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中國在半導體產業鏈各環節所處位置以及一個彎道超車的產業機會
來源:苦筍與茗 虛舟(略有刪改) | 作者:chnchip | 發布時間: 2020-12-09 | 456 次瀏覽 | 分享到:

       根據中國海關總署數據,2019年我國集成電路進口額度3055億美元,進口金額在中國重點進口商品種類中排名第一


       一、概述


       半導體指常溫下導電性能介于導體與絕緣體之間的材料。常見的半導體材料有硅、鍺、砷化鎵等。,作為集成電路晶圓片的主要制備材料,是各種半導體材料應用中最具有影響力的一種。



       半導體可以分為四類產品,分別是集成電路(也稱之為IC、芯片)、光電子器件分立器件傳感器,后三種統稱OSD。其中規模最大的是集成電路,市場規模達到2,753億美元,占半導體市場的83%。下文說的半導體產業,主要是指集成電路產業。



       全球半導體產業有兩種商業模式,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(無晶圓制造的設計公司)+Foundry(晶圓代工廠)+OSAT(封裝測試企業),另外還有IP核(Intellectual Property Core)提供方等。


       其中設計公司以高通、博通、聯發科、海思為代表;晶圓代工廠以臺積電、格羅方德(美)、聯電(中國臺灣)、中芯國際為代表;封測以日月光(中國臺灣)、矽品(臺灣)、安靠(美)、長電科技(中)為代表。


       二、產業鏈


       半導體產業從產業鏈角度劃分,可分為:材料、生產設備【最上游】;EDA、IP核【上游】;集成電路(芯片)設計、晶圓代工、封裝測試這7個領域。



       1、材料與生產設備


       半導體材料已經發展到第三代。


       第一代半導體材料以硅為代表,主要應用于集成電路的晶圓片和功率器件。


       第二代半導體材料砷化鎵也已經廣泛應用,主要應用于大功率發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體材料,相較前兩代產品性能優勢顯著,憑借其高效率、高密度、高可靠性等優勢,在新能源汽車、通信以及家用電器等領域發揮重要作用。


       半導體材料全球市場規模400多億美金,日美德占主導地位。


       半導體生產設備,包括材料加工設備、晶圓制造設備。我們重點關注晶圓制造設備。


       半導體晶圓制造過程分為7大生產區域:擴散、光刻、刻蝕、離子注入、薄膜生長、拋光、金屬化;相應的,制造過程依賴七大類生產設備:氧化爐、光刻機、刻蝕機、離子注入器、薄膜沉積設備、化學機械拋光機、清洗機。


       其中最具價值的是鍍膜設備、刻蝕設備和光刻機


       光刻機被譽為半導體產業的王冠,世界上技術最先進的公司是荷蘭的ASML,全球市場占有率80%。其最先進的EUV光刻機可以做到7nm和5nm制程,單臺設備售價超過1億美金;國內唯一一家從事光刻機研發制造的公司:上海微電子,目前只能做到90nm的制程(據說2020年年底可生產11nm制程的光刻機)。


       所謂制程,指的是IC內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,當前半導體產業內頂尖工藝(7nm+10nm)占據13%的市場份額,主要用于CPU、GPU等超大規模邏輯集成電路的制造;14nm-28nm工藝占據了34%的市場份額,主要用于存儲芯片制造;MCU/MPU、模擬器件、分立器件和傳感器主要使用40nm以上工藝,占據了剩余的41%市場份額。


       半導體生產設備由于技術難度高,每一種設備基本是前三名壟斷了全球90%的市場,很遺憾,在這個名單里目前還看不到國內廠商的身影。


       值得慶幸的是,這7大類設備,都有中國企業在攻堅,雖然目前體量規模都比較小,但是在技術層面,已經取得多項突破。在某些特定設備上,已經能跟國際壟斷巨頭掰掰手腕了。


       國內生產規模最大的半導體設備廠商:北方華創,旗下產品線涵蓋了沉積設備、刻蝕機、氧化爐和清洗機四大類,為國內最全;


       中微半導體(上海)在LED芯片的MOCVD設備方面,達到國際先進水平。


       國內半導體設備企業中體量規模最大的中電科電子裝備(中國電子科技集團旗下),主攻離子注入機和化學機械拋光機;


       盛美半導體主攻硅片清洗機。


       上海微電子則是唯一研制光刻機的企業。


       當前,國內設備廠商的主要客戶是國內的晶圓制造廠商,如中芯國際、上海華力微、長江存儲、合肥長鑫、杭州士蘭微等。


       國產集成電路制造廠家的規模,直接決定了上游設備廠家的發展。


       2、EDA與IP核


       EDA,即電子設計自動化(Electronics Design Automation),包括電路設計與仿真工具、PCB 設計軟件、IC 設計軟件、PLD 設計工具等。


       芯片制造流程長,成本高昂,容錯率極低,所以在正式生產之前,需要用EDA進行虛擬設計、模擬、仿真。


       EDA軟件在全球不過100億美金的市值,但卻主宰著4500億美金的半導體市場。


       目前EDA設計軟件領域集中度較高,Synopsys(美)、Cadence(美)和MentorGraphics(德)三巨頭占據了EDA設計軟件全球60%以上的市場,在中國的市場占有率95%。國產EDA軟件公司華大九天、廣立微、芯禾科技等,只占國內市場的0.8%。


       國產EDA軟件發展始于上世紀80年代中后期,在“巴黎統籌委員會”的禁運管制下,中國無法買到國外的EDA,只能自研。1991年,國產首款EDA熊貓系統發布原型,1993年正式問世,與國外的商業EDA軟件相比,差距僅在5年左右。


       1994年,“巴統”解散,國外EDA軟件迅速進駐中國市場。在“造不如買”思維的驅使下,大多國內企業選擇使用技術更先進的國外產品。中國自主的EDA軟件發展中道崩殂。


       EDA軟件是基于工藝參數迭代的。只要工藝參數更新,EDA就要更新。代工廠提供工藝設計工具包(PDK),EDA廠家拿到后,根據里面的參數,更新軟件。


       EDA大廠與全球頂尖的代工廠合作緊密,對工藝理解到位。國內EDA公司只能拿到落后的參數,始終處于跟在巨頭后面撿肉渣的追趕者地位。


       強者恒強。純粹靠市場力量,國產EDA很難出頭。


       IP核(Intellectual Property Core)指已經完成邏輯設計或物理設計的芯片功能模塊,通過授權允許客戶將其集成在其芯片設計中,通過流片形成最終的芯片產品。


       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(復雜指令集)兩大類。x86使用的是CISC、ARM使用的是RISC。


       指令集架構,又稱為微架構,是一系列硬件電路,以實現指令集所規定的操作運算。


       Intel的靠與微軟聯合,占據了全球PC市場幾乎100%的份額。x86的IP核以及其所使用的指令集架構是輕易不對外授權的。


        前段時間英特爾停止向國內云計算服務器龍頭公司浪潮提供芯片,浪潮信息股票應聲跌停。


       Arm指令集架構從誕生至今聚焦于低功耗設計,一直在嵌入式領域耕耘。


       在移動互聯網大發展的這幾年,Arm指令集得到了蘋果iOS和Google的Android的支持,成為了事實上的標準。蘋果,高通,三星等國外大廠都選擇了Arm指令集。國內廠商如華為海思,紫光展銳,瑞芯微,全志科技等也通過Arm IP核參與到全球競爭,在手機和平板市場取得了較好的成績。


       在物聯網領域,基于Arm指令集的處理器也占據了主導地位,占據了一半的MCU市場份額。這其中,國外廠商ST,NXP,Infenion等都有基于Arm指令集的產品,國內廠商如兆易創新,同方微電子,大唐微電子,華大半導體等也通過Arm核進入了相關領域,蠶食國外廠商的市場份額。


       ARM生態如此繁榮,就不得不提ARM公司的授權策略:三級授權策略


       結合下面這張圖:



       左邊即指令集架構,右邊是基于指令集架構設計出來的IP核。


       所謂三級授權指的是:


       I、指令集架構的授權。可在此基礎上進行修改,形成自己的一套指令集架構。蘋果就是這么干的,它買來ARM的指令集架構,修改后,形成自己的SWIFT架構,再基于此架構設計了處理器A系列。當然這對硬件設計能力要求很高。


       II、IP核授權。可在此基礎上進行修改,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核設計的芯片,高通稱之為kryo。


       華為海思的麒麟980也是購買的IP核授權,進行了自主修改。


       III、使用級授權。也就是所謂的公版架構。啥都不能改,只能基于買來的核,進行SOC(system on chip,片上芯片)的設計。ARM要求購買公版架構的廠商在自己的SOC上注明,是用到了ARM哪個系列的IP核。


       x86封閉,ARM需要支付授權費用,有沒有完全開源免費的指令集架構,可以拿來做IP核設計,和SOC設計呢?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,是完全開源的,任何設計廠家都可基于它設計自己的IP核、處理器,無需支付授權費。


       PC和服務器,是x86的天下;ARM,則統一了移動領域。RISC-V作為后生晚輩,最有獲勝希望的戰場,在AIot。


       實際上,國內已經問世的RISC-V構架芯片,如華米科技的AI芯片黃山1號、中天微電子的CK902、阿里平頭哥的玄鐵910等,都瞄準的是物聯網這個大市場。


       3、設計、制造、封測


       芯片設計,國內最強是華為海思,毫無疑問。世界第一是高通,二者從營收角度對比,后者大概是前者的3倍強。


       然而,華為海思的設計,還是基于ARM架構。設計使用的EDA軟件,也來自于上文提到的三巨頭。


       制造環節,國內種子選手是中芯國際,依靠國外生產設備,可批量生產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年全年營收31億美元,中國區占比59.5%。


       對比世界第一臺積電。臺積電代工的麒麟990和驍龍865的制造工藝,都已經達到7nm。5nm也在研發中。臺積電19年全年營收364億美元,是中芯國際的10倍。


       在美國禁令下,臺積電斷供華為。中芯國際需要盡快搭建去美化產線,任重道遠。


       封測行業位于半導體產業鏈末端,其附加價值較低,勞動密集度高,進入技術壁壘較低,封測龍頭日月光每年的研發費用占收入比例約為4%左右,遠低于半導體IC 設計、設備和制造的世界龍頭公司。


       封測行業呈現出臺灣地區、美國、大陸地區三足鼎立之態,其中長電科技/通富微電/華天科技已通過資本并購運作,市場占有率躋身全球前十(長電科技市場規模位列全球第三)。


       綜上,在整個半導體產業鏈中,中國在上游的材料、生產設備、EDA、IP核方面,與國際先進水平差別較大,均不同程度受制于人;在中游,設計環節,需依賴國外IP核;制造環節,離臺積電還有很大差距;僅封測環節,占有一席之地。


       從國內龍頭企業營業額與世界第一位的營業額對比來看。芯片設計環節,我國與世界最高水平的差距是3倍,芯片制造環節,差距是10倍,到了芯片生產設備環節,差距來到了60倍。


       三、產業歷史


       如今美國在半導體整個產業鏈各個環節,都具有壟斷優勢。


       上世紀七八十年代,日本的芯片產業一度領先美國。美國在1987年政府牽頭,集合14家美國最大的電子公司,成立了芯片研發聯盟Sematech,并獲得DARPA(美國國防部高級研究計劃局)的大力支持。


       聯盟聚集了全美電子產業最優秀的公司里最優秀的研發人員,再加上充裕的資金,美國的芯片產業在80年代末開始反超日本。


       半導體產業耗資巨大,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,才有足夠的資金進行研發投入,以及廣闊的下游市場以回收成本。


       我國的半導體產業發展,有3個關鍵時間點。


       第一個是2008年的02專項啟動的時間點。政府對IC全領域:材料、裝備、制造、設計進行技術跟蹤和企業補貼。


       第二個是2014年,國家啟動集成電路大基金,截止2017年總計投入資金818億。但也是分散在所有領域,單一領域化下來也沒多少。


       第三個是2018年中興事件,美國斷供中興,導致中興業務停擺三個月。此事件后,芯片國產替代成為舉國上下的共識。


       目前國內規模超100億人民幣的集成電路企業有:華為海思、中芯國際、長電科技、豪威科技、紫光展銳、比特大陸。長江存儲和合肥長鑫潛力很大。


       當下,美國在芯片產業鏈各關鍵環節對我國實行封鎖圍剿,正是我國半導體產業在各重要環節實現國產替代的戰略機遇,相信在國家和龍頭企業的合力下,我們最終可以實現自力更生,產業鏈“內循環”的目標。借用毛主席的一句話:封鎖吧,封鎖個幾年,我們什么都有了。



       其實,除了在主賽道窮追猛進,中國在另外一個賽道,隱隱有彎道超車之勢,那就是AI專用芯片


       四、產業機遇


       芯片產品按照大的領域劃分,可分為簡單的三類:代表過去的通用計算機芯片(CPU);代表現在的以人工智能芯片為主的專用芯片;代表未來的量子計算、光子計算的下一代芯片。


       隨著人工智能的興起,現在計算領域的一個趨勢,就是從通用的CPU解決所有問題,轉為專用芯片處理圖像處理、音頻處理這類計算量更大的任務,把非計算的任務(主要是邏輯處理)交給CPU,也就是所謂的異構計算


       x86架構的CPU,由于技術壁壘和當前已經形成的產業生態,中國很難再突圍。但是隨著移動應用的極大豐富,更適合移動計算的ARM架構的CPU興起,蘋果也發布基于ARM架構的芯片。


       用ARM架構的CPU,搭配人工智能芯片,是中國彎道超車的機會。


       人工智能當前尚處在從感知智能向認知智能過度階段。目前落地程度較高的圖像識別、人臉識別、語音識別都屬于感知智能。


       圖像識別主要使用CNN深度學習算法模型;語音識別、自然語言處理主要使用RNN模型。


       深度學習算法本質上就是矩陣或向量的乘法、加法、指數運算,對算力要求很高,這就催生出專門的芯片,用來處理計算問題。


       因此,AI芯片也被稱之為AI加速器。


       AI芯片領域,我國離國外先進水平也還有一定差距,但是差距沒有傳統芯片領域那么大。


       國內代表企業有寒武紀、比特大陸、華為海思、深鑒科技等


       AI芯片部分內容較多,本文不做展開,后續有機會單獨寫一篇文章介紹。


       主要參考資料:

       寧南山:《未來站在中國這一邊》(書)

       機器之能:這項主宰全球4500億半導體市場的命門,國產率卻不到5%

       王煜全:全球風口-焦慮的中國芯,如何化解?

       虎嗅:ARM中斷合作,華為面臨的機遇和挑戰

       CSDN上面的一些文章

       網上一些公開資料



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