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芯片产业观:五大维度深度剖析行业现状

2018-05-18 10:43

1.找寻中国芯的成长土壤

一道禁令,一段往事,一场博弈,中兴事件敲醒了落后世界20多年的中国芯片产业,这场漫长的沉睡似乎在事件发酵的27天里才真正进入清醒。

颇有讽刺意味的是,当特朗普充满善意的推特让事件峰回路转的那刻,业界大部分人仍然为中兴即将迎来新的重生感到欣慰。

回光返照?大难不死?赦过宥罪?此刻的任何说法,都不能从真正意义上掩盖中国芯片之痛。

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此刻,中国芯片产业的孕育、创新、成长历程形成多种问号在关注者的脑海中不断涌现,而与中国芯发展路径相映衬的,则是每一细分领域中腾腾升起的宏伟蓝图与激情,这番图景对于整个IT供应链的影响,远比事件的波澜,来得更为深远。

众所周知,对中国来说,芯片制造能力几乎在短时间内不会在资本、人才以及生态上形成任何竞争力。

据数据统计,美国前十大半导体设计公司年收入占全行业比例超过90%,台湾超80%,但反观国内芯片发展态势,45.9%从起跑线上就已经落败。而且2016年中国集成电路涉及企业从736家暴增至1362家,2017年增速回落,但总量也达到了1380家。

其中的缘由无外乎几点:1、人才梯队没有有效形成规模,曾有观点这样认为,即使将世界最先进的生产线搬到国内,也没有人才能够真正让芯片生产形成规模,因为这一技术密集型产业太需要积累,也同样需要深厚技术沉淀;

2、芯片全生命周期服务链条断档,众所周知,芯片技术在设计、制造、封装以及生态上需要全方位的协作,任何一个环节的滞后都会影响芯片技术在整体上的性能表现,而中国芯片产业恰恰缺少这样的完备链条;

3、资本规模没有跟上,尽管大有大基金的雄厚支持,小有小的民间资本参与,无论是应用型的AI芯片,或是产品级的手机芯片,能够撑起一片天的独角兽寥寥无几,事实证明,多年的资本倾入,仍然没能改变半导体基础产业弱势的现状。

事实上,巩固和强化芯片产业,本文无意从产业数据上进行剖析,而是强调不能脱离芯片在细分领域的应用与布局看问题,因为未来的芯片产业的发展正在受到包括AI、物联网、计算、存储以及云服务的影响,尽管他们的形态趋同,但是在应用落地以及效果上确有着不一样的个性与魅力。

例如网络芯片,其必须满足飞速增长的网络带宽处理需求。但伴随着国家战略层面对网络通信基础设施和网络安全自主能力的重视,网络设备的芯片国产化已经开始,像中科网威推出的安全产品内置国产申威芯片,华为的路由器和家用无线路由器也采用了自主的华为海思芯片;

再例如国内物联网芯片提供商-华为海思、中芯国际、台积电(台湾)、华虹宏力、展讯、联发科(台湾)、华润微、联芯科技等公司都纷纷扩大布局,在设备、组件和软件开发方面的加强创新;

聚焦到存储芯片,则有长江存储量产首款国产32层3D NAND闪存芯片(64G),其在做进一步准备的同时,预计在2019年64层3D NAND闪存(128G)能够实现规模化生产。

中国心,中国芯,我们从围绕各个领域芯片的成长步伐,可以看到中国芯片产业的发展图景,颇有内心奋起,拳拳之意的坚定,基于此,我们不妨走入细分行业,一窥究竟。

2.网络芯片国际品牌占鳌头 国产奋起

国产芯片的话题,又被提至风口浪尖。国产芯片行不行?其实性能并不差。为什么不行?国产芯片设计能力存在短板,芯片制造业表面看起来发展迅速但主要为海外客户加工芯片。而国产芯片厂商在设计上缺少关键IP核的设计能力,SoC设计严重依赖第三方。但最重要的是市场和生态不足以支撑其应用。下面我们来看看在网络通信设备方面,国产芯片的现状吧。

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国产芯片备受关注

国内的芯片产业一直以来是政府重点支持的产业,在已经公布的2017年度财报中,国产芯片概念股厂商在2017年获得的政府补助金额大多数在1000万元以上,甚至有些厂商获得了过亿元的补贴。但许多国产芯片厂商靠政府补贴度日,除去政府补贴后连续几年都处于亏损状态。

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路由器也有处理器支撑

路由器、交换机这些设备在互联网时代,已经是不可或缺的基础设施。当下云计算、大数据的兴起,让数据中心的建设呈爆发式增长,更需要路由器、交换机这些网络设备的支持。或许在生活中这些设备并没有得到你的关注,但其实我们发出的每一条微信,打开的每一条微博,观看的每一个视频都离不开路由器和交换机的传输。

路由器可以说是互联网中的枢纽,它不仅可以连通不同的网络,还可以选择数据传送的路径,并且能够阻隔非法访问。作为IP网络的核心设备,路由器的技术已经成为现在信息产业的重要技术,它在数据通信中起到的作用也越来越重要。而交换机则是一个扩大网络的器材,能为子网络中提供更多的连接端口,以便连接更多的计算机。

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高端路由器的芯片不容小觑

国产芯片的话题再次走到风口浪尖,那么在网络设备领域中国产芯片的应用现状如何呢?答案是,网络设备中国产芯片寥寥无几,依旧是国际大厂的天下。博通、博科、Marvell、摩托罗拉、诺基亚、爱立信、阿尔卡特、英特尔,在运营商和企业级的产品中,基本被这些国外品牌占据。

和CPU芯片不同,网络处理器芯片涉及网络通信、微电子、处理器架构等多个领域,设计难度很大。同时,其性能必须满足飞速增长的网络带宽处理需求。但伴随着国家战略层面对网络通信基础设施和网络安全自主能力的重视,网络设备的芯片国产化已经开始。像中科网威推出的安全产品内置国产申威芯片,华为的路由器和家用无线路由器也采用了自主的华为海思芯片。

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华为海思的路由器芯片

国产芯片已经有了,而且性能并不差,但为什么还是听不到它的声音?关键是没有生态支持。芯片要是被比喻成大脑的话,那么操作系统和软件就是魂魄,失魂落魄也不行。没有整机供应商的量、没有用户等,便浪费了芯的魂魄,使之成为无人之芯,无载体的灵魂。像刚才提到的两家厂商,不止自己做芯片,更能够推出搭载国产芯片的设备,并推向市场应用。

国产芯片产业的提升,不仅仅是需要一个芯片。更是需要一个操作系统与软件共同支撑、OEM厂商市场宣传用户应用支持的生态。要培养出这样一个生态环境,投入的资金更是巨量的。想要网络设备的芯片拥有更多国产化产品,需要大量资本资本投入国产芯片技术之后再投入整机市场、用户的行业生态构建与发展。

3.AI芯大爆发并不能帮中国弯道超车

市场研究咨询公司Compass Intelligence发布了2018年度全球AI芯片公司排行榜,在全球前24名的AI芯片企业中,中国公司占据7个席位。

根据榜单,英伟达(Nvidia)、英特尔(Intel)以及IBM分列前三甲,华为排名12名,成国内最强AI芯片厂商。剩余6家公司分别为联发科(MediaTek)、Imagination、瑞芯微(Rockchip)、芯原(Verisilcon)、寒武纪(Cambricon)、地平线(Horizon)。

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国内AI芯片产业的迅速发展,引起了广泛热议和关注,部分媒体鼓吹中国凭借AI芯片便能在芯片行业实现弯道超车。在笔者看来,这样的结论存在过度炒作行为,AI芯片的爆发,距离中国成为芯片强国差之甚远。

AI芯片无颠覆性的技术

目前,AI芯片主要以CPU、GPU、FPGA、 ASIC为主,如英特尔AI芯片属于CPU,英伟达属于GPU,阿尔特拉属于FPGA,寒武纪和地平线属于ASIC,其中,CPU和GPU属于通用型,FPGA和 ASIC属于专用型。

相比CPU,GPU具有明显的数据吞吐量和并行计算优势, 最早被用于 AI 计算,广泛应用在数据中心中。FPGA 因灵活性和效率上的优势,在 2015 年后异军突起,适用于虚拟化云平台和预测阶段,ASIC 芯片因其比 FPGA 芯片具备更低能耗和更高计算效率,适用于人工智能平台和智能终端领域的特性。但是和FPGA芯片一样,不具备批量生产优势,也就是说没有价格优势。

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AI芯片快速发展的同时面临着严峻现实问题。因为应用场景不同,在算法上也不能通用,无法固定,所以算法和应用仅处于一一对应阶段,没有像CPU一样的通用算法芯片。在架构上,目前是CPU+GPU、CPU+FPGA、CPU+ASIC组合。

AI芯片要想发展,必需随场景不同而变化,这是AI芯片架构发展的挑战。

在当前应用场景中,AI芯片更多起到优化现有应用的作用,一方面是基于微处理器,优化网络神经计算,提高语音、图片等识别速度。如启英泰伦研发的CI1006 AI芯片,集成脑神经网络处理硬件单元,专供语音识别,提升智能语音识别响应及控制速度,实现单芯片本地离线大词汇量识别。华为在海思麒麟970处理器中搭载寒武纪AI芯片,运用于Mate 10手机中,在图片识别速度上明显提升。

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另一方面,AI芯片可运用于人工智能专业领域,如医疗、教育、安防和监控等。如在医疗领域,提升诊断效率,解决医疗资源短缺;在安防监控上,进行危险行为识别、人物跟踪等。

据统计,2017年AI芯片市场规模为7亿美元,预计到2022年达到490亿美元,年均增长率90%。另一组数据,仅2017年,全球芯片产值超过3900亿美元,其中近50%的销售额被前十大芯片制造商瓜分。AI芯片市场需要到2021年才能达到2017年芯片市场的零头。

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中国在芯片市场上拥有庞大的需求量,占全球芯片需求量的50%以上,某些应用芯片占到70%-80%,而国产芯片只能供给8%左右,据统计,2016年中国在芯片进口额为2300亿美元。

在芯片的原材料和装备上,日本占据部分化学试剂全球60%以上的市场。韩国擅长存储器产品,台湾地区专业代工。作为半导体发源地的美国,具有深厚的技术和创新实力。在中兴事件中,虽然中兴只有25%-30%的零部件来自美国供应,但手机芯片、基带芯片、射频芯片和存储芯片等核心零部件均依赖美国。

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结语:中国在AI芯片发展上位于全球第一列队是件值得自豪的事,但国人更需理智看待芯片行业,中国要想在AI芯片领域赶超国际对手,必须在一个垂直领域做得非常深,在硬件开发上进行生态培育,在架构上实现颠覆性技术并应用于产业。再放眼整个芯片行业,国家的资金扶持和商业资本的关注,为芯片行业带来发展机遇。未来的3-5年里,是国产芯发展的关键期。

4.物联网芯片:成中国“芯”破局关键

在网络技术高速发展的当下,万物互联时代逐步开启,物联网(IoT)自然成为各方角力争夺的新战场。在物联网的世界里,人与人、人与物和物与物之间能够快速、智能地实现信息交互和通信,进而获得更为便捷的生活体验。

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据市场调研公司ABI Research预计,在2020年通过物联网进行无线连网的设备总数将达到300亿台,而且大部分增长将来自于智能移动设备。其中,网关或感应器类型的设备将占到物联网全部设备中的60%,但是个人连网移动设备仍将是物联网的重要组成部分。

在物联网技术、应用的带动下,其相关芯片产业也将获得蓬勃发展,甚至将成为中国“芯”领域成功破局的关键。根据市场研究机构IC Insights发布的最新报告指出,物联网和汽车应用将成为2016-2021年间带动芯片销售成长最主要的因素。

在此期间,物联网芯片销售额的复合年增长率(CAGR)有望达到13.2%,而车用芯片的复合年增长率则可达到13.4%。同期整个半导体行业的市场规模也会提升7.9%。

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2016-2021年物联网芯片销售额的复合年增长率(CAGR)有望达到13.2%

2017年,与物联网相关的集成电路销售额增长14%,达到了145亿美元。2018年,物联网终端应用的集成电路销售额预计将增长16%,预计可达到168亿美元。

物联网是一个庞大复杂的系统,千亿级数量的不同设备对网络连接有着不同的需求,这就让物联网技术在各行业落地带来更多的发展机遇。

在物联网行业的高速发展下,物联网芯片正成为超越PC、手机芯片领域的最大潜力“股”。面对巨大的市场空间,国内外厂商纷纷发力物联网芯片。

目前,主要的国外物联网芯片提供商包括高通、英特尔、ARM、AMD、三星、英伟达、恩智浦、博通、Atmel、Marvell、Cyress等等,而国内物联网芯片提供商则包括华为海思、中芯国际、台积电(台湾)、华虹宏力、展讯、联发科(台湾)、华润微、联芯科技等公司都纷纷扩大布局,在设备、组件和软件开发方面的加强创新。

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物联网芯片产业格局

不过,物联网领域庞大繁杂,显然单一类型芯片无法满足不断扩大的物联网应用与市场组成。现阶段主要包括有工业物联网芯片、通讯射频芯片、身份识别类芯片、安全芯片和移动支付芯片等等,并且这些领域的物联网芯片需求规模巨大。

由于半导体行业独特的生产制造背景,让其门槛较高,涉及从材料、工艺、生产设备等基础性行业的支持。一旦生产过程中出现任何一个微小失误,就可能引发芯片良率不达标,甚至报废情况,让所有企业投入打水漂。

相对来说,物联网芯片只针对特定的应用场景,就没有那么严苛的要求了,只需深入垂直领域,即使工艺差一些,但通过不断迭代演进,持续积累设计经验,验证产品,单点突破后再横向扩展,还是可以逐步将量做起来的。

具体到现在的物联网行业,如智慧城市、智慧楼宇、智慧农业、智慧水务等等均有巨大需求。而在诸多细分市场上,在系统的基础层都是高度复用的,如传感器、物联网终端内置的MCU、传输层的多种低功耗广域网芯片,以及未来的5G、网关等边缘计算设备用到的中央处理器等等。此外,许多垂直领域都对物联网芯片存在刚需,但还没有性价比合理的解决方案,仍有巨大市场空间等待挖掘。

目前来看,我国半导体产业链虽然总体上还无法与美国抗衡,但一些领域上的差距已越来越小,而在物联网芯片一些领域中则齐头并进甚至开始超越,成为带动整个芯片产业逐个突破的新机遇。

5.潜心研发 国产存储芯片迎发展良机

芯片之伤,这也是存储行业多年思考的问题。其实在前沿技术的研发中,中国的科研院所并不落下风,例如前不久浙江大学信息与电子工程学院赵毅教授课题组研发出的低成本、低功耗的新型存储器,以及一个月前复旦大学微电子学院教授张卫、周鹏带领的团队研发的二维非易失性存储芯片。技术应用站在行业上都是超前的,但是距离规模化量产似乎还“遥遥无期”。

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Samsung 3D V-NAND

存储芯片,可以理解为嵌入式系统芯片在存储行业的应用,从产品化实现可分为ASIC技术和FPGA技术。从应用来看,存储芯片技术多用于企业级存储系统,为访问性能、存储协议、管理平台、存储介质,以及多种应用提供高质量的支持。

如果说存储器是家庭的大门,那么控制器就是家钥匙,只有这两者满足了才能为大数据找到存放的仓库。当前,存储产业在全球IC市场的占比超过33%,如果中国掌握不了自家的钥匙,还谈什么数据安全?然而,要想在芯片领域占领高地,所涉及的方面包括设计、生产、封装、测试,还有材料、编程器件等等,只要单一产业链崛起是行不通的。

近年来,中国在存储器产业的投资力度备受关注。2016年12月,以长江存储为主体的国家存储器基地开工建设,包括三座全球单座洁净面积最大的3DNAND生产厂房、一座总部研发大楼和若干配套建筑,预计项目建成后总产能将达到30万片/月,年产值将超过100亿美元。在长江存储的背后,是国家集成电路产业投资基金(占比24.0933%)、湖北紫光国器(51.0363%)等重磅机构。

2018年4月11日,长江存储正式启动了生产机台迁入作业,为量产首款国产32层3D NAND闪存芯片(64G)做了进一步准备,预计在2019年64层3D NAND闪存(128G)能够实现规模化生产。对此,紫光集团董事长赵伟国信心满满:未来两年内,人们或许就可以看到采用中国国产NAND存储器的智能手机上市。

就像赵伟国所说的,机会来了,一方面是产业投入持续加大,另一方面也是由于半导体制程的演进使得摩尔定律在存储行业似乎“失效”了。在14nm之后,NAND Flash芯片在存储容量、良品率、成本、价格等方面陷入了困境,3D NAND的出现恰逢其时,为中国存储器行业提供了弯道超车的机会。简言之,3DNAND可以将原本平铺的储存单元进行堆叠,形成多层结构提供容量,使原本只有1层的储存单元堆叠成64层甚至更多。更重要的是,其工艺制造技术有时会跑在处理器的前面。

从技术层面来说,半导体光刻在2D向3DNAND转型的过程中可以沿用,也就是说中国无需再花时间去研制新的生产工艺。从资本层面来说,3D NAND生产线前期需要巨额投入,而在大多数工厂都面临资金吃紧的情况下,中国的大力投入为技术攻关提供了源源不断地支持。从存储芯片市场长期被韩国、日本、美国厂商垄断,到国产存储芯片厂商的崛起,困境正在发生转变。

10亿美元,这是一枚32层3D NAND存储芯片的价值,为了它,长江存储投入了1000名研发人员,花费了两年的时间。长江存储预计,2018年下半年就能开始3D闪存生产,初期产能5000片晶圆/月,而武汉基地的设计产能如果可以如期达到30万片晶圆/月,就足以比肩SKHynix、东芝这样的传统豪强。更进一步说,当长江存储在2019年开始量产64层3D NAND闪存的时候,国产存储芯片的水平与三星的差距就能缩短到两年以内了。

随着中国集成电路芯片进口额超过2000亿美元,IC行业的重心向中国市场转移已经成为趋势。不过在这一浪潮之中,我们在工艺水平、良品率、技术实力等方面仍存在相当的距离。同时,考虑到芯片毕竟是上游产业,下沉到行业中还需要软硬件集成商来连接行业客户的需求,使其落地到应用场景中,也只有打通了这条链,才能让芯片的开发、量产、测试进入快速周期,从而形成良性的生态闭环。要知道,三星半导体花了10多年的努力才走到今天,美国经历辉煌后也是靠着美光等企业苦苦迎击着三星和东芝,中国要想实现存储芯片大规模替代进口,唯有潜心研发、布局生态,才会有可持续的发展。

6.至强系垄断服务器芯片 生态瓶颈难突破

服务器芯片哪家强?美国英特尔找至强。这句笔者从某广告语改成的话,充分体现了今天的服务器芯片市场现状。冰冻三尺非一日之寒,这种产业现状已经成为行业内默认的规则,并以此形成了一个完整的、牢固的服务器芯片产业链。

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服务器芯片环境 冰冻三尺非一日之寒

至强处理器在服务器芯片市场份额上占据绝对的控制权。如果有一个潜在客户问服务器厂商的售前工程师:“你家服务器用的什么芯片?”那么,对方给出的答案一定是“V4”或者是“最新的可扩展处理器”。

整个交流过程,不用提到英特尔至强,但是大家默认服务器芯片是采用英特尔至强系。

英特尔一直以Tick-Tock为战略发展标准,即通常在奇数年推出新的制程工艺升级,偶数年推出新的微构架,这样每两年英特尔处理器的制程和微构架就可以提升到一个新的层次。2017年7月12日,一场英特尔至强可扩展(Scalable)处理器在北京发布。不同于之前以E和V代表的代际区别,最新一代变成了铜牌、银牌、金牌和铂金四个类别,囊括在Scalable家族体系中。

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至强可扩展处理器系列

其中用矩阵的模式(也可称为网状环形架构)打通芯片,缩短沟通距离,让两点间不用绕路,从而提升可扩展能力的Mesh架构成为颠覆传统技术的关键。

在铂金系列中,最高为28核。铂金8180处理器单颗CPU可在SGEMM上实现高达3570GFLOPS,在IGEMM上实现5185GFLOPS;AVX-512提供每核多达两个512位FMA单元并行计算。

可以说,英特尔至强处理器垄断了整个服务器市场,准确的说是绝大部分X86服务器市场被英特尔所占据,其他人难插足。

但是今天的服务器市场,显然不满足于一家独大的挤牙膏式产品发布节奏。2018年年初戴尔等品牌服务器开始采用AMD处理器,高通也忙于进军服务器市场。中国在去年宣布未来十年将投资1000亿美元投资做芯片。但很遗憾,这些,依然没有改变服务器芯片市场现状。

龙芯在中国人眼里就是“国产最强”的代名词,无论是跑分,还是性能甚至会超过市场上主流的处理器。搭着“国产”这班顺风车,龙芯赚得了吆喝和资金。龙芯1号在2002年完成研发,主频266MHz。最新的龙芯3号主频达到1GHz,峰值计算能力达到16GFLOPS。

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从沙子到晶圆再到处理器 市场化困难重重

龙芯处理器采用精简指令集MIPS架构,在跑分上遥遥领先,拥有不错的功耗比。但是十五年过去了,除了太空中三颗北斗卫星定位星是采用龙芯芯片在轨运行之外,龙芯在民用市场上几乎完全没有市占率。

类似的情况也发生在申威处理器上,在赢得超算世界冠军后,申威并没有得到普及,也没办法得到普及。问题并不是出在资金上,而是生态问题,是系统、软件整个IT生态兼容问题。

国产芯就是一个大IP,搭上这班列车能够带来不错的收益和市场反响,但毕竟实验室与市场/商业化,还是完全不同的两个概念。有了实验室里的技术成绩,依然需要打造一个芯片生态,完成市场化过程。没有生态,就无法生成价值输出,再好的产品也只是一个无意义的装饰品。

从国内芯片市场来看,除了生态问题之外,成本问题也是一大难题。服务器芯片行业需要思考:在没有生态,没有市场,没有规模效应的前提下,如何控制成本,控制价格与价值之间的定位关系,并实现良性的供求关系?

写在最后,中国芯片产业客观而言确实在用行动证明,国产芯片领域有万亿规模的资本支持,更有千万家本土企业在奋进中成长,这其中有对未来本土芯片技术的信心,更有对行业领域芯片技术发展的憧憬,无论如何,我们愿意从耐心的等待中找到属于中国芯的生命力,坚定有力。

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