國(guó)產(chǎn)芯片的歷史性機(jī)遇（上）

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2022-05-24 13:36:58 5

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，是電子產(chǎn)品的核心。根據(jù) IC Insights，半導(dǎo)體按產(chǎn)品劃分，分為集成電路（IC）、分立器件（二極管、晶閘管、功率晶體管等）、光電器件（光傳感器、圖像傳感器、激光發(fā)射器等）和傳感器（壓力傳感器、溫度傳感器、磁場(chǎng)傳感器等）/集成電路通常可分為模擬集成電路和數(shù)字集成電路兩大類(lèi)：

模擬集成電路主要是指由電阻、電容、晶體管等組成的模擬電路集成在一起用來(lái)處理連續(xù)函數(shù)形式模擬信號(hào)（如聲音、光線(xiàn)、溫度等）的集成電路，包含通用模擬電路（接口、能源管理、信號(hào)轉(zhuǎn)換等）和特殊應(yīng)用模擬電路；

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數(shù)字集成電路是對(duì)離散的數(shù)字信號(hào)（如用 0 和 1 兩個(gè)邏輯電平來(lái)表示的二進(jìn)制碼）進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算的集成電路，其基本組成單位為邏輯門(mén)電路，包含存儲(chǔ)器（DRAM、Flash 等）、邏輯電路（PLDs、門(mén)陣列、顯示驅(qū)動(dòng)器等）、微型元件（MPU、MCU、 DSP）。

常見(jiàn)的模擬集成電路通常包括各種放大器、模擬開(kāi)關(guān)、接口電路、無(wú)線(xiàn)及射頻 IC、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片、各類(lèi)電源管理及驅(qū)動(dòng)芯片等，其設(shè)計(jì)主要是通過(guò)有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)師進(jìn)行晶體管級(jí)的電路設(shè)計(jì)和相應(yīng)的版圖設(shè)計(jì)與仿真；

與此相對(duì)應(yīng)的數(shù)字集成電路通常包括 CPU、微處理器、微控制器、數(shù)字信號(hào)處理單元、存儲(chǔ)器等，其設(shè)計(jì)大部分是通過(guò)使用硬件描述語(yǔ)言以基本邏輯門(mén)電路為單位在 EDA 軟件的協(xié)助下自動(dòng)綜合產(chǎn)生，布圖布線(xiàn)也是借助 EDA 軟件自動(dòng)生成。

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半導(dǎo)體設(shè)計(jì)商業(yè)模式

集成電路行業(yè)經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，在產(chǎn)業(yè)分工不斷細(xì)化的背景下，行業(yè)的商業(yè)模式逐漸從原有單一的 IDM 模式轉(zhuǎn)變?yōu)?IDM 模式、 Fabless 模式并存的局面。IDM 模式即垂直整合制造模式，是指企業(yè)除了進(jìn)行集成電路研發(fā)之外，還擁有專(zhuān)屬的晶圓、封裝和測(cè)試工廠(chǎng)，其業(yè)務(wù)范圍垂直涵蓋了集成電路的各個(gè)環(huán)節(jié)。Fabless 模式即無(wú)晶圓生產(chǎn)線(xiàn)集成電路設(shè)計(jì)模式，是指企業(yè)只從事集成電路設(shè)計(jì)和銷(xiāo)售，其余環(huán)節(jié)分別委托給專(zhuān)業(yè)的晶圓代工廠(chǎng)、封裝測(cè)試廠(chǎng)完成。

1987 年臺(tái)積電成立，僅提供晶圓代工服務(wù)，促進(jìn)了 Fabless 模式的形成。晶圓代工廠(chǎng)的發(fā)展促進(jìn)許多芯片公司走向輕資產(chǎn)化，相應(yīng)生產(chǎn)環(huán)節(jié)交給臺(tái)積電和中芯國(guó)際等代工廠(chǎng)完成，這些芯片公司將業(yè)務(wù)集中在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和產(chǎn)品銷(xiāo)售上。Fabless 模式已經(jīng)成為集成電路產(chǎn)業(yè)里一種普遍及重要的模式。IDM模式為集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展較早期最為常見(jiàn)的模式，但由于對(duì)技術(shù)和資金實(shí)力均有很高的要求，因此目前只為少數(shù)大型企業(yè)所采納，如英特爾、三星、德州儀器、意法半導(dǎo)體等。

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半導(dǎo)體設(shè)計(jì)基本流程

集成電路設(shè)計(jì)指在一塊較小的單晶硅片上集成許多晶體管及電阻、電容等元器件，并按照多層布線(xiàn)或遂道布線(xiàn)的方法，將元器件組合成完整的電子電路的整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程。集成電路設(shè)計(jì)是一門(mén)非常復(fù)雜的專(zhuān)業(yè)，而電腦輔助軟件的成熟，讓 IC 設(shè)計(jì)得以加速。在 IC 生產(chǎn)流程中， IC 多由專(zhuān)業(yè) IC 設(shè)計(jì)公司進(jìn)行規(guī)劃、設(shè)計(jì)，像是聯(lián)發(fā)科、高通、 Intel 等知名大廠(chǎng)，都自行設(shè)計(jì)各自的 IC芯片，提供不同規(guī)格、效能的芯片給下游廠(chǎng)商選擇。

芯片設(shè)計(jì)流程示意圖

芯片設(shè)計(jì)詳細(xì)過(guò)程包含制定規(guī)格、設(shè)計(jì)芯片細(xì)節(jié)、畫(huà)芯片藍(lán)圖等步驟，具體如下：

*步：制定規(guī)格。規(guī)格制定首先確定 IC 目的、效能為何，對(duì)大方向做設(shè)定，進(jìn)而察看有哪些協(xié)定要符合，最后則是確立這顆 IC 的實(shí)作方法，將不同功能分配成不同的單元，并確立不同單元間連結(jié)的方法。

第二步：設(shè)計(jì)芯片細(xì)節(jié)。制定完規(guī)格后進(jìn)行設(shè)計(jì)芯片細(xì)節(jié)，使用硬體描述語(yǔ)言（HDL）將電路描寫(xiě)出來(lái)。常使用的 HDL 有 Verilog、 VHDL 等，藉由程式碼便可輕易地將一顆 IC 的功能表達(dá)出來(lái)。進(jìn)一步檢查程式功能的正確性并持續(xù)修改，直到它滿(mǎn)足期望的功能為止。

第三步，畫(huà)出屏幕設(shè)計(jì)藍(lán)圖。在 IC 設(shè)計(jì)中，邏輯合成這個(gè)步驟便是將確定無(wú)誤的 HDL code，放入電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具（EDA tool），讓電腦將 HDL code轉(zhuǎn)換成邏輯電路，產(chǎn)生電路圖。之后，反復(fù)確定此邏輯閘設(shè)計(jì)圖是否符合規(guī)格并修改，直到功能正確為止。

第四步，電路布局與繞線(xiàn)。將合成完的程式碼再放入另一套 EDA tool，進(jìn)行電路布局與布線(xiàn)（Place And Route）。在經(jīng)過(guò)不斷的檢測(cè)后，便會(huì)形成相關(guān)的電路圖（下圖）。圖中可以看到藍(lán)、紅、綠、黃等不同顏色，每種不同的顏色就代表著一張光罩。

常用的演算芯片-FFT 芯片，完成電路布局與繞線(xiàn)結(jié)果

第五步，層層光罩，疊起一顆芯片。一顆 IC 會(huì)產(chǎn)生多張的光罩，這些光罩有上下層的分別，每層有各自的任務(wù)。以 CMOS 光罩示意圖為例，左邊為經(jīng)過(guò)電路布局與繞線(xiàn)后形成的電路圖，每種顏色代表一張光罩。右邊則是將每張光罩?jǐn)傞_(kāi)的樣子。制作時(shí)，便由底層開(kāi)始，逐層制作，完成目標(biāo)芯片。

國(guó)外企業(yè)主導(dǎo)IC設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)

根據(jù) DIGITIMES Research 發(fā)布的 2018 年全球前 10 大無(wú)晶圓廠(chǎng) IC 設(shè)計(jì)公司(Fabless)排名來(lái)看， 2018 年全球 IC 設(shè)計(jì)產(chǎn)值年增 8%，優(yōu)于 IC 封測(cè)與半導(dǎo)體設(shè)備產(chǎn)值的 3%增幅。2018 年全球前十大 IC 設(shè)計(jì)公司中，博通、高通位居前二，營(yíng)收分別為 217.54 億美元、 164.50 億美元，我國(guó)的華為海思以75.73 億美元收入位列第五名， 2018 年同比增長(zhǎng) 34.2%，增速居前十大 IC公司首位。

2018 年全球前十大 IC 設(shè)計(jì)公司

根據(jù) IC Insights 最新數(shù)據(jù)， 2018 年全球前十大模擬 IC 公司中，德州儀器、亞德諾、英飛凌分別以 108.01、 55.05、 38.10 億美元位列前三，德州儀器全球市占率達(dá) 18%，全球前十大模擬 IC 公司 2018 年總收入 360.59 億美元，市場(chǎng)占有率達(dá) 58%。

2018 年全球前十大模擬 IC 公司

根據(jù) Gartner 數(shù)據(jù)顯示， 2018 年全球前十大半導(dǎo)體公司中，三星、英特爾、SK 海力士分別以 758.54 億美元、 658.62 億美元、 364.33 億美元位居全球前三。美光（306.41 億美元）、博通（165.44 億美元）、高通（153.80 億美元）、德州儀器（147.67 億美元）、西部數(shù)據(jù)（93.21 億美元）、意法半導(dǎo)體（92.76億美元）、恩智浦（90.10 億美元）排名后七位。

2018 年全球前十大半導(dǎo)體公司營(yíng)收對(duì)比

2018 年全球半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模達(dá) 4767 億美元，而前十大半導(dǎo)體公司營(yíng)收占全球半導(dǎo)體市場(chǎng)的 59.2%，半導(dǎo)體市場(chǎng)集中度較高。前十大半導(dǎo)體公司中有博通、高通兩家是 Fabless 設(shè)計(jì)公司，其余八家公司均為 IDM 類(lèi)型公司。存儲(chǔ)市場(chǎng)仍然是半導(dǎo)體行業(yè)中占比較大的細(xì)分板塊，約占全球半導(dǎo)體市場(chǎng) 1/3 左右。

據(jù) IC Insights 數(shù)據(jù)顯示， 2018 年 Fabless 的營(yíng)收達(dá) 1139 億美元， IDM 公司產(chǎn)品銷(xiāo)售 3184 億美元。從 2008 年至 2018 年十年間， Fabless IC 公司營(yíng)收從 438 億美元增長(zhǎng)至 1139 億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá) 10%；IDM 公司 IC 銷(xiāo)售從 1784 億美元增長(zhǎng)至 3184 億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá) 6%。

2008-2018 年 fabless 與 IDM 公司產(chǎn)品銷(xiāo)售情況對(duì)比

可以看出，隨著以臺(tái)積電為代表的代工廠(chǎng)模式的發(fā)展， Fabless IC 設(shè)計(jì)公司的增長(zhǎng)速率要明顯高于 IDM 的增速水平，未來(lái)隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、汽車(chē)電子等多種新型應(yīng)用的普及將催生多種新的設(shè)計(jì)需求，相比于傳統(tǒng) IDM， Fabless 的生產(chǎn)周期更為靈活、技術(shù)迭代周期較短，能夠更快的推出匹配市場(chǎng)需求、甚至是推動(dòng)市場(chǎng)進(jìn)步的新產(chǎn)品， Fabless 模式有望繼續(xù)保持快速增長(zhǎng)勢(shì)頭。

全球存儲(chǔ)器市場(chǎng)呈現(xiàn)寡頭壟斷的競(jìng)爭(zhēng)格局。存儲(chǔ)器中以 DRAM 和 NAND 為代表，全球存儲(chǔ)器市場(chǎng)在 2017 和 2018 年隨著消費(fèi)電子及數(shù)字貨幣的興起迎來(lái)了一輪發(fā)展*期，根據(jù)全球半導(dǎo)體貿(mào)易協(xié)會(huì)(WSTS)數(shù)據(jù)顯示， 2018 年全球存儲(chǔ)器市場(chǎng)規(guī)模達(dá) 1580 億美元，同比增長(zhǎng) 27.4%，存儲(chǔ)器占全球半導(dǎo)體市場(chǎng)（4688 億美元）比例達(dá) 33.70%。

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2019 年隨著下游需求放緩，以及供應(yīng)的過(guò)剩，存儲(chǔ)市場(chǎng)下滑明顯，由于存儲(chǔ)市場(chǎng)約占整個(gè)半導(dǎo)體市場(chǎng)的 1/3，因此也將影響 2019 年全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)表現(xiàn)， WSTS 預(yù)計(jì) 2019 年全球存儲(chǔ)器市場(chǎng)銷(xiāo)售額將達(dá)到 1356 億美元，同比下降 14%。

根據(jù) DRAM exchange 數(shù)據(jù)顯示， 2018 年全球 DRAM 市場(chǎng)中三星、 SK 海力士、美光全球市占率分別達(dá)到 44%、 29%、 22%，三家公司合計(jì)占全球市場(chǎng)的 95%，全球 DRAM 市場(chǎng)基本為三家壟斷；

而全球 NAND 存儲(chǔ)市場(chǎng)整體上集中度稍低于 DRAM 市場(chǎng)，但是仍然為幾大 IDM 龍頭所掌控，三星、東芝、美光、西部數(shù)據(jù)、 SK 海力士、英特爾的市場(chǎng)占有率分別為 35%、 19%、 13%、15%、 10%、 7%，前六家公司合計(jì)全球市占率高達(dá) 99%，其他參與者很難進(jìn)入該市場(chǎng)。

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國(guó)產(chǎn) IC 設(shè)計(jì)快速崛起

我國(guó)集成電路市場(chǎng)保持快速發(fā)展，集成電路設(shè)計(jì)占比不斷提升。我國(guó)集成電路市場(chǎng)從 2008 年的 1006 億元，快速上漲至 2018 年的 6532 億元， CAGR高達(dá) 20.55%；我國(guó)集成電路設(shè)計(jì)產(chǎn)值從 2008 年的 235 億元，增長(zhǎng)至 2018年的 2519 億元， CAGR 高達(dá) 26.77%，高于集成電路產(chǎn)業(yè)增速，且集成電路設(shè)計(jì)占行業(yè)比重由 2008 年的 18.86%增加至 2018 年的 38.57%。

我國(guó)集成電路市場(chǎng)銷(xiāo)售額及設(shè)計(jì)占比情況

從我國(guó) IC 設(shè)計(jì)公司的數(shù)量上來(lái)看，近些年公司數(shù)量增長(zhǎng)迅猛。從 2010 年的582 家公司，迅速增長(zhǎng)至 2018 年 1698 家。

另外中國(guó)銷(xiāo)售過(guò)億 IC 公司增長(zhǎng)明顯， 2012 年共計(jì) 97 家公司銷(xiāo)售過(guò)億，到 2018 年已經(jīng)有超過(guò) 200 家公司銷(xiāo)售過(guò)億。我國(guó) IC 設(shè)計(jì)公司無(wú)論是從數(shù)量還是質(zhì)量都有著顯著的提升，這也是我國(guó) IC 設(shè)計(jì)增速較快重要因素。

根據(jù) Trend Force 的數(shù)據(jù)顯示， 2018 年我國(guó)前十大 IC 設(shè)計(jì)公司中華為海思以 503 億元的收入高居榜首，同比增長(zhǎng) 30%。紫光展銳、北京豪威（韋爾股份收購(gòu)）以 110 億元、 100 億元的收入分居第二、三位。前十大 IC 設(shè)計(jì)名單中，還包含了以光學(xué)指紋識(shí)別為核心業(yè)務(wù)的匯頂科技，以 Nor Flash 及 MCU為核心的兆易創(chuàng)新等優(yōu)質(zhì)上市公司。

2018 年中國(guó)前十大 IC 設(shè)計(jì)公司

2018 年我國(guó)集成電路進(jìn)口產(chǎn)品分類(lèi)中，存儲(chǔ)器仍然是*大進(jìn)口產(chǎn)品，占比高達(dá) 36%，模擬/功率產(chǎn)品達(dá) 15%，手機(jī)主芯片、電腦 CPU 占比分別為 12%、8%。當(dāng)前我國(guó)集成電路市場(chǎng)仍然以國(guó)外進(jìn)口為主，國(guó)產(chǎn)化率較低，在 DRAM、NAND 存儲(chǔ)器及電腦、服務(wù)器 CPU 等方面國(guó)產(chǎn)化率為零，我們認(rèn)為隨著我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，我國(guó)在集成電路高端領(lǐng)域?qū)?huì)有顯著提升，未來(lái)集成電路產(chǎn)業(yè)進(jìn)口替代市場(chǎng)空間巨大。

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