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金准产业研究 芯片产业研究报告

发布人:管理员   9个月前

前言

芯片行业是资本密集、人才密集、技术密集的行业,也是整个信息产业的核心部件和基石。中兴事件的发生,揭示了目前国内芯片产业的现状,即国产芯片的应用主要在中低端领域,高端通用芯片市场的自给率近乎为零。同时,中兴事件也令社会各界深刻认识到掌握芯片核心科技自主性的重要性。一方面,芯片产业代表了高端制造业的最前沿水平,不可否认的是目前我国在芯片领域与西方国家之间仍存在着一定的代差;另一方面,中国要摆脱对高端芯片进口的过度依赖,推动国内制造业从中低端向高端制造业全面升级刻不容缓。显然,芯片制造技术是当今世界最高水平的微细加工技术的体现,也是全球高科技国力竞争的战略制高点。

一、半导体的前世今生

1.1半导体历史沿革

芯片是一种微型电子器件或部件。采用一定的工艺,把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起,制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上,然后封装在一个管壳内,成为具有所需电路功能的微型结构;其中所有元件在结构上已组成一个整体,使电子元件向着微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面迈进了一大步。

自从1958年德州仪器发明出世界上第一块集成电路以来,集成电路迅猛发展,历史上大致从西从东形成转移。从上世纪50年代发展至今,集成电路大体经历了三次产业变迁,分别是:在美国发明起源——在日本加速发展——在韩国台湾分化发展。

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全球半导体产业三次变迁历程

纵贯全球半导体产业发展的时间轴,可以划分出七大时间节点:20世纪40-50年代晶体管时代及IC的诞生;60年代集成电路制造进入量产阶段,IC进入了商用阶段;70年代个人计算机出现,大规模集成电路进入民用领域;80年代PC普及,整个行业基本都在围绕PC发展;90年代PC进入成熟阶段;21世纪前10年互联网大范围推广,网络泡沫和移动通讯时代来临,消费电子取代PC成为半导体产业新驱动因素;2010年至今大数据时代到来,半导体产业经历了增速放缓逐步进入成熟。

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全球半导体产业发展历程

1.2半导体的产业链全景

半导体是许多工业整机设备的核心,普遍应用于计算机、消费类电子、网络通信、汽车电子等核心领域。半导体主要分为四部分:集成电路、分立器件、光电子器件、微型传感器,其中集成电路按其功能可分为微处理器、逻辑IC、存储器、模拟电路。其中集成电路占到整个市场的80%以上,可按其功能分为计算类、储存类和模拟类集成电路。

把整个半导体生产流程简化了看,我们可得出下图,芯片在出厂前主要经历了设计、制造阶段、封测,最后流向终端产品领域。

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半导体生产流程

半导体产业链庞大而复杂,可以分为上游支撑产业链,包括半导体设备、材料、生产环境;中游核心产业链,包括IC设计、IC制造、IC封装测试;下游需求产业链,覆盖汽车电子、消费电子、通信、计算机。从产业链分布的公司来看:美国、日本、欧洲、台湾公司形成对上中游核心产业全覆盖,依靠技术自主可控垄断半导体产业。

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半导体产业链全景图

从全球集成电路市场看,随着PC应用市场萎缩,4G手机市场逐渐饱和,全球集成电路市场的增长步伐放缓,但2018年全球集成电路销售额仍保持了15.94%的增长,达到4779.36亿美元。从1999年到2018年,全球半导体销售额从1494亿美元增长至了4779.36亿美元,年复合增长率为6.31%。

据金准产业研究团队统计数据显示,三星电子和苹果仍然是2018年两大半导体芯片买家,占全球市场总量的17.9%,与上一年相比下降了1.6%。受出货量和平均销售价格增长的推动,英特尔去年的半导体营收较2017年增长了13.8%。此外,其他主要内存芯片厂商去年的表现也较为强劲,包括SK海力士和美光。

二、计算类IC——硬核科技的代表

计算类芯片也称逻辑电路,是一种离散信号的传递和处理,以二进制为原理、实现数字信号逻辑运算和操作的电路,它们在计算机、数字控制、通信、自动化和仪表等方面中被大量运用。逻辑电路可以分为标准化和非标准化两大类。

纵观全球半导体,作为资金与技术高度密集行业,半导体目前形成深化的专业分工、细分领域高度集中的特点,逻辑IC作为半导体行业的核心,自上世纪末开始,近20年来持续保持增长态势,CAGR达到8.51%,2018年逻辑IC市场规模达到新高1093亿美金,约占全球半导体市场总值的四分之一。 

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1999—2018全球逻辑IC销量及增速(亿美元,%)

金准产业研究团队了解到,目前世界范围内主流标准化逻辑电路有四种:CPU、GPU、ASIC、FPGA。由于西方国家电子信息化拥有先发优势,形成了对革命性产品的垄断,逻辑IC行业形成了较高市场准入门槛,四个主流领域多被欧美发达国家的电子巨头所控制。

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全球大型逻辑IC公司分类

2.1 CPU

CPU从1971年发展至今已经有四十七年的历史了,提起CPU不得不说Intel公司的发展史就是CPU的发展简史。英特尔公司最早有三位创始人:罗伯特·诺宜斯、高登·摩尔、安迪·葛洛夫。集成电路技术的发展一直遵循摩尔定律,高登·摩尔就是摩尔定律创始人。

CPU是一块超大规模的集成电路,是计算机的运算核心和控制核心。它的功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。CPU的结构主要包括控制单元、运算器、高速缓存器、动态随机存取存储器四个部分,分别对应控制、运算、高速数据交换存储、短暂存储四个用途。

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CPU微架构示意图

多年来,随着电子信息技术发展,CPU在集成电路领域仍保持强大的竞争优势,源于CPU诸多优势,其一CPU是通用类计算芯片,能适应不同应用场景,包括手机、汽车、工业制造、计算机等。其二性能上稳定性好、运算能力突出、功耗适中、开发周期相对较短、成本较低。

CPU可分为桌面CPU和移动CPU两大类。桌面CPU行业目前形成传统霸主英特尔与后起之秀AMD两强争霸的局面。

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主要CPU公司介绍

工艺制程方面,目前CPU顶级的工艺制程为14nm,正在向10nm推进。AMD通过多年研发投入,从不同等级产品的核心数、基频、主频、缓存、工艺制程等多项技术参数上看已经不落后于Intel,但缺陷也是明显的,AMD产品工作主频往往产生较高发热量,功耗过大,反映了AMD追求低成本工艺制作与Intel追求极致工艺制作的较大差距。

应用领域上,CPU作为任何电子终端产品的核心部件,被大规模应用在个人PC、平板电脑、大型服务器、商用无人机、移动设备上。

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CPU主要应用领域

移动CPU领域呈现一超多强的局面,美国高通公司一直在高端移动处理器市场中占据垄统治地位,至今这种优势依旧难以打破。其竞争对手主要包括美国苹果电脑、台湾联发科和韩国三星电子。

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主要移动CPU公司介绍

2.2 GPU

由于CPU的架构中需要大量的空间去放置存储单元和控制单元,相比之下计算单元只占据了很小的一部分,所以它在大规模并行计算能力上极受限制,而更擅长于逻辑控制。但是随着人们对更大规模与更快处理速度的需求增加,CPU无法满足,因此诞生了GPU。

GPU是图形处理器,是一种专门在个人电脑、工作站、游戏机和一些移动设备(如平板电脑、智能手机等)上图像运算工作的微处理器,拥有很强的浮点运算能力。它与CPU有明显区别:一是相比于CPU串行计算,GPU是并行计算,同时使用大量运算器解决计算问题的过程,有效提高计算机系统计算速度和处理能力,它的基本思想是用多个处理器来共同求解同一问题,即将被求解的问题分解成若干个部分,各部分均由一个独立的处理机来并行计算。二是GPU的结构中没有控制器,所以GPU无法单独工作,必须由CPU进行控制调用才能工作,GPU更适合简单大量的处理类型统一的数据。

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GPU可以解决的问题以及应用领域

虽然GPU是为了图像处理而生的,但是我们通过对GPU微架构示意图观察,认为GPU在结构上并没有专门为图像服务的部件,只是对CPU的结构进行了优化与调整,所以GPU也可以称为专用CPU。

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GPU微架构示意图

谈到GPU,可能首先想到的是NVIDIA,这是一颗GPU领域的璀璨明星,NVIDIA成立于1993年,由黄仁勋等三人创办,从1995年开始推出自己的显卡NV1和NV2,但并不成功,真正让NVIDIA崭露头角的是1997年推出的RIVA128,这款显卡像素填充率为100Mpiexl/s,支持微软的Direct3D标准,在能效上超越了3Dfx的Voodoo和ATI的RagePro,加上价格低廉获得了很多整机厂的青睐,随后NVIDIA乘胜推出了RIVATNT及GeForce256,彻底将3Dfx和S3这些昔日的霸主抛在身后,此时唯一能与之相争的只有ATI的Radeon,ATI的Radeon系列与NVIDIA的GeForce系列的对抗直到2006年才罢场,AMD成功收购ATI,独立GPU市场形成NVIDIA和AMD两大巨头的格局。

从产品上来看,两家公司GPU特点和优势完全不同,这缘于研发思路存在差异:NVIDIA产品特点主要有四点:一是设计思路归于高性能、低功耗;二是性能强大,经常垄断高端旗舰级市场,高端N卡占据优势比较明显;三是支持PhysX、TXAA、FXAA等多个技术;四是驱动程序完善。

AMD的产品特点在于:一是芯片单一性能突出,功耗普遍较大;二是主打入门级的产品,性价比高,覆盖中低端市场;三是支持AMDEyefinity宽屏技术;四是挖矿性能相当突出。总之,N卡主要有低功耗、驱动成熟、追求极致性能,产品线完善等优势,A卡则主要是性价比相对更高,计算能力强,绘图、挖矿更有优势,画质较好,但高端产品线较少。

2.3 ASIC

近年随着以比特币为代表的虚拟货币市场的火爆,催生了一大批生产“挖掘”虚拟货币设备的矿机厂商,相较于我们常见的CPU、GPU等通用型芯片来说,ASIC芯片的计算能力和计算效率都直接根据特定的需要进行定制,所以其可以实现体积小、功耗低、高可靠性、保密性强、计算性能高、计算效率高等优势,特别适合矿机这种对芯片算力要求高、功耗要求小的特定应用领域。缺点是ASIC不同于GPU和FPGA的灵活性,定制化的ASIC一旦制造完成将不能更改设计要求高、初期成本高、开发周期长。

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比特大陆蚂蚁矿机S15以及ASIC矿机芯片

由于挖矿属于边缘应用领域,AI仍是ASIC的主要应用领域,随着人工智能时代到来,传统的神经网络算法在通用芯片(CPU、GPU)上效率不高,功耗比较大,因此从芯片的设计角度来说,通用型往往意味着更高的成本。为了提升效率,降低功耗,ASIC应运而生。目前从全球范围来看,基于人工智能方向的ASIC领域并未出现“一家独大”的局面,反而呈现出国内外电子科技巨头、科研院所和国内初创型公司互相竞争的格局,国外以Google、IBM、Intel、斯坦福大学为首,国内有中星微电子、寒武纪科技、启英泰伦。

2.4 FPGA

通用处理器的摩尔定律已入暮年,而机器学习和Web服务的规模却在指数级增长。人们使用定制硬件来加速常见的计算任务,然而日新月异的行业又要求这些定制的硬件可被重新编程来执行新类型的计算任务。FPGA正是一种硬件可重构的体系结构,常年来被用作高计算领域专用芯片(ASIC)的小批量替代品。

FPGA指现场可编程门阵列,它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

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FPGA内部结构图

FPGA能部分替代ASIC是有原因的,一是FPGA并行运算,二是硬件结构可变,三是运行中可更修改。

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FPGA可小批量替代ASIC的原因

FPGA的核心优势,主要有五个方面:可编程灵活度高、并行运算效率高、开发周期较短、稳定性好、长期维护。

全球FPGA市场被国外四大巨头Xilinx(赛灵思),Altera(阿尔特拉已被英特尔收购)、Lattice(莱迪思)、Microsemi(美高森美)垄断。 
从产品上看,赛灵思公司多年来保持FPGA行业霸主地位,源于产品超强的竞争力,一是赛灵思FPGA在集成上不断突破,工艺制程一直保持领先,芯片效率高、功耗小。二是产品定位于高端市场,应用领域覆盖汽车、数据中心、消费类电子、高性能计算、医疗、有线通信等附加值高的行业。三是技术专利数量庞大,形成了抵御同业对手的天然壁垒。

2.5 DSP

除了以上四种主要标准化电路,非标准化逻辑电路也在各种应用领域被大量应用,DSP是应用领域比较广泛的一种。

区别于FPGA适用于系统高速取样速率、高数据率、框图方式编程、处理任务固定或重复、使用定点。适合于高速采样频率下,特别是任务比较固定或重复的情况以及试制样机、系统开发的场合。DSP,也称数字信号处理器,适用于系统较低取样速率、低数据率、多条件操作、处理复杂的多算法任务、使用C语言编程、系统使用浮点。适合于较低采样速率下多条件进程、特别是复杂的多算法任务。DSP是由通用计算机中的CPU演变而来的,和工业控制计算机相比,DSP这种单片机具有多重优势:一是系统结构简单,使用方便,实现模块化;二是可靠性高,可保持长时间无故障工作;三是处理功能强,速度快;四是控制功能强;五是环境适应能力强。

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DSP内部结构图

DSP凭借卓越的性能,在图形图像处理,语音处理,信号处理等通信领域起到越来越重要的作用,被广泛应用于移动通信、电机控制、汽车毫米波雷达图像处理、测量仪表等领域。

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DSP重要应用领域

目前,全球范围内上生产DSP的大型厂商包括德州仪器、亚德诺半导体、恩智浦半导体。

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DSP主要公司介绍

依据DSP主流厂商产品的特点,可以预计未来DSP技术将向以下几个方面继续发展与更新:一是DSP芯核集成度越来越高,通过缩小DSP芯片尺寸,实现了DSP系统级的集成电路;二是为了面向复杂应用领域,可编程DSP芯片将成为未来主导;三是定点DSP仍占据主流,随着DSP定点运算器件成本的不断低,能耗越来越小的优势日渐明显,未来定点DSP芯片仍将是市场的主角。

总体上来看,通过对多种计算类芯片全方位对比,计算类芯片经过几十年的发展,CPU不再一枝独秀,多种新应用领域对复杂计算产生强大需求,由此产生专注于图像处理的芯片GPU;可以灵活编程,大幅缩短开发周期的芯片FPGA;进行了定制设计优化,在特定应用场景下功耗及量产成本较低的ASIC芯片;以及融合数字信号处理算法,专用于数字信号处理领域的DSP芯片等都得到了广泛的应用与快速的发展。

目前,计算类芯片已经形成了以CPU、GPU、FPGA、ASIC、DSP并行发展的新趋势,可以预见,随着未来5G通讯、传感器(MEMS)、可穿戴设备、物联网、工业机器人、VR/AR以及人工智能等新兴领域市场的发展扩大,对计算类芯片性能、技术、能耗等方面的需求将继续驱动各种计算类芯片在技术上得到更加快速的发展。

三、存储IC——现代信息技术的基石

存储器可以说是大数据时代的基石。存储器就类似于钢铁之于现代工业,是名副其实的电子行业“原材料”。计算机中的全部信息,包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。

从大类上看,存储器可以分为光学存储器、半导体存储器、磁性存储器。半导体存储器是目前最主要的存储器类别,以断电后存储数据是否丢失为标准,半导体存储芯片可分两类:一类是非易失性存储器,这一类存储器断电后数据能够存储,主要以NAND Flash为代表,常见于SSD(固态硬盘);另一类是易失性存储器,这一类存储器断电后数据不能储存,主要以DRAM为代表,常用于电脑、手机内存。除了NAND Flash和DRAM,还包含其他门类,例如Nor Flash、SRAM、RRAM、MRAM、FRAM等 。

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存储器的分类

存储器行业属于强周期性行业,从历史表现上看,存储器行业总是处于交替出现的涨跌循环之中。存储器行业的波动剧烈,其产业周期强于电子市场及电子元器件市场整体的周期性,暴涨暴跌的情况可谓常态。

从产值构成来看,DRAM、NAND Flash、NOR Flash是存储器产业的核心部分。这缘于一方面性能不断提升的手机操作系统及日益丰富的应用软件极大地依赖于手机嵌入式闪存的容量;另一方面,万物互联等新技术的涌现推动数据量的急速膨胀。

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主要存储器产品

受益于上述两因素,2018年全球半导体营收去年达4779.36亿美元,主要贡献来自于存储芯片。存储芯片占半导体总营收的比重从2017年的31%上升至了2018年的34.8%,占比最大。CAGR明显高于集成电路整体市场CAGR,从存储芯片内部结构看,DRAM占比57.1%,NAND Flash占比39.49%,NOR Flash占比3.41%。

3.1 DRAM

在半导体科技极为发达的台湾,内存和显存被统称为记忆体,即动态随机存取记忆体(DRAM),DRAM是最常见的存储器,只能将数据保持很短的时间。为了保持数据,使用电容存储,所以必须隔一段时间刷新一次,如果存储单元没有被刷新,存储的信息就会丢失。

DRAM是相对于SRAM而产生的,SRAM(静态随机存储器)是随机访问存储器的一种,这种存储器只要保持通电,里面储存的数据就可以恒常保持。SARM的优势是访问速度快、功耗非常低,缺陷是单位存储密度不足,成本较高,因而不适合用于更高储存密度低成本的应用,如PC内存。DRAM除了兼具SRAM特点外还拥有非常高的密度,单位体积的容量较高,因此成本较低,几乎适用于任何带有计算平台的个人消费类或工业设备,从笔记本电脑和台式电脑到智能手机和许多其他类型的电子产品等。

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SRAM和DRAM内部结构图

随着CPU性能的不断提高,终端产品内存也需要逐步升级,高性能的内存搭配高性能的CPU才能最大的发挥它的价值与优势,DRAM发展到现在已历经了五代,从第一代SDRAM,到如今的第五代DDR4SDRAM。DRAM沿着传输速率更大,总线计时器更多,预读取量更大,数据传送速率更快,供电电压更小的方向发展。

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SRAM、DRAM、SDRAM、DDR3、DDR4参数对比

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DRAM传输速度跟随CPU性能提升不断提高

从行业上看,早期计算机应用占了整个DRAM产业高达90%份额,2016年开始伴随大容量智能手机崛起,手机逐渐取代PC成为DRAM产业的主流,同时云服务器DRAM需求涌现的带动是功不可没的推手,包括Facebook、Google、Amazon、腾讯、阿里巴巴等不断扩充网路存储系统,对于云存储、云计算的需求提升,都带动服务器DRAM需求起飞,目前DRAM行业一直被美韩三大存储器公司垄断,三星、海力
士、美光占据了全球市场的95%以上。

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主要DRAM存储器公司

DRAM节点尺寸目前是由器件上最小的半间距来定义的,美光DRAM基于字线,三星和SK海力士则基于主动晶体管,美光科技、三星和SK海力士作为DRAM市场的主导厂商,这三家公司拥有各自的工艺节点。由于解决了这些技术节点问题,美韩三大厂商凭借领先的工艺水平拉开了与其它存储器厂商的差距。

3.2 NAND Flash

NAND Flash是Flash存储器中最重要的一种,其内部采用非线性宏单元模式,为固态大容量内存的实现提供了廉价有效的解决方案。NAND Flash存储器具有容量较大,改写速度快等优点,适用于大量数据的存储。

Flash的内部由金属氧化层、半导体、场效晶体管(MOSFET)构成,里面有个悬浮门(Floating Gate),是真正存储数据的单元。数据在Flash内存单元中是以电荷(electrical charge)形式存储的。存储电荷的多少,取决于图中的控制门(Control gate)所被施加的电压,它控制的是向存储单元中冲入电荷还是使其释放电荷。而数据的表示,以所存储的电荷的电压是否超过一个特定的阈值Vth来表示。对于NAND Flash的写入(编程),就是控制Control Gate去充电(对Control Gate加压),使得悬浮门存储的电荷够多,超过阈值Vth,就表示0。对于NAND Flash的擦除(Erase),就是对悬浮门放电,低于阀值Vth,就表示1。

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Flash的内部存储结构

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NAND Flash架构图

NAND FLASH内部依靠存储颗粒实现存储,里面存放数据的最小单位叫cell。每个储存单元内储存1个信息位(bit),称为单阶储存单元(SLC),SLC闪存的优点是传输速度更快,功率消耗更低和储存单元的寿命更长,成本也就更高。每个储存单元内储存2个bit,称为多阶储存单元(MLC),与SLC相比,MLC成本较低,其传输速度较慢,功率消耗较高和储存单元的寿命较低。每个储存单元内储存3个bit称为三阶储存单元(TLC),存储的数据密度相对MLC和SLC更大,所以价格也就更便宜,但使用寿命和性能也就更低。由于存储数据量的不用,导致SSD从可擦写次数、读取时间、编程时间、擦写时间存在差异。

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闪存芯片存储原理

从工艺上看,NAND Flash可以分为2D工艺和3D工艺,传统的2D工艺类似于“一张纸”,但“一张纸”的容量是有瓶颈的,三星、英特尔、美光、东芝四家闪存大厂为了满足大容量终端需求,均开始研发多层闪存(3DNAND Flash),英特尔和美光引入市场的3DXpoint是自NAND Flash推出以来,最具突破性的一项存储技术,它通过单层存储器堆叠突破了2DNAND存储芯片容量的极限,大幅提升了存储器容量,因此技术3DNAND具备了四个优势:一是比2DNAND Flash快1000倍;二是成本只有DRAM的一半;三是使用寿命是2DNAND的1000倍;四是密度是传统存储的10倍。

除了传统存储巨头三星电子、SK海力士、美光科技,东芝和西部数据也是NAND Flash领域不可忽视的重要力量。

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主要NAND FLASH公司

应用领域看,NAND-FLASH广泛应用于固态硬盘(SSD),固态硬盘按照存放数据最小单位bit来划分主要可以分为SLC-SSD、MLC-SSD和TLC-SSD三类。SLC-SSD具有高速写入,低出错率,长耐久度特性,主要针对军工、企业级存储。MLC-SSD和TLC-SSD固态硬盘的应用主要针对消费级存储,有着2倍、3倍容量于SLC-SSD,同时具备低成本优势,适合USB闪盘,手机等。

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NAND FLASH主要应用领域

整体上来看,DRAM和NAND Flash占据了存储芯片市场96%以上的份额,NORFlash由于存储容量小,应用领域偏重于代码存储,在消费级存储应用上已出现被NAND闪存替代的趋势,目前仅应用于功能性手机,机顶盒、网络设备、工业生产线控制上。

由于存储行业终端用户的IT需求往往是综合计算、网络、存储三方面,广泛分布于所有对数据存储有需求的各行各业,涵盖了国民经济的大部分领域,市场规模和发展潜力巨大。

公司层面,由于未来以DRAM和NAND Flash为主导的存储器行业趋势仍将延续,海外存储器巨头三星电子、SK海力士、美光科技、西部数据、东芝凭借三个先发优势:国家资本支持,数量庞大的技术专利,对下游终端行业多年的渗透,控制了中高端存储器市场,未来仍将继续角逐存储器行业。

结语

金准产业研究团队认为,全球半导体行业步入超级周期、同时面临中美科技摩擦、中国集成电路产业扶持政策力度加大等多因素叠加,前景向好。半导体是信息产业的明珠,具备技术密集、资本密集特性和劳务密集型三个特点,是信息产业根本所在。近些年来以来,由于人工智能、可折叠手机等新兴应用的崛起,全球半导体行业进入超级周期。而且,最近随着中美科技摩擦频发,美方对中国投资及核心技术获取施加限制,中国半导体行业正处于产业升级的历史窗口期。