《电子技术应用》

透过全球芯片生态链版图看“中国芯”实力

2017/4/3 5:00:00

如同人工智能第一次写进了《政府工作报告》而引来人们极大的关注一样,芯片产业也在十二届全国人大五次会议上成为代表们首次热议的话题,甚至有关发展国内芯片业的建议出现在了数十名人大代表的议案中。但与人工智能基本还处于起步阶段有所不同,我国芯片产业已然走过了产业构造期,目前进入到需要借力与聚力以求强筋壮骨的重要关口……

中国芯片在国际市场所处的弱势地位

中国芯片企业虽然经过多年的发展,在设计、制造以及封测领域已经形成了一批规模不小的企业,但与全球芯片巨头的技术水平相比仍有差距。

那么,在全球芯片生态链的各个版图里,中国芯片到底是什么水平?

1.设计软件

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芯片设计软件是芯片公司设计芯片结构的关键工具,目前芯片的结构设计主要依靠EDA电子设计自动化)软件来完成。

然而,Cadence(美国铿腾电子科技)、Mentor Graphics(美国明导国际)、ALTIUM(澳大利亚ALTIUM公司)、Synopsys(美国新思科技)、Magma Design Automation(美国微捷码)、ZUKEN INC.(日本图研株式会社)等几家公司,几乎垄断了世界半导体设计软件。其中,仅美国的四家公司在全世界的EDA市场份额就占到70%以上。

目前,中国开发EDA软件的企业主要有展讯和华为。两家公司的设计软件主要供内部使用,市场份额还很低,总占比不到10%。

2.指令集体系

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从技术来看,CPU只是高度集合了上百万个小开关,没有高效的指令集体系,芯片没法运行操作系统和软件。作为IT产业的土壤层,世界主流的指令集体系屈指可数。

由于处理信息的方式不同,CPU指令集分为复杂指令集和简单指令集两种。简单指令集有:ARM(英国ARM)、Power Architecture(美国IBM)、Mips(美国普思科技公司)。复杂指令集:X86(英特尔)。

目前,英特尔、Mips、ARM三家公司的指令集体系,几乎占领了全世界所有的智能手机、电脑及服务器等设备。中国芯片在这方面的占有率不超过3%。

3.芯片设计

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芯片设计公司,作为芯片产业连接电子产品、服务的接口,是平时产业界乃至公众接触最多的企业类型。全球芯片设计公司主要有高通、英伟达、联发科以及专注于物联网领域的美国博通等。

有研究机构指出,在2015年全球前十大芯片设计公司排行及整体销售额显示,高通、博通、联发科排在前三位,这三家公司的销售总额超过后7家之和,接近380亿美元。

大中华地区共有三家企业上榜,台湾的联发科、大陆的海思及展讯。华为海思排名第6位,销售额为38亿美元左右,展讯为18亿美元。

4.制造设备

目前,世界半导体制造设备主要供应厂商是AMAT(美国应材)、ASML(荷兰艾司摩尔)、Lam Research(美国科林研发)、LKA-Tencor(美国科磊)、Dainippon Screen(日本迪恩仕)。这五家公司的销售额占世界总份额的80%以上。英特尔、台积电、三星电子、中芯国际等厂商的关键以及主要半导体设备均由这几家美国及欧洲公司提供。

值得注意的是,其中ASML是全球领先的光刻机生产制造商,20纳米左右制程的芯片,均需要其光刻设备才能生产。

目前国产的半导体生产设备厂商以七星华创、北方微电子、中国电科集团等为主,一些企业也研发出了28纳米的等离子硅刻蚀机,但主要是在国内消化,应用于特种、军工等领域,从全世界范围来看,占比不超过3%。

5.圆晶代工

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芯片生产方式一般分为两大类:一类叫IDM,通俗理解就是集芯片设计、制造、封装和测试等多个产业链环节于一身的企业。有些甚至有自己的下游整机环节,如英特尔、三星、IBM就是典型的IDM企业。

另一类叫Foundry,就是企业本身不设计、销售芯片,只负责生产。最著名的就是台积电。圆晶代工厂是芯片从图纸到产品的生产车间,它们决定了芯片采用的纳米工艺等性能指标。

从规模看,全球代工企业主要有台湾台积电、台湾联华电子、美国格罗方德半导体、韩国三星以及大陆的中芯国际等公司。

目前,前五家海外圆晶代工厂的市场份额超过全球70%。中芯国际、武汉新芯、上海华力微电子等大陆企业,虽然近年来增长较快,但大陆芯片代工企业的市场份额不超过15%。如果算上英特尔、IBM这样的IDM企业,中国芯片在圆晶制造方面的份额还会更低。

6.封装测试

封装测试,作为芯片进入销售前的最后一个环节,主要目的是保证产品的品质管理,对技术需求相对较低。像英特尔、AMD等芯片厂商内部都拥有封测部门及配套企业。

当然,也有一些企业比如台积电则将封测业务外包,这也就促成了全球近半的封测企业都集中于台湾地区的情况。2014年,台湾芯片封测业产值占全球比例达55.2%。

目前,规模较大的封测企业有台湾地区的日月光集团、矽品、京元电、美国的安靠等。

封测领域是中国芯片产业最早可赶超世界平均水平的领域,而中国大量的封测企业,正在抓紧并购全球的封测公司。

比如,2015年,长电科技与新加坡星科金朋的合并,造就了次于日月光(全球第一)和安靠(全球第二)的全球第三大封测厂,全球市场份额9.8%;南通富士通微电子出资约3.7亿美元收购AMD旗下的苏州厂和马来西亚槟城厂;目前,紫光集团也已入股矽品,占股份25%。从总量来看,中国企业在封测领域的占比接近20%。

整体来看,除了圆晶代工、封装测试等技术要求相对不高的环节,中国芯片产业在其他绝大多数板块都与欧美芯片产业企业存在较大差距,在指令集、设计等一些体现技术含量的环节,中国芯片产业的技术实力几乎可以用“堪忧”来描述。

与市场占有率不相符的是极大的需求量

中国是芯片需求第一大国,芯片自给率不足三成。

数据显示,我国一年制造11.8亿部手机,3.5亿台计算机,1.3亿台彩电,牢牢占据世界第一,由此拉动全球1/3的芯片市场需求。而与此同时,我国国产芯片的自给率不足三成,集成电路产值也不足全球的7%,市场份额还不到10%,也就是说中国“芯”90%以上依赖进口,为此,仅去年我国在进口芯片上的花费就达到了2271亿美元,而且连续4年进口费用超过2000亿美元,芯片业成为与原油并列的最大进口产品。

透过全球芯片生态链版图看“中国芯”实力

目标宏大:挑战全球芯片行业 准备投入千亿美元

据报道,中国想成为半导体的超级大国,并计划投入大量资金实现这个目标。从上世纪70年代起,中国政府一直在努力建立本土的半导体行业,虽然中间也有波折。但中国的雄心从未像现在这样大,而且预算是如此之高。

在上世纪90年代中期,中国进行了早期的大力推动,美国投行摩根士丹利称,中国政府投入了接近10亿美元。但这次,按照2014年宣布的宏伟计划,中国政府将通过公募和私募基金筹集1000-1500亿美元。

中国的目标是到2030年从技术上赶超世界领先企业,具备设计、生产和封装所有类型芯片的能力,不再依赖外国进口。2015年中国政府提出新的目标:在10年内满足中国行业芯片需求的70%。但这有很长的路要走。去年中国的制造商,包括国内企业和外资企业,消费了价值1450亿美元的芯片。

中国政府的大力出资引起业界担忧

据安邦咨询高级研究员贺军援引的数据,目前全球54%的芯片都出口到中国,中国每年进口耗资2000多亿美元外汇,超过了石油和大宗商品,成为全球第一大进口商品。因此,当下中国工业界的外国芯片供应商纷纷表示政府的投资会侵蚀他们的利益。

报道认为,尽管政府大力支持,中国半导体产业的前景并不被专家看好。宾夕法尼亚大学沃顿商学院中文网的一篇文章援引一位长期参与中国半导体行业的外国前任高管说,绝大多数中国芯片制造企业都将注意力放在追求短期利益,而不是长期产品研发上。这篇报告还指出,国外企业对中国企业侵犯知识产权还抱有强烈的不信任,这将影响美日政府对中国转移技术的态度。此外,优秀芯片设计和工程人员的稀缺也是影响该行业在中国发展的重要原因。

大陆会实现其野心还是会继续依赖国外的芯片技术,台湾的经验值得借鉴

从上世纪80年代开始,台湾非常成功地打造了台积电(TSMC)这样世界级的芯片代工厂,也培育出了联发科技 (MediaTek)这样朝气蓬勃的处理器芯片设计公司。但其最近意欲在内存芯片业务上做大的尝试却一败涂地。这些公司在追逐市场份额的过程中进一步流失财富。

从2001年至2010年,全球内存芯片业总利润为80亿美元,但除去韩国两大成功厂商三星和SK海力士的利润后,其他公司损失近130亿美元。马克·李认为,尽管这些台湾企业支出庞大,但在前沿技术研究上的投资太少,而且过早期望获利。

近年来全球半导体产业日渐成熟,将令大陆更难跻身其中。而芯片本身及相关软件变得愈加复杂,令大陆公司更难以掌握。台湾公司是在芯片产业迅猛扩展的年代进入芯片市场,内地企业要在如今增长缓慢之时成功打入会更难。

大陆公认的芯片龙头企业要取得成功,必须完成三件难事。半导体行业设备供应商、香港上市公司ASM太平洋科技的总裁李伟光认为,首先,中国企业必须从“成本文化向创新文化”转型。 被问到紫光集团这类公司是否可以通过收购获得尖端科研成果时,他报之一笑并坚称“半导体行业没有捷径可走”。他的怀疑确有道理:台湾地区、韩国、美国的出口管制及其他政策壁垒限制了最新技术向大陆公司的转移。

内地芯片企业在发明创造上大多远远落后于世界领军企业(尽管海思是个明显的例外)。据麦肯锡咨询公司的克里斯托弗·托马斯(Christopher Thomas)计算,单单英特尔的研发支出就是中国内地整个芯片业研发支出的四倍。除了在科研上加大投入,大陆企业还需要吸引更多资深科学家和工程师。这并非不可能,毕竟硅谷到处是华裔英才。但如果紫光集团这类公司要吸引他们,则必须学会如何在全球范围推动创新,比如在世界各地运作多个研发中心。

这就带出了第二个难题:需要转变思维,从全球角度思考。 目前为止,大陆企业主要在迎合蓬勃发展的本地消费需求。但它们必须为挑剔的全球市场做准备。即使是大陆企业,尤其是那些服务国外市场的公司,也不太可能只因为芯片是本国制造的就能继续容忍其欠佳的性能。

最后一个挑战也许最令人生畏。大陆芯片企业的投资者需要有所准备:前路将是漫长的艰苦跋涉。 麦肯锡的分析显示,整个全球半导体业,无论是内存还是处理器芯片,也无论是设计、制造还是封装,各领域里数一数二的企业抢占了所有利润,而其他企业全部都在亏损。

若要避免浪费其1500亿美元的投入,可效仿的一个正面例子是三星。通过大量投资研发,招揽各类技术人才,而且容忍多年的低回报,这家企业已成为半导体行业的巨人。支持者认为,大陆企业能够做到这一点,毕竟政府将是主要投资者,并且是以战略考量为先,盈利为次。

即便如此,摩根士丹利的分析师认为大陆企业还是很有可能在半导体业的某些领域达到世界水平。本地芯片公司也许会在电视、手机和电脑这些产品领域变得举足轻重,大陆在这些产品的生产和消费上均占主导地位。监管机构可能会出台一些本土标准或实施国产化要求,进一步倾斜政策,扶助其青睐的企业,但风险在于,大陆企业最终可能变得只能在本土称强,却缺乏全球竞争力。

无论是在DRAM还是闪存芯片领域,大陆企业如果能说服一些国外大公司与之建立技术共享联盟,让这些公司帮忙克服其所在国政府对技术转让的限制,大陆企业突围的机会将因而提升。

中国芯”发力赢得有利窗口期

从全球范围来看,中国的确面临着加速发展国产芯片业的重要窗口期。一方面,国际上半导体产业已经走向成熟,国际资本介入半导体产业的脚步明显放缓,同时全球芯片市场最近两年持续处于萎缩,唯有中国区域市场例外;另一方面,摩尔定律放缓,但制造工艺还在前行,而且投资不断加大,这正好契合愈演愈烈的中国半导体产业投资并购需求。

从国内环境分析,除了沉淀出来的PC以及完整的供应链市场,智能手机正在加速洗牌,机型也处在不断升级过程之中,同时,智能家居、智能汽车、智能机器人、虚拟现实等处在爆发的前夜,尤其是还有接踵而至的5G、万物联网、人工智能、区块链等新的业态,都形成了对芯片的超大需求。

支撑国产芯片业的软硬环境也正在得到显著改善。据国际知名专利检索公司QUESTEL发布的最新报告,过去18年里,全球芯片专利数量实现了6倍的增长,但中国芯片专利量则增长了23倍,在芯片专利申请数量方面,中国已成为第一大国,并连续5年蝉联全球第一。

在政策层面,除了设立总规模近1400亿元的国家集成电路产业投资基金,上海、武汉、合肥、长沙、珠海、杭州、无锡等地也相继跟进成立了地方性产业投资基金。包括国家大基金、地方政府基金在内,国内集成电路产业基金总额已经超过4600亿元。

内联外合可以弯道超车

但是,由于芯片的投资需求巨大,回报周期漫长,而且技术要求高端,即便是从细分领域来看,很多的突破都远非一个企业力量所能为,为此需要加强主体企业之间的合作与行业整合。可喜的是,包括华为、中兴、紫光集团、中芯国际在内的27家国内芯片龙头已经组成了“中国高端芯片联盟”,产业协同效应值得期待。

此外,过去3年来,中国集成电路产业发生近百起并购整合,包括中芯国际、紫光集团等龙头企业已成规模,强强联合嫁接出的芯片设计与制造势能有待凸显。

数据显示,去年全球半导体并购的资金规模达1300亿美元,与中国有关的并购为125亿美元。然而,按照美国总统科技顾问委员会向白宫提交的报告,中国芯片业被认定为已对美国相关企业和国家造成严重威胁的力量,而且报告强调,虽然目前中国芯片产业仍然落后,但有机会通过产业政策缩小与美国的技术差距。故此,报告建议美国总统对中国芯片产业进行更严密的审查。中国企业在海外继续谨慎寻求并购标的的同时,重点应该转向国内市场寻求与国际芯片巨头的合作。

目前来看,为了抢占更多的中国市场,英特尔、高通、德州仪器等国际巨头纷纷加大了在中国资本与技术的投入,而且他们在中国的产业嵌入已相当深厚,也有与中国企业进行资本与产品合作的需求,且成功的案例并不少见,比如高通与贵州省政府达成战略合作并成立合资企业,英特尔与清华大学就联手研发新型通用芯片处理器形成合作协议,中芯国际与华为一起联合高通和比利时微电子研究中心成立合资公司,紫光集团旗下的展讯通信不仅获得了英特尔的90亿元注资,而且还与全球电源管理芯片巨头Dialog组成合作联盟。目前,中芯国际的制造工艺从40纳米提升至28纳米,受益于工艺提升,去年中芯国际收入大幅增长30%,达到29亿美元。

无独有偶,采用英特尔的架构,展讯通信推出了首款16纳米4G芯片,从而快捷挺进中高端市场,同时展讯通信与Dialog联手开发的14纳米芯片也将于今年下半年量产。近水得月,就地取材。

只要中国企业在本土加强与国外芯片巨头的合作关联,就完全可以绕开境外市场的技术限制与贸易封堵,进而实现弯道超车。


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