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中國半導體異軍突起 全球產業面臨超級周期

作者:時間:2019-06-04來源:智東西,東方財富收藏
最近幾年,半導體產業風起云涌。一方面,中國半導體異軍突起,另一方面,全球產業面臨超級周期,加上人工智能等新興應用的崛起,中美科技摩擦頻發,全球半導體現狀如何?全球半導體的機會又將如何?
 
  半導體的前世今生
 
  半導體歷史沿革
 
  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體晶片或介質基片上,然后封裝在一個管殼內,成為具有所需電路功能的微型結構;其中所有元件在結構上已組成一個整體,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了一大步。
 
  自從1958年德州儀器發明出世界上第一塊集成電路以來,集成電路迅猛發展,歷史上大致從西從東形成轉移。從上世紀50年代發展至今,集成電路大體經歷了三次產業變遷,分別是:在美國發明起源——在日本加速發展——在韓國臺灣分化發展。
 
  縱貫全球半導體產業發展的時間軸,可以劃分出七大時間節點:20世紀40-50年代晶體管時代及IC的誕生;60年代集成電路制造進入量產階段,IC進入了商用階段;70年代個人計算機出現,大規模集成電路進入民用領域;80年代PC普及,整個行業基本都在圍繞PC發展;90年代PC進入成熟階段;21世紀前10年互聯網大范圍推廣,網絡泡沫和移動通訊時代來臨,消費電子取代PC成為半導體產業新驅動因素;2010年至今大數據時代到來,半導體產業經歷了增速放緩逐步進入成熟。
 
  半導體的產業鏈全景
 
  半導體是許多工業整機設備的核心,普遍應用于計算機、消費類電子、網絡通信、汽車電子等核心領域。半導體主要分為四部分: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、存儲器、模擬電路。其中集成電路占到整個市場的80%以上,可按其功能分為計算類、儲存類和模擬類集成電路。
 
  把整個半導體生產流程簡化了看,我們可得出下圖,芯片在出廠前主要經歷了設計、制造階段、封測,最后流向終端產品領域。
 
  半導體產業鏈龐大而復雜,可以分為上游支撐產業鏈,包括半導體設備、材料、生產環境;中游核心產業鏈,包括IC設計、IC制造、IC封裝測試;下游需求產業鏈,覆蓋汽車電子、消費電子、通信、計算機。從產業鏈分布的公司來看:美國、日本、歐洲、臺灣公司形成對上中游核心產業全覆蓋,依靠技術自主可控壟斷半導體產業。
 
  從全球集成電路市場看,隨著PC應用市場萎縮,4G手機市場逐漸飽和,全球集成電路市場的增長步伐放緩,但2018年全球集成電路銷售額仍保持了15.94%的增長,達到4779.36億美元。從1999年到2018年,全球半導體銷售額從1494億美元增長至了4779.36億美元,年復合增長率為6.31%。
 
  據Gartner公司的數據顯示,三星電子和蘋果仍然是2018年兩大半導體芯片買家,占全球市場總量的17.9%,與上一年相比下降了1.6%。受出貨量和平均銷售價格增長的推動,英特爾去年的半導體營收較2017年增長了13.8%。此外,其他主要內存芯片廠商去年的表現也較為強勁,包括SK海力士和美光。
 
  計算類IC——硬核科技的代表
 
  計算類芯片也稱邏輯電路,是一種離散信號的傳遞和處理,以二進制為原理、實現數字信號邏輯運算和操作的電路,它們在計算機、數字控制、通信、自動化和儀表等方面中被大量運用。邏輯電路可以分為標準化和非標準化兩大類。
 
  縱觀全球半導體,作為資金與技術高度密集行業,半導體目前形成深化的專業分工、細分領域高度集中的特點,邏輯IC作為半導體行業的核心,自上世紀末開始,近20年來持續保持增長態勢,CAGR達到8.51%,2018年邏輯IC市場規模達到新高1093億美金,約占全球半導體市場總值的四分之一。
 
  目前世界范圍內主流標準化邏輯電路有四種:CPU、GPU、ASIC、FPGA。由于西方國家電子信息化擁有先發優勢,形成了對革命性產品的壟斷,邏輯IC行業形成了較高市場準入門檻,四個主流領域多被歐美發達國家的電子巨頭所控制。
 
  CPU
 
  CPU從1971年發展至今已經有四十七年的歷史了,提起CPU不得不說Intel公司的發展史就是CPU的發展簡史。英特爾公司最早有三位創始人:羅伯特·諾宜斯、高登·摩爾、安迪·葛洛夫。集成電路技術的發展一直遵循摩爾定律,高登·摩爾就是摩爾定律創始人。
 
  CPU是一塊超大規模的集成電路,是計算機的運算核心和控制核心。它的功能主要是解釋計算機指令以及處理計算機軟件中的數據。CPU的結構主要包括控制單元、運算器、高速緩存器、動態隨機存取存儲器四個部分,分別對應控制、運算、高速數據交換存儲、短暫存儲四個用途。
 
  多年來,隨著電子信息技術發展,CPU在集成電路領域仍保持強大的競爭優勢,源于CPU諸多優勢,其一CPU是通用類計算芯片,能適應不同應用場景,包括手機、汽車、工業制造、計算機等。其二性能上穩定性好、運算能力突出、功耗適中、開發周期相對較短、成本較低。
 
  CPU可分為桌面CPU和移動CPU兩大類。桌面CPU行業目前形成傳統霸主英特爾與后起之秀AMD兩強爭霸的局面。
 
  工藝制程方面,目前CPU頂級的工藝制程為14nm,正在向10nm推進。AMD通過多年研發投入,從不同等級產品的核心數、基頻、主頻、緩存、工藝制程等多項技術參數上看已經不落后于Intel,但缺陷也是明顯的,AMD產品工作主頻往往產生較高發熱量,功耗過大,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。
 
  應用領域上,CPU作為任何電子終端產品的核心部件,被大規模應用在個人PC、平板電腦、大型服務器、商用無人機、移動設備上。
 
  移動CPU領域呈現一超多強的局面,美國高通公司一直在高端移動處理器市場中占據壟統治地位,至今這種優勢依舊難以打破。其競爭對手主要包括美國蘋果電腦、臺灣聯發科和韓國三星電子。
 
  GPU
 
  由于CPU的架構中需要大量的空間去放置存儲單元和控制單元,相比之下計算單元只占據了很小的一部分,所以它在大規模并行計算能力上極受限制,而更擅長于邏輯控制。但是隨著人們對更大規模與更快處理速度的需求增加,CPU無法滿足,因此誕生了GPU。
 
  GPU是圖形處理器,是一種專門在個人電腦、工作站、游戲機和一些移動設備(如平板電腦、智能手機等)上圖像運算工作的微處理器,擁有很強的浮點運算能力。它與CPU有明顯區別:一是相比于CPU串行計算,GPU是并行計算,同時使用大量運算器解決計算問題的過程,有效提高計算機系統計算速度和處理能力,它的基本思想是用多個處理器來共同求解同一問題,即將被求解的問題分解成若干個部分,各部分均由一個獨立的處理機來并行計算。二是GPU的結構中沒有控制器,所以GPU無法單獨工作,必須由CPU進行控制調用才能工作,GPU更適合簡單大量的處理類型統一的數據。
 
  雖然GPU是為了圖像處理而生的,但是我們通過對GPU微架構示意圖觀察,認為GPU在結構上并沒有專門為圖像服務的部件,只是對CPU的結構進行了優化與調整,所以GPU也可以稱為專用CPU。
 
  談到GPU,可能首先想到的是NVIDIA,這是一顆GPU領域的璀璨明星,NVIDIA成立于1993年,由黃仁勛等三人創辦,從1995年開始推出自己的顯卡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標準,在能效上超越了3Dfx的Voodoo和ATI的Rage Pro,加上價格低廉獲得了很多整機廠的青睞,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,此時唯一能與之相爭的只有ATI的Radeon,ATI的Radeon系列與NVIDIA的GeForce系列的對抗直到2006年才罷場,AMD成功收購ATI,獨立GPU市場形成NVIDIA和AMD兩大巨頭的格局。
 
  從產品上來看,兩家公司GPU特點和優勢完全不同,這緣于研發思路存在差異:NVIDIA產品特點主要有四點:一是設計思路歸于高性能、低功耗;二是性能強大,經常壟斷高端旗艦級市場,高端N卡占據優勢比較明顯;三是支持PhysX、TXAA、FXAA等多個技術;四是驅動程序完善。
 
  AMD的產品特點在于:一是芯片單一性能突出,功耗普遍較大;二是主打入門級的產品,性價比高,覆蓋中低端市場;三是支持AMD Eyefinity寬屏技術;四是挖礦性能相當突出。總之,N卡主要有低功耗、驅動成熟、追求極致性能,產品線完善等優勢,A卡則主要是性價比相對更高,計算能力強,繪圖、挖礦更有優勢,畫質較好,但高端產品線較少。
 
  ASIC
 
  近年隨著以比特幣為代表的虛擬貨幣市場的火爆,催生了一大批生產“挖掘”虛擬貨幣設備的礦機廠商,相較于我們常見的CPU、GPU等通用型芯片來說,ASIC芯片的計算能力和計算效率都直接根據特定的需要進行定制,所以其可以實現體積小、功耗低、高可靠性、保密性強、計算性能高、計算效率高等優勢,特別適合礦機這種對芯片算力要求高、功耗要求小的特定應用領域。缺點是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計要求高、初期成本高、開發周期長。
 
  由于挖礦屬于邊緣應用領域,AI仍是ASIC的主要應用領域,隨著人工智能時代到來,傳統的神經網絡算法在通用芯片(CPU、GPU)上效率不高,功耗比較大,因此從芯片的設計角度來說,通用型往往意味著更高的成本。為了提升效率,降低功耗,ASIC應運而生。目前從全球范圍來看,基于人工智能方向的ASIC領域并未出現“一家獨大”的局面,反而呈現出國內外電子科技巨頭、科研院所和國內初創型公司互相競爭的格局,國外以Google、IBM、Intel、斯坦福大學為首,國內有中星微電子、寒武紀科技、啟英泰倫。
 
  FPGA
 
  通用處理器的摩爾定律已入暮年,而機器學習和Web服務的規模卻在指數級增長。人們使用定制硬件來加速常見的計算任務,然而日新月異的行業又要求這些定制的硬件可被重新編程來執行新類型的計算任務。FPGA正是一種硬件可重構的體系結構,常年來被用作高計算領域專用芯片(ASIC)的小批量替代品。
 
  FPGA指現場可編程門陣列,它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發展的產物。它是作為專用集成電路(ASIC)領域中的一種半定制電路而出現的,既解決了定制電路的不足,又克服了原有可編程器件門電路數有限的缺點。
 
  FPGA能部分替代ASIC是有原因的,一是FPGA并行運算,二是硬件結構可變,三是運行中可更修改。
 
  FPGA的核心優勢,主要有五個方面:可編程靈活度高、并行運算效率高、開發周期較短、穩定性好、長期維護。
 
  全球FPGA市場被國外四大巨頭Xilinx(賽靈思),Altera(阿爾特拉已被英特爾收購)、Lattice(萊迪思)、Microsemi(美高森美)壟斷。從產品上看,賽靈思公司多年來保持FPGA行業霸主地位,源于產品超強的競爭力,一是賽靈思FPGA在集成上不斷突破,工藝制程一直保持領先,芯片效率高、功耗小。二是產品定位于高端市場,應用領域覆蓋汽車、數據中心、消費類電子、高性能計算、醫療、有線通信等附加值高的行業。三是技術專利數量龐大,形成了抵御同業對手的天然壁壘。
 
  DSP
 
  除了以上四種主要標準化電路,非標準化邏輯電路也在各種應用領域被大量應用,DSP是應用領域比較廣泛的一種。
 
  區別于FPGA適用于系統高速取樣速率、高數據率、框圖方式編程、處理任務固定或重復、使用定點。適合于高速采樣頻率下,特別是任務比較固定或重復的情況以及試制樣機、系統開發的場合。DSP,也稱數字信號處理器,適用于系統較低取樣速率、低數據率、多條件操作、處理復雜的多算法任務、使用C語言編程、系統使用浮點。適合于較低采樣速率下多條件進程、特別是復雜的多算法任務。DSP是由通用計算機中的CPU演變而來的,和工業控制計算機相比,DSP這種單片機具有多重優勢:一是系統結構簡單,使用方便,實現模塊化;二是可靠性高,可保持長時間無故障工作;三是處理功能強,速度快;四是控制功能強;五是環境適應能力強。
 
  DSP憑借卓越的性能,在圖形圖像處理,語音處理,信號處理等通信領域起到越來越重要的作用,被廣泛應用于移動通信、電機控制、汽車毫米波雷達圖像處理、測量儀表等領域。
 
  目前,全球范圍內上生產DSP的大型廠商包括德州儀器、亞德諾半導體、恩智浦半導體。
 
  依據DSP主流廠商產品的特點,可以預計未來DSP技術將向以下幾個方面繼續發展與更新:一是DSP芯核集成度越來越高,通過縮小DSP芯片尺寸,實現了DSP系統級的集成電路;二是為了面向復雜應用領域,可編程DSP芯片將成為未來主導;三是定點DSP仍占據主流,隨著DSP定點運算器件成本的不斷低,能耗越來越小的優勢日漸明顯,未來定點DSP芯片仍將是市場的主角。
 
  總體上來看,通過對多種計算類芯片全方位對比,計算類芯片經過幾十年的發展,CPU不再一枝獨秀,多種新應用領域對復雜計算產生強大需求,由此產生專注于圖像處理的芯片GPU;可以靈活編程,大幅縮短開發周期的芯片FPGA;進行了定制設計優化,在特定應用場景下功耗及量產成本較低的ASIC芯片;以及融合數字信號處理算法,專用于數字信號處理領域的DSP芯片等都得到了廣泛的應用與快速的發展。
 
  目前,計算類芯片已經形成了以CPU、GPU、FPGA、ASIC、DSP并行發展的新趨勢,可以預見,隨著未來5G通訊、傳感器(MEMS)、可穿戴設備、物聯網、工業機器人、VR/AR以及人工智能等新興領域市場的發展擴大,對計算類芯片性能、技術、能耗等方面的需求將繼續驅動各種計算類芯片在技術上得到更加快速的發展。
 
  存儲IC——現代信息技術的基石
 
  存儲器可以說是大數據時代的基石。存儲器就類似于鋼鐵之于現代工業,是名副其實的電子行業“原材料”。計算機中的全部信息,包括輸入的原始數據、計算機程序、中間運行結果和最終運行結果都保存在存儲器中。
 
  從大類上看,存儲器可以分為光學存儲器、半導體存儲器、磁性存儲器。半導體存儲器是目前最主要的存儲器類別,以斷電后存儲數據是否丟失為標準,半導體存儲芯片可分兩類:一類是非易失性存儲器,這一類存儲器斷電后數據能夠存儲,主要以NAND Flash為代表,常見于SSD(固態硬盤);另一類是易失性存儲器,這一類存儲器斷電后數據不能儲存,主要以DRAM為代表,常用于電腦、手機內存。除了NAND Flash和DRAM,還包含其他門類,例如Nor Flash、SRAM、RRAM、MRAM、FRAM等。
 
  存儲器行業屬于強周期性行業,從歷史表現上看,存儲器行業總是處于交替出現的漲跌循環之中。存儲器行業的波動劇烈,其產業周期強于電子市場及電子元器件市場整體的周期性,暴漲暴跌的情況可謂常態。
 
  從產值構成來看,DRAM、NAND Flash、NOR Flash是存儲器產業的核心部分。這緣于一方面性能不斷提升的手機操作系統及日益豐富的應用軟件極大地依賴于手機嵌入式閃存的容量;另一方面,萬物互聯等新技術的涌現推動數據量的急速膨脹。
 
  受益于上述兩因素,2018年全球半導體營收去年達4779.36億美元,主要貢獻來自于存儲芯片。存儲芯片占半導體總營收的比重從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CAGR,從存儲芯片內部結構看,DRAM占比57.1%,NAND Flash占比39.49%,NOR Flash占比3.41%。
 
  DRAM
 
  在半導體科技極為發達的臺灣,內存和顯存被統稱為記憶體,即動態隨機存取記憶體(DRAM),DRAM是最常見的存儲器,只能將數據保持很短的時間。為了保持數據,使用電容存儲,所以必須隔一段時間刷新一次,如果存儲單元沒有被刷新,存儲的信息就會丟失。
 
  DRAM是相對于SRAM而產生的,SRAM(靜態隨機存儲器)是隨機訪問存儲器的一種,這種存儲器只要保持通電,里面儲存的數據就可以恒常保持。SARM的優勢是訪問速度快、功耗非常低,缺陷是單位存儲密度不足,成本較高,因而不適合用于更高儲存密度低成本的應用,如PC內存。DRAM除了兼具SRAM特點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算平臺的個人消費類或工業設備,從筆記本電腦和臺式電腦到智能手機和許多其他類型的電子產品等。
 
  隨著CPU性能的不斷提高,終端產品內存也需要逐步升級,高性能的內存搭配高性能的CPU才能最大的發揮它的價值與優勢,DRAM發展到現在已歷經了五代,從第一代SDRAM,到如今的第五代DDR4SDRAM。DRAM沿著傳輸速率更大,總線計時器更多,預讀取量更大,數據傳送速率更快,供電電壓更小的方向發展。
 
  從行業上看,早期計算機應用占了整個DRAM產業高達90%份額,2016年開始伴隨大容量智能手機崛起,手機逐漸取代PC成為DRAM產業的主流,同時云服務器DRAM需求涌現的帶動是功不可沒的推手,包括Facebook、Google、Amazon、騰訊、阿里巴巴等不斷擴充網路存儲系統,對于云存儲、云計算的需求提升,都帶動服務器DRAM需求起飛,目前DRAM行業一直被美韓三大存儲器公司壟斷,三星、海力士、美光占據了全球市場的95%以上。
 
  DRAM節點尺寸目前是由器件上最小的半間距來定義的,美光DRAM基于字線,三星和SK海力士則基于主動晶體管,美光科技、三星和SK海力士作為DRAM市場的主導廠商,這三家公司擁有各自的工藝節點。由于解決了這些技術節點問題,美韓三大廠商憑借領先的工藝水平拉開了與其它存儲器廠商的差距。
 
  NAND Flash
 
  NAND Flash是Flash存儲器中最重要的一種,其內部采用非線性宏單元模式,為固態大容量內存的實現提供了廉價有效的解決方案。NAND Flash存儲器具有容量較大,改寫速度快等優點,適用于大量數據的存儲。
 
  Flash的內部由金屬氧化層、半導體、場效晶體管(MOSFET)構成,里面有個懸浮門(Floating Gate),是真正存儲數據的單元。數據在Flash內存單元中是以電荷(electrical charge)形式存儲的。存儲電荷的多少,取決于圖中的控制門(Control gate)所被施加的電壓,它控制的是向存儲單元中沖入電荷還是使其釋放電荷。而數據的表示,以所存儲的電荷的電壓是否超過一個特定的閾值Vth來表示。對于NAND Flash的寫入(編程),就是控制Control Gate去充電(對Control Gate加壓),使得懸浮門存儲的電荷夠多,超過閾值Vth,就表示0。對于NAND Flash的擦除(Erase),就是對懸浮門放電,低于閥值Vth,就表示1。
 
  NAND FLASH內部依靠存儲顆粒實現存儲,里面存放數據的最小單位叫cell。每個儲存單元內儲存1個信息位(bit),稱為單階儲存單元(SLC),SLC閃存的優點是傳輸速度更快,功率消耗更低和儲存單元的壽命更長,成本也就更高。每個儲存單元內儲存2個bit,稱為多階儲存單元(MLC),與SLC相比,MLC成本較低,其傳輸速度較慢,功率消耗較高和儲存單元的壽命較低。每個儲存單元內儲存3個bit稱為三階儲存單元(TLC),存儲的數據密度相對MLC和SLC更大,所以價格也就更便宜,但使用壽命和性能也就更低。由于存儲數據量的不用,導致SSD從可擦寫次數、讀取時間、編程時間、擦寫時間存在差異。
 
  從工藝上看,NAND Flash可以分為2D工藝和3D工藝,傳統的2D工藝類似于“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足大容量終端需求,均開始研發多層閃存(3D NAND Flash),英特爾和美光引入市場的3D Xpoint是自NAND Flash推出以來,最具突破性的一項存儲技術,它通過單層存儲器堆疊突破了2D NAND存儲芯片容量的極限,大幅提升了存儲器容量,因此技術3D NAND具備了四個優勢: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;四是密度是傳統存儲的10倍。
 
  除了傳統存儲巨頭三星電子、SK海力士、美光科技,東芝和西部數據也是NAND FLASH領域不可忽視的重要力量。
 
  應用領域看,NAND-FLASH廣泛應用于固態硬盤(SSD),固態硬盤按照存放數據最小單位bit來劃分主要可以分為SLC-SSD、MLC-SSD和TLC-SSD三類。SLC-SSD具有高速寫入,低出錯率,長耐久度特性,主要針對軍工、企業級存儲。MLC-SSD和TLC-SSD固態硬盤的應用主要針對消費級存儲,有著2倍、3倍容量于SLC-SSD,同時具備低成本優勢,適合USB閃盤,手機等。
 
  整體上來看,DRAM和NAND FLASH占據了存儲芯片市場96%以上的份額,NOR Flash由于存儲容量小,應用領域偏重于代碼存儲,在消費級存儲應用上已出現被NAND閃存替代的趨勢,目前僅應用于功能性手機,機頂盒、網絡設備、工業生產線控制上。
 
  由于存儲行業終端用戶的IT需求往往是綜合計算、網絡、存儲三方面,廣泛分布于所有對數據存儲有需求的各行各業,涵蓋了國民經濟的大部分領域,市場規模和發展潛力巨大。
 
  公司層面,由于未來以DRAM和NAND FLASH為主導的存儲器行業趨勢仍將延續,海外存儲器巨頭三星電子、SK海力士、美光科技、西部數據、東芝憑借三個先發優勢:國家資本支持,數量龐大的技術專利,對下游終端行業多年的滲透,控制了中高端存儲器市場,未來仍將繼續角逐存儲器行業。
 
  模擬IC---通信、5G等新興技術產業發展急先鋒
 
  信號可分為模擬信號和數字信號。現實中一切的信號,包括光熱力聲電等都屬于模擬信號,例如麥克風能將聲音的大小轉換成電壓的大小,可得到一個連續的電壓變化,這種連續的信號稱為模擬信號,用來處理模擬信號的集成電路稱為模擬芯片。
 
  模擬芯片產品已經遍布生活中的各個角落,無論是網絡通信、消費電子、工業控制、醫療設備還是汽車電子,都會用到模擬芯片,同時,現在的許多新興應用,包括共享單車、AR/VR無人機等也都會用到模擬芯片。
 
  模擬芯片作為電子產品的重要組成部分,市場需求隨著各類電子產品的快速發展而不斷擴大。模擬產品生命周期較長,可達10年之久,同時,模擬芯片市場不易受單一產業景氣變動影響,因此價格波動遠沒有存儲芯片和邏輯電路等數字芯片的變化大,市場波動幅度也相對較小。根據WSTS統計,2017年全球模擬芯片銷售額為527億美金,約占半導體總體規模的12.8%。據ICInsights預測,在未來五年內,模擬芯片的銷售量預計將在主要集成電路細分市場中增長最為強勁,以6.6%的年復合增長率快速增長。預計到2022年,全球模擬芯片市場規模可達到748億美元。模擬芯片是預測中增長最快的主要產品類別,電源管理IC,專用模擬芯片和信號轉換器組件的強勁銷售預計將成為未來五年模擬增長的主要推動力。
 
  射頻器件
 
  射頻器件是無線連接的核心,凡是需要無線連接的地方必備射頻器件,進入了5G時代,其背后牽動的價值尤為重要。
 
  通常情況下,一部手機主板使用的射頻芯片占整個線路面板的30%--40%。隨著智能手機迭代加快,射頻芯片也將迎來新一波高峰。目前,全球約95%的市場被控制在歐美廠商手中,甚至沒有一家亞洲廠商能進入產業頂尖行列。在物聯網應用推動下,未來全球無線連接數量將成倍的增長。同時,未來由4G+,5G,物聯網等對射頻器件的爆發性需求會加速它的發展。
 
  歸結起來,射頻器件主要三大細分領域為射頻濾波器、射頻開關、PA芯片(功率放大器芯片)。射頻前端芯片是移動智能終端產品的核心組成部分,追求低功耗、高性能、低成本是其技術升級的主要驅動力,也是芯片設計研發的主要方向。
 
  從已有數據看來,濾波器是射頻前端市場中最大的業務板塊,其市場規模將從2016年的52億美元增長至2022年的163億美元。濾波器市場的驅動力來自于新型天線對額外濾波的需求,以及多載波聚合(CA)對更多的體聲波(BAW)濾波器的需求。
 
  功率放大器(PA)和低噪聲放大器(LNA)是射頻前端市場中第二大的業務板塊,由于新型天線的出現和增長,低噪聲放大器市場將穩步發展。開關是射頻前端市場中第三大的業務板塊,其市場規模將從2016年的10億美元增長至2022年的20億美元。該市場將主要由天線開關業務驅動而增長。
 
  AD/DA(模數/數模)相關產品
 
  近年來,數字技術,特別是計算機技術飛速發展與普及,在現代軍事和商用控制、通信等領域有著廣泛的應用。為了提高系統的性能指標,對信號的處理廣泛采用了數字計算機技術。由于系統的實際對象都是模擬量,如溫度、壓力、位移、圖像等,需要將這些模擬信號轉換成數字信號才能使計算機或者數字儀表識別、處理這些信號;而經計算機分析、處理后輸出的數字量往往也需要將其轉換為相應模擬信號才能為執行機構所接受。由此,就需要能在模擬信號與數字信號之間起橋梁作用的電路,即模數和數模轉換器。
 
  A/D是模擬量到數字量的轉換,依靠的是模數轉換器(Analog to Digital Converter),簡稱ADC。D/A是數字量到模擬量的轉換,依靠的是數模轉換器(Digital to Analog Converter),簡稱DAC。它們的道理是完全一樣的,只是轉換方向不同。
 
  如今的電子產品中,數模芯片幾乎無處不在。數模芯片主要用在汽車專用模擬芯片中,近年來自動駕駛與電動汽車技術發展,都是汽車模擬芯片市場的增長保障。目前生產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,移動基站的部署等行業因素推動,移動通信終端和便攜式移動互聯設備的增長等等推動,通信與消費電子領域仍然是信號轉換模擬芯片的最大終端應用市場。同時,汽車電子也成為繼網絡通信領域之后帶動數模芯片市場增長的另一大領域。全球AD/DA轉換中高端市場主要由ADI、TI等美國廠商占據,我們從上文分析TI和ADI等大型模擬芯片廠商近年的運營情況看來,其對汽車電子應用市場相關領域的投入是支持這些公司不斷壯大的支撐。
 
  我國目前在部分品種芯片的研發和生產方面已經具備基本的自給自足的能力,但芯片的設計和生產工藝與美國相比,仍存在整體差距,尤其是在高端核心芯片,比如高速數模轉換芯片、射頻芯片等方面,對外依賴度較高。
 
  在5G時代,對器件標準提出了更高要求,而同時5G時代有望加速發展的物聯網則對數模中低端器件的需求全面提升。我們認為,5G高端需求在數模轉換器件領域有望實現突破,而國內廠商則有望在中低端器件的需求中,探索出該領域升級和突破的新思路。
 
  電源管理產品
 
  如今,我們的生活中隨處可看到電子設備的激增,從收音機到電視機、智能手機、無人機、智能手表或者電動汽車,對電子設備的需求正影響和惠及不同的市場,尤其是電力管理設備。事實上,任何電子設備都需要電源管理裝置。作為電子設備的關鍵部件,電源管理芯片擔負起對電能的變換、分配、檢測及其它電能管理的職責,其性能的優劣對于整機系統性能具有重要意義。因此,電源管理產品市場的發展遵循最終用戶需求的大趨勢也非常明顯。2017年全球模擬芯片銷售情況中,電源管理芯片占模擬芯片銷售份額接近三成,并持續保持增長態勢。
 
  對于電源管理芯片而言,其主要的應用領域包括汽車、通信、工業、消費類、計算等方面。據IC insights的統計數據顯示,2017年模擬市場的總銷售額為545億美元,其中電源管理芯片占比接近三成,并持續保持增長態勢。據Yole預測,電源IC將從多個關鍵終端市場獲益,到2023年電源IC市場規模將增長至227億美元,2017~2023年期間的復合年增長率(CAGR)將達4.6%。
 
  通信市場占據了最主要的市場份額,尤其是即將到來的5G大規模布局,將進一步提升通信領域電源管理芯片的需求。同時,汽車電氣化以及工業4.0升級,也將成為電源管理芯片的助推劑。相對而言,消費類及計算方面應用需求變化并不顯著。
 
  進入2018年,全球電源管理芯片領域也表現的非常活躍。先是,微控制器領域的有力競爭者Renesas(瑞薩)收購了Intersil,后者的產品組合包括穩壓器和其他模擬產品。通過收購,Renesas獲得了原本缺乏的電源管理、接口和柵極驅動器產品組合。而后,蘋果與Dialog也達成6億美元交易,Dialog將授權其電源管理技術、轉移部分資產以及輸送300名研發工程師給蘋果。自此,蘋果也具備了電源芯片開發能力,后續產品也將搭載自主產品。
 
  海外廠商,如美國、日本廠商,仍然占據著移動通信器件的壟斷地位,全球數模轉換中高端市場主要由ADI和TI等美國廠商占據,國內廠商在相關領域的研制仍處在低階階段,未來將會存在相關公司研發、擴展和資本合作,這個階段將會帶給優秀公司高速成長的機會。綜合看來,伴隨著全球科技、經濟、軍事等領域的快速發展,模擬芯片市場正迎來新的爆發期。尤其是其中的射頻關鍵器件、AD/DA數模/模數轉換器將成為5G產業發展帶來的關鍵突破點。同時,全球各大廠商的并購、重組等利用各種資源對產業鏈進行整合和提升,為行業的發展提供更多元化的發展思路。
 
  智東西認為,全球半導體行業步入超級周期、同時面臨中美科技摩擦、中國集成電路產業扶持政策力度加大等多因素疊加,前景向好。半導體是信息產業的明珠,具備技術密集、資本密集特性和勞務密集型三個特點,是信息產業根本所在。近些年來以來,由于人工智能、可折疊手機等新興應用的崛起,全球半導體行業進入超級周期。而且,最近隨著中美科技摩擦頻發,美方對中國投資及核心技術獲取施加限制,中國半導體行業正處于產業升級的歷史窗口期。


關鍵詞: 中國半導體

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