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深刻报告,软实力才是国内晶圆代工业最大制约

发布时间:2019-11-11 20:18编辑:美高梅在线登录网址浏览(200)

    【据《中电网》 2008年11月26日报道】 中国第一大半导体厂中芯国际,终于在11月11日得到大唐电讯的金援,让出16.6%的股权。

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    中芯积极引进新资金的动作,标志着芯片代工这个用上百亿资金打造的产业在中国发展陷入瓶颈。英国《金融时报》发表评论称,对于半导体产业来说,资金固然重要,但软实力才是决定胜败的关键。这里的软实力,一是群聚效应,一是专利。其中,群聚效应是中国发展晶圆代工产业最欠缺的元素,即上下游供应链的连系及客户关系的建立。晶圆代工最主要的客户是上游的集成电路设计公司,集成电路设计公司将芯片“蓝图”画好之后,再交由代工厂制造。

    自主创芯·产业报国

    当初中国半导体产业之所以一片看好,主要是因为中国是世界工厂,从玩具、汽车、电器、手机到计算机,无一不需要芯片,这样的芯片需求大国,其集成电路芯片的自制率,竟然只有10%不到,如果能引进晶圆代工,现成的订单,就足以让半导体产业吃喝不尽了。


    几年发展下来,中国的集成电路设计能力虽然与日俱增,IC设计公司家数也已经超过400家,但一直集中在较低阶的消费性IC层次,就算规模最大的珠海炬力,去年营收也只有1.16亿美元的水准,只有全球集成电路龙头公司Qualcomm全年营收110亿美金的百分之一。日前研究机构iSupply就大胆估计,明年至少会有100家中国的芯片设计公司,将吹熄灯号。

    华为海思的芯片经过20年的发展已经在众多领域达到世界顶级水平,甚至在部分领域领跑全球。

    “专利”是中国半导体产业碰到的另一个问题。芯片设计及制造是一项极专精的产业,大从电路设计,小到电路转角、如何减少或引导静电,都是专利的范围,如果研发脚步稍慢一些,一旦被竞争对手抢先登录专利,就会被对手卡住手脚。

    但是,海思只参与了芯片的设计环节。

    芯片设计只是装个产业链的一个环节,还需要上游的芯片架构 芯片EDA的支持。

    芯片产业链全景图

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    更为重要的是,设计好的芯片需要制造代工环节,这才是半导体的命门和最大门槛!

    目前华为的高端芯片制造几乎全部交由台积电完成,模拟芯片的制造也几乎被海外巨头垄断。

    所以,未来华为的芯片由谁来制造?

    1、先进代工:中芯国际、华力微

    2、IDM:闻泰科技、三安集成

    3、成熟代工:华虹半导体、和舰

    4、特色:士兰、台基、捷捷、杨杰

    5、存储:长江存储、兆易、君正

    本文来自于6月1日外发60页重磅深度报告

    《半导体自主可控全景研究》

    报告PDF全文,请联系西南电子团队

    半导体制造——产能制程落后,中芯为首齐发力

    半导体制造主要分为逻辑芯片、存储芯片制造等。逻辑芯片领域,台积电、三星等承接产业转移的机遇,建立了较强的先发优势,但中芯国际、华虹半导体等大陆晶圆代工企业正在加速追赶,产线规模不断扩大、制程技术不断提高。存储芯片领域长期为三星、海力士、美光等企业垄断,进入壁垒高,国内以长江存储、合肥长鑫为代表的企业已经建立产线、全力攻坚产能爬坡与良率提升。射频芯片方面,尽管Skyworks、Qorvo等国际巨头瓜分了大部分市场,但唯捷创芯、慧智微、中科汉天下等国内企业已经实现阶段性技术突破,市场份额也在逐步提升。

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    1.1逻辑芯片:产能两头在外,先进制程落后

    在半导体芯片行业,企业模式主要分三种,IDM、Foundry和Fabless。IDM被称为垂直设计和制造企业,是指从设计到制造、封装测试以及投向消费市场一条龙全包的企业,这种模式在逻辑芯片的代表性厂商有英特尔,在存储芯片的代表性厂商有三星、海力士、美光等。Foundry是代工厂,是指不做设计和下游营销,专注加工工艺的整合和产能的提升,最典型的是台积电。而有的公司专注设计,没有加工工厂,业务基本外包给代工厂,称为Fabless,在逻辑芯片领域有AMD、高通、博通等。纳米制程是针对IDM和Foundry而言,Fabless没有工厂,不需要担心纳米制程的问题。他们只需要选择合作对象,给他们设计的芯片进行代工,所以更先进的制程是IDM和Foundry执著追求的目标,一旦掌握了最先进制程技术,意味着可以最早占领市场,形成先发优势,对后进入者可以实施价格打压,维护自己的垄断地位。

    半导体制造环节资金壁垒高。产能的扩张需要新建大量厂房和引进大量设备,一般新建一个12英寸生产线需要上百亿元的资本投入。产线建设完成后也需要经过长时间的产能爬坡才能达到大规模生产,因此在厂线使用初期,高额的折旧摊销也会对利润带来侵蚀,因此半导体制造资金壁垒高。半导体制造环节由最初的IDM模式向当今的晶圆代工演化,这使得相当多的公司可以从大量的设备投入、研发费用中解放出来,专注半导体的设计。

    半导体制造环节技术壁垒高。在半导体制造环节,除了半导体设备本身极具技术难度之外,各个环节设备之间的工艺配合以及误差控制需要大量的经验积累。一般集成电路生产需经过几十步甚至上千步的工艺,在20nm技术节点,集成电路产品的晶圆加工工艺步骤约1000步,在7nm时将超过1500步,任何一个步骤的误差放大都会带来最终芯片良率的大幅下滑,因此半导体制造行业是一个高度精密的系统工程。因此,在建立先进制程生产线时,需要投入高额的研发费用。

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    据IHS Markit统计,2017年全球纯晶圆代工市场营收为530亿美元,较上年增长7.1%。随着无生产线的Fabless商业模式的流行及越来越多的IDM公司对纯晶圆代工厂的先进节点产品制造上的依赖,领先的纯晶圆代厂的营收将持续性增长。预计到2021年,纯晶圆代工市场营收将达到754亿美元,2016年到2021年的年复合增长率为9.1%,超过同期全球半导体市场的2.8%。从技术节点演变角度来看,28/22纳米及以上相对成熟制程凭借高性价比依然拥有较大的市场规模,存量上基本保持不变或轻微下降,但是由于28/22纳米以下先进制程的市场规模逐渐扩大,成熟制程的市场占比会不断下降。总的来说,目前代工市场还是主要以成熟制程为主,先进制程占比不断提高,2017年28/22纳米及以下先进制程市场占比仅38%,预计到2021年可以达到56%。

    由于第二次产业转移中国台湾承接了代工业务,因此台湾贡献了全球最大的代工产能。仅台积电一家在2018年上半年就占据了全球晶圆代工市场的56.1%,联华电子市占率为8.9%,两者加起来总共占据了65%的市场规模。格罗方德是从美国AMD公司亏损后拆分出来的晶圆厂与阿布达比创投基金合资成立,目前也拥有9%的代工市场。三星最初是和英特尔一样,是典型的IDM厂商,晶圆代工厂主要服务自身的芯片供应,多余产能也会外接其他订单。2016 年三星代工业务营收45亿美元,市场占比约7.7%,位居全球第四。为进一步提高代工业务盈利能力,2017年5月三星正式宣布代工业务部与系统LSI业务部分离,开始自立门户。

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    中芯国际是大陆最大的晶圆代工厂,占据大陆晶圆代工市场的58%,也是大陆唯一一个可以提供28纳米先进制程的晶圆代工厂。华虹半导体是全球领先的200mm纯晶圆代工厂,主要面向1微米到90纳米的可定制服务,根据IHS的数据,按2016年销售收入总额计算,华虹半导体是全球第二大200mm纯晶圆代工厂。

    我国集成电路制造业2017年销售额达1390亿元,预计2018年更多新厂实现规模量产,销售额将进一步攀升至1767亿元。主要表现为12英寸集中扩建,8英寸订单满载,6英寸面临转型升级。从产能供给角度来看,2016年我国大陆地区晶圆制造产能仅为全球的10%左右,由于国内半导体市场需求巨大且逐年稳步增长,供需关系明显失衡,我国内地将成为半导体制造厂商的必争之地。

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    目前我国晶圆代工的局限主要体现在两方面,一方面,从产能端来看,“两头在外”现象严重,另一方面,从制程端来看,与海外巨头有2-3技术代的差距。

    产能端:我国的晶圆代工企业和本土设计公司在产值方面出现严重的不匹配。华润微电子将这种现象定义为“两头在外”,一方面本土晶圆制造代工厂给国外设计商做代工,同时国内设计公司也在依靠海外代工厂去生产。

    2013年,中国整个晶圆代工产业规模为297亿元,其中中国本土晶圆代工规模248亿元,外资在国内设立晶圆代工厂产业规模为49亿元。中国本土IC设计公司占据中国本土晶圆代工营收规模中的114亿元,占比高达46%。2013年中国IC设计公司对晶圆产值需求约323亿元,中国本土晶圆代工厂提供给本土IC设计公司的产能按照产值仅满足35.3%,还存在209亿元的晶圆代工缺口。

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    2017年,中国整个晶圆代工产业规模为440亿元,其中中国本土晶圆代工规模370亿元,外资在国内设立晶圆代工厂产业规模为70亿元。中国本土IC设计公司占据中国本土晶圆代工营收规模中的190亿元,占比高达51%。2017年中国IC设计公司对晶圆产值需求约671亿元,中国本土晶圆代工厂提供给本土IC设计公司的产能按照产值仅满足28.3%,还存在481亿元的晶圆代工缺口,比2013年增加了130%,因此,“两头在外”现象更加显著。

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    从晶圆代工工艺角度来看,目前国内晶圆代工厂在特色工艺领域(BCD等模拟工艺、射频、e-NVM、功率器件等)同国外晶圆代工厂差别不大,基本能满足国内设计公司要求,同时也承接了大规模海外设计公司的需求。国内晶圆代工厂难以满足国内设计公司对主流工艺和高性能模拟工艺的需求,2017年国内设计公司到外资晶圆代工厂代工规模达481亿元。

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    制程端:我国设计业对先进制程要求日趋提升,但代工技术制程与海外有较大差距。

    中国IC设计公司对晶圆代工的要求逐渐向90nm以内节点发展。2017年,设计公司采用0.13um节点占比53%,2018年90nm及以下节点制程的需求将超过0.13um,至2025年中国设计公司70%会用到90nm以内制程。

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    中芯国际是中国大陆规模最大的晶圆代工厂,同时也是制程技术最先进的晶圆代工厂。目前公司28纳米PolySiON、HKMG、HKC全平台建设已经完成,FinFET研发进展顺利,第一代FinFET 14纳米技术进入客户验证阶段,产品可靠度与良率已进一步提升。第二代FinFET N 1技术开发正在按计划进行。上海中芯南方FinFET工厂顺利建造完成,开始进入产能布建。同时,12纳米的工艺开发也取得突破,目前已经进入客户导入阶段。

    从14纳米技术的量产时间上看,台积电、联电、格罗方德、英特尔、三星均领先于中芯国际。

    与联电和格罗方德对比,虽然中芯国际在量产14纳米与其有2-3年的时间差距,但是格罗方德和联电目前均已退出14纳米以下先进制程市场的争夺,转向成熟特色工艺制程。而中芯国际则向14纳米以下先进制程不断进发,14纳米工艺量产在即,因此在制程角度中芯国际已经开始超越联电和格罗方德。从市占率角度来看,中芯国际身兼资金、人才、管理优势,叠加先进工艺的持续导入,未来也将大概率在市场占有率上全面超过联电和格罗方德。

    与英特尔和三星对比,中芯国际在量产14纳米与其有近5年的时间差距,虽然技术上中芯国际还有很长的追赶时间,但是由于英特尔和三星都是IDM企业,产能规模有限,虽然三星已经将代工事业部独立出来,但是短期内在市场份额上的角逐上竞争力有限。因此,英特尔和三星不会成为中芯国际最大的竞争对手。

    与台积电对比,中芯国际无论在产能上还是制程上都远落后于台积电。我们发现28纳米是中芯国际和台积电技术差距的拐点,90纳米中芯落后台积电1年,65纳米落后两年,40纳米落后三年,28纳米整整落后6年,技术差距呈增大趋势。28纳米之后的先进制程,中芯国际和台积电的差距越来越小,14纳米落后台积电3.5年,比原计划提前了半年,10纳米及以下预计落后3年。所以在未来先进制程的竞争上,中芯国际和台积电的差距正在逐渐缩小,有望成为仅次于台积电全球第二大纯晶圆代工厂。

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    1.2存储芯片:打破日韩垄断,强攻存储市场

    存储芯片作为半导体产业链的最大下游,在整个集成电路市场中占比最高。2018年全球集成电路市场规模约5000亿美元,其中1600亿美元属于存储芯片市场。随着大数据、云计算、人工智能的发展,整个存储行业将会迎来更大的市场空间。

    存储器芯片主要分为易失性存储和非易失性存储。易失性存储指断电以后,存储器内的信息就流失了,例如 DRAM,主要用来做PC机内存和手机内存。非易失性存储指断电以后,存储器内的信息仍然存在,主要是闪存(NAND FLASH和NOR FLASH),NOR主要应用于代码存储介质中,而NAND则用于数据存储。在存储芯片整个市场中,DRAM 产品占比最高约53%,NAND Flash产品占比约42%,Nor Flash占比仅有3%左右。

    存储芯片市场集中度高,无论是 DRAM,还是 NAND Flash、Nor Flash 都呈现寡头垄断格局。根据statista数据,2018年全球DRAM市场规模约996.6亿美元,主要由三星、海力士、美光三足鼎立,其中三星一家独占43.9%,海力士占29.5%,美光占22.5%。三家市场份额合计就达到92.6%。NAND市场也呈现多头垄断格局,全球市场规模约634亿美元,主要由三星、海力士、美光、东芝、西部数据五家瓜分,三星依旧占据最大份额约35%,东芝、西部数据、美光、海力士依次排名其后,分别为19.2%,14.9%,12.9%,10.6%。

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    目前,国内已经有两家企业对存储行业发起了冲锋,分别是长江存储和合肥长鑫。

    长江存储由紫光集团联合集成电路基金、湖北省科投等于2016年在武汉注册成立,目前为清华紫光集团的子公司,同时整合了已成立10年的武汉新芯。

    目前长江存储的32层NAND Flash产品已经实现量产,月产能达到5000片。64层256Gb 3D NAND正在进行技术研发,预计将于2019年底进入量产。2019年4月公司的32层3D NAND芯片接获首笔订单,数量达10776颗芯片,将应用在8GB USD卡上。

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    合肥长鑫由兆易创新与合肥产投于2016年合资成立。DRAM项目投资超过72亿美元,项目建设三期工程,2018年1月已完成一期12英寸晶圆厂建设,并开始安装设备;2018年7月合肥长鑫宣布正式投片,产品规格为8GB DDR4,已达到移动内存的主流规格;预计2019年末可实现每月生产2万片的产能目标;2020年起将规划建设二厂;2021年完成对17nm工艺技术的研发。

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    1.3射频芯片:美国高度垄断,国产替代加速

    射频前端即无线电系统的接收机和发射机,可实现信号的传输、转换和处理功能,是移动终端通信的基础。射频前端芯片包括射频开关、射频低噪声射频低噪声放大器、射频功率放大器、双工器、射频滤波器等芯片,其中,射频开关用于实现射频信号接收与发射的切换、不同频段间的切换,射频低噪声放大器用于实现接收通道的射频信号放大,射频功率放大器用于实现发射通道的射频信号放大,射频滤波器用于保留特定频段内的信号并将特定频段外的信号滤除,双工器用于将发射和接收信号的隔离以保证接收和发射在共用同一天线的情况下能正常工作。智能手机通信系统结构示意图如下:

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    随着手机、平板电脑市场的日益成熟,全球移动终端的出货量基本稳定,从而,对射频前端芯片的需求也保持相对稳定。随着移动终端越来越渗透日常生活的方方面面,根据Yole Development 的研究,2016 年全球每月流量为960亿GB,其中智能手机流量占比为13%;预计到2021年,全球每月流量将达到2780亿GB,其中智能手机流量占比亦大幅提高到33%。

    通讯技术的发展的同时也推动了射频芯片市场的发展。在过去的十年间,通信行业经历了从2G到3G再到4G的跨越式发展,智能手机中射频前端芯片的价值也从0.9美元到3.4美元再到6.15美元,这促使着在出货量稳定的情况下射频前端芯片的市场规模水涨船高。随着5G、物联网时代的来临,射频前端芯片的市场规模将进一步上升。

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    在射频芯片领域,国外巨头垄断严重。目前,手机射频前端市场由博通、Skyworks、Qrovo和Murata四大供应商垄断了超过90%的市场份额。该四家国外厂商均为IDM厂商,该经营模式不仅使得它们拥有较低制造成本,还使得它们自身的制造端能为设计端量身打造、性能匹配度较高,这也进一步提高了国内厂商的进入壁垒。在SAW滤波器方面,市场份额主要被Mutara、TDK、Taiyo Yuden等公司所垄断,合计占有85%。国内企业由于产业发展较晚、制造相对不成熟,所以目前仍多采用Fabless Foundry的经营模式,并且多依赖国外厂商进行射频芯片的代工。

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    目前国产射频PA设计厂商主要有紫光展锐、唯捷创芯、慧智微、中科汉天下等,制造厂商主要有三安光电。射频开关及LNA设计厂商主要有卓胜微电子。

    紫光展锐实现了GaAs和CMOS两种不同工艺在2G、3G、4G射频前端产品的全面覆盖,并批量量产射频开关、低噪声放大器以及2.4G/5G 双频Wi-Fi射频前端产品,且在射频滤波器方面已经完成初步布局。目前,紫光展锐是中国大陆唯一一家实现产品线全覆盖的本土射频芯片公司。

    唯捷创芯拥有完全独立知识产权的 PA、开关等终端芯片已经大规模量产及商用,已累计销售超过13亿颗芯片。同时,在5G领域也在加速布局,唯捷创芯计划发布其首款在3.3GHz-3.6GHz频段支持HPUE的5G射频前端模组。

    慧智微于2015年推出全球首颗量产可重构射频芯片AgiPAM,也是业界唯一规模量产的可重构射频前端产品。与世界上采用非可重构技术的类似产品相比,性能、成本结构和尺寸都具有明显优势,为中国“自主创芯”走出一条“弯道超车”之路。

    中科汉天下的GSM PA产品市场占有率达60%,居全球第一;3G PA市场占有率超过45%,居国内第一;4G PA现在月出货量500万套,产品已经被三星、中兴通讯、TCL 等知名品牌手机厂商采用,并销往欧洲、美洲、非洲、东南亚等160 多个国家和地区。

    卓胜微电子在行业内推出第一款基于RFCMOS工艺的GPSGPS射频低噪声放大器LNA芯片,并实现量产,2017年出货18亿颗射频芯片,销售额达到5.9亿元,客户覆盖三星、华为、小米、OPPO等手机品牌,在射频前端芯片领域跃升为国内领先企业。

    三安光电的子公司三安集成的砷化镓射频销售持续成长,出货客户累计至73家,达270种产品。随着工艺及客户端产品认证的不断成熟,三安集成的砷化镓HBT产品主流工艺已开发完成,产品全方面涵盖2G-4G PA、WiFi、IoT等主要市场应用,并且在5G领域已实现了小批量供货。

    目前,三安集成砷化镓射频销售持续成长,销售数量环比增长,出货客户累计至73家,达270种产品。随着工艺及客户端产品认证的不断成熟,三安集成的砷化镓HBT产品主流工艺已开发完成,产品全方面涵盖2G-4G PA、WiFi、IoT等主要市场应用,并且在5G领域已实现了小批量供货;氮化镓射频已给几家客户送样,反复进行了技术交流,产品已阶段性通过电应力可靠性测试,实现小批量供货;滤波器产品的研发和可靠性验证已取得了实质性进展,进入客户送样验证阶段,客户反馈初步测试产品性能已优于业界同类产品,预计在2019年第二季度形成产品销售。

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