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中國芯片行業將走向何方?

導言:4月16日晚間,美國商務部發布公告稱,因違反制裁規定,美國政府禁止中興在未來7年內向美國企業購買敏感産品。中興通訊被美國商務部制裁事件,給我國集成電路行業打了一針“醒腦劑”,我國集成電路發展水平與國際先進水平仍有較大差距,本文從集成電路的過去、現狀以及未來發展趨勢解析中國當下集成電路業未來出路在何方。


一、我國集成電路行業發展現狀

1.1、從中興通訊被制裁說起

美國商務部4月16日發布聲明,將禁止美國公司向中興通訊銷售零部件、商品、軟件和技術7年,直到2025年3月13日,理由是公司違反了美國限制向伊朗出售美國技術的制裁條款。中興通訊目前尚有1-2月零部件存貨,但當前與美國商務部難以達成和解,所以公司的經營將受到嚴重影響。中興通訊基帶芯片、射頻芯片、存儲芯片及部分光學器件主要向總部在美國的企業采購。部分高端芯片和元器件短期內無法實現國産替代。

西方發達國家一直對出口到中國的集成電路制造裝備和材料以及工藝技術嚴格審查和限制。這對我國集成電路産業發展構成了嚴重制約,問題日益凸顯。中興通訊被禁事件只是我國集成電路發展落後的一個縮影。

在2017年3月SEMICON2017産業與技術投資論壇上,清華大學微電子學研究所所長魏少軍教授指出無論是數字電路還是模擬電路,國産芯片占有率均低。以數字電路爲例,計算機系統中的MPU、通用電子系統中的FPGA/EPLD和DSP、通信裝備中的Embedded MPU和DSP、存儲設備中的DRAM和Nand Flash、顯示及視頻系統中的Display Driver,國産芯片占有率都是零。

表1-1:中國核心集成電路的國産芯片占有率

目前我國所需核心芯片主要依賴進口,先進芯片制造商的收入中,中國市場貢獻了較大的市場份額。根據賽迪研究院的統計,在2017年世界前20芯片企業中,美國企業占了13家,在中國市場銷售額合計是667億美元。其中,高通、博通、鎂光有一半以上的市場銷售額是在中國實現的。如此倚重進口主要緣于國産芯片與國際水平差距太大,由于半導體産業關系國家經濟和安全命脈,中國芯必須有所突破。

表1-2:世界先進芯片制造商在華收入情況


1.2、我國集成電路行業發展曆程

(1)國産芯片的初級階段(1965-1978年)1968年秋,中科院半導體所開展集成電路的研制工作。1965年4月,研制成功4種固體組件,其中1種組件,在約1平方厘米大小的硅片內,刻蝕有7個晶體管,1個二極管,7個電阻和6個電容組成的電子線路,從此誕生了國産的芯片産業。

在這個發展階段,中國相繼研究出MOS型集成電路以及各種DTL,TTL類型的電路。但是在這個階段,整體發展也出現一窩蜂IC熱的情況,很多地方都相繼建設自己的集成電路工廠,造成一些不必要的過度建設。

(2)産業全面複蘇時期(1978-1990年)1978年十一屆三中全會,開啓全國全面改革開放的進程。在這個階段,中國集成電路的發展主要有如下特點:

生産工廠複蘇生産,不管是八七八廠的淨化車間投入使用,還是七四二廠從東芝引進的電視機芯片生産線,我國已經正式開始集成電路生産加工的曆程。

此後,中國開始引進外資技術,和中國的工廠合作建設。上海貝嶺,上海先進半導體以及華晶電子集團都是在這個階段通過中外合資的方式建立起來的。由于外資的技術經驗和設備的引入,在這個階段,雖然技術實力還是非常薄弱,但中國的集成電路産業得到全面的複蘇。

(3)“908工程”、“909工程”階段(1990-2000年)

“908工程”是指國家發展微電子産業20世紀90年代的第八個五年計劃,“909工程”是指第九個五年計劃。兩大工程的主體企業分別是無錫華晶和上海華虹。在這個階段,中國的集成電路産業加速了和外資企業的合作,國家強勢扶持,主要的發展成績是晶圓廠的建設和發展,今天中國的幾大晶圓廠無錫華潤上華,上海華虹,中芯國際都是在這個階段先後建設起來的。

(4)産業發展時期(2000年-至今)

2000年6月24日國務院18號文件《鼓勵軟件産業和集成電路産業發展的若幹政策》公布後,衆多大型集成電路制造企業紛紛在中國羅湖。18號文件的公布,無疑是一陣春風,吹開了中國集成電路産業的萬紫千紅。

在這個階段,一些著名的集成電路制造公司,紛紛落戶中國大陸,包括台積電,台聯電,英特爾和海力士等廠商,著名廠商的入住,或合資,或開設辦事處,都帶來了優秀的技術和管理經驗。集成電路設計得到極大地發展,很多在海外有技術經驗的華人回國創辦IC設計公司,帶來了直接的技術和經驗,在短短的幾年內,國內集成電路的設計公司就有幾百家之多。這些公司開始依靠自己的産品獲得市場的認可,有的還做出很好的成績,我國的集成電路優秀設計企業,幾乎都在這個階段誕生,也湧現出如中星微,珠海炬力,展訊,瑞星微等國內著名公司。

1.3、我國集成電路行業發展現狀

(1)行業發展技術較爲落後

集成電路三大主要領域是設計、制造以及封測。在低附加值的封測領域中,我國發展水平較高。而在高附加值的設計、制造領域,我國的發展水平較低。在集成電路中,芯片設計和制造端的落後是導致目前中國芯發展水平落後的主要原因。

從設計端來看,2016年至今引領整個半導體行業增長的主要産業是存儲器芯片,三星也正是借存儲器的東風于2017年營收超過英特爾。當前存儲器市場主要分爲兩大類。一類是系統內存DRAM以及快閃內存,其中快閃內存分爲NAND和NOR。就市場份額來講,NAND和DRAM占據了95%的市場份額。國際存儲器芯片的代表爲三星、海力士以及美光。我國內存芯片龍頭公司兆易創新主打NOR內存産品,NAND研發持續推進當中。此外紫光國芯旗下的長江儲存,福建的晉華集成以及安徽的合肥長鑫(兆易創新預期收購)也在推進NAND産品的研發。預計2019年實現NAND內存商業化量産。

在CPU和GPU上,我國的相應企業的研發進程差距更大。CPU上,整數、浮點、主頻三項性能只與英特爾于2010年4月推出的I3第1代相當,與國際龍頭廠商的差距約9代。龍芯的3A2000代表國內CPU較爲先進的水准,其性能與英特爾的第1代I3550相當,與英特爾的差距至少9代産品(I3有3代産品,I5有6代産品,目前I7代表最新技術)。而且當前國産CPU仍未商用化。GPU方面,英偉達已經切入到領先領域深度學習GPU,而景嘉微作爲國內GPU龍頭(主要爲軍用,仍未商用)仍處于圖形顯控芯片研發階段,而世界首款圖形顯控芯片早于2009年推出。

值得欣慰的是,我國的芯片技術在手機芯片領域已有所突圍,我國華爲海思和紫光展銳均有所突破。華爲手機中采用海思自制麒麟芯片比例接近7成,對高通的依賴度較低,僅約16%。麒麟970芯片已擁有NPU功能。由于華爲手機的高市占率,目前麒麟系列芯片已經能占手機市場13%。根據IC Insights發布的2017年全球前十大Fabless(無晶圓)IC設計廠商排名,海思以47.15億美元的業務營收額位列第7。排名第10的是紫光集團的展銳,其手機基帶芯片雖然集中在中低端領域,但市場份額穩居世界第3。

表1-3:國內與國外技術對比

制造端,當前我國晶圓制造代工龍頭企業是中芯國際。向全球客戶提供0.35微米到28納米晶圓代工與技術服務,目前已具備28nm polysion量産能力。公司上海、深圳、北京新廠有望于明年陸續量産,完全達産新增産能爲14萬片/月。中芯國際目前代表著我國最先進的晶圓制造水平,但其28納米制程的良品率仍較低,台積電和三星的7nm代工已可量産。

表1-4:中芯國際制程較爲落後

在封測端上,由于通過自主研發先進封裝和海外並購整合,中國大陸封測市場迅速壯大,份額躍居全球第二。國內封測前三的公司是長電科技、通富微電、華天科技,其中長電科技在長電收購星科金朋後,其一舉成爲全球第三大封測廠,2017年其市占率上升到了6.20%。

表1-5:2017年全球前五大封測廠商市占率

(2)産量與銷售額達兩位數增長

從生産看,我國集成電路産量穩步增長。2017年我國集成電路産量達到1564.90億快,同比增長17.75%,連續兩年生産同比增長達到15%以上。從集成電路銷售狀況來看,2017年我國集成電路銷售額達到5411.30億元。同比增長24.81%,已經連續兩年銷售同比增長達到20%以上。

圖1-1:集成電路産銷狀況


(3)本土芯片自給率較低,主要靠進口

根據中國半導體行業協會的統計,我國本土公司芯片自給率長期維持在30%以下,而且,我國芯片供需缺口正在逐步加大。由2010年的220億美元的缺口上升到了2017年590億美元的缺口。根據預測,2019年我國芯片供需缺口將達到880億美元。

圖1-2:2017年中國芯片供需量(十億美元)


我國大量進口集成電路以填補國內供需缺口,據統計局數據,2016年我國集成電路進口額爲2270.26億美元,超過原油進口額近一倍。集成電路連續三年進口金額超過2000億美元,目前已成爲我國進口金額最大的商品。集成電路産業高度依賴進口的狀況亟需轉變。

圖1-3:集成電路超過原油成爲進口額最大商品

(4)人才資源缺乏

根據工業和信息化部軟件與集成電路促進中心(CSIP)于2017年5月發布的《中國集成電路産業人才白皮書(2016-2017)》,目前我國集成電路從業人員總數不足30萬人,但是按總産值計算,需要70萬人,存在著40萬缺口,所以人才培養總量嚴重不足。

1.4、我國集成電路行業未來發展趨勢

(1)低附加值向高附加值轉移

近年來,在我國政府出台的多項政策和資金上的大力扶持下,IC設計環節持續快速發展。2016年設計業銷售額爲1644.30億元,首次超過封裝測試業。此外,2016年設計業、制造業、封裝業三業銷售額首次齊超千億大關。

圖1-4:設計業占比超過封裝測試業

設計是最能體現IC産業創新實力的環節,我國要想在IC産業上實現“彎道超車”就需要著力提升創新能力,以縮小與發達國家的差距。IC設計環節投資規模大,風險高,國家政策和産業基金的大力支持將促進我國IC設計業蓬勃發展。據媒體報道,大基金二期正在醞釀中,大基金二期將更加重視對IC設計的投入,據中國半導體行業協會預計,大基金二期投資IC設計環節的比重有望增加至20%-25%。目前二期正在醞釀中,在估測1500-2000億的規模下,大基金二期投資IC設計金額可達400-500億元,約爲一期投資金額的2倍,其投資對象也將擴大到具有發展潛力的新創企業。

(2)汽車電子、AI、物聯網等産業成爲IC發展新驅動力

未來幾年汽車半導體市場有望成爲最強勁的芯片終端應用市場。根據研究公司IC Insights2018年的報告預測,至少到2021年,汽車半導體市場都將是最強勁的芯片終端應用市場。根據該公司預測,從2016年到2021年之間,車用電子系統銷售額將以5.4%的複合年成長率(CAGR)成長,是六大主要終端用戶系統類別中最高的。

圖1-5:2016-2021年各領域電子系統CAGR(%)

在市場占比情況上,根據IC Insights,預計2017年全球電子系統市場總額爲1.49萬億美元,汽車市場份額占比約爲9.1%,高于2015年的8.9%和2016年的9.0%。預計到2021年,汽車電子産品將占全球電子系統銷售額的9.8%。

圖1-6:2017年全球電子系統市場總額預測(億元)

深度學習作爲機器學習的分支,是當前人工智能研究的主流方式,其本質是把傳統算法問題轉化爲數據和計算問題。所以對底層基礎芯片的要求也發生了根本性改變:人工智能芯片的設計目的不是爲了執行指令,而是爲了大量數據訓練和應用的計算。

在人工智能芯片領域,目前適合深度學習的主要有GPU、FPGA、ASIC三種技術路線。三類芯片代表分別有英偉達的特斯拉系列GPU、賽靈思的FPGA和谷歌的TP。

表1-6:重點AI芯片公司簡介表

二、我國集成電路行業出路在何方?

2.1、民營企業研發投入落後

根據申萬集成電路行業分類,已經完整公布2017年財務報表的A股集成電路類企業有22家。其中總市值最大的前三家集成電路企業分別是兆易創新(國産存儲芯片龍頭)、紫光國芯(國內領先的芯片設計商)以及長電科技(國內IC封測龍頭),對應的市值分別爲384.20億元、347.10億元以及320.11億元。在這22家A股集成電路上市公司中,2016年和2017年研發費用占營業收入之比均超過20%的公司有紫光國芯、全志科技、國科微、北京君正以及盈方微。

這22家公司與國際巨頭英特爾對比,仍然存在著差距。英特爾目前市值爲15125.87億元(換算成人民幣,下同),2017年實現營業總收入4100.93億元,而國內22家集成電路上市公司僅實現營業收入505.18億元,僅占英特爾一家的12.32%。2017年,這22家上市公司研發費用合計爲36.68億元人民幣。而英特爾研發費用爲855.85億元,僅占英特爾一家的4.29%。差距已經很明顯,當前我國的集成電路上市公司的體量、經營狀況以及研發投入與國際巨頭相比,短期內是不可能實現彎道超車。

表2-1:已公布17年年報的集成電路上市公司與英特爾的比較

2.2、我國芯片的研發投入應該走什麽路?

說到芯片的自主之路如何走,我們就需要再回到芯片的特點上來。投入大、周期長的特點決定了芯片行業必然需要長期持續投入,才有可能出成果。

我國芯片行業發展的資金來源主要有三個方向:一是以大基金爲代表的國家基金,立足全國規劃,更有理性;二是民間資本,自然會對市場負責;三是地方政府基金。

國家層面來看,2014年9月國家集成電路産業投資基金(大基金)成立,第一期募集資金規模爲1387億,截至2017年底,大基金累計有效決策投資67個項目,累計項目承諾投資額1188億元,實際出資818億元,分別占一期募資總額的86%和61%。目前正在進行國家集成電路産業投資基金二期的成立工作,二期擬募集1500億-2000億元人民幣。

地方層面,各地集成電路産業正呈現“一哄而上”的趨勢,2017年集成電路設計企業達到1380多家,國內企業“散小亂”問題以及低水平重複建設的問題較爲突出。

在芯片行業的投資上,無論是國家和地方資金還是市場資金,都應該充分認識到集成電路産業的發展規律(投資大、更新快、協同要求高),對于更新速度非常快的電子行業,投資應該充分考慮到完全自主研發的長周期特點。這裏並不是說不能進行自主研發,而是在更新速度很快的芯片領域,應該尋找一條“政府+市場”的途徑,通過我國熟悉的産業發展模式,充分利用消費大國的需求優勢,增加技術和設備引進,才能少走彎路。芯片是受摩爾定律支配的龐大的全球競爭性産業,在中國高端芯片實現突破之前,技術積累不足的原因誠然是主要影響因素,但如果要實現芯片産業鏈完備而有國際競爭力,至少實現可替代,則更要有國內産業鏈的整體發展水平和垂直整合能力的配合,同時基礎的教育環境甚至人文社會環境方面也是一個非常重要的原因。對于一個分工精密、高速叠代的高科技行業,如果冒然舉全國之力投入,不僅不能較快解決我國面臨的“芯”痛,可能更是一種戰略失誤。

如果企業只是單純的依靠政府支持,不僅容易脫離行業自身發展規律和市場規律,也容易讓企業心存投機取巧心理,導致核心競爭力沒有出現,而資金卻出現了濫用,更加難以使得企業真正走向市場,走向國際,參與激烈的競爭。集中政府和市場的力量精准辦大事,或許能幫助我國芯片産業較爲快速的走出困境。


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