國產芯片的歷史性機遇（上）

行業資訊|Industry News|

2022-05-24 10:20:58 0

半導體指常溫下導電性能介于導體與絕緣體之間的材料，是電子產品的核心。根據 IC Insights，半導體按產品劃分，分為集成電路（IC）、分立器件（二極管、晶閘管、功率晶體管等）、光電器件（光傳感器、圖像傳感器、激光發射器等）和傳感器（壓力傳感器、溫度傳感器、磁場傳感器等）/集成電路通常可分為模擬集成電路和數字集成電路兩大類：

模擬集成電路主要是指由電阻、電容、晶體管等組成的模擬電路集成在一起用來處理連續函數形式模擬信號（如聲音、光線、溫度等）的集成電路，包含通用模擬電路（接口、能源管理、信號轉換等）和特殊應用模擬電路；

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數字集成電路是對離散的數字信號（如用 0 和 1 兩個邏輯電平來表示的二進制碼）進行算術和邏輯運算的集成電路，其基本組成單位為邏輯門電路，包含存儲器（DRAM、Flash 等）、邏輯電路（PLDs、門陣列、顯示驅動器等）、微型元件（MPU、MCU、 DSP）。

常見的模擬集成電路通常包括各種放大器、模擬開關、接口電路、無線及射頻 IC、數據轉換芯片、各類電源管理及驅動芯片等，其設計主要是通過有經驗的設計師進行晶體管級的電路設計和相應的版圖設計與仿真；

與此相對應的數字集成電路通常包括 CPU、微處理器、微控制器、數字信號處理單元、存儲器等，其設計大部分是通過使用硬件描述語言以基本邏輯門電路為單位在 EDA 軟件的協助下自動綜合產生，布圖布線也是借助 EDA 軟件自動生成。

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半導體設計商業模式

集成電路行業經過多年發展，在產業分工不斷細化的背景下，行業的商業模式逐漸從原有單一的 IDM 模式轉變為 IDM 模式、 Fabless 模式并存的局面。IDM 模式即垂直整合制造模式，是指企業除了進行集成電路研發之外，還擁有專屬的晶圓、封裝和測試工廠，其業務范圍垂直涵蓋了集成電路的各個環節。Fabless 模式即無晶圓生產線集成電路設計模式，是指企業只從事集成電路設計和銷售，其余環節分別委托給專業的晶圓代工廠、封裝測試廠完成。

1987 年臺積電成立，僅提供晶圓代工服務，促進了 Fabless 模式的形成。晶圓代工廠的發展促進許多芯片公司走向輕資產化，相應生產環節交給臺積電和中芯國際等代工廠完成，這些芯片公司將業務集中在產品設計和產品銷售上。Fabless 模式已經成為集成電路產業里一種普遍及重要的模式。IDM模式為集成電路產業發展較早期*為常見的模式，但由于對技術和資金實力均有很高的要求，因此目前只為少數大型企業所采納，如英特爾、三星、德州儀器、意法半導體等。

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半導體設計基本流程

集成電路設計指在一塊較小的單晶硅片上集成許多晶體管及電阻、電容等元器件，并按照多層布線或遂道布線的方法，將元器件組合成完整的電子電路的整個設計過程。集成電路設計是一門非常復雜的專業，而電腦輔助軟件的成熟，讓 IC 設計得以加速。在 IC 生產流程中， IC 多由專業 IC 設計公司進行規劃、設計，像是聯發科、高通、 Intel 等知名大廠，都自行設計各自的 IC芯片，提供不同規格、效能的芯片給下游廠商選擇。

芯片設計流程示意圖

芯片設計詳細過程包含制定規格、設計芯片細節、畫芯片藍圖等步驟，具體如下：

*步：制定規格。規格制定首先確定 IC 目的、效能為何，對大方向做設定，進而察看有哪些協定要符合， *后則是確立這顆 IC 的實作方法，將不同功能分配成不同的單元，并確立不同單元間連結的方法。

第二步：設計芯片細節。制定完規格后進行設計芯片細節，使用硬體描述語言（HDL）將電路描寫出來。常使用的 HDL 有 Verilog、 VHDL 等，藉由程式碼便可輕易地將一顆 IC 的功能表達出來。進一步檢查程式功能的正確性并持續修改，直到它滿足期望的功能為止。

第三步，畫出屏幕設計藍圖。在 IC 設計中，邏輯合成這個步驟便是將確定無誤的 HDL code，放入電子設計自動化工具（EDA tool），讓電腦將 HDL code轉換成邏輯電路，產生電路圖。之后，反復確定此邏輯閘設計圖是否符合規格并修改，直到功能正確為止。

第四步，電路布局與繞線。將合成完的程式碼再放入另一套 EDA tool，進行電路布局與布線（Place And Route）。在經過不斷的檢測后，便會形成相關的電路圖（下圖）。圖中可以看到藍、紅、綠、黃等不同顏色，每種不同的顏色就代表著一張光罩。

常用的演算芯片-FFT 芯片，完成電路布局與繞線結果

第五步，層層光罩，疊起一顆芯片。一顆 IC 會產生多張的光罩，這些光罩有上下層的分別，每層有各自的任務。以 CMOS 光罩示意圖為例，左邊為經過電路布局與繞線后形成的電路圖，每種顏色代表一張光罩。右邊則是將每張光罩攤開的樣子。制作時，便由底層開始，逐層制作，完成目標芯片。

國外企業主導IC設計產業

根據 DIGITIMES Research 發布的 2018 年全球前 10 大無晶圓廠 IC 設計公司(Fabless)排名來看， 2018 年全球 IC 設計產值年增 8%，優于 IC 封測與半導體設備產值的 3%增幅。2018 年全球前十大 IC 設計公司中，博通、高通位居前二，營收分別為 217.54 億美元、 164.50 億美元，我國的華為海思以75.73 億美元收入位列第五名， 2018 年同比增長 34.2%，增速居前十大 IC公司首位。

2018 年全球前十大 IC 設計公司

根據 IC Insights *新數據， 2018 年全球前十大模擬 IC 公司中，德州儀器、亞德諾、英飛凌分別以 108.01、 55.05、 38.10 億美元位列前三，德州儀器全球市占率達 18%，全球前十大模擬 IC 公司 2018 年總收入 360.59 億美元，市場占有率達 58%。

2018 年全球前十大模擬 IC 公司

根據 Gartner 數據顯示， 2018 年全球前十大半導體公司中，三星、英特爾、SK 海力士分別以 758.54 億美元、 658.62 億美元、 364.33 億美元位居全球前三。美光（306.41 億美元）、博通（165.44 億美元）、高通（153.80 億美元）、德州儀器（147.67 億美元）、西部數據（93.21 億美元）、意法半導體（92.76億美元）、恩智浦（90.10 億美元）排名后七位。

2018 年全球前十大半導體公司營收對比

2018 年全球半導體市場規模達 4767 億美元，而前十大半導體公司營收占全球半導體市場的 59.2%，半導體市場集中度較高。前十大半導體公司中有博通、高通兩家是 Fabless 設計公司，其余八家公司均為 IDM 類型公司。存儲市場仍然是半導體行業中占比較大的細分板塊，約占全球半導體市場 1/3 左右。

據 IC Insights 數據顯示， 2018 年 Fabless 的營收達 1139 億美元， IDM 公司產品銷售 3184 億美元。從 2008 年至 2018 年十年間， Fabless IC 公司營收從 438 億美元增長至 1139 億美元，年復合增長率達 10%；IDM 公司 IC 銷售從 1784 億美元增長至 3184 億美元，年復合增長率達 6%。

2008-2018 年 fabless 與 IDM 公司產品銷售情況對比

可以看出，隨著以臺積電為代表的代工廠模式的發展， Fabless IC 設計公司的增長速率要明顯高于 IDM 的增速水平，未來隨著物聯網、人工智能、汽車電子等多種新型應用的普及將催生多種新的設計需求，相比于傳統 IDM， Fabless 的生產周期更為靈活、技術迭代周期較短，能夠更快的推出匹配市場需求、甚至是推動市場進步的新產品， Fabless 模式有望繼續保持快速增長勢頭。

全球存儲器市場呈現寡頭壟斷的競爭格局。存儲器中以 DRAM 和 NAND 為代表，全球存儲器市場在 2017 和 2018 年隨著消費電子及數字貨幣的興起迎來了一輪發展*期，根據全球半導體貿易協會(WSTS)數據顯示， 2018 年全球存儲器市場規模達 1580 億美元，同比增長 27.4%，存儲器占全球半導體市場（4688 億美元）比例達 33.70%。

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2019 年隨著下游需求放緩，以及供應的過剩，存儲市場下滑明顯，由于存儲市場約占整個半導體市場的 1/3，因此也將影響 2019 年全球半導體產業的市場表現， WSTS 預計 2019 年全球存儲器市場銷售額將達到 1356 億美元，同比下降 14%。

根據 DRAM exchange 數據顯示， 2018 年全球 DRAM 市場中三星、 SK 海力士、美光全球市占率分別達到 44%、 29%、 22%，三家公司合計占全球市場的 95%，全球 DRAM 市場基本為三家壟斷；

而全球 NAND 存儲市場整體上集中度稍低于 DRAM 市場，但是仍然為幾大 IDM 龍頭所掌控，三星、東芝、美光、西部數據、 SK 海力士、英特爾的市場占有率分別為 35%、 19%、 13%、15%、 10%、 7%，前六家公司合計全球市占率高達 99%，其他參與者很難進入該市場。

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國產 IC 設計快速崛起

我國集成電路市場保持快速發展，集成電路設計占比不斷提升。我國集成電路市場從 2008 年的 1006 億元，快速上漲至 2018 年的 6532 億元， CAGR高達 20.55%；我國集成電路設計產值從 2008 年的 235 億元，增長至 2018年的 2519 億元， CAGR 高達 26.77%，高于集成電路產業增速，且集成電路設計占行業比重由 2008 年的 18.86%增加至 2018 年的 38.57%。

我國集成電路市場銷售額及設計占比情況

從我國 IC 設計公司的數量上來看，近些年公司數量增長迅猛。從 2010 年的582 家公司，迅速增長至 2018 年 1698 家。

另外中國銷售過億 IC 公司增長明顯， 2012 年共計 97 家公司銷售過億，到 2018 年已經有超過 200 家公司銷售過億。我國 IC 設計公司無論是從數量還是質量都有著顯著的提升，這也是我國 IC 設計增速較快重要因素。

根據 Trend Force 的數據顯示， 2018 年我國前十大 IC 設計公司中華為海思以 503 億元的收入高居榜首，同比增長 30%。紫光展銳、北京豪威（韋爾股份收購）以 110 億元、 100 億元的收入分居第二、三位。前十大 IC 設計名單中，還包含了以光學指紋識別為核心業務的匯頂科技，以 Nor Flash 及 MCU為核心的兆易創新等優質上市公司。

2018 年中國前十大 IC 設計公司

2018 年我國集成電路進口產品分類中，存儲器仍然是*大進口產品，占比高達 36%，模擬/功率產品達 15%，手機主芯片、電腦 CPU 占比分別為 12%、8%。當前我國集成電路市場仍然以國外進口為主，國產化率較低，在 DRAM、NAND 存儲器及電腦、服務器 CPU 等方面國產化率為零，我們認為隨著我國集成電路產業的發展，我國在集成電路高端領域將會有顯著提升，未來集成電路產業進口替代市場空間巨大。

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