集成电路:迎国产替代浪潮,设计领域机会凸显
2018-09-15   人工智能学家

来源:基业长青


▌国内集成电路(IC)市场供需失衡,至2020年国产替代空间可达4000亿元


国内集成电路市场已增至万亿元规模,2020年将达到1.8万亿元


集成电路是半导体产业的核心,国内市场已达万亿元规模。集成电路(IntegratedCircuit,简称IC),也称作芯片,通常可分为存储器、逻辑电路、模拟电路、微处理器四大部分,是半导体产业最核心且技术含量最高的领域,市场份额占到80%以上,国内半导体市场的大部分即为集成电路。


中国作为集成电路下游应用领域的制造大国,对芯片的需求量极大,市场从2000年不足1000亿,到2015年已增至万亿以上,年复合增长率高达17.8%,而据CSIA预测,至2020年,国内集成电路市场规模将接近1.8万亿,保持年复合增速在10%以上。



半导体产业景气持续,中国大陆作为全球最大半导体消费市场,将维持旺盛需求。


半导体产业的发展受下游应用领域的驱动,2017年,在云服务器建设的推动下,全球半导体市场突破4000亿美元大关,而据WSTS预测,随着汽车电子、AI、5G、物联网、云计算、大数据等下游创新应用领域大量涌现并蓬勃发展,半导体产业将持续景气行情并在今后维持着接近10%的年增长,全球市场也有望于2020年突破5000亿美元。


中国作为消费电子等下游应用领域的制造大国,是全球最大的半导体消费市场,对半导体的需求量极大,自2014年起便常年占据全球市场的60%以上,2017年进口高达2601亿美元,已远超同年原油进口(1623亿美元),同时贸易逆差达到1932亿美元。

随着5G、新兴消费电子、汽车电子、AI、物联网等下游应用领域的进一步兴起,中国对芯片等半导体产品的需求将继续扩大。



国内集成电路自给率仅达10%,提高国产化率势在必行


国内集成电路自给率仅为10%。与国内每年在集成电路产业庞大的市场需求不相符合的是,国内IC的自给率却极低,至2017年才仅达到10%,国内半导体市场每年近2000亿美元贸易逆差的大部分即为集成电路。


核心芯片领域严重依赖进口,亟需突破。国内芯片自给率低的问题在核心芯片领域尤为明显,在计算机、智能移动终端的CPU和存储器等通用芯片,国产占有率几乎为零。


国产替代需求迫切,空间超4000亿元。国内拥有庞大的芯片市场,但不能自主生产,只能每年从国外大量进口集成电路产品,缺少市场的定价权和话语权,导致国内中小企业面临巨大的生存压力,一旦断供,多数企业将难以为继,因此需要国内IC产业迅速发展,以满足国内市场需求。


WSTS预测在2020年中国芯片自给率为15%,而根据国家对集成电路产业发展的规划,要求2020年国内芯片自给率达到40%,届时中国集成电路市场规模将接近1.8万亿元,国产替代空间达4000亿元以上。



IC产业卡位大国崛起的关键节点,提高芯片国产化率势在必行


集成电路产业是信息技术产业的核心,关系着国家的信息安全。集成电路是信息产业的核心和基础,对于国家信息安全的重要性不言而喻,而信息安全已上升到国家安全层面,与经济安全、政治安全、社会安全一道构成国家的整体防线。


然而国内在集成电路产业还存在基础差、起步晚、发展不均衡的问题,与国际巨头企业如英特尔、三星、高通还存在较大差距,在通用CPU、存储器、微控制器(MCU)和数字信息处理器(DSP)等通用集成电路和一些高端专用电路上,还存在多处技术空白。


因此,提高芯片的国产化率将是未来国内集成电路产业发展的重要目标。


中美贸易战,关键领域在芯片。近来,中美贸易战的话题热度很高,从起始到过程可以发现,我国受影响最大的还是在芯片领域。


近期的“中兴事件”仅是冰山一角,国内每年在芯片领域的贸易逆差巨大且长期处于卡脖子的境地,即便是在发展最快、自给率最高的通信芯片领域,我们依然严重依赖进口,并且国内在芯片领域没有话语权将在芯片供应和价格上长期受制于人,因此推动国内芯片企业的发展以早日实现国产替代就成了迫在眉睫的事情。


产业升级离不开芯片产业的发展。改革开放以来,我国经济取得瞩目非凡的成就,现阶段我们的任务是进行产业升级,由大国向强国的转变,发展集成电路等战略新兴产业、实现向制造强国的转变将是新时期我国着力要实现的重大战略目标,有望为我国经济增长提供持久动力。



政策、资本助力芯片产业的国产化进程


国家加大政策支持力度,将IC产业的发展上升到战略高度


中央及地方政府自2014年以来密集推出多项政策,加大力度扶持IC产业发展。


2014年,国务院发布《国家集成电路产业发展推进纲要》,提出设立国家集成电路产业基金(简称“大基金”),将半导体产业新技术研发提升至国家战略高度。2015年,国务院就集成电路产业规划了未来15年的发展技术路线,并初步预测了全球及中国集成电路市场未来的需求规模。


政府在以提高芯片国产化率的基础上对IC产业提出一系列发展规划。国家在集成电路产业发展规划中提出到2020年,IC产业与国际先进水平的差距逐步缩小,全行业销售收入年均增速超过20%,企业可持续发展能力大幅增强;到2030年,集成电路产业链主要环节达到国际先进水平,一批企业进入国际第一梯队,实现跨越发展。


国内成立专项基金,引领资本市场投入IC产业


中央及地方政府纷纷成立专项资金支持半导体产业发展,累计超过5000亿元。国家对IC产业除提供政策支持外还提供规模庞大的资金支持,中央及地方政府分别成立了国家集成电路产业投资基金(简称“大基金”)和地方产业基金来支持集成电路产业的发展。


据估算,“大基金”加上各地方政府产业基金以及吸收的社会资金,整体规模将超过5000亿元,主要投资于集成电路的设计、制造、封测和上游的材料、设备等环节。



大基金一期重点投资重资产的IC制造领域。


国内每年在IC领域的投资额不断增加,到目前为止主要集中在IC制造领域。


截至2017年底,大基金共决策投资62个项目,涉及46家企业,累计项目承诺投资额1063亿元,实际出资794亿元,分别占首期规模的77%和57%,已实施项目覆盖了集成电路设计、制造、封测、材料、设备等各环节,承诺投资占总投资的比重分别是20%、63%、10%、7%。


大基金二期将加大对IC设计业的投资。


目前大基金第二期已在募资中,预计规模将达1500~2000亿元,投资项目也将有所调整。


预估大基金在IC设计投资比重将增加至20~25%,以设计领域的发展带动整个产业链的整体前进,投资对象也将扩大到国家战略和具有发展潜力的新兴应用行业的芯片厂商,如智能汽车、智能电网、AI、5G、物联网等应用领域。


第二期资金开始募集意味着政府对集成电路产业的支持将一如既往,对产业发展的推动将进入新的阶段。



▌高端通用芯片领域国家布局,中小型企业助力中低端芯片国产化


IC产业链各环节发展阶段不同,重点关注设计和专业测试


IC产业一般分为设计、制造、和封测三个部分,通常也包括材料和设备等支撑产业,其中设计是技术含量及利润率相对较高的部分,制造则是资产占比最重、工艺要求最高的部分。


IC产业各环节在国内发展情况不同,其中设计市场最大、增长最快,但核心领域缺失;制造与国外差距较大,国家大力发展;封测发展最快,目前已成世界一流;材料和设备尚处于起步阶段。


可从发展要素、核心竞争力、行业壁垒、国产化进程和驱动力五大维度看国内IC产业各环节的赶超之路。


材料、设备领域与国外技术差距较大,现阶段以国家支持发展为主。


半导体材料和设备方面严重依赖进口,在供需不平衡的情况下,国内通过启动大尺寸硅片项目和重点扶持国内大型设备厂商以实现这两个领域额突破。


材料属于IC产业链的上游,包括硅片、掩模版、光刻胶、电子化学气体、封装基板、陶瓷基板等,广泛用于IC制造和封测,占整个半导体市场的10%左右。


材料最主要的部分是硅片,占比超过30%,当前对用于芯片制造的硅片纯度要求为11个9,全球能提供高纯度、大尺寸(8&12英寸)单晶硅片的厂商极少,市场掌握在几家大厂商手中,前五的供应商占据95%以上的市场,而国内由于技术水平和工艺积累的薄弱性,目前在大尺寸硅片领域属于刚起步阶段。



随着半导体下游应用需求越来越多,硅片供应日趋紧张,2018年年初至今,大尺寸硅片涨价幅度达到20%,依然处于供不应求的状态。


在整个市场环境趋紧的情况下,各硅片厂商优先供应大晶圆厂,国内各中小制造厂和设计公司面临不利的竞争的局面。在此情况下,国内逐步推进多个大尺寸硅片项目,上海新昇的12寸硅片已于今年上半年量产,其他各硅片厂预计今明两年逐步量产。


半导体设备广泛用于IC制造封测环节,包括光刻机、CVD、刻蚀机、离子注入机、切割减薄设备、键合封装设备、测试机、分选机、探针台等等,占整个半导体市场的13%,在半导体生产线上,设备的投资占比较大,约占整个产线投资的75%-80%。


目前设备供应市场高度集中,主要掌握在AppliedMaterials、ASML、LamResearch、TokyoElectron、KLA-Tencor等在欧美日企业手中,全球前十的设备厂商,其销售额占全球的80%,国内的设备销售仅占7%左右。



IC设计领域国外垄断严重,国内发展迅速、加速赶超。


传统IC设计领域目前为欧、美、日、韩及台湾企业所垄断。


据报道,2017年Fabless公司总营收超过1000亿美元,占全球IC销售额的27%。


以地区来看,美国企业的营收最高,占全球Fabless公司营收超过一半,达53%,若算上被新加坡安华高并购的博通,则占比可达60%以上;


台湾IC设计公司营收为全球第二,2017年占比为16%,约与2010年持平,主要企业有联发科等;


中国大陆IC设计领域增长迅猛,2017年占全球营收比重突破一成,达到11%,是2010年的两倍,去年共有十家企业挤进全球IC设计公司前五十名,两家进入前十,分别是海思和紫光展锐以47.15亿美元和20.50亿美元的营收位列第七和第十位,其中海思的同比增长更是达到21%,仅次于NVIDIA和AMD,在Fabless企业中位居第三。



专用芯片领域快速追赶,通用芯片差距较大。


以通信芯片、PC和智能移动终端等应用的CPU和存储器为代表的通用芯片在全球芯片消费市场上仍占主导地位,其芯片设计存在着技术壁垒高、产业集中等问题,目前仅掌握在以Intel、高通、三星为代表的少数企业手中,国内在这些领域,除通信芯片取得一定进展外,其他方面还很薄弱。


在专用芯片领域,国内目前在消费电子、人工智能等应用领域发展较快,主要为MCU、SoC及AI芯片等,未来有望率先实现国产化。


IC制造需国家重资本投入,将缩小与国外差距。


IC制造是人类最顶尖的制造技术,其工艺水平已经达到原子级,也是IC产业链中工艺最复杂、技术壁垒最高、资金投入最大的一个环节。


IC制造至今仍遵循摩尔定律,每18个月左右芯片上所容纳的晶体管的数目翻倍,芯片的制造工艺也越来越精尖,如今最先进的制造工艺当属台积电的7nm制造工艺,而台积电也计划明年量产5nm工艺,其3nm工艺也在研发当中。


国内目前规模最大、技术最先进的当属中芯国际,中芯国际已量产的最先进工艺是28nm,计划明年量产14nm,与台积电在技术节点上差了三代左右。


IC制造的流程非常复杂,涵盖氧化、光刻、刻蚀、离子注入等上百个工艺步骤,其中用到多种材料和设备,材料方面包括硅片、光刻胶、电子化学气体、溅射靶材等,设备方面则包括光刻机、刻蚀机、离子注入机、CVD等,制造过程中所涉及的材料、设备及产线建设使得制造重资产化,一条产线的资金投入在数十亿到上百亿元不等。


IC制造领域目前竞争格局极为稳定,当前市场占比最高的是台积电,占到全球市场的60%,国内规模最大的是中芯国际,营收仅为台积电的10%,全球占比6%,研发投入和毛利率也远远低于台积电。


基于IC制造的技术壁垒高、人才需求量大、资本投入大等特点,该领域难以有新进者,而国内IC制造的发展则是以政府资金为主导扶持包括中芯国际、华虹宏力为主的制造企业,争取缩小与国际大厂的差距。



IC封测已成世界一流,看好专业测试引领行业发展新趋势。


IC封测在整个IC产业链中技术壁垒相对较低,也是IC产业链最先向大陆转移的一部分,而国内不管在政策还是资金上均大力扶持国内封测企业通过并购扩大规模获得先进封装技术。目前国内IC产业链中封测发展最快,已成世界一流,其中长电科技、华天科技、通富微电进入全球前十。


此外,IC测试独立代工的模式将产业更加细分化,减少了资金投入量,直接与设计厂商对接,提升了效率,这一模式将为国内封测行业发展注入新活力。2.2IC设计产值超2000亿元,将维持20%以上的高速增长,引领国内IC产业发展


IC设计营收已超2000亿元,将保持20%以上的年增长。


IC设计相对轻资产,具有投资回报周期短、应用为导向、市场更加多元化等特点。市场偏向于投入短期能见效的领域,由此造成贴近大陆消费市场、轻资产的IC设计产业发展迅速。


近年来IC设计领域增长最快,每年保持着20%以上的高增长。


2005~2014年大陆IC设计、制造、封测环节的复合增速分别为24%、12%、14%。2017年国内IC设计领域营收达2073亿元,涨幅达26%。此外,国内IC设计行业企业数目增加迅速,特别是在2016年,IC设计公司较2015年增加了600多家,达到1362家,2017年增至1380家。



IC设计是IC产业的核心,引领整个产业链的发展。


从集成电路制造流程上看,IC设计处于产业链的上游,是IC制造的关键,所有芯片的制造必须要有完整成熟的芯片设计。


IC设计是芯片制造流程里面利润最高的一个环节,其销售额大约占整个IC产业销售的27%,而且自垂直分工的商业模式成熟以来,IC设计(Fabless公司)由于没有下游资本投入较大、空置风险较高的晶圆制造厂和封装测试厂,其利润率和成本风险远优于其他环节。


目前国内IC设计产业已超越封测成为IC产业链中占比最高的环节。



CPU、存储器等高端通用芯片国家布局,中小企业助力中低端芯片国产化


CPU、存储器等高端通用芯片领域,国外垄断严重,国家作产业布局。


以通信芯片、PC和智能移动终端等应用的CPU和存储器为代表的通用芯片在全球芯片消费市场上仍占主导地位,其芯片设计存在着技术壁垒高、产业集中、市场生态垄断等问题,目前仅掌握在以Intel、高通、三星为代表的少数企业手中,如Intel控制全球90%以上的PC和服务器的CPU供应、高通则占据通信芯片和智能移动终端处理器的大部分市场、三星与少数厂商垄断了存储器的供应。


国内在这些领域,除通信芯片取得一定进展外,其他方面还很薄弱,但已由政府引领,在高端CPU和存储器领域已有几大战线,开始全面布局产业链条。


中小厂商提升定制化服务能力适应市场需求,加速赶超,助力中低端芯片国产化。


IC设计除CPU、存储器等高端通用芯片外,还有一些诸如MCU、SoC等在消费电子、智能家电、汽车电子和物联网领域应用广泛,这类芯片技术门槛相对较低,国内在这些领域的多数是一些中小企业,这类企业开始慢慢积累技术研发实力,并不断提升相应需求和定制化服务能力,以适应新形势下的市场需求。



▌技术研发水平和市场服务能力构成IC设计企业核心竞争力


拥有核心技术和持续研发能力是IC设计企业成长的根本,拥有核心技术和知识产权是IC企业发展的核心竞争力。


IC设计是IC产业链中技术含量相对较高的环节,对技术和人才非常依赖,当今国际芯片巨头公司无不是在相关领域掌握核心技术,控制芯片架构、IP及指令集的供应,进而掌握全球的芯片供应,尤其是集成度高、规模大、运算能力强的芯片产品。


如Intel控制全球绝大部分PC处理器市场,而95%以上移动终端的处理器用的都是ARM的架构和IP。


国内众多芯片公司在研发和生态积累上比较薄弱,因此其芯片产品大多也是用的是国外芯片巨头企业的知识产权,而拥有核心技术和自主知识产权的企业就能在市场上具有较强的竞争力,如寒武纪在AI芯片领域拥有自主指令集并已授权第三方芯片厂商使用,比特大陆更是依赖自己挖矿机芯片的超强算力占领全球70%以上的挖矿机市场。

具备持续研发能力是国内IC设计企业参与市场竞争的基础。随着IC设计成本的增加、摩尔定律趋向极限以及下游应用对芯片产品的要求,传统芯片领域朝着低功耗、低成本、高性能三个方向发展。


如工业控制领域,对芯片的功耗水平要求很高,有些需要芯片在不更换电池的情况下可以稳定地运行十年左右,而在消费电子领域,则对包括芯片在内的各个零部件的成本管控非常严格,再如移动终端领域则对芯片的数据处理能力要求越来越高。


因此,在技术方面具备一定持续研发能力对国内IC设计企业至关重要,把握这些便能在市场上据有一席之地并有机会做到国产替代,甚至成长为巨头企业。



IC设计企业的市场服务能力决定其竞争力


芯片应用场景愈趋广泛,对芯片厂商的需求响应和芯片定制化等市场服务能力要求越来越高。


随着下游应用领域的多样化发展,芯片的应用场景越来越多,对芯片的功能和性能提出更多和更高要求。


就国内情况来看,虽然目前核心领域与国外差距还比较大,但IC设计作为直接与终端应用接触的环节,极为依赖产品的市场表现,在PC、手机市场已经趋向稳定的情况下,随着物联网、汽车电子以及家电智能化等其他方面应用的逐渐开发和落地,将给国内IC产业带来巨大的成长动力和空间,能够满足需求响应和提供定制化服务的国内芯片厂商则有望把握住新兴市场机会。


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