技術(shù)
導(dǎo)讀:全球半導(dǎo)體行業(yè)步入超級(jí)周期、同時(shí)面臨中美科技摩擦、中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)扶持政策力度加大等多因素疊加,前景向好。
全球半導(dǎo)體行業(yè)步入超級(jí)周期、同時(shí)面臨中美科技摩擦、中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)扶持政策力度加大等多因素疊加,前景向好。半導(dǎo)體是信息產(chǎn)業(yè)的明珠,具備技術(shù)密集、資本密集特性和勞務(wù)密集型三個(gè)特點(diǎn),是信息產(chǎn)業(yè)根本所在。近些年來(lái)以來(lái),由于人工智能、可折疊手機(jī)等新興應(yīng)用的崛起,全球半導(dǎo)體行業(yè)進(jìn)入超級(jí)周期。伴隨中美科技摩擦頻發(fā),美方對(duì)中國(guó)投資及核心技術(shù)獲取施加限制,半導(dǎo)體行業(yè)正處于產(chǎn)業(yè)升級(jí)的歷史窗口期。2015 年以來(lái),為縮短半導(dǎo)體行業(yè)與西方發(fā)達(dá)國(guó)家的巨大差距,由中國(guó)政府出臺(tái)產(chǎn)業(yè)政策大力主導(dǎo)推動(dòng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展,積極搶抓集成電路新一輪發(fā)展機(jī)遇。我們著重從計(jì)算類(lèi)、存儲(chǔ)類(lèi)和模擬類(lèi)三大主流半導(dǎo)體的功能、行業(yè)發(fā)展、應(yīng)用領(lǐng)域、頭部公司競(jìng)爭(zhēng)力等多維度闡述全球半導(dǎo)體現(xiàn)狀。
計(jì)算類(lèi)芯片是半導(dǎo)體的核心,經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展呈現(xiàn)出多路徑發(fā)展。CPU不再一枝獨(dú)秀,多種新應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?fù)雜計(jì)算產(chǎn)生強(qiáng)大需求,由此產(chǎn)生專(zhuān)注于圖像處理的芯片GPU;可以靈活編程,大幅縮短開(kāi)發(fā)周期的芯片F(xiàn)PGA;進(jìn)行了定制設(shè)計(jì)優(yōu)化,在特定應(yīng)用場(chǎng)景下功耗及量產(chǎn)成本較低的ASIC 芯片;以及融合數(shù)字信號(hào)處理算法,專(zhuān)用于數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域的DSP 芯片等都得到了廣泛的應(yīng)用。計(jì)算類(lèi)芯片已經(jīng)形成了以CPU、GPU、FPGA、ASIC、DSP 并行發(fā)展的新趨勢(shì),可以預(yù)見(jiàn),隨著未來(lái)5G 通訊、傳感器(MEMS)、可穿戴設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)機(jī)器人、VR/AR 以及人工智能等新興領(lǐng)域市場(chǎng)的發(fā)展擴(kuò)大,對(duì)計(jì)算類(lèi)芯片性能、技術(shù)、能耗等方面的需求將繼續(xù)驅(qū)動(dòng)各種計(jì)算類(lèi)芯片在技術(shù)上得到更加快速的發(fā)展。
美日韓存儲(chǔ)巨頭憑借DRAM、NAND FLASH 技術(shù)和規(guī)模優(yōu)勢(shì)引領(lǐng)存儲(chǔ)芯片行業(yè)。存儲(chǔ)行業(yè)終端用戶(hù)的IT 需求往往是綜合計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)三方面,廣泛分布于所有對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)有需求的各行各業(yè),涵蓋了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的大部分領(lǐng)域,市場(chǎng)規(guī)模和發(fā)展?jié)摿薮?。由于未?lái)以DRAM 和NAND FLASH 為主導(dǎo)的存儲(chǔ)器行業(yè)趨勢(shì)仍將延續(xù),海外存儲(chǔ)器巨頭三星電子、SK 海力士、美光科技、西部數(shù)據(jù)、東芝憑借三個(gè)先發(fā)優(yōu)勢(shì):國(guó)家資本支持,數(shù)量龐大的技術(shù)專(zhuān)利,對(duì)下游終端行業(yè)多年的滲透,仍將繼續(xù)角逐存儲(chǔ)器行業(yè)。
模擬芯片市場(chǎng)的主要增長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)來(lái)自于移動(dòng)終端產(chǎn)品的爆發(fā)。目前模擬IC 的應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在通信、工業(yè)和汽車(chē)三大板塊,隨著目前5G 市場(chǎng)的逐漸擴(kuò)張以及汽車(chē)電子的新發(fā)展,預(yù)計(jì)未來(lái)五年模擬芯片的增長(zhǎng)將成為集成電路細(xì)分市場(chǎng)中最為強(qiáng)勁板塊。模擬芯片市場(chǎng)的廠商集中度很高,德州儀器以其18%的市場(chǎng)占有率遙遙領(lǐng)先于排名第二的亞德諾公司8%的兩倍多。同時(shí),近年來(lái)模擬芯片行業(yè)中的并購(gòu)事件也層出不窮,各大實(shí)力廠商也都希望通過(guò)并購(gòu)快速實(shí)現(xiàn)在新興領(lǐng)域應(yīng)用,比如自動(dòng)駕駛、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等布局,搶占未來(lái)市場(chǎng)。
導(dǎo)讀:最近幾年,半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)風(fēng)起云涌。一方面,中國(guó)半導(dǎo)體異軍突起,另一方面,全球產(chǎn)業(yè)面臨超級(jí)周期,加上人工智能等新興應(yīng)用的崛起,中美科技摩擦頻發(fā),全球半導(dǎo)體現(xiàn)狀如何?全球半導(dǎo)體的機(jī)會(huì)又將如何?我們將用一系列報(bào)告介紹半導(dǎo)體的全球發(fā)展現(xiàn)狀以及中國(guó)地區(qū)方面半導(dǎo)體的發(fā)展情況。本篇報(bào)告將從半導(dǎo)體的功能分類(lèi)來(lái)介紹全球半導(dǎo)體基本發(fā)展現(xiàn)狀。
1.1 半導(dǎo)體歷史沿革
芯片是一種微型電子器件或部件。采用一定的工藝,把一個(gè)電路中所需的晶體管、電阻、電容和電感等元件及布線互連一起,制作在一小塊或幾小塊半導(dǎo)體晶片或介質(zhì)基片上,然后封裝在一個(gè)管殼內(nèi),成為具有所需電路功能的微型結(jié)構(gòu);其中所有元件在結(jié)構(gòu)上已組成一個(gè)整體,使電子元件向著微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面邁進(jìn)了一大步。
自從1958 年德州儀器發(fā)明出世界上第一塊集成電路以來(lái),集成電路迅猛發(fā)展,歷史上大致從西從東形成轉(zhuǎn)移。從上世紀(jì)50 年代發(fā)展至今,集成電路大體經(jīng)歷了三次產(chǎn)業(yè)變遷,分別是:在美國(guó)發(fā)明起源—— 在日本加速發(fā)展——在韓國(guó)、中國(guó)臺(tái)灣分化發(fā)展。
縱貫全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的時(shí)間軸,可以劃分出七大時(shí)間節(jié)點(diǎn):20 世紀(jì)40-50年代晶體管時(shí)代及IC 的誕生,原始計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和軍工的大量需求催生了最初的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè);60 年代基于硅的電路設(shè)計(jì)逐步發(fā)展起來(lái),使得集成電路制造進(jìn)入量產(chǎn)階段,IC 進(jìn)入了商用階段;70 年代個(gè)人計(jì)算機(jī)出現(xiàn),大規(guī)模集成電路進(jìn)入民用領(lǐng)域;80 年代PC 普及,整個(gè)行業(yè)基本都在圍繞PC 發(fā)展,特別是半導(dǎo)體內(nèi)存和微處理器,行業(yè)進(jìn)入民用階段;90 年代PC 進(jìn)入成熟階段;21 世紀(jì)前10 年互聯(lián)網(wǎng)大范圍推廣,網(wǎng)絡(luò)泡沫和移動(dòng)通訊時(shí)代來(lái)臨,消費(fèi)電子取代PC 成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)新驅(qū)動(dòng)因素;2010 年至今大數(shù)據(jù)時(shí)代到來(lái),半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了增速放緩逐步進(jìn)入成熟。
集成電路技術(shù)的發(fā)展一直遵循摩爾定律,高登·摩爾就是摩爾定律創(chuàng)始人。摩爾定律指出:當(dāng)價(jià)格不變時(shí),集成電路上可容納的元器件的數(shù)目,約每隔18-24 個(gè)月便會(huì)增加一倍,性能也將提升一倍。換言之,每一美元所能買(mǎi)到的電腦性能,將每隔18-24 個(gè)月翻一倍以上。定律揭示了信息技術(shù)進(jìn)步的速度。這就決定了集成電路是換代節(jié)奏快、技術(shù)含量高的產(chǎn)品。從當(dāng)今國(guó)際市場(chǎng)格局來(lái)看,集成電路企業(yè)之間在知識(shí)產(chǎn)權(quán)主導(dǎo)權(quán)上斗爭(zhēng)激烈,重要集成電路產(chǎn)品全球產(chǎn)業(yè)組織呈現(xiàn)出跨國(guó)公司壟斷的特征,集成電路跨國(guó)公司銷(xiāo)售、制造、研發(fā)布局朝全球化方向發(fā)展。
1.2 半導(dǎo)體的產(chǎn)業(yè)鏈全景
半導(dǎo)體是許多工業(yè)整機(jī)設(shè)備的核心,普遍應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、消費(fèi)類(lèi)電子、網(wǎng)絡(luò)通信、汽車(chē)電子等核心領(lǐng)域。半導(dǎo)體主要分為四部分:集成電路、分立器件、光電子器件、微型傳感器,其中集成電路按其功能可分為微處理器、邏輯IC、存儲(chǔ)器、模擬電路。其中集成電路占到整個(gè)市場(chǎng)的80%以上,可按其功能分為計(jì)算類(lèi)、儲(chǔ)存類(lèi)和模擬類(lèi)集成電路。
按照生產(chǎn)過(guò)程來(lái)看,半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈包含芯片設(shè)計(jì)(電路與邏輯設(shè)計(jì))、制造(前道工序)和封裝測(cè)試環(huán)節(jié)(后道工序),其中后兩個(gè)環(huán)節(jié)支撐著上游半導(dǎo)體材料、設(shè)備、軟件服務(wù)的發(fā)展。
把以上整個(gè)半導(dǎo)體生產(chǎn)流程簡(jiǎn)化了看,我們可得出下圖,芯片在出廠前主要經(jīng)歷了設(shè)計(jì)、制造階段、封測(cè),最后流向終端產(chǎn)品領(lǐng)域。
半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈龐大而復(fù)雜,可以分為上游支撐產(chǎn)業(yè)鏈,包括半導(dǎo)體設(shè)備、材料、生產(chǎn)環(huán)境;中游核心產(chǎn)業(yè)鏈,包括IC 設(shè)計(jì)、IC 制造、IC 封裝測(cè)試;下游需求產(chǎn)業(yè)鏈,覆蓋汽車(chē)電子、消費(fèi)電子、通信、計(jì)算機(jī)。從產(chǎn)業(yè)鏈分布的公司來(lái)看:美國(guó)、日本、歐洲、臺(tái)灣公司形成對(duì)上中游核心產(chǎn)業(yè)全覆蓋,依靠技術(shù)自主可控壟斷半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。
1.3 集成電路市場(chǎng)規(guī)模
集成電路行業(yè)作為全球信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ),并且在產(chǎn)業(yè)資本的驅(qū)動(dòng)下,已逐漸成為衡量一個(gè)國(guó)家或地區(qū)綜合競(jìng)爭(zhēng)力的重要標(biāo)志和地區(qū)經(jīng)濟(jì)的晴雨表。集成電路產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用推動(dòng)了電子時(shí)代的到來(lái),也成為了現(xiàn)代日常生活中必不可少的組成部分。集成電路行業(yè)主要包括集成電路設(shè)計(jì)業(yè)、制造業(yè)和封裝測(cè)試業(yè),屬于資本與技術(shù)密集型行業(yè),業(yè)內(nèi)企業(yè)普遍具備較強(qiáng)的資金實(shí)力、技術(shù)研發(fā)能力、客戶(hù)資源和產(chǎn)業(yè)鏈整合能力。
從全球集成電路市場(chǎng)看,隨著PC 應(yīng)用市場(chǎng)萎縮,4G 手機(jī)市場(chǎng)逐漸飽和,全球集成電路市場(chǎng)的增長(zhǎng)步伐放緩,但2018 年全球集成電路銷(xiāo)售額仍保持了15.94%的增長(zhǎng),達(dá)到4779.36億美元。從1999 年到2018 年,全球半導(dǎo)體銷(xiāo)售額從1494 億美元增長(zhǎng)至了4779.36億美元,年復(fù)合增長(zhǎng)率為6.31%。
2018 年全球半導(dǎo)體銷(xiāo)售額總計(jì)為4779.36億美元,較2017 年增長(zhǎng)了15.94%,增長(zhǎng)率相對(duì)于2017 年的21.62%增長(zhǎng)率降低了5.61 個(gè)百分點(diǎn)。得益于DRAM 芯片市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展,最大的半導(dǎo)體供應(yīng)商三星電子進(jìn)一步鞏固了其領(lǐng)先地位。
據(jù)Gartner 公司的數(shù)據(jù)顯示,三星電子和蘋(píng)果仍然是2018 年兩大半導(dǎo)體芯片買(mǎi)家,占全球市場(chǎng)總量的17.9%,與上一年相比下降了1.6%。受出貨量和平均銷(xiāo)售價(jià)格增長(zhǎng)的推動(dòng),英特爾去年的半導(dǎo)體營(yíng)收較2017 年增長(zhǎng)了13.8%。此外,其他主要內(nèi)存芯片廠商去年的表現(xiàn)也較為強(qiáng)勁,包括SK 海力士和美光。
從半導(dǎo)體市場(chǎng)整體格局來(lái)看,2018 年,排名前25 的半導(dǎo)體廠商的總營(yíng)收增長(zhǎng)了16.3%,占整個(gè)市場(chǎng)79.3%的份額。2017 年,排名前四的廠商2018 年排名未變,相比其它領(lǐng)域,半導(dǎo)體市場(chǎng)更為穩(wěn)固。
從并購(gòu)趨勢(shì)上來(lái)看,在近幾年的行業(yè)并購(gòu)案例中,參與方幾乎都是半導(dǎo)體業(yè)內(nèi)的一線廠商,這在一定程度上反映出整合并購(gòu)重組已經(jīng)成為半導(dǎo)體企業(yè)尋求業(yè)務(wù)突破的重要發(fā)展策略。在此背景下,行業(yè)內(nèi)的知名企業(yè)及行業(yè)龍頭們紛紛加快了資本運(yùn)作的步伐,希望通過(guò)并購(gòu)整合的方式,加速產(chǎn)業(yè)布局或提升企業(yè)的技術(shù)及業(yè)務(wù)水平,增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,進(jìn)一步鞏固自身在市場(chǎng)中的領(lǐng)先地位。
根據(jù)數(shù)據(jù)顯示,2017 年的半導(dǎo)體行業(yè)約24 宗并購(gòu)協(xié)議交易額達(dá)到277 億美元,盡管和2015 年(1073 億美元)及2016 年(998 億美元)比明顯回落。2010-2015年芯片行業(yè)平均并購(gòu)交易額126 億美元。隨著收購(gòu)目標(biāo)數(shù)量的縮減和合并業(yè)務(wù)的發(fā)展,通過(guò)并購(gòu)交易進(jìn)行的行業(yè)整合在2017 年有所放緩。歐洲、美國(guó)和中國(guó)政府機(jī)構(gòu)對(duì)并購(gòu)交易的監(jiān)管審查也放慢了大型半導(dǎo)體收購(gòu)的步伐?;仡檮倓傔^(guò)去的2018 年,“并購(gòu)” 依舊是國(guó)際大型半導(dǎo)體廠商的重要行動(dòng),成功案例如貝恩收購(gòu)東芝存儲(chǔ)業(yè)務(wù)、微芯收購(gòu)美高森美、瑞薩并購(gòu)IDT 等,引發(fā)了全球矚目,而博通收購(gòu)高通、英飛凌收購(gòu)ST 意法半導(dǎo)體等雖然由于種種原因未能成型,但其在半導(dǎo)體界也擲起層層波瀾。
計(jì)算類(lèi)芯片也稱(chēng)邏輯電路,是一種離散信號(hào)的傳遞和處理,以二進(jìn)制為原理、實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)邏輯運(yùn)算和操作的電路, 它們?cè)谟?jì)算機(jī)、數(shù)字控制、通信、自動(dòng)化和儀表等方面中被大量運(yùn)用。邏輯電路可以分為標(biāo)準(zhǔn)化和非標(biāo)準(zhǔn)化兩大類(lèi)。
縱觀全球半導(dǎo)體,作為資金與技術(shù)高度密集行業(yè),半導(dǎo)體目前形成深化的專(zhuān)業(yè)分工、細(xì)分領(lǐng)域高度集中的特點(diǎn),邏輯IC作為半導(dǎo)體行業(yè)的核心,自上世紀(jì)末開(kāi)始,近20 年來(lái)持續(xù)保持增長(zhǎng)態(tài)勢(shì),CAGR 達(dá)到8.51%,2018 年邏輯IC 市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到新高1093億美金,約占全球半導(dǎo)體市場(chǎng)總值的四分之一。
目前世界范圍內(nèi)主流標(biāo)準(zhǔn)化邏輯電路有四種:CPU、GPU、ASIC、FPGA。由于西方國(guó)家電子信息化擁有先發(fā)優(yōu)勢(shì),形成了對(duì)革命性產(chǎn)品的壟斷,邏輯IC 行業(yè)形成了較高市場(chǎng)準(zhǔn)入門(mén)檻,四個(gè)主流領(lǐng)域多被歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的電子巨頭所控制。
2.1 CPU
CPU 從1971 年發(fā)展至今已經(jīng)有四十七年的歷史了,提起CPU 不得不說(shuō)Intel 公司的發(fā)展史就是CPU 的發(fā)展簡(jiǎn)史。英特爾公司最早有三位創(chuàng)始人:羅伯特·諾宜斯、高登·摩爾、安迪·葛洛夫。集成電路技術(shù)的發(fā)展一直遵循摩爾定律,高登·摩爾就是摩爾定律創(chuàng)始人。
CPU 是一塊超大規(guī)模的集成電路,是計(jì)算機(jī)的運(yùn)算核心和控制核心。它的功能主要是解釋計(jì)算機(jī)指令以及處理計(jì)算機(jī)軟件中的數(shù)據(jù)。CPU 的結(jié)構(gòu)主要包括控制單元、運(yùn)算器、高速緩存器、動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器四個(gè)部分,分別對(duì)應(yīng)控制、運(yùn)算、高速數(shù)據(jù)交換存儲(chǔ)、短暫存儲(chǔ)四個(gè)用途。
多年來(lái),隨著電子信息技術(shù)發(fā)展,CPU 在集成電路領(lǐng)域仍保持強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),源于CPU 諸多優(yōu)勢(shì),其一CPU 是通用類(lèi)計(jì)算芯片,能適應(yīng)不同應(yīng)用場(chǎng)景,包括手機(jī)、汽車(chē)、工業(yè)制造、計(jì)算機(jī)等。其二性能上穩(wěn)定性好、運(yùn)算能力突出、功耗適中、開(kāi)發(fā)周期相對(duì)較短、成本較低。
CPU 可分為桌面CPU 和移動(dòng)CPU 兩大類(lèi)。桌面CPU 行業(yè)目前形成傳統(tǒng)霸主英特爾與后起之秀AMD 兩強(qiáng)爭(zhēng)霸的局面。
從營(yíng)收規(guī)模來(lái)看,2018 年Intel 公司營(yíng)收658.62億美金,位列2018 年全球十大芯片廠第二位,AMD 公司營(yíng)收64.75 億美金,因公司定位于IC 設(shè)計(jì)、銷(xiāo)售,自身沒(méi)有晶圓代工業(yè)務(wù),營(yíng)收能力明顯弱于Intel。利潤(rùn)方面,Intel 多年來(lái)保持15%以上的凈利率,2016 年以前AMD 產(chǎn)品在市場(chǎng)上始終被Intel 的7 代酷睿核心型號(hào)壓制,導(dǎo)致公司多年虧損,自2017 年開(kāi)始,AMD 的Ryzen 7 2700X、Ryzen 5 2400G、Ryzen 5 1600 三款型號(hào)的市場(chǎng)接受度有所提升,公司開(kāi)始盈利。
從市場(chǎng)占比上看,Intel 一直是CPU 領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者,AMD 一直是追趕者的角色,2017 年,兩大公司在PC 處理器領(lǐng)域的市占率為79.3 對(duì)20.6%。
工藝制程方面,目前CPU 頂級(jí)的工藝制程為14nm, 正在向10nm 推進(jìn)。AMD 通過(guò)多年研發(fā)投入,從不同等級(jí)產(chǎn)品的核心數(shù)、基頻、主頻、緩存、工藝制程等多項(xiàng)技術(shù)參數(shù)上看已經(jīng)不落后于Intel, 但缺陷也是明顯的,AMD 產(chǎn)品工作主頻往往產(chǎn)生較高發(fā)熱量,功耗過(guò)大,反映了AMD 追求低成本工藝制作與Intel 追求極致工藝制作的較大差距。
應(yīng)用領(lǐng)域上,CPU 作為任何電子終端產(chǎn)品的核心部件,被大規(guī)模應(yīng)用在個(gè)人PC、平板電腦、大型服務(wù)器、商用無(wú)人機(jī)、移動(dòng)設(shè)備上。
移動(dòng)CPU 領(lǐng)域呈現(xiàn)一超多強(qiáng)的局面,美國(guó)高通公司一直在高端移動(dòng)處理器市場(chǎng)中占據(jù)壟統(tǒng)治地位,至今這種優(yōu)勢(shì)依舊難以打破。其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手主要包括美國(guó)蘋(píng)果電腦、臺(tái)灣聯(lián)發(fā)科和韓國(guó)三星電子。
從營(yíng)收規(guī)模上看,美國(guó)高通2018 年全球營(yíng)收227.32億美元,憑借強(qiáng)勁的技術(shù)專(zhuān)利,強(qiáng)大的芯片原創(chuàng)能力,以及對(duì)中國(guó)手機(jī)芯片市場(chǎng)的滲透,位列2018 年全球十大芯片公司第六位。聯(lián)發(fā)科2018 年全年?duì)I收58.07 億美元。市場(chǎng)份額方面,2017 年高通以42%的市占率幾乎占據(jù)移動(dòng)CPU 市場(chǎng)半壁江山,蘋(píng)果自主研發(fā)移動(dòng)CPU 后,在手機(jī)芯片領(lǐng)域市占率22%,其后是臺(tái)灣聯(lián)發(fā)科電子15%的份額。利潤(rùn)方面,高通近些年來(lái)凈利率不斷下滑,由2014 年的27.53%持續(xù)下滑到2018 年的-21.4%。主要是由于高通的收費(fèi)方式比較特殊,它除了向廠商銷(xiāo)售芯片之外,還需要按終端設(shè)備整機(jī)售價(jià)抽取一定比例的分成,終端廠商把這筆高額支出稱(chēng)為“高通稅”,蘋(píng)果、華為作為高通下游公司,常年向高通繳納高額專(zhuān)利授權(quán)費(fèi),近年來(lái)手機(jī)頭部廠商開(kāi)始自主研發(fā)核心CPU,不再向高通支付專(zhuān)利費(fèi),導(dǎo)致高通專(zhuān)利授權(quán)板塊營(yíng)收大減,進(jìn)而影響公司整體利潤(rùn)。聯(lián)發(fā)科由于和高通、展訊的持續(xù)價(jià)格戰(zhàn)問(wèn)題,凈利率同樣出現(xiàn)一定程度的下滑。
高通在研發(fā)上持續(xù)保持著巨額投入,作為移動(dòng)CPU 和通信領(lǐng)域領(lǐng)先的技術(shù)開(kāi)發(fā)者,在開(kāi)展技術(shù)創(chuàng)新的同時(shí),對(duì)專(zhuān)利技術(shù)的應(yīng)用也非常重視。高通多年來(lái)將大約20%的年?duì)I業(yè)收入投入創(chuàng)新,被用以技術(shù)再研發(fā),這在科技公司中是一個(gè)相當(dāng)高的比例。強(qiáng)勁的研發(fā)投入為高通帶來(lái)了多項(xiàng)技術(shù)專(zhuān)利,2017 年高通共獲得了2628 項(xiàng)專(zhuān)利,同時(shí)成為2017 年獲得中國(guó)專(zhuān)利權(quán)最多的外國(guó)企業(yè)。大量專(zhuān)利支撐起了高通在高端芯片領(lǐng)域領(lǐng)先者地位。
從產(chǎn)品上來(lái)看,高通憑借三大優(yōu)勢(shì)引領(lǐng)移動(dòng)CPU 領(lǐng)域:
一是集成度以及先進(jìn)的制造工藝,目前最高制造工藝達(dá)到14 納米級(jí)別的集成度。
二是高通給出的是一整套的手機(jī)芯片解決方案,形成了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),手機(jī)生產(chǎn)商完全不用去考慮維護(hù)和技術(shù)問(wèn)題,只要按照高通的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)都可以做手機(jī)。
三是產(chǎn)品覆蓋面較廣,在主攻高端芯片的同時(shí),保持入門(mén)級(jí)芯片穩(wěn)定投放。
2. 2 GPU
由于CPU 的架構(gòu)中需要大量的空間去放置存儲(chǔ)單元和控制單元,相比之下計(jì)算單元只占據(jù)了很小的一部分,所以它在大規(guī)模并行計(jì)算能力上極受限制,而更擅長(zhǎng)于邏輯控制。但是隨著人們對(duì)更大規(guī)模與更快處理速度的需求增加,CPU 無(wú)法滿(mǎn)足,因此誕生了GPU。
GPU 是圖形處理器,是一種專(zhuān)門(mén)在個(gè)人電腦、工作站、游戲機(jī)和一些移動(dòng)設(shè)備(如平板電腦、智能手機(jī)等)上圖像運(yùn)算工作的微處理器,擁有很強(qiáng)的浮點(diǎn)運(yùn)算能力。它與CPU 有明顯區(qū)別:一是相比于CPU 串行計(jì)算,GPU 是并行計(jì)算,同時(shí)使用大量運(yùn)算器解決計(jì)算問(wèn)題的過(guò)程,有效提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算速度和處理能力,它的基本思想是用多個(gè)處理器來(lái)共同求解同一問(wèn)題,即將被求解的問(wèn)題分解成若干個(gè)部分,各部分均由一個(gè)獨(dú)立的處理機(jī)來(lái)并行計(jì)算。二是GPU 的結(jié)構(gòu)中沒(méi)有控制器,所以GPU 無(wú)法單獨(dú)工作,必須由CPU 進(jìn)行控制調(diào)用才能工作,GPU 更適合簡(jiǎn)單大量的處理類(lèi)型統(tǒng)一的數(shù)據(jù)。
談到GPU,可能首先想到的是NVIDIA,這是一顆GPU領(lǐng)域的璀璨明星,NVIDIA 成立于1993年,由黃仁勛等三人創(chuàng)辦,從1995 年開(kāi)始推出自己的顯卡NV1和NV2,但并不成功,真正讓NVIDIA嶄露頭角的是1997 年推出的RIVA128,這款顯卡像素填充率為100 Mpiexl/s,支持微軟的Direct 3D 標(biāo)準(zhǔn),在能效上超越了3Dfx 的Voodoo和ATI 的Rage Pro,加上價(jià)格低廉獲得了很多整機(jī)廠的青睞,隨后NVIDIA乘勝推出了RIVA TNT 及GeForce 256,徹底將3Dfx和S3 這些昔日的霸主拋在身后,此時(shí)唯一能與之相爭(zhēng)的只有ATI 的Radeon,ATI 的Radeon系列與NVIDIA 的GeForce系列的對(duì)抗直到2006 年才罷場(chǎng),AMD 成功收購(gòu)ATI,獨(dú)立GPU市場(chǎng)形成NVIDIA 和AMD兩大巨頭的格局。
從營(yíng)業(yè)收入上來(lái)看,NVIDIA 公司2018 年全年收入117 億美元,在與AMD 顯卡領(lǐng)域的對(duì)抗中處于絕對(duì)優(yōu)勢(shì),以70.5%的市場(chǎng)占有率遙遙領(lǐng)先AMD 的29.5%,原因有三點(diǎn):一是NVIDIA一直專(zhuān)注于GPU 芯片領(lǐng)域,在產(chǎn)品性能上一騎絕塵。對(duì)于芯片等高科技領(lǐng)域,技術(shù)水平是硬實(shí)力。二是敢于做減法,NVIDIA 早在2008 年,就推出了基于ARM 和GeForce的移動(dòng)處理器Tegra。但是在智能手機(jī)市場(chǎng)上,與其他競(jìng)爭(zhēng)者一樣,由于缺乏基帶這個(gè)最核心的部件技術(shù),導(dǎo)致難以與Qualcomm、Samsung 等抗衡,所以其非常明智地退出了該市場(chǎng)。三是近些年來(lái)人工智能的崛起,下游應(yīng)用領(lǐng)域全面擴(kuò)展。由于GPU 強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力等特點(diǎn)使得其在人工智能領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),再加上NVIDIA 在該領(lǐng)域布局較早,競(jìng)爭(zhēng)相對(duì)較少一舉奠定了在人工智能領(lǐng)域的地位。利潤(rùn)方面,英偉達(dá)受益于過(guò)去兩年礦機(jī)市場(chǎng)對(duì)GPU 需求強(qiáng)勁,顯卡價(jià)格持續(xù)上漲,2018 年凈利率達(dá)到歷史最高的35.34%。
從產(chǎn)品上來(lái)看,兩家公司GPU 特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)完全不同,這緣于研發(fā)思路存在差異:
NVIDIA 產(chǎn)品特點(diǎn)主要有四點(diǎn):一是設(shè)計(jì)思路歸于高性能、低功耗;二是性能強(qiáng)大,經(jīng)常壟斷高端旗艦級(jí)市場(chǎng),高端N 卡占據(jù)優(yōu)勢(shì)比較明顯;三是支持PhysX、TXAA、FXAA 等多個(gè)技術(shù);四是驅(qū)動(dòng)程序完善。
AMD 的產(chǎn)品特點(diǎn)在于:一是芯片單一性能突出,功耗普遍較大;二是主打入門(mén)級(jí)的產(chǎn)品,性?xún)r(jià)比高,覆蓋中低端市場(chǎng);三是支持AMD Eyefinity 寬屏技術(shù);四是挖礦性能相當(dāng)突出。
總之,N 卡主要有低功耗、驅(qū)動(dòng)成熟、追求極致性能,產(chǎn)品線完善等優(yōu)勢(shì),A 卡則主要是性?xún)r(jià)比相對(duì)更高,計(jì)算能力強(qiáng),繪圖、挖礦更有優(yōu)勢(shì),畫(huà)質(zhì)較好,但高端產(chǎn)品線較少。
2. 3 ASIC
近年隨著以比特幣為代表的虛擬貨幣市場(chǎng)的火爆,催生了一大批生產(chǎn)“挖掘”虛擬貨幣設(shè)備的礦機(jī)廠商,相較于我們常見(jiàn)的CPU、GPU 等通用型芯片來(lái)說(shuō),ASIC 芯片的計(jì)算能力和計(jì)算效率都直接根據(jù)特定的需要進(jìn)行定制,所以其可以實(shí)現(xiàn)體積小、功耗低、高可靠性、保密性強(qiáng)、計(jì)算性能高、計(jì)算效率高等優(yōu)勢(shì),特別適合礦機(jī)這種對(duì)芯片算力要求高、功耗要求小的特定應(yīng)用領(lǐng)域。缺點(diǎn)是ASIC 不同于GPU 和FPGA 的靈活性,定制化的ASIC 一旦制造完成將不能更改設(shè)計(jì)要求高、初期成本高、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)。
由于挖礦屬于邊緣應(yīng)用領(lǐng)域,AI 仍是ASIC 的主要應(yīng)用領(lǐng)域,隨著人工智能時(shí)代到來(lái),傳統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在通用芯片(CPU 、GPU)上效率不高,功耗比較大,因此從芯片的設(shè)計(jì)角度來(lái)說(shuō),通用型往往意味著更高的成本。為了提升效率,降低功耗,ASIC 應(yīng)運(yùn)而生。目前從全球范圍來(lái)看,基于人工智能方向的ASIC 領(lǐng)域并未出現(xiàn)“一家獨(dú)大”的局面,反而呈現(xiàn)出國(guó)內(nèi)外電子科技巨頭、科研院所和國(guó)內(nèi)初創(chuàng)型公司互相競(jìng)爭(zhēng)的格局,國(guó)外以Google、IBM、Intel、斯坦福大學(xué)為首,國(guó)內(nèi)有中星微電子、寒武紀(jì)科技、啟英泰倫。
2. 4 FPGA
通用處理器的摩爾定律已入暮年,而機(jī)器學(xué)習(xí)和Web 服務(wù)的規(guī)模卻在指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。人們使用定制硬件來(lái)加速常見(jiàn)的計(jì)算任務(wù),然而日新月異的行業(yè)又要求這些定制的硬件可被重新編程來(lái)執(zhí)行新類(lèi)型的計(jì)算任務(wù)。FPGA 正是一種硬件可重構(gòu)的體系結(jié)構(gòu),常年來(lái)被用作高計(jì)算領(lǐng)域?qū)S眯酒?ASIC)的小批量替代品。
FPGA 指現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列,它是在PAL、GAL、CPLD 等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專(zhuān)用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的,既解決了定制電路的不足,又克服了原有可編程器件門(mén)電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。
FPGA 能部分替代ASIC 是有原因的,一是FPGA 并行運(yùn)算,二是硬件結(jié)構(gòu)可變,三是運(yùn)行中可更修改。
FPGA 的核心優(yōu)勢(shì),主要有五個(gè)方面:可編程靈活度高、并行運(yùn)算效率高、開(kāi)發(fā)周期較短、穩(wěn)定性好、長(zhǎng)期維護(hù)。
可編程靈活度高:理論上,如果FPGA 提供的門(mén)電路規(guī)模足夠大,通過(guò)編程可以實(shí)現(xiàn)任意ASIC 和DSP 的邏輯功能。不像ASIC 設(shè)計(jì)后固化不能修改。所以,F(xiàn)PGA 的靈活性也較高。實(shí)際應(yīng)用中FPGA 的現(xiàn)場(chǎng)可重復(fù)編程性使開(kāi)發(fā)人員能夠用軟件升級(jí)包通過(guò)在片上運(yùn)行程序來(lái)修改芯片,而不是替換和設(shè)計(jì)芯片(設(shè)計(jì)和時(shí)間成本巨大),甚至FPGA 可通過(guò)因特網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程升級(jí)。
并行運(yùn)算效率高:FPGA 打破了順序執(zhí)行的模式,在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成更多的處理任務(wù),例如處理一個(gè)數(shù)據(jù)包有10 個(gè)步驟,F(xiàn)PGA 可以搭建一個(gè)10 級(jí)流水線,流水線的不同級(jí)在處理不同的數(shù)據(jù)包,每個(gè)數(shù)據(jù)包流經(jīng)10 級(jí)之后處理完成。每處理完成一個(gè)數(shù)據(jù)包,就能馬上輸出。
開(kāi)發(fā)周期短:FPGA 技術(shù)提供了靈活性和快速原型的能力。一般用戶(hù)可以測(cè)試一個(gè)想法或概念,并在硬件中完成驗(yàn)證,而無(wú)需經(jīng)過(guò)自定制ASIC 設(shè)計(jì)漫長(zhǎng)的制造過(guò)程。由此用戶(hù)就可在數(shù)小時(shí)內(nèi)完成逐步的修改并進(jìn)行FPGA 設(shè)計(jì)迭代,省去了幾周的時(shí)間。
穩(wěn)定性好:軟件工具提供了編程環(huán)境,F(xiàn)PGA 電路是真正的編程“硬”執(zhí)行過(guò)程?;谔幚砥鞯南到y(tǒng)往往包含了多個(gè)抽象層,可在多個(gè)進(jìn)程之間計(jì)劃任務(wù)、共享資源。驅(qū)動(dòng)層控制著硬件資源,而操作系統(tǒng)管理內(nèi)存和處理器的帶寬。對(duì)于任何給定的處理器內(nèi)核,一次只能執(zhí)行一個(gè)指令,且基于處理器的系統(tǒng)時(shí)刻面臨著嚴(yán)格限時(shí)的任務(wù)相互取占的風(fēng)險(xiǎn)。而FPGA 不使用操作系統(tǒng),擁有真正的并行執(zhí)行和專(zhuān)注于每一項(xiàng)任務(wù)的確定性硬件,可減少穩(wěn)定性方面出現(xiàn)問(wèn)題的可能。
長(zhǎng)期維護(hù):FPGA 芯片是現(xiàn)場(chǎng)可升級(jí)的,無(wú)需重新設(shè)計(jì)ASIC 所涉及的時(shí)間與費(fèi)用投入。舉例來(lái)說(shuō),數(shù)字通信協(xié)議包含了可隨時(shí)間改變的規(guī)范,而基于ASIC 的接口可能會(huì)造成維護(hù)和向前兼容方面的困難??芍匦屡渲玫腇PGA 芯片能夠適應(yīng)未來(lái)需要作出的修改。隨著產(chǎn)品或系統(tǒng)成熟起來(lái),用戶(hù)無(wú)需花費(fèi)時(shí)間重新設(shè)計(jì)硬件或修改電路板布局就能增強(qiáng)功能。
FPGA也存在限制因素:一是隨著半導(dǎo)體制程提升,芯片設(shè)計(jì)和流片成本大幅增加,攤銷(xiāo)到每塊芯片上的成本非常高,這也是摩爾定律推進(jìn)放緩的一個(gè)原因。10nm 芯片的開(kāi)發(fā)成本已經(jīng)超過(guò)了1.7 億美元,7nm 接近3億美元,5nm 超過(guò)5億美元。如果要基于3nm 開(kāi)發(fā)出NVIDIA GPU 那樣復(fù)雜的芯片,設(shè)計(jì)成本就將高達(dá)15 億美元。代工廠為此每月要拿出4 萬(wàn)片晶圓,成本在150 億到200億美元。在14nm 之前,每18 個(gè)月進(jìn)步一代制程,性?xún)r(jià)是有30%提升的,然而邁入14nm之后,這一趨勢(shì)快見(jiàn)不到了。
按照測(cè)算,F(xiàn)PGA 流片臨界點(diǎn)是5 萬(wàn)片,低于5 萬(wàn)片,對(duì)于雷達(dá)、宇航、汽車(chē)電子等高價(jià)值專(zhuān)用設(shè)備采用FPGA 較合算,而超過(guò)5 萬(wàn)片甚至更大規(guī)模流片采用ASIC 更有優(yōu)勢(shì)。
二是FPGA 功耗比ASIC 大,由于FPGA 制造廠商設(shè)計(jì)過(guò)程中不清楚芯片的應(yīng)用領(lǐng)域,會(huì)過(guò)于追求門(mén)電路的規(guī)模,而實(shí)際應(yīng)用中多數(shù)門(mén)沒(méi)有被用到,導(dǎo)致FPGA 的單位芯片面積大于ASIC,存在功耗過(guò)大的問(wèn)題。
三是FPGA 設(shè)計(jì)技術(shù)門(mén)檻非常高,編程時(shí)需要采用專(zhuān)用工具進(jìn)行編譯,再燒錄至FPGA 中,還要考慮應(yīng)用場(chǎng)景多樣性、復(fù)雜性和效率等多種問(wèn)題。
全球FPGA 市場(chǎng)被國(guó)外四大巨頭Xilinx(賽靈思),Altera(阿爾特拉已被英特爾收購(gòu))、Lattice(萊迪思)、Microsemi(美高森美)壟斷。
從營(yíng)業(yè)收入上看,2018 年賽靈思營(yíng)收達(dá)到25.39 億美元,市占率54%,Xilinx與Altera兩家公司共占有近90%的市場(chǎng)份額,專(zhuān)利達(dá)到6000 余項(xiàng),四家公司合計(jì)專(zhuān)利9000 余項(xiàng),技術(shù)壁壘高不可攀。而Xilinx始終保持著全球FPGA 的霸主地位,難以撼動(dòng)。從利潤(rùn)上看,由于Xilinx對(duì)FPGA 市場(chǎng)巨大的統(tǒng)治力,多年來(lái)凈利率始終保持穩(wěn)定,2017 年凈利率20.18%。反觀Lattice和Microsemi仍處于微利或虧損狀態(tài)。
從產(chǎn)品上看,賽靈思公司多年來(lái)保持FPGA 行業(yè)霸主地位,源于產(chǎn)品超強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力,一是賽靈思FPGA 在集成上不斷突破,工藝制程一直保持領(lǐng)先,芯片效率高、功耗小。二是產(chǎn)品定位于高端市場(chǎng),應(yīng)用領(lǐng)域覆蓋汽車(chē)、數(shù)據(jù)中心、消費(fèi)類(lèi)電子、高性能計(jì)算、醫(yī)療、有線通信等附加值高的行業(yè)。三是技術(shù)專(zhuān)利數(shù)量龐大,形成了抵御同業(yè)對(duì)手的天然壁壘。
2.5 DSP
除了以上四種主要標(biāo)準(zhǔn)化電路,非標(biāo)準(zhǔn)化邏輯電路也在各種應(yīng)用領(lǐng)域被大量應(yīng)用,DSP 是應(yīng)用領(lǐng)域比較廣泛的一種。
區(qū)別于FPGA 適用于系統(tǒng)高速取樣速率、高數(shù)據(jù)率、框圖方式編程、處理任務(wù)固定或重復(fù)、使用定點(diǎn)。適合于高速采樣頻率下,特別是任務(wù)比較固定或重復(fù)的情況以及試制樣機(jī)、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的場(chǎng)合。DSP,也稱(chēng)數(shù)字信號(hào)處理器,適用于系統(tǒng)較低取樣速率、低數(shù)據(jù)率、多條件操作、處理復(fù)雜的多算法任務(wù)、使用C 語(yǔ)言編程、系統(tǒng)使用浮點(diǎn)。適合于較低采樣速率下多條件進(jìn)程、特別是復(fù)雜的多算法任務(wù)。DSP 是由通用計(jì)算機(jī)中的CPU 演變而來(lái)的,和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相比,DSP 這種單片機(jī)具有多重優(yōu)勢(shì):一是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,使用方便,實(shí)現(xiàn)模塊化;二是可靠性高,可保持長(zhǎng)時(shí)間無(wú)故障工作;三是處理功能強(qiáng),速度快;四是控制功能強(qiáng);五是環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。
DSP 憑借卓越的性能,在圖形圖像處理,語(yǔ)音處理,信號(hào)處理等通信領(lǐng)域起到越來(lái)越重要的作用,被廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信、電機(jī)控制、汽車(chē)毫米波雷達(dá)圖像處理、測(cè)量?jī)x表等領(lǐng)域。
目前,全球范圍內(nèi)上生產(chǎn)DSP 的大型廠商包括德州儀器、亞德諾半導(dǎo)體、恩智浦半導(dǎo)體。
從營(yíng)業(yè)收入上看,全球DSP 芯片主要供應(yīng)商有TI、ADI、NXP,其中TI 占有最大的市場(chǎng)份額。2018 年TI 全球營(yíng)收157.84 億美元,。ADI 公司在DSP 芯片市場(chǎng)上也占有一定的份額,2018 年?duì)I收62.01 億美元。飛思卡爾的前身為摩托羅拉半導(dǎo)體部門(mén),后獨(dú)立,2015 年,恩智浦完成對(duì)飛思卡爾的收購(gòu),2018 年恩智浦半導(dǎo)體全球營(yíng)收94.07 億美金。從利潤(rùn)上來(lái)看,除了德州儀器保持穩(wěn)定增長(zhǎng)外,其余廠商均因市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)加劇利潤(rùn)率出現(xiàn)較大波動(dòng),2018 年德州儀器凈利率35.35%,亞德諾半導(dǎo)體24.12%,恩智浦半導(dǎo)體24.00%。
從產(chǎn)品上看,德州儀器的產(chǎn)品相比于其他公司擁有較大優(yōu)勢(shì),一是德州儀器的DSP 兼具價(jià)格低廉、簡(jiǎn)單易用、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)。二是公司占據(jù)高端市場(chǎng),產(chǎn)品種類(lèi)齊全,包括用于數(shù)字控制系統(tǒng)的C2000 系列;用于低功耗、手持設(shè)備、無(wú)線終端應(yīng)用的C5000 系列;還有面向高性能、多功能、復(fù)雜應(yīng)用領(lǐng)域的C6000 系列。三是覆蓋應(yīng)用領(lǐng)域廣泛,既可以應(yīng)用于國(guó)防軍工領(lǐng)域,也應(yīng)用于點(diǎn)鈔機(jī)、生物識(shí)別、移動(dòng)無(wú)線電等民用領(lǐng)域。亞德諾半導(dǎo)體公司的產(chǎn)品覆蓋面沒(méi)有德州儀器廣泛,但是產(chǎn)品性能較為獨(dú)特,公司追求極佳的功耗性能,Blackfin系列處理器包含動(dòng)態(tài)功耗管理(DPM)功能,讓開(kāi)發(fā)者能實(shí)現(xiàn)根據(jù)程序的運(yùn)行需要對(duì)所需的處理能力實(shí)現(xiàn)靈活的功耗配比。恩智浦半導(dǎo)體的DSP 起步較晚,但目前的568xx 系列兼具處理能力和多控制功能,廣泛應(yīng)用于直流無(wú)刷電機(jī)中。
依據(jù)DSP 主流廠商產(chǎn)品的特點(diǎn),可以預(yù)計(jì)未來(lái)DSP 技術(shù)將向以下幾個(gè)方面繼續(xù)發(fā)展與更新:一是DSP 芯核集成度越來(lái)越高,通過(guò)縮小DSP 芯片尺寸,實(shí)現(xiàn)了DSP 系統(tǒng)級(jí)的集成電路;二是為了面向復(fù)雜應(yīng)用領(lǐng)域,可編程DSP 芯片將成為未來(lái)主導(dǎo);三是定點(diǎn)DSP 仍占據(jù)主流,隨著DSP 定點(diǎn)運(yùn)算器件成本的不斷低,能耗越來(lái)越小的優(yōu)勢(shì)日漸明顯,未來(lái)定點(diǎn)DSP 芯片仍將是市場(chǎng)的主角。
總體上來(lái)看,通過(guò)對(duì)多種計(jì)算類(lèi)芯片全方位對(duì)比,計(jì)算類(lèi)芯片經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展,CPU 不再一枝獨(dú)秀,多種新應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?fù)雜計(jì)算產(chǎn)生強(qiáng)大需求,由此產(chǎn)生專(zhuān)注于圖像處理的芯片GPU;可以靈活編程,大幅縮短開(kāi)發(fā)周期的芯片F(xiàn)PGA;進(jìn)行了定制設(shè)計(jì)優(yōu)化,在特定應(yīng)用場(chǎng)景下功耗及量產(chǎn)成本較低的ASIC 芯片; 以及融合數(shù)字信號(hào)處理算法,專(zhuān)用于數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域的DSP 芯片等都得到了廣泛的應(yīng)用與快速的發(fā)展。目前,計(jì)算類(lèi)芯片已經(jīng)形成了以CPU、GPU、FPGA、ASIC、DSP 并行發(fā)展的新趨勢(shì),可以預(yù)見(jiàn),隨著未來(lái)5G 通訊、傳感器(MEMS)、可穿戴設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)機(jī)器人、VR/AR 以及人工智能等新興領(lǐng)域市場(chǎng)的發(fā)展擴(kuò)大,對(duì)計(jì)算類(lèi)芯片性能、技術(shù)、能耗等方面的需求將繼續(xù)驅(qū)動(dòng)各種計(jì)算類(lèi)芯片在技術(shù)上得到更加快速的發(fā)展。
公司方面,計(jì)算類(lèi)芯片細(xì)分行業(yè)普遍呈現(xiàn)高度集中化、頭部企業(yè)壟斷市場(chǎng)的格局。除ASIC 領(lǐng)域傳統(tǒng)電子巨頭和電子初創(chuàng)新勢(shì)力角力外,桌面CPU 行業(yè)傳統(tǒng)霸主英特爾與后起之秀AMD 兩強(qiáng)爭(zhēng)霸,移動(dòng)CPU 領(lǐng)域高通地位短期內(nèi)不可撼動(dòng),但長(zhǎng)期來(lái)看,隨著蘋(píng)果、華為海思半導(dǎo)體等芯片研發(fā)能力較強(qiáng)、資本實(shí)力雄厚的公司逐步由內(nèi)部銷(xiāo)售轉(zhuǎn)向外部銷(xiāo)售,移動(dòng)CPU 市場(chǎng)格局將發(fā)生根本變化;GPU 領(lǐng)域英偉達(dá)憑借先發(fā)優(yōu)勢(shì)持續(xù)壓制AMD,趨勢(shì)仍將延續(xù)。FPGA 領(lǐng)域賽靈思依靠龐大的技術(shù)專(zhuān)利數(shù)量領(lǐng)先于全球其他公司; DSP 領(lǐng)域德州儀器依靠產(chǎn)品價(jià)格低廉、簡(jiǎn)單易用、功能強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)領(lǐng)跑細(xì)分行業(yè)。
存儲(chǔ)器可以說(shuō)是大數(shù)據(jù)時(shí)代的基石。存儲(chǔ)器就類(lèi)似于鋼鐵之于現(xiàn)代工業(yè),是名副其實(shí)的電子行業(yè)“原材料”。計(jì)算機(jī)中的全部信息,包括輸入的原始數(shù)據(jù)、計(jì)算機(jī)程序、中間運(yùn)行結(jié)果和最終運(yùn)行結(jié)果都保存在存儲(chǔ)器中。
從大類(lèi)上看,存儲(chǔ)器可以分為光學(xué)存儲(chǔ)器、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器、磁性存儲(chǔ)器。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器是目前最主要的存儲(chǔ)器類(lèi)別,以斷電后存儲(chǔ)數(shù)據(jù)是否丟失為標(biāo)準(zhǔn),半導(dǎo)體存儲(chǔ)芯片可分兩類(lèi):一類(lèi)是非易失性存儲(chǔ)器,這一類(lèi)存儲(chǔ)器斷電后數(shù)據(jù)能夠存儲(chǔ),主要以NAND Flash 為代表,常見(jiàn)于SSD(固態(tài)硬盤(pán));另一類(lèi)是易失性存儲(chǔ)器,這一類(lèi)存儲(chǔ)器斷電后數(shù)據(jù)不能儲(chǔ)存,主要以DRAM 為代表,常用于電腦、手機(jī)內(nèi)存。除了NAND Flash 和DRAM,還包含其他門(mén)類(lèi),例如Nor Flash、SRAM、RRAM、MRAM、FRAM 等。
存儲(chǔ)器行業(yè)屬于強(qiáng)周期性行業(yè),從歷史表現(xiàn)上看,存儲(chǔ)器行業(yè)總是處于交替出現(xiàn)的漲跌循環(huán)之中。存儲(chǔ)器行業(yè)的波動(dòng)劇烈,其產(chǎn)業(yè)周期強(qiáng)于電子市場(chǎng)及電子元器件市場(chǎng)整體的周期性,暴漲暴跌的情況可謂常態(tài)。
從產(chǎn)值構(gòu)成來(lái)看,DRAM、NAND Flash、NOR Flash 是存儲(chǔ)器產(chǎn)業(yè)的核心部分。這緣于一方面性能不斷提升的手機(jī)操作系統(tǒng)及日益豐富的應(yīng)用軟件極大地依賴(lài)于手機(jī)嵌入式閃存的容量;另一方面,萬(wàn)物互聯(lián)等新技術(shù)的涌現(xiàn)推動(dòng)數(shù)據(jù)量的急速膨脹。
受益于上述兩因素,2018 年全球半導(dǎo)體營(yíng)收去年達(dá)4779.36億美元,主要貢獻(xiàn)來(lái)自于存儲(chǔ)芯片。存儲(chǔ)芯片占半導(dǎo)體總營(yíng)收的比重從2017 年的31%上升至了2018 年的34.8%,占比最大。CAGR 明顯高于集成電路整體市場(chǎng)CAGR,從存儲(chǔ)芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)看,DRAM 占比57.1%,NAND Flash 占比39.49%,NOR Flash 占比3.41%。
3.1 DRAM
在半導(dǎo)體科技極為發(fā)達(dá)的臺(tái)灣,內(nèi)存和顯存被統(tǒng)稱(chēng)為記憶體,即動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取記憶體(DRAM),DRAM 是最常見(jiàn)的存儲(chǔ)器,只能將數(shù)據(jù)保持很短的時(shí)間。為了保持?jǐn)?shù)據(jù),使用電容存儲(chǔ),所以必須隔一段時(shí)間刷新一次,如果存儲(chǔ)單元沒(méi)有被刷新,存儲(chǔ)的信息就會(huì)丟失。
DRAM 是相對(duì)于SRAM 而產(chǎn)生的,SRAM(靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器)是隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器的一種, 這種存儲(chǔ)器只要保持通電,里面儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)就可以恒常保持。SARM 的優(yōu)勢(shì)是訪問(wèn)速度快、功耗非常低,缺陷是單位存儲(chǔ)密度不足,成本較高, 因而不適合用于更高儲(chǔ)存密度低成本的應(yīng)用,如PC 內(nèi)存。DRAM 除了兼具SRAM 特點(diǎn)外還擁有非常高的密度,單位體積的容量較高,因此成本較低,幾乎適用于任何帶有計(jì)算平臺(tái)的個(gè)人消費(fèi)類(lèi)或工業(yè)設(shè)備,從筆記本電腦和臺(tái)式電腦到智能手機(jī)和許多其他類(lèi)型的電子產(chǎn)品等。
隨著CPU 性能的不斷提高,終端產(chǎn)品內(nèi)存也需要逐步升級(jí),高性能的內(nèi)存搭配高性能的CPU 才能最大的發(fā)揮它的價(jià)值與優(yōu)勢(shì),DRAM 發(fā)展到現(xiàn)在已歷經(jīng)了五代,從第一代SDRAM,到如今的第五代DDR4 SDRAM。DRAM 沿著傳輸速率更大,總線計(jì)時(shí)器更多,預(yù)讀取量更大,數(shù)據(jù)傳送速率更快,供電電壓更小的方向發(fā)展。
從行業(yè)上看,早期計(jì)算機(jī)應(yīng)用占了整個(gè)DRAM 產(chǎn)業(yè)高達(dá)90%份額,2016年開(kāi)始伴隨大容量智能手機(jī)崛起,手機(jī)逐漸取代PC 成為DRAM產(chǎn)業(yè)的主流,同時(shí)云服務(wù)器DRAM 需求涌現(xiàn)的帶動(dòng)是功不可沒(méi)的推手,包括Facebook、Google、Amazon、騰訊、阿里巴巴等不斷擴(kuò)充網(wǎng)路存儲(chǔ)系統(tǒng),對(duì)于云存儲(chǔ)、云計(jì)算的需求提升,都帶動(dòng)服務(wù)器DRAM 需求起飛,目前DRAM行業(yè)一直被美韓三大存儲(chǔ)器公司壟斷,三星、海力士、美光占據(jù)了全球市場(chǎng)的95%以上。
營(yíng)收方面,作為韓國(guó)國(guó)家支柱型企業(yè),韓國(guó)三星電子公司在DRAM 領(lǐng)域一直處于市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者的位置,三星充分利用了存儲(chǔ)器行業(yè)的強(qiáng)周期特點(diǎn),依靠政府的輸血,在產(chǎn)品價(jià)格下跌、生產(chǎn)過(guò)剩、其他企業(yè)削減投資的時(shí)候,逆勢(shì)瘋狂擴(kuò)產(chǎn),通過(guò)大規(guī)模生產(chǎn)進(jìn)一步下殺產(chǎn)品價(jià)格,從而逼競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手退出市場(chǎng)甚至直接破產(chǎn),業(yè)內(nèi)稱(chēng)之為“反周期定律”。2018 年全年,三星DRAM 廠商自有品牌內(nèi)存營(yíng)收437.47億美金,四季度DRAM 市場(chǎng)的占有率為41.3%。其次是韓國(guó)SK 海力士294.1 億美金,市占率31.2%,第三名是美國(guó)美光科技營(yíng)收220.43美金,市占率23.5%。利潤(rùn)方面,由于2016 年以來(lái),供應(yīng)短缺導(dǎo)致存儲(chǔ)器需求大增,DRAM 價(jià)格出現(xiàn)顯著上漲,各主要存儲(chǔ)器大廠在全球范圍內(nèi)擴(kuò)建生產(chǎn)線,三大DRAM 公司凈利潤(rùn)出現(xiàn)明顯上升,美光科技凈利率達(dá)到46.52%的歷史峰值,SK 海力士位居其次,凈利率35.35%,同樣是歷史最高值,三星電子凈利率17.61%。
產(chǎn)品方面,單位存儲(chǔ)密度是衡量DRAM 性能的核心指標(biāo)。DRAM 工藝發(fā)展是跟隨摩爾定律的,隨著半導(dǎo)體線寬的不斷縮小,每個(gè)裸片上的容量將繼續(xù)增加。目前DRAM 存在至少還有兩個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn),第一個(gè)是DRAM 的復(fù)雜度在25nm 節(jié)點(diǎn)以后上升較快,每片晶圓產(chǎn)出的容量增長(zhǎng)趨緩,工廠出片能力也受阻。第二個(gè)是20nm 節(jié)點(diǎn)后,產(chǎn)品的差異化,以高密度、HMC 和高級(jí)移動(dòng)產(chǎn)品為將成為優(yōu)先考慮,每個(gè)裸片要有4GB 到16Gb 的容量才合算。
DRAM 節(jié)點(diǎn)尺寸目前是由器件上最小的半間距來(lái)定義的,美光DRAM 基于字線,三星和SK 海力士則基于主動(dòng)晶體管,美光科技、三星和SK 海力士作為DRAM 市場(chǎng)的主導(dǎo)廠商,這三家公司擁有各自的工藝節(jié)點(diǎn)。由于解決了這些技術(shù)節(jié)點(diǎn)問(wèn)題,美韓三大廠商憑借領(lǐng)先的工藝水平拉開(kāi)了與其它存儲(chǔ)器廠商的差距。
3.2 NAND Flash
NAND Flash 是Flash 存儲(chǔ)器中最重要的一種,其內(nèi)部采用非線性宏單元模式,為固態(tài)大容量?jī)?nèi)存的實(shí)現(xiàn)提供了廉價(jià)有效的解決方案。NAND Flash 存儲(chǔ)器具有容量較大,改寫(xiě)速度快等優(yōu)點(diǎn),適用于大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。
Flash 的內(nèi)部由金屬氧化層、半導(dǎo)體、場(chǎng)效晶體管(MOSFET)構(gòu)成,里面有個(gè)懸浮門(mén)(Floating Gate),是真正存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的單元。數(shù)據(jù)在Flash 內(nèi)存單元中是以電荷(electrical charge) 形式存儲(chǔ)的。存儲(chǔ)電荷的多少,取決于圖中的控制門(mén)(Control gate)所被施加的電壓,它控制的是向存儲(chǔ)單元中沖入電荷還是使其釋放電荷。而數(shù)據(jù)的表示,以所存儲(chǔ)的電荷的電壓是否超過(guò)一個(gè)特定的閾值Vth 來(lái)表示。對(duì)于NAND Flash 的寫(xiě)入(編程),就是控制Control Gate 去充電(對(duì)Control Gate 加壓),使得懸浮門(mén)存儲(chǔ)的電荷夠多,超過(guò)閾值Vth,就表示0。對(duì)于NAND Flash 的擦除(Erase),就是對(duì)懸浮門(mén)放電,低于閥值Vth,就表示1。
NAND FLASH 內(nèi)部依靠存儲(chǔ)顆粒實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ),里面存放數(shù)據(jù)的最小單位叫cell。每個(gè)儲(chǔ)存單元內(nèi)儲(chǔ)存1個(gè)信息位(bit),稱(chēng)為單階儲(chǔ)存單元(SLC),SLC 閃存的優(yōu)點(diǎn)是傳輸速度更快,功率消耗更低和儲(chǔ)存單元的壽命更長(zhǎng),成本也就更高。每個(gè)儲(chǔ)存單元內(nèi)儲(chǔ)存2 個(gè)bit,稱(chēng)為多階儲(chǔ)存單元(MLC),與SLC相比,MLC 成本較低,其傳輸速度較慢,功率消耗較高和儲(chǔ)存單元的壽命較低。每個(gè)儲(chǔ)存單元內(nèi)儲(chǔ)存3 個(gè)bit稱(chēng)為三階儲(chǔ)存單元(TLC),存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)密度相對(duì)MLC和SLC 更大,所以?xún)r(jià)格也就更便宜,但使用壽命和性能也就更低。由于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量的不用,導(dǎo)致SSD 從可擦寫(xiě)次數(shù)、讀取時(shí)間、編程時(shí)間、擦寫(xiě)時(shí)間存在差異。
從工藝上看,NAND Flash 可以分為2D 工藝和3D 工藝,傳統(tǒng)的2D 工藝類(lèi)似于“一張紙”,但“一張紙”的容量是有瓶頸的,三星、英特爾、美光、東芝四家閃存大廠為了滿(mǎn)足大容量終端需求,均開(kāi)始研發(fā)多層閃存(3D NAND Flash),英特爾和美光引入市場(chǎng)的3D Xpoint 是自NAND Flash 推出以來(lái),最具突破性的一項(xiàng)存儲(chǔ)技術(shù),它通過(guò)單層存儲(chǔ)器堆疊突破了2D NAND 存儲(chǔ)芯片容量的極限,大幅提升了存儲(chǔ)器容量,因此技術(shù)3D NAND 具備了四個(gè)優(yōu)勢(shì):一是比2D NAND Flash 快1000 倍;二是成本只有DRAM 的一半;三是使用壽命是2D NAND 的1000 倍;四是密度是傳統(tǒng)存儲(chǔ)的10 倍。
除了傳統(tǒng)存儲(chǔ)巨頭三星電子、SK 海力士、美光科技,東芝和西部數(shù)據(jù)也是NAND FLASH 領(lǐng)域不可忽視的重要力量。
從營(yíng)收上來(lái)看,智能終端對(duì)于NAND Flash 的需求,成為拉動(dòng)NAND Flash 產(chǎn)業(yè)的火車(chē)頭,2016 年以來(lái)NAND Flash 價(jià)格連續(xù)上漲多個(gè)季度,2018 年全球三大存儲(chǔ)器廠商中,韓國(guó)三星電子以758.54億美元,位居全球半導(dǎo)體行業(yè)第一位,同時(shí)也是存儲(chǔ)器行業(yè)第一名,其后是美光科技364.3 億美元,第三位是SK 海力士306.4 億美元。利潤(rùn)方面,由于2016 年六大存儲(chǔ)器廠商產(chǎn)能從2D NAND 向3D NAND 轉(zhuǎn)移,壓縮了2D NAND 產(chǎn)能,以當(dāng)時(shí)原廠3D 技術(shù)投產(chǎn)進(jìn)程而言,出現(xiàn)了3D NAND 產(chǎn)能釋放緩慢,傳統(tǒng)2D NAND 產(chǎn)能被削減,造成全球存儲(chǔ)器市場(chǎng)供需失衡,NAND 存儲(chǔ)器供不應(yīng)求,伴隨存儲(chǔ)器公司多次主動(dòng)上調(diào)產(chǎn)品價(jià)格,多家存儲(chǔ)器公司利潤(rùn)率達(dá)到近些年來(lái)新高。
工藝制程上看,大數(shù)據(jù)時(shí)代對(duì)大容量3D NAND 存儲(chǔ)器的需求持續(xù)加大,不管是雷達(dá)還是移動(dòng)硬盤(pán)、企業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)未來(lái)的存儲(chǔ)器需求必然是更低的成本、更高的容量、更快的速度,存儲(chǔ)器公司具備這三種優(yōu)勢(shì),未來(lái)將占據(jù)更大的市場(chǎng)份額。各大存儲(chǔ)器公司持續(xù)推進(jìn)工藝制程,目前全球最領(lǐng)先的NAND 存儲(chǔ)芯片是SK 海力士公司128 層(256Gb)3D NAND Flash,也是全球首個(gè)完成256Gb 存儲(chǔ)容量的公司,其后是三星、東芝、美光科技的64 層(128Gb).
從應(yīng)用領(lǐng)域看,NAND-FLASH 廣泛應(yīng)用于固態(tài)硬盤(pán)(SSD),固態(tài)硬盤(pán)按照存放數(shù)據(jù)最小單位bit 來(lái)劃分主要可以分為SLC-SSD、MLC-SSD和TLC-SSD三類(lèi)。SLC-SSD具有高速寫(xiě)入,低出錯(cuò)率,長(zhǎng)耐久度特性,主要針對(duì)軍工、企業(yè)級(jí)存儲(chǔ)。MLC-SSD 和TLC-SSD 固態(tài)硬盤(pán)的應(yīng)用主要針對(duì)消費(fèi)級(jí)存儲(chǔ),有著2 倍、3 倍容量于SLC-SSD,同時(shí)具備低成本優(yōu)勢(shì),適合USB 閃盤(pán),手機(jī)等。
整體上來(lái)看,DRAM 和NAND FLASH 占據(jù)了存儲(chǔ)芯片市場(chǎng)96%以上的份額,NOR Flash 由于存儲(chǔ)容量小,應(yīng)用領(lǐng)域偏重于代碼存儲(chǔ),在消費(fèi)級(jí)存儲(chǔ)應(yīng)用上已出現(xiàn)被NAND 閃存替代的趨勢(shì),目前僅應(yīng)用于功能性手機(jī),機(jī)頂盒、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、工業(yè)生產(chǎn)線控制上。
由于存儲(chǔ)行業(yè)終端用戶(hù)的IT 需求往往是綜合計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)三方面,廣泛分布于所有對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)有需求的各行各業(yè),涵蓋了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的大部分領(lǐng)域,市場(chǎng)規(guī)模和發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>
公司層面,由于未來(lái)以DRAM 和NAND FLASH 為主導(dǎo)的存儲(chǔ)器行業(yè)趨勢(shì)仍將延續(xù),海外存儲(chǔ)器巨頭三星電子、SK 海力士、美光科技、西部數(shù)據(jù)、東芝憑借三個(gè)先發(fā)優(yōu)勢(shì):國(guó)家資本支持,數(shù)量龐大的技術(shù)專(zhuān)利,對(duì)下游終端行業(yè)多年的滲透,控制了中高端存儲(chǔ)器市場(chǎng),未來(lái)仍將繼續(xù)角逐存儲(chǔ)器行業(yè)。
信號(hào)可分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)?,F(xiàn)實(shí)中一切的信號(hào),包括光熱力聲電等都屬于模擬信號(hào),例如麥克風(fēng)能將聲音的大小轉(zhuǎn)換成電壓的大小,可得到一個(gè)連續(xù)的電壓變化,這種連續(xù)的信號(hào)稱(chēng)為模擬信號(hào),用來(lái)處理模擬信號(hào)的集成電路稱(chēng)為模擬芯片。
模擬芯片產(chǎn)品已經(jīng)遍布生活中的各個(gè)角落,無(wú)論是網(wǎng)絡(luò)通信、消費(fèi)電子、工業(yè)控制、醫(yī)療設(shè)備還是汽車(chē)電子,都會(huì)用到模擬芯片,同時(shí),現(xiàn)在的許多新興應(yīng)用,包括共享單車(chē)、AR/VR 無(wú)人機(jī)等也都會(huì)用到模擬芯片。
上圖統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示了2015 年、2017 年以及預(yù)測(cè)的2019 年全球模擬芯片市場(chǎng)銷(xiāo)售收入的應(yīng)用分布。2019 年,集成電路的軍事和政府應(yīng)用將占全球集成電路銷(xiāo)售收入的1.3%,而最大的收入份額(38.5%)將來(lái)自通信應(yīng)用。
模擬芯片作為電子產(chǎn)品的重要組成部分,市場(chǎng)需求隨著各類(lèi)電子產(chǎn)品的快速發(fā)展而不斷擴(kuò)大。模擬產(chǎn)品生命周期較長(zhǎng),可達(dá)10 年之久,同時(shí),模擬芯片市場(chǎng)不易受單一產(chǎn)業(yè)景氣變動(dòng)影響,因此價(jià)格波動(dòng)遠(yuǎn)沒(méi)有存儲(chǔ)芯片和邏輯電路等數(shù)字芯片的變化大,市場(chǎng)波動(dòng)幅度也相對(duì)較小。根據(jù)WSTS 統(tǒng)計(jì),2017 年全球模擬芯片銷(xiāo)售額為527 億美金,約占半導(dǎo)體總體規(guī)模的12.8%。據(jù)ICInsights預(yù)測(cè),在未來(lái)五年內(nèi),模擬芯片的銷(xiāo)售量預(yù)計(jì)將在主要集成電路細(xì)分市場(chǎng)中增長(zhǎng)最為強(qiáng)勁,以6.6%的年復(fù)合增長(zhǎng)率快速增長(zhǎng)。預(yù)計(jì)到2022 年,全球模擬芯片市場(chǎng)規(guī)??蛇_(dá)到748 億美元。模擬芯片是預(yù)測(cè)中增長(zhǎng)最快的主要產(chǎn)品類(lèi)別,電源管理IC,專(zhuān)用模擬芯片和信號(hào)轉(zhuǎn)換器組件的強(qiáng)勁銷(xiāo)售預(yù)計(jì)將成為未來(lái)五年模擬增長(zhǎng)的主要推動(dòng)力。
數(shù)據(jù)顯示,全球模擬芯片銷(xiāo)售額為588 億美元,約占全球半導(dǎo)體總額的12.3%。從1999 年的221 億美元銷(xiāo)售額到如今,年復(fù)合增長(zhǎng)率為5.29%。模擬市場(chǎng)的主要增長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)力來(lái)自于移動(dòng)終端產(chǎn)品的爆發(fā)。作為所有電子設(shè)備中的關(guān)鍵部件,一個(gè)設(shè)備中一般都會(huì)用到一個(gè)甚至是多個(gè)模擬芯片產(chǎn)品,而移動(dòng)終端產(chǎn)品更是如此。
從2018 年排名前十的模擬設(shè)備廠商的營(yíng)業(yè)收入來(lái)看,德州儀器TI 作為全球的模擬設(shè)備供應(yīng)商仍保持著穩(wěn)固的地位,營(yíng)收和市場(chǎng)占有率幾乎是排名第二亞德諾ADI 的兩倍,是第十位瑞薩公司的十倍有余。
TI 的營(yíng)業(yè)收入持續(xù)保持著平穩(wěn)上升的態(tài)勢(shì),與公司使用旗下12 英寸晶圓廠生產(chǎn)模擬芯片,降低產(chǎn)品的成本有關(guān),同時(shí),也與公司產(chǎn)品在工業(yè)和汽車(chē)上的大量應(yīng)用有緊密的聯(lián)系。
對(duì)ADI 來(lái)講,雖然營(yíng)收和凈利水平離TI 還有一定的差距,但是近年來(lái)的營(yíng)收增長(zhǎng)率相比TI 是在不斷大幅提升。在毛利率方面,ADI 在2018 年的毛利率為68.3%,超過(guò)了TI 的65.11%。ADI 在2017 年之后的亮眼表現(xiàn),與收購(gòu)?fù)瓿蒐inear公司分不開(kāi)關(guān)系。在2016 年收購(gòu)?fù)瓿芍?,ADI 的電源產(chǎn)品線得到了充分的補(bǔ)充,提升到了全球第二的位置。電源產(chǎn)品與ADI 的混合信號(hào)、微波和傳感等產(chǎn)品一起,為ADI 在工業(yè)和通信市場(chǎng)打下半壁江山。
從供給端來(lái)看,模擬芯片行業(yè)研究能力供給是有限的,在設(shè)計(jì)過(guò)程中,人力資源難以被復(fù)制。模擬芯片的設(shè)計(jì)過(guò)程相比于數(shù)字芯片,更多依賴(lài)于經(jīng)驗(yàn),而更少依賴(lài)計(jì)算機(jī)模型,優(yōu)秀的工程師具有10 年以上的經(jīng)驗(yàn),因此,模擬芯片公司構(gòu)建了強(qiáng)大的進(jìn)入壁壘。再者,產(chǎn)品的差異性和研究能力有限降低了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng),同時(shí)終端市場(chǎng)的分散化特征繼續(xù)放大模擬芯片行業(yè)優(yōu)勢(shì)。模擬芯片的終端市場(chǎng)非常分散,產(chǎn)品線數(shù)以萬(wàn)計(jì)。行業(yè)龍頭在橫向產(chǎn)品種類(lèi)上具有優(yōu)勢(shì),新進(jìn)入者很難進(jìn)行有效競(jìng)爭(zhēng)。市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局穩(wěn)定,龍頭在定價(jià)能力上話語(yǔ)權(quán)優(yōu)勢(shì)明顯。
從市場(chǎng)的主要應(yīng)用方面看來(lái),模擬IC 大致可以分為三大類(lèi),即RF(射頻)相關(guān)產(chǎn)品、AD/DA(模數(shù)/數(shù)模)相關(guān)產(chǎn)品和電源管理產(chǎn)品。
以每年蘋(píng)果推出的新款iPhone 為例,隨著智能手機(jī)的功能趨于復(fù)雜,采用的射頻前端產(chǎn)品的數(shù)量也已經(jīng)增到到數(shù)十個(gè)之多,而射頻產(chǎn)品也是模擬芯片的一個(gè)組成部分,更不用說(shuō)電源管理類(lèi)的產(chǎn)品了。由此看來(lái),終端市場(chǎng)的發(fā)展大大影響了模擬市場(chǎng)的發(fā)展,而正是手機(jī)等手持終端產(chǎn)品的爆發(fā),引領(lǐng)了模擬市場(chǎng)的快速發(fā)展。
與全球相比,中國(guó)的模擬器件市場(chǎng)主要有四個(gè)特點(diǎn):消費(fèi)電子市場(chǎng)需求偏大,因?yàn)橹袊?guó)是全球最大的消費(fèi)電子生產(chǎn)基地,所以用于消費(fèi)電子的模擬芯片需求比例就特別高;中低端需求較大;工業(yè)市場(chǎng)很小但增長(zhǎng)很快;對(duì)外依賴(lài)度較高,超過(guò)80%的模擬芯片都來(lái)自進(jìn)口。比如幾乎所有的電子類(lèi)應(yīng)用都離不開(kāi)電源,因而無(wú)論哪個(gè)行業(yè)的發(fā)展都將為電源管理IC 的發(fā)展帶來(lái)契機(jī)。此外,數(shù)字消費(fèi)電子產(chǎn)品的不斷升級(jí)和快速發(fā)展也成為其前進(jìn)的動(dòng)力。
4.1 射頻器件
射頻器件是無(wú)線連接的核心,凡是需要無(wú)線連接的地方必備射頻器件,進(jìn)入了5G 時(shí)代,其背后牽動(dòng)的價(jià)值尤為重要。
通常情況下,一部手機(jī)主板使用的射頻芯片占整個(gè)線路面板的30%--40%。隨著智能手機(jī)迭代加快,射頻芯片也將迎來(lái)新一波高峰。目前,全球約95%的市場(chǎng)被控制在歐美廠商手中,甚至沒(méi)有一家亞洲廠商能進(jìn)入產(chǎn)業(yè)頂尖行列。在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用推動(dòng)下,未來(lái)全球無(wú)線連接數(shù)量將成倍的增長(zhǎng)。同時(shí),未來(lái)由4G+,5G,物聯(lián)網(wǎng)等對(duì)射頻器件的爆發(fā)性需求會(huì)加速它的發(fā)展。
歸結(jié)起來(lái),射頻器件主要三大細(xì)分領(lǐng)域?yàn)樯漕l濾波器、射頻開(kāi)關(guān)、PA 芯片(功率放大器芯片)。射頻前端芯片是移動(dòng)智能終端產(chǎn)品的核心組成部分,追求低功耗、高性能、低成本是其技術(shù)升級(jí)的主要驅(qū)動(dòng)力,也是芯片設(shè)計(jì)研發(fā)的主要方向。
隨著通信技術(shù)的發(fā)展,越來(lái)越多制式、頻段、新特性的加入,尤其隨著4G 通信制式的普及到向5G 廣泛展開(kāi),手機(jī)射頻模塊變得越來(lái)越重要,單個(gè)手機(jī)終端的射頻前端器件的價(jià)值會(huì)繼續(xù)提升,其價(jià)值量甚至可能超過(guò)主芯片。特別是隨著VR/AR、云服務(wù)等應(yīng)用的推廣,只能移動(dòng)終端開(kāi)始需要更大的數(shù)據(jù)傳輸速度與更大帶寬,新的技術(shù)和需求對(duì)射頻的復(fù)雜度要求更高,對(duì)射頻芯片的要求也有更大的提高。
目前全球射頻芯片的技術(shù)水平依然是歐美大廠商領(lǐng)先,規(guī)模優(yōu)勢(shì)明顯。臺(tái)灣企業(yè)在晶圓制造、封裝測(cè)試等產(chǎn)業(yè)鏈中下游占據(jù)重要地位。
從已有數(shù)據(jù)看來(lái),濾波器是射頻前端市場(chǎng)中最大的業(yè)務(wù)板塊,其市場(chǎng)規(guī)模將從2016 年的52 億美元增長(zhǎng)至2022 年的163 億美元。濾波器市場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)力來(lái)自于新型天線對(duì)額外濾波的需求,以及多載波聚合(CA) 對(duì)更多的體聲波(BAW)濾波器的需求。
功率放大器(PA)和低噪聲放大器(LNA)是射頻前端市場(chǎng)中第二大的業(yè)務(wù)板塊,由于新型天線的出現(xiàn)和增長(zhǎng),低噪聲放大器市場(chǎng)將穩(wěn)步發(fā)展。
開(kāi)關(guān)是射頻前端市場(chǎng)中第三大的業(yè)務(wù)板塊,其市場(chǎng)規(guī)模將從2016 年的10 億美元增長(zhǎng)至2022 年的20 億美元。該市場(chǎng)將主要由天線開(kāi)關(guān)業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)而增長(zhǎng)。
4.2 AD/DA(模數(shù)/數(shù)模)相關(guān)產(chǎn)品
近年來(lái),數(shù)字技術(shù),特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展與普及,在現(xiàn)代軍事和商用控制、通信等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。為了提高系統(tǒng)的性能指標(biāo),對(duì)信號(hào)的處理廣泛采用了數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)。由于系統(tǒng)的實(shí)際對(duì)象都是模擬量,如溫度、壓力、位移、圖像等,需要將這些模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)才能使計(jì)算機(jī)或者數(shù)字儀表識(shí)別、處理這些信號(hào);而經(jīng)計(jì)算機(jī)分析、處理后輸出的數(shù)字量往往也需要將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)模擬信號(hào)才能為執(zhí)行機(jī)構(gòu)所接受。由此,就需要能在模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間起橋梁作用的電路,即模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器。A/D 是模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換,依靠的是模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter),簡(jiǎn)稱(chēng)ADC。D/A 是數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換,依靠的是數(shù)模轉(zhuǎn)換器(Digital to Analog Converter),簡(jiǎn)稱(chēng)DAC。它們的道理是完全一樣的,只是轉(zhuǎn)換方向不同。
如今的電子產(chǎn)品中,數(shù)模芯片幾乎無(wú)處不在。數(shù)模芯片主要用在汽車(chē)專(zhuān)用模擬芯片中,近年來(lái)自動(dòng)駕駛與電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)發(fā)展,都是汽車(chē)模擬芯片市場(chǎng)的增長(zhǎng)保障。目前生產(chǎn)AD/DA 的主要廠家有ADI、TI、BB、PHILIP、MOTOROLA等。
得益于目前4G、5G 通信的建設(shè),移動(dòng)基站的部署等行業(yè)因素推動(dòng),移動(dòng)通信終端和便攜式移動(dòng)互聯(lián)設(shè)備的增長(zhǎng)等等推動(dòng),通信與消費(fèi)電子領(lǐng)域仍然是信號(hào)轉(zhuǎn)換模擬芯片的最大終端應(yīng)用市場(chǎng)。同時(shí),汽車(chē)電子也成為繼網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域之后帶動(dòng)數(shù)模芯片市場(chǎng)增長(zhǎng)的另一大領(lǐng)域。全球AD/DA 轉(zhuǎn)換中高端市場(chǎng)主要由ADI、TI 等美國(guó)廠商占據(jù),我們從上文分析TI 和ADI 等大型模擬芯片廠商近年的運(yùn)營(yíng)情況看來(lái),其對(duì)汽車(chē)電子應(yīng)用市場(chǎng)相關(guān)領(lǐng)域的投入是支持這些公司不斷壯大的支撐。
我國(guó)目前在部分品種芯片的研發(fā)和生產(chǎn)方面已經(jīng)具備基本的自給自足的能力,但芯片的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝與美國(guó)相比,仍存在整體差距,尤其是在高端核心芯片,比如高速數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片、射頻芯片等方面,對(duì)外依賴(lài)度較高。
在5G 時(shí)代,對(duì)器件標(biāo)準(zhǔn)提出了更高要求,而同時(shí)5G 時(shí)代有望加速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)則對(duì)數(shù)模中低端器件的需求全面提升。我們認(rèn)為,5G 高端需求在數(shù)模轉(zhuǎn)換器件領(lǐng)域有望實(shí)現(xiàn)突破,而國(guó)內(nèi)廠商則有望在中低端器件的需求中,探索出該領(lǐng)域升級(jí)和突破的新思路。
4.3 電源管理產(chǎn)品
如今,我們的生活中隨處可看到電子設(shè)備的激增,從收音機(jī)到電視機(jī)、智能手機(jī)、無(wú)人機(jī)、智能手表或者電動(dòng)汽車(chē),對(duì)電子設(shè)備的需求正影響和惠及不同的市場(chǎng),尤其是電力管理設(shè)備。事實(shí)上,任何電子設(shè)備都需要電源管理裝置。作為電子設(shè)備的關(guān)鍵部件,電源管理芯片擔(dān)負(fù)起對(duì)電能的變換、分配、檢測(cè)及其它電能管理的職責(zé),其性能的優(yōu)劣對(duì)于整機(jī)系統(tǒng)性能具有重要意義。因此,電源管理產(chǎn)品市場(chǎng)的發(fā)展遵循最終用戶(hù)需求的大趨勢(shì)也非常明顯。2017 年全球模擬芯片銷(xiāo)售情況中,電源管理芯片占模擬芯片銷(xiāo)售份額接近三成,并持續(xù)保持增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。
對(duì)于電源管理芯片而言,其主要的應(yīng)用領(lǐng)域包括汽車(chē)、通信、工業(yè)、消費(fèi)類(lèi)、計(jì)算等方面。據(jù)IC insights 的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,2017 年模擬市場(chǎng)的總銷(xiāo)售額為545 億美元,其中電源管理芯片占比接近三成,并持續(xù)保持增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。據(jù)Yole 預(yù)測(cè),電源IC 將從多個(gè)關(guān)鍵終端市場(chǎng)獲益,到2023 年電源IC 市場(chǎng)規(guī)模將增長(zhǎng)至227 億美元,2017~2023年期間的復(fù)合年增長(zhǎng)率(CAGR)將達(dá)4.6%。
從全球電源管理芯片市場(chǎng)規(guī)模數(shù)據(jù)可以看出,目前總的需求方面還是在穩(wěn)步增長(zhǎng),這與其產(chǎn)品特性也十分相關(guān)。除了消費(fèi)類(lèi)電子之外,汽車(chē)、通信、工業(yè)及計(jì)算更換周期相對(duì)較長(zhǎng),有的甚至達(dá)到十年以上,因此對(duì)于電源管理芯片的穩(wěn)定性和使用壽命要求較高,并且對(duì)廠商持續(xù)供應(yīng)能力提出了很大的挑戰(zhàn)。
具體而言,通信市場(chǎng)占據(jù)了最主要的市場(chǎng)份額,尤其是即將到來(lái)的5G 大規(guī)模布局,將進(jìn)一步提升通信領(lǐng)域電源管理芯片的需求。同時(shí),汽車(chē)電氣化以及工業(yè)4.0 升級(jí),也將成為電源管理芯片的助推劑。相對(duì)而言,消費(fèi)類(lèi)及計(jì)算方面應(yīng)用需求變化并不顯著。
從去年的走勢(shì)來(lái)看,電源芯片行業(yè)正在進(jìn)行整合?,F(xiàn)在市場(chǎng)上的大公司將在未來(lái)繼續(xù)對(duì)市場(chǎng)掌握話語(yǔ)權(quán),那些在電源管理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和信號(hào)調(diào)理方面處于領(lǐng)先地位的技術(shù)或公司,將被全球領(lǐng)先的高性能大公司收購(gòu),這加強(qiáng)了模擬類(lèi)設(shè)備各領(lǐng)域的組合。比如,2017 年3 月ADI 完成對(duì)Linear Technology 收購(gòu)無(wú)疑是行業(yè)近幾年最具代表性的事件。Linear Technology 在全球電源管理領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。通過(guò)此次收購(gòu),ADI 迅速補(bǔ)齊了在電源管理芯片方面的不足,并一躍成為全球第二大模擬芯片供應(yīng)商。據(jù)ADI 公司電源系統(tǒng)工程總監(jiān)梁再信介紹,二者合并之前,ADI 有2 萬(wàn)個(gè)器件,Linear 有2.3 萬(wàn)個(gè)器件,合并后總共有4.3 萬(wàn)個(gè)器件,其中電源超過(guò)1 萬(wàn)個(gè)器件。此次合并,將為客戶(hù)提供更加完整的模擬芯片解決方案。
進(jìn)入2018年,全球電源管理芯片領(lǐng)域也表現(xiàn)的非常活躍。先是,微控制器領(lǐng)域的有力競(jìng)爭(zhēng)者Renesas(瑞薩)收購(gòu)了Intersil,后者的產(chǎn)品組合包括穩(wěn)壓器和其他模擬產(chǎn)品。通過(guò)收購(gòu),Renesas 獲得了原本缺乏的電源管理、接口和柵極驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品組合。而后,蘋(píng)果與Dialog也達(dá)成6 億美元交易,Dialog將授權(quán)其電源管理技術(shù)、轉(zhuǎn)移部分資產(chǎn)以及輸送300 名研發(fā)工程師給蘋(píng)果。自此,蘋(píng)果也具備了電源芯片開(kāi)發(fā)能力,后續(xù)產(chǎn)品也將搭載自主產(chǎn)品。
海外廠商,如美國(guó)、日本廠商,仍然占據(jù)著移動(dòng)通信器件的壟斷地位,全球數(shù)模轉(zhuǎn)換中高端市場(chǎng)主要由ADI 和TI 等美國(guó)廠商占據(jù),國(guó)內(nèi)廠商在相關(guān)領(lǐng)域的研制仍處在低階階段,未來(lái)將會(huì)存在相關(guān)公司研發(fā)、擴(kuò)展和資本合作,這個(gè)階段將會(huì)帶給優(yōu)秀公司高速成長(zhǎng)的機(jī)會(huì)。
綜合看來(lái),伴隨著全球科技、經(jīng)濟(jì)、軍事等領(lǐng)域的快速發(fā)展,模擬芯片市場(chǎng)正迎來(lái)新的爆發(fā)期。尤其是其中的射頻關(guān)鍵器件、AD/DA 數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換器將成為5G 產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來(lái)的關(guān)鍵突破點(diǎn)。同時(shí),全球各大廠商的并購(gòu)、重組等利用各種資源對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行整合和提升,為行業(yè)的發(fā)展提供更多元化的發(fā)展思路。