件制造商业模式的企业涵盖大部分产业链环节,因内部资源整合优势而具有较高利润率,但同时由于投入和体量巨大,对市场的反应可能不够迅速。全球IDM企业主要集中在美国、韩国等地,以英特尔、SK海力士为代表,下表显示了2015年全球前十IDM企业的销售额。在这些IDM企业中,德州仪器、英飞凌只制造自己设计的芯片,不做代工,三星、英特尔、SK海力士则开放代工业务。

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2.2 全球IP核发展

就芯片核心产业链的各个环节而言,IP核环节的市场垄断程度非常高,无论从市场份额还是技术研发能力来看,龙头企业都具有显著优势。下表显示了2013年全球IP核企业排名前十的市场份额,可以看出,以ARM公司为代表的前十大厂商占据了市场80%的份额,而行业龙头ARM公司约占全球市场份额的二分之一。英国在IP核领域具有绝对优势,2家企业占据全球52.2%的市场份额。

这些龙头企业还引领着IP核开发的技术潮流,如ARM的RISC微处理器、Synopsys及Cadence的EDA软件工具、Imagination Tech的PowerVR技术、Rambus的XDR DRAM、eMomery的eNVM技术、Vivante的GPU设计等均为行业顶尖水平。

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2.3 全球芯片设计发展

芯片设计环节的龙头企业首位度要低很多。下表显示了2015年全球市场份额排名前十的芯片设计企业,高通、安华高、联发科为全球三大芯片设计公司。国内进入排名前十的企业有联发科、华为海思、展讯三家。在芯片设计领域,美国具有绝对优势,有7家企业排名全球前十,共占59.8%的市场份额。

在技术领先方面,高通Snapdragon系列处理器是目前手机采用的最多的处理器。联发科的芯片在手机、平板等应用较多。英伟达的GPU设计、华为海思麒麟系列芯片等具有一定的技术优势。

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2.4 全球芯片制造发展

芯片制造生产行业台积电一家独大,占据全球半壁江山。下表显示了2015年全球市场份额排名前十的芯片制造企业,中国台湾台积电公司作为全球最大的晶圆代工厂包揽了全球一半以上的芯片制造生产业务,排名紧随其后的格罗方德、联电约占9-10%的市场份额。受台积电的影响,中国台湾在芯片制造领域集聚效应明显,占全球65.6%的市场份额。

在芯片制造技术进展方面,以台积电、格罗方德、三星等技术领头企业已突破7nmFinFET技术,预期在2018、2019年可以实现量产。常规生产线集中在10nm、14nm、28nm等几个级别。

美国对华“芯片禁令”背后的全球芯片产业版图与中国软肋

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2.5 全球芯片封测发展

全球芯片封测产业主要集中在中国,国内封装厂紧跟国际水平,日月光、矽品、长电等厂商仍在扩充产能布局,先进封装也有相应的技术积累,在国际市场上处于领先水平。从市场份额来看,中国大陆和台湾为龙头的亚太区域集聚效应明显,中国大陆和台湾分别占据全球市场份额的34.1%和21.5%。

从技术进展来看,全球芯片封装技术种类繁多,硅通孔技术、倒装芯片技术、扇入/扇出型封装、嵌入式封装、SiP等先进封装技术的技术引领地位逐渐显现。

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2.6 芯片全球产业链布局

总结来看,芯片的设计生产具有明显的垂直产业链条及全球分工的特性。IP核环节主要由以ARM公司为代表的英国掌控,美国市场发展态势也十分良好,中国在IP核领域则基本空白,缺乏具有竞争力的成果。芯片设计以美国为主,中国的芯片设计企业仍处在发展阶段,有较大成长空间。芯片制造和芯片封测以中国企业为主,前者以台湾为集聚地,市场份额达到65.6%,后者则是中国大陆规模更大,市场份额为34.1%。

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3 中国芯片产业发展

3.1 中国IDM企业发展

目前中国IDM发展尚处于前期摸索阶段,现有的所谓IDM企业制造工艺水平和设计能力相当低,核心技术水平与国际前沿水平存在较大差距。产品主要集中在功率半导体,市场应用面较窄,规模效应不明显。为了摆脱企业规模过小、资产体量不足而难以发展IDM的困境,相关企业和部门提出了共享IDM(CIDM)模式:即由数家设计公司共同投资成立Fab,实际拥有代工工厂,可以根据各设计公司的实际需求合理规划产能结构,希望通过整合资源的方式攻破关键技术和产品,进一步解决国内产业链之间配套能力弱的难题。杭州士兰微是目前国内最大的IDM厂商,2017年营业收入27.4亿元,拥有自己的设计和生产线,目前已投入生产的有5英寸、6英寸和8英寸产线。主要产品分为三类:一是用于消费类数字音视频系统的芯片产品,包括以光盘伺服为基础的芯片和系统、单芯片的CD播放机系统、MP3/WMA数字音频解码等系统和产品、数字媒体处理SOC等产品;二是基于士兰微电子芯片生产线的双极、BiCMOS和BCD工艺为基础的模拟、数字混合芯片产品,这些产品包括高性能的电源管理电路和系统、白光LED驱动电路、各类功率驱动电路等;三是基于士兰微电子芯片生产线的半导体分立器件,如开关二极管、稳压管、肖特基管、MOS功率晶体管、瞬态电压抑制二极管等产品。

3.2 中国IP核发展

中国的IP核市场基本处于内部供应不足的状态,一方面,国内芯片设计、制造等行业的快速发展使得对IP核的数量、质量和服务的需求都在不断增加,但另一方面,IP核心技术主要由国外掌握,国内核心技术缺乏,国产IP难以满足市场需求。目前国内多数公司在涉足IP行业时极为谨慎,经常是ASIC设计、IP核开发、设计服务经营同时进行。南山之桥、苏州国芯、神州龙芯和登颠微电子等第一批以IP为主要方向的公司还处于发展起步阶段。

3.3 中国芯片设计发展

目前以华为海思、展讯为代表的中国芯片设计企业开始在全球市场上崭露头角,但国产芯片竞争力有限,国内市场生态也有待改善。虽然近年来国内企业在数字芯片和模拟芯片设计上实现一些进展,但总体上芯片设计依然严重依赖海外资源。下表显示了中国市场份额前十的企业。其中各个企业领先的技术包括:华为海思麒麟系列芯片、清华紫光展锐的3D NAND闪存芯片、中兴XPON、华大半导体HC32L系列、智芯微电子嵌入式RRAM 、汇顶科技指纹识别方案、士兰微MEMS传感器、墩泰科技TFT-LCD驱动芯片、格科微电子CMOS图像传感器芯片、中星微电子智能SVAC。

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华为海思麒麟系列芯片

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3.4 中国芯片制造发展

中国是全球最大的芯片制造代工厂基地,但国内芯片制造企业多为外资或中外合资,在生产技术、设备上存在一定的对外依赖性。只有上海华虹、西安微电子技术研究苏和武汉新芯是具有自主知识产权的本土企业。目前三星(中国)可生产10nm级制程工艺的NANDFlash、中芯国际仅实现28nm;SK海力士(中国)8英寸和12英寸芯片,中芯国际和新芯具有12英寸芯片生产线,和舰科技仅有8寸晶圆生产线、华润微电子仅有6-8英寸晶圆生产线;大连英特尔(大连)可实现300mm晶圆生产、华虹仍停留在上一代200mm晶圆生产水平;台积电(中国)和中芯国际均可提供0.35-0.18微米晶圆生产线。大部分芯片制造企业生产所用的核心设备光刻机均由ASML供货,中芯国际已于2018年5月下单EUV光刻机用来研发更先进的芯片制造技术。该光刻机有望在2019年交付,可以支持生产最先进的7nm级制程的芯片。

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3.5 中国芯片封测发展

台湾是专业代工封测实力最强的区域,以日月光为代表的封测企业在全球上市场份额占有率较高。中国大陆企业增速相对更快,近年来通过内生发展与外延并购实现营业收入快速增长,已经成为全球封测产业重要力量。与此同时,国内紧跟国际技术发展,在硅通孔技术、倒装芯片技术、扇入/扇出型封装、嵌入式封装、SiP等方面发展较为成熟。国内领先的新潮科技在硅穿孔(TSV)封装技术、SiP射频封装技术、MIS封装技术上均有一定优势。

美国对华“芯片禁令”背后的全球芯片产业版图与中国软肋

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3.6 中国芯片产业链分布

从中国芯片产业链各环节的前十企业排行榜来看,芯片产业主要集中在珠三角和长三角地区,其中芯片设计企业以深圳为中心集聚在珠三角地区,芯片制造和芯片封测两个环节则以长三角地区为首。

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3.7 中国芯片发展存在的问题

(1)IP核缺乏

目前IP核心技术主要由国外掌握,国内IP核产品有限,因此在发展IP和获得IP使用权上困难重重。主要瓶颈有以下几点:一是企业自主创新能力弱,国内IP核开发存在从无到有的跨越障碍;二是IP核交易成本高、不规范,需要建立一个公允的IP交易体系,形成一套符合国内产业现状的IP商业(授权)模式,降低国内IC设计企业在先期承担高昂的IP使用成本的压力和风险;三是缺乏统一的IP质量标准体系和质量评测体系,IP质量标准和评测体系使IP核的开发过程有标准可依,对IP核质量起到监督的作用,使企业使用IP核有衡量的标准,增强IP核的可重用性,可移植性;四是缺乏技术支撑平台和相关法律保护体系。

(2)芯片设计能力弱

目前我国自主设计的芯片产品已涉及了CPU/DSP、高档IC卡、数字电视(DTV)和多媒体、手机以及信息安全等六大领域,但限于资金、人才和市场等方面原因,绝大多数中国芯片设计公司目前正在从事中低端消费电子芯片的设计,应用市场集中在玩具、钟表、和家电产品之中。竞争压力、技术落后、资金匮乏导致大多数芯片设计企业没有能力也不愿意进行投资巨大的高端芯片设计。

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(3)芯片制造、封测水平存在差距

目前全球领先的芯片制造商已进入10纳米量产时代,三星、英特尔、台积电等已开始布局7纳米的量产。而我国大陆制造商仍处在28纳米量产阶段,14纳米工艺还在推进,制造工艺落后国际同行两代。国内芯片制造、封测水平与国际领先水平存在一定差距的主要原因在于大陆地区制造工艺、生产设备都依赖台资、外资。

由于西方国家对华技术封锁的《瓦森纳协议》,高精度光刻机一向不对华出口。但此次中芯国际进口EUV光刻机打破了这一惯例,使得国产芯片有望追上和国际领先水平的差距。但是作为芯片制造最核心的技术——光刻机的生产,国内光刻机水平与国外ASML差距明显。据国研智库产业经济研究院研究员李伟溪介绍,目前我国处于技术领先的上海微电子装备有限公司(SMEE)已量产的光刻机中性能最好的是90nm光刻机,与目前国际厂商常用的ASML14nm光刻机和最先进的7nmEUV光刻机差距巨大。在光刻机技术方面,目前中科院长春光机研究所已经突破了22nm的EUV光刻机技术,但是距离产品量产还有一定距离。但这项技术的突破意义仍然巨大,相信在此次ASML能够突破《瓦森纳协议》的限制对华出口EUV光刻机,与国内在EUV光刻关键技术领域的快速进步无关系。

【参考文献】

1资料来源:Gartner研究报告(2018) http://www.21ic.com/news/ce/201801/749829.htm

2 资料来源:IC Insights研究报告(2016) http://tech.hqew.com/news_1718873

3 资料来源:Gartner研究报告(2014)http://www.eepw.com.cn/article/266414.htm

4 资料来源:Gartner研究报告(2016) http://www.360doc.com/content/17/0305/15/36367108_634170467.shtml

5 资料来源:Gartner研究报告(2016) http://www.360doc.com/content/17/0708/12/44583803_669796161.shtml

6 资料来源:Gartner研究报告(2016)http://www.qianjia.com/html/2018-04/23_290055.html

7 资料来源:中兴大城咨询整理

8 资料来源:中国半导体市场年会(2018)http://www.csia.net.cn/Article/ShowInfo.asp?InfoID=73879

9 资料来源:中国半导体市场年会(2018)http://www.csia.net.cn/Article/ShowInfo.asp?InfoID=73879

10 资料来源:中国半导体市场年会(2018)http://www.csia.net.cn/Article/ShowInfo.asp?InfoID=73879

11 资料来源:中兴大城咨询整理


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