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芯片行業深度分析報告:探究全球半導體行業巨擘

2019-06-05 09:19 未來智庫

導讀: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。

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。伴隨中美科技摩擦頻發,美方對中國投資及核心技術獲取施加限制,半導體行業正處于產業升級的歷史窗口期。2015 年以來,為縮短半導體行業與西方發達國家的巨大差距,由中國政府出臺產業政策大力主導推動半導體產業發展,積極搶抓集成電路新一輪發展機遇。我們著重從計算類、存儲類和模擬類三大主流半導體的功能、行業發展、應用領域、頭部公司競爭力等多維度闡述全球半導體現狀。

計算類芯片是半導體的核心,經過幾十年的發展呈現出多路徑發展。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。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。

美日韓存儲巨頭憑借DRAM、NAND FLASH 技術和規模優勢引領存儲芯片行業。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。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,仍將繼續角逐存儲器行業。

模擬芯片市場的主要增長驅動來自于移動終端產品的爆發。目前模擬IC 的應用領域主要集中在通信、工業和汽車三大板塊,隨著目前5G 市場的逐漸擴張以及汽車電子的新發展,預計未來五年模擬芯片的增長將成為集成電路細分市場中最為強勁板塊。模擬芯片市場的廠商集中度很高,德州儀器以其18%的市場占有率遙遙領先于排名第二的亞德諾公司8%的兩倍多。同時,近年來模擬芯片行業中的并購事件也層出不窮,各大實力廠商也都希望通過并購快速實現在新興領域應用,比如自動駕駛、物聯網、人工智能等布局,搶占未來市場。

報告內容:

導讀: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?我們將用一系列報告介紹半導體的全球發展現狀以及中國地區方面半導體的發展情況。本篇報告將從半導體的功能分類來介紹全球半導體基本發展現狀。

1. 總述

1.1 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、中國臺灣分化發展。

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,原始計算機的出現和軍工的大量需求催生了最初的半導體產業;60 年代基于硅的電路設計逐步發展起來,使得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,特別是半導體內存和微處理器,行業進入民用階段;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。

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。摩爾定律指出:當價格不變時,集成電路上可容納的元器件的數目,約每隔18-24 個月便會增加一倍,性能也將提升一倍。換言之,每一美元所能買到的電腦性能,將每隔18-24 個月翻一倍以上。定律揭示了信息技術進步的速度。這就決定了集成電路是換代節奏快、技術含量高的產品。從當今國際市場格局來看,集成電路企業之間在知識產權主導權上斗爭激烈,重要集成電路產品全球產業組織呈現出跨國公司壟斷的特征,集成電路跨國公司銷售、制造、研發布局朝全球化方向發展。

1.2 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。

按照生產過程來看,半導體產業鏈包含芯片設計(電路與邏輯設計)、制造(前道工序)和封裝測試環節(后道工序),其中后兩個環節支撐著上游半導體材料、設備、軟件服務的發展。

把以上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。

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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。

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1.3 集成電路市場規模

集成電路行業作為全球信息產業的基礎,并且在產業資本的驅動下,已逐漸成為衡量一個國家或地區綜合競爭力的重要標志和地區經濟的晴雨表。集成電路產品的廣泛應用推動了電子時代的到來,也成為了現代日常生活中必不可少的組成部分。集成電路行業主要包括集成電路設計業、制造業和封裝測試業,屬于資本與技術密集型行業,業內企業普遍具備較強的資金實力、技術研發能力、客戶資源和產業鏈整合能力。

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%。

2018 年全球半導體銷售額總計為4779.36億美元,較2017 年增長了15.94%,增長率相對于2017 年的21.62%增長率降低了5.61 個百分點。得益于DRAM 芯片市場的蓬勃發展,最大的半導體供應商三星電子進一步鞏固了其領先地位。

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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。

從半導體市場整體格局來看,2018 年,排名前25 的半導體廠商的總營收增長了16.3%,占整個市場79.3%的份額。2017 年,排名前四的廠商2018 年排名未變,相比其它領域,半導體市場更為穩固。

從并購趨勢上來看,在近幾年的行業并購案例中,參與方幾乎都是半導體業內的一線廠商,這在一定程度上反映出整合并購重組已經成為半導體企業尋求業務突破的重要發展策略。在此背景下,行業內的知名企業及行業龍頭們紛紛加快了資本運作的步伐,希望通過并購整合的方式,加速產業布局或提升企業的技術及業務水平,增強市場競爭力,進一步鞏固自身在市場中的領先地位。

根據數據顯示,2017 年的半導體行業約24 宗并購協議交易額達到277 億美元,盡管和2015 年(1073 億美元)及2016 年(998 億美元)比明顯回落。2010-2015年芯片行業平均并購交易額126 億美元。隨著收購目標數量的縮減和合并業務的發展,通過并購交易進行的行業整合在2017 年有所放緩。歐洲、美國和中國政府機構對并購交易的監管審查也放慢了大型半導體收購的步伐。回顧剛剛過去的2018 年,“并購” 依舊是國際大型半導體廠商的重要行動,成功案例如貝恩收購東芝存儲業務、微芯收購美高森美、瑞薩并購IDT 等,引發了全球矚目,而博通收購高通、英飛凌收購ST 意法半導體等雖然由于種種原因未能成型,但其在半導體界也擲起層層波瀾。

2.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。

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2.1 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。

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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。

從營收規模來看,2018 年Intel 公司營收658.62億美金,位列2018 年全球十大芯片廠第二位,AMD 公司營收64.75 億美金,因公司定位于IC 設計、銷售,自身沒有晶圓代工業務,營收能力明顯弱于Intel。利潤方面,Intel 多年來保持15%以上的凈利率,2016 年以前AMD 產品在市場上始終被Intel 的7 代酷睿核心型號壓制,導致公司多年虧損,自2017 年開始,AMD 的Ryzen 7 2700X、Ryzen 5 2400G、Ryzen 5 1600 三款型號的市場接受度有所提升,公司開始盈利。

從市場占比上看,Intel 一直是CPU 領域的領導者,AMD 一直是追趕者的角色,2017 年,兩大公司在PC 處理器領域的市占率為79.3 對20.6%。

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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。

從營收規模上看,美國高通2018 年全球營收227.32億美元,憑借強勁的技術專利,強大的芯片原創能力,以及對中國手機芯片市場的滲透,位列2018 年全球十大芯片公司第六位。聯發科2018 年全年營收58.07 億美元。市場份額方面,2017 年高通以42%的市占率幾乎占據移動CPU 市場半壁江山,蘋果自主研發移動CPU 后,在手機芯片領域市占率22%,其后是臺灣聯發科電子15%的份額。利潤方面,高通近些年來凈利率不斷下滑,由2014 年的27.53%持續下滑到2018 年的-21.4%。主要是由于高通的收費方式比較特殊,它除了向廠商銷售芯片之外,還需要按終端設備整機售價抽取一定比例的分成,終端廠商把這筆高額支出稱為“高通稅”,蘋果、華為作為高通下游公司,常年向高通繳納高額專利授權費,近年來手機頭部廠商開始自主研發核心CPU,不再向高通支付專利費,導致高通專利授權板塊營收大減,進而影響公司整體利潤。聯發科由于和高通、展訊的持續價格戰問題,凈利率同樣出現一定程度的下滑。

高通在研發上持續保持著巨額投入,作為移動CPU 和通信領域領先的技術開發者,在開展技術創新的同時,對專利技術的應用也非常重視。高通多年來將大約20%的年營業收入投入創新,被用以技術再研發,這在科技公司中是一個相當高的比例。強勁的研發投入為高通帶來了多項技術專利,2017 年高通共獲得了2628 項專利,同時成為2017 年獲得中國專利權最多的外國企業。大量專利支撐起了高通在高端芯片領域領先者地位。

從產品上來看,高通憑借三大優勢引領移動CPU 領域:

一是集成度以及先進的制造工藝,目前最高制造工藝達到14 納米級別的集成度。

二是高通給出的是一整套的手機芯片解決方案,形成了行業標準,手機生產商完全不用去考慮維護和技術問題,只要按照高通的標準來都可以做手機。

三是產品覆蓋面較廣,在主攻高端芯片的同時,保持入門級芯片穩定投放。

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2. 2 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。

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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。

從營業收入上來看,NVIDIA 公司2018 年全年收入117 億美元,在與AMD 顯卡領域的對抗中處于絕對優勢,以70.5%的市場占有率遙遙領先AMD 的29.5%,原因有三點:一是NVIDIA一直專注于GPU 芯片領域,在產品性能上一騎絕塵。對于芯片等高科技領域,技術水平是硬實力。二是敢于做減法,NVIDIA 早在2008 年,就推出了基于ARM 和GeForce的移動處理器Tegra。但是在智能手機市場上,與其他競爭者一樣,由于缺乏基帶這個最核心的部件技術,導致難以與Qualcomm、Samsung 等抗衡,所以其非常明智地退出了該市場。三是近些年來人工智能的崛起,下游應用領域全面擴展。由于GPU 強大的數據處理能力等特點使得其在人工智能領域具有獨特的優勢,再加上NVIDIA 在該領域布局較早,競爭相對較少一舉奠定了在人工智能領域的地位。利潤方面,英偉達受益于過去兩年礦機市場對GPU 需求強勁,顯卡價格持續上漲,2018 年凈利率達到歷史最高的35.34%。

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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。

2. 3 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。

2. 4 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。

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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。

可編程靈活度高:理論上,如果FPGA 提供的門電路規模足夠大,通過編程可以實現任意ASIC 和DSP 的邏輯功能。不像ASIC 設計后固化不能修改。所以,FPGA 的靈活性也較高。實際應用中FPGA 的現場可重復編程性使開發人員能夠用軟件升級包通過在片上運行程序來修改芯片,而不是替換和設計芯片(設計和時間成本巨大),甚至FPGA 可通過因特網進行遠程升級。

并行運算效率高:FPGA 打破了順序執行的模式,在每個時鐘周期內完成更多的處理任務,例如處理一個數據包有10 個步驟,FPGA 可以搭建一個10 級流水線,流水線的不同級在處理不同的數據包,每個數據包流經10 級之后處理完成。每處理完成一個數據包,就能馬上輸出。

開發周期短:FPGA 技術提供了靈活性和快速原型的能力。一般用戶可以測試一個想法或概念,并在硬件中完成驗證,而無需經過自定制ASIC 設計漫長的制造過程。由此用戶就可在數小時內完成逐步的修改并進行FPGA 設計迭代,省去了幾周的時間。

穩定性好:軟件工具提供了編程環境,FPGA 電路是真正的編程“硬”執行過程。基于處理器的系統往往包含了多個抽象層,可在多個進程之間計劃任務、共享資源。驅動層控制著硬件資源,而操作系統管理內存和處理器的帶寬。對于任何給定的處理器內核,一次只能執行一個指令,且基于處理器的系統時刻面臨著嚴格限時的任務相互取占的風險。而FPGA 不使用操作系統,擁有真正的并行執行和專注于每一項任務的確定性硬件,可減少穩定性方面出現問題的可能。

長期維護:FPGA 芯片是現場可升級的,無需重新設計ASIC 所涉及的時間與費用投入。舉例來說,數字通信協議包含了可隨時間改變的規范,而基于ASIC 的接口可能會造成維護和向前兼容方面的困難。可重新配置的FPGA 芯片能夠適應未來需要作出的修改。隨著產品或系統成熟起來,用戶無需花費時間重新設計硬件或修改電路板布局就能增強功能。

FPGA也存在限制因素:一是隨著半導體制程提升,芯片設計和流片成本大幅增加,攤銷到每塊芯片上的成本非常高,這也是摩爾定律推進放緩的一個原因。10nm 芯片的開發成本已經超過了1.7 億美元,7nm 接近3億美元,5nm 超過5億美元。如果要基于3nm 開發出NVIDIA GPU 那樣復雜的芯片,設計成本就將高達15 億美元。代工廠為此每月要拿出4 萬片晶圓,成本在150 億到200億美元。在14nm 之前,每18 個月進步一代制程,性價是有30%提升的,然而邁入14nm之后,這一趨勢快見不到了。

按照測算,FPGA 流片臨界點是5 萬片,低于5 萬片,對于雷達、宇航、汽車電子等高價值專用設備采用FPGA 較合算,而超過5 萬片甚至更大規模流片采用ASIC 更有優勢。

二是FPGA 功耗比ASIC 大,由于FPGA 制造廠商設計過程中不清楚芯片的應用領域,會過于追求門電路的規模,而實際應用中多數門沒有被用到,導致FPGA 的單位芯片面積大于ASIC,存在功耗過大的問題。

三是FPGA 設計技術門檻非常高,編程時需要采用專用工具進行編譯,再燒錄至FPGA 中,還要考慮應用場景多樣性、復雜性和效率等多種問題。

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。

從營業收入上看,2018 年賽靈思營收達到25.39 億美元,市占率54%,Xilinx與Altera兩家公司共占有近90%的市場份額,專利達到6000 余項,四家公司合計專利9000 余項,技術壁壘高不可攀。而Xilinx始終保持著全球FPGA 的霸主地位,難以撼動。從利潤上看,由于Xilinx對FPGA 市場巨大的統治力,多年來凈利率始終保持穩定,2017 年凈利率20.18%。反觀Lattice和Microsemi仍處于微利或虧損狀態。

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。

2.5 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。

芯片行業深度分析報告:探究全球半導體行業巨擘

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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。

從營業收入上看,全球DSP 芯片主要供應商有TI、ADI、NXP,其中TI 占有最大的市場份額。2018 年TI 全球營收157.84 億美元,。ADI 公司在DSP 芯片市場上也占有一定的份額,2018 年營收62.01 億美元。飛思卡爾的前身為摩托羅拉半導體部門,后獨立,2015 年,恩智浦完成對飛思卡爾的收購,2018 年恩智浦半導體全球營收94.07 億美金。從利潤上來看,除了德州儀器保持穩定增長外,其余廠商均因市場競爭加劇利潤率出現較大波動,2018 年德州儀器凈利率35.35%,亞德諾半導體24.12%,恩智浦半導體24.00%。

從產品上看,德州儀器的產品相比于其他公司擁有較大優勢,一是德州儀器的DSP 兼具價格低廉、簡單易用、功能強大等特點。二是公司占據高端市場,產品種類齊全,包括用于數字控制系統的C2000 系列;用于低功耗、手持設備、無線終端應用的C5000 系列;還有面向高性能、多功能、復雜應用領域的C6000 系列。三是覆蓋應用領域廣泛,既可以應用于國防軍工領域,也應用于點鈔機、生物識別、移動無線電等民用領域。亞德諾半導體公司的產品覆蓋面沒有德州儀器廣泛,但是產品性能較為獨特,公司追求極佳的功耗性能,Blackfin系列處理器包含動態功耗管理(DPM)功能,讓開發者能實現根據程序的運行需要對所需的處理能力實現靈活的功耗配比。恩智浦半導體的DSP 起步較晚,但目前的568xx 系列兼具處理能力和多控制功能,廣泛應用于直流無刷電機中。

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。

公司方面,計算類芯片細分行業普遍呈現高度集中化、頭部企業壟斷市場的格局。除ASIC 領域傳統電子巨頭和電子初創新勢力角力外,桌面CPU 行業傳統霸主英特爾與后起之秀AMD 兩強爭霸,移動CPU 領域高通地位短期內不可撼動,但長期來看,隨著蘋果、華為海思半導體等芯片研發能力較強、資本實力雄厚的公司逐步由內部銷售轉向外部銷售,移動CPU 市場格局將發生根本變化;GPU 領域英偉達憑借先發優勢持續壓制AMD,趨勢仍將延續。FPGA 領域賽靈思依靠龐大的技術專利數量領先于全球其他公司; DSP 領域德州儀器依靠產品價格低廉、簡單易用、功能強大的優勢領跑細分行業。

3.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%。

3.1 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DDR4 SDRAM。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。

營收方面,作為韓國國家支柱型企業,韓國三星電子公司在DRAM 領域一直處于市場領導者的位置,三星充分利用了存儲器行業的強周期特點,依靠政府的輸血,在產品價格下跌、生產過剩、其他企業削減投資的時候,逆勢瘋狂擴產,通過大規模生產進一步下殺產品價格,從而逼競爭對手退出市場甚至直接破產,業內稱之為“反周期定律”。2018 年全年,三星DRAM 廠商自有品牌內存營收437.47億美金,四季度DRAM 市場的占有率為41.3%。其次是韓國SK 海力士294.1 億美金,市占率31.2%,第三名是美國美光科技營收220.43美金,市占率23.5%。利潤方面,由于2016 年以來,供應短缺導致存儲器需求大增,DRAM 價格出現顯著上漲,各主要存儲器大廠在全球范圍內擴建生產線,三大DRAM 公司凈利潤出現明顯上升,美光科技凈利率達到46.52%的歷史峰值,SK 海力士位居其次,凈利率35.35%,同樣是歷史最高值,三星電子凈利率17.61%。

產品方面,單位存儲密度是衡量DRAM 性能的核心指標。DRAM 工藝發展是跟隨摩爾定律的,隨著半導體線寬的不斷縮小,每個裸片上的容量將繼續增加。目前DRAM 存在至少還有兩個技術節點,第一個是DRAM 的復雜度在25nm 節點以后上升較快,每片晶圓產出的容量增長趨緩,工廠出片能力也受阻。第二個是20nm 節點后,產品的差異化,以高密度、HMC 和高級移動產品為將成為優先考慮,每個裸片要有4GB 到16Gb 的容量才合算。

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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。

3.2 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。

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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。

從營收上來看,智能終端對于NAND Flash 的需求,成為拉動NAND Flash 產業的火車頭,2016 年以來NAND Flash 價格連續上漲多個季度,2018 年全球三大存儲器廠商中,韓國三星電子以758.54億美元,位居全球半導體行業第一位,同時也是存儲器行業第一名,其后是美光科技364.3 億美元,第三位是SK 海力士306.4 億美元。利潤方面,由于2016 年六大存儲器廠商產能從2D NAND 向3D NAND 轉移,壓縮了2D NAND 產能,以當時原廠3D 技術投產進程而言,出現了3D NAND 產能釋放緩慢,傳統2D NAND 產能被削減,造成全球存儲器市場供需失衡,NAND 存儲器供不應求,伴隨存儲器公司多次主動上調產品價格,多家存儲器公司利潤率達到近些年來新高。

工藝制程上看,大數據時代對大容量3D NAND 存儲器的需求持續加大,不管是雷達還是移動硬盤、企業數據庫對未來的存儲器需求必然是更低的成本、更高的容量、更快的速度,存儲器公司具備這三種優勢,未來將占據更大的市場份額。各大存儲器公司持續推進工藝制程,目前全球最領先的NAND 存儲芯片是SK 海力士公司128 層(256Gb)3D NAND Flash,也是全球首個完成256Gb 存儲容量的公司,其后是三星、東芝、美光科技的64 層(128Gb).

從應用領域看,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。

4.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。

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上圖統計數據顯示了2015 年、2017 年以及預測的2019 年全球模擬芯片市場銷售收入的應用分布。2019 年,集成電路的軍事和政府應用將占全球集成電路銷售收入的1.3%,而最大的收入份額(38.5%)將來自通信應用。

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。

數據顯示,全球模擬芯片銷售額為588 億美元,約占全球半導體總額的12.3%。從1999 年的221 億美元銷售額到如今,年復合增長率為5.29%。模擬市場的主要增長驅動力來自于移動終端產品的爆發。作為所有電子設備中的關鍵部件,一個設備中一般都會用到一個甚至是多個模擬芯片產品,而移動終端產品更是如此。

從2018 年排名前十的模擬設備廠商的營業收入來看,德州儀器TI 作為全球的模擬設備供應商仍保持著穩固的地位,營收和市場占有率幾乎是排名第二亞德諾ADI 的兩倍,是第十位瑞薩公司的十倍有余。

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TI 的營業收入持續保持著平穩上升的態勢,與公司使用旗下12 英寸晶圓廠生產模擬芯片,降低產品的成本有關,同時,也與公司產品在工業和汽車上的大量應用有緊密的聯系。

對ADI 來講,雖然營收和凈利水平離TI 還有一定的差距,但是近年來的營收增長率相比TI 是在不斷大幅提升。在毛利率方面,ADI 在2018 年的毛利率為68.3%,超過了TI 的65.11%。ADI 在2017 年之后的亮眼表現,與收購完成Linear公司分不開關系。在2016 年收購完成之后,ADI 的電源產品線得到了充分的補充,提升到了全球第二的位置。電源產品與ADI 的混合信號、微波和傳感等產品一起,為ADI 在工業和通信市場打下半壁江山。

從供給端來看,模擬芯片行業研究能力供給是有限的,在設計過程中,人力資源難以被復制。模擬芯片的設計過程相比于數字芯片,更多依賴于經驗,而更少依賴計算機模型,優秀的工程師具有10 年以上的經驗,因此,模擬芯片公司構建了強大的進入壁壘。再者,產品的差異性和研究能力有限降低了市場競爭,同時終端市場的分散化特征繼續放大模擬芯片行業優勢。模擬芯片的終端市場非常分散,產品線數以萬計。行業龍頭在橫向產品種類上具有優勢,新進入者很難進行有效競爭。市場競爭格局穩定,龍頭在定價能力上話語權優勢明顯。

從市場的主要應用方面看來,模擬IC 大致可以分為三大類,即RF(射頻)相關產品、AD/DA(模數/數模)相關產品和電源管理產品。

以每年蘋果推出的新款iPhone 為例,隨著智能手機的功能趨于復雜,采用的射頻前端產品的數量也已經增到到數十個之多,而射頻產品也是模擬芯片的一個組成部分,更不用說電源管理類的產品了。由此看來,終端市場的發展大大影響了模擬市場的發展,而正是手機等手持終端產品的爆發,引領了模擬市場的快速發展。

與全球相比,中國的模擬器件市場主要有四個特點:消費電子市場需求偏大,因為中國是全球最大的消費電子生產基地,所以用于消費電子的模擬芯片需求比例就特別高;中低端需求較大;工業市場很小但增長很快;對外依賴度較高,超過80%的模擬芯片都來自進口。比如幾乎所有的電子類應用都離不開電源,因而無論哪個行業的發展都將為電源管理IC 的發展帶來契機。此外,數字消費電子產品的不斷升級和快速發展也成為其前進的動力。

4.1 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。

隨著通信技術的發展,越來越多制式、頻段、新特性的加入,尤其隨著4G 通信制式的普及到向5G 廣泛展開,手機射頻模塊變得越來越重要,單個手機終端的射頻前端器件的價值會繼續提升,其價值量甚至可能超過主芯片。特別是隨著VR/AR、云服務等應用的推廣,只能移動終端開始需要更大的數據傳輸速度與更大帶寬,新的技術和需求對射頻的復雜度要求更高,對射頻芯片的要求也有更大的提高。

目前全球射頻芯片的技術水平依然是歐美大廠商領先,規模優勢明顯。臺灣企業在晶圓制造、封裝測試等產業鏈中下游占據重要地位。

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。

4.2 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。

4.3 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%。

從全球電源管理芯片市場規模數據可以看出,目前總的需求方面還是在穩步增長,這與其產品特性也十分相關。除了消費類電子之外,汽車、通信、工業及計算更換周期相對較長,有的甚至達到十年以上,因此對于電源管理芯片的穩定性和使用壽命要求較高,并且對廠商持續供應能力提出了很大的挑戰。

具體而言,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。

從去年的走勢來看,電源芯片行業正在進行整合。現在市場上的大公司將在未來繼續對市場掌握話語權,那些在電源管理、數據轉換和信號調理方面處于領先地位的技術或公司,將被全球領先的高性能大公司收購,這加強了模擬類設備各領域的組合。比如,2017 年3 月ADI 完成對Linear Technology 收購無疑是行業近幾年最具代表性的事件。Linear Technology 在全球電源管理領域處于領先地位。通過此次收購,ADI 迅速補齊了在電源管理芯片方面的不足,并一躍成為全球第二大模擬芯片供應商。據ADI 公司電源系統工程總監梁再信介紹,二者合并之前,ADI 有2 萬個器件,Linear 有2.3 萬個器件,合并后總共有4.3 萬個器件,其中電源超過1 萬個器件。此次合并,將為客戶提供更加完整的模擬芯片解決方案。

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。


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