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集成电路:探寻发展新模式

来源:赛迪传媒  作者:陈炳欣 刘静  投稿时间:2017-05-31

  如果以2000年国务院印发《鼓励软件产业和集成电路产业发展的若干政策》为标志,中国集成电路产业进入真正起步阶段,2014年发布的《国家集成电路产业发展推进纲要》(以下简称《推进纲要》)则是一台强力加速器,将中国集成电路产业又推向一个新的高度。然而,随着产业发展进程的加快,我们更加急需了解我国当前IC产业的整体状况,包括产业链发展情况、产业区域分布、关键产品开发进程等,进而探寻适合中国IC的发展模式。
 

  关键器件:
 

  存储器将是突破口
 

  从1958年第一块集成电路发明开始,至今近60年的发展历程中,全球IC产业经历了起源壮大于美国,发展于日本,加速于韩国以及我国台湾地区的过程,目前整个产业又有向中国大陆地区转移的迹象。而在整个过程中有一个现象很多人都曾注意到,即存储器对于一个国家或地区的IC产业成长壮大可发挥重要的推动作用。
 

  长江证券的研究报告显示,一直稳坐IC产业世界第一的美国,因为日本在DRAM存储器上的大力赶超于1986年被拉下了宝座。日本集成电路的发展,特别是DRAM的批量化生产,促使其本土电子市场得到满足。在1986年,尽管全球集成电路市场经历两年的萎缩期,日本借机超越美国,成为世界市场占有率第一强国。从1980年至1986年期间,美国的半导体市场份额从61%下降到43%,而日本由26%上升至44%。此次“DRAM”之争的战败给美国IC产业敲响了警钟,促使美国于1989年年底组建“国家半导体咨询委员会”,大力发展IC设计技术,提供高附加值、创新性强的集成电路产品。最终帮助美国重新夺回全球IC产业霸主的地位。更有甚者,存储器不仅曾使日本IC产业超越美国,也是韩国在集成电路上实现弯道超车的关键,至今韩国三星依然是全球存储器的龙头,占据平均超过50%的市场份额。
 

  对此,半导体专家莫大康对记者指出,从历史经验来看,日本与韩国都曾经以存储器为突破口,一跃成为半导体大国。在中国大力发展IC产业之际,抓住存储器这个关键性的产品作为突破口是可行的。此外,中国也具有做强存储产业的基础。建广资产总经理孙卫表示:“存储产业是一大投入、大产出的门类,这些特点与面板行业类似。我国应当总结这些年来在面板产业中的投资经验。”在十几年的发展中,中国在显示面板领域投入了约3000亿元,目前已经成为全球液晶面板产业的重要力量之一。
 

  如果说此前我国存储器产业的市场份额基本为“0”的话(全球存储产业高度集中,前五大存储器公司三星、SK海力士、美光、东芝、西数(闪迪)总营收占整个市场的95%以上),从2015年开始,在《推进纲要》发布后,我国在存储器领域的发展再次火热起来,目前已经逐渐形成三股力量。
 

  首先是紫光/长江存储系。2016年7月由紫光集团和国家集成电路产业投资基金股份有限公司共同出资成立长江存储科技有限责任公司。按照国家存储器基地项目规划,长江存储的主要产品为3D NAND,预计到2020年形成月产能30万片的生产规模,到2030年建成每月100万片的产能。今年年初紫光集团又在南京宣布动土兴建12英寸晶圆厂,生产3DNAND、DRAM存储芯片等。紫光集团董事长赵伟国表示,紫光集团现在最重要的两大发展方向,就是3D NAND存储器与移动芯片、物联网芯片。目标是在十年内跻身成为全球前五大存储器制造商。日前,紫光国芯(紫光集团旗下上市公司之一)发布重大资产重组进展公告,称将以增资的方式收购存储器长江存储全部或部分股权。显示紫光集团未来将通过资本市场募资,加速后续内存器研发量产的进程。
 

  其次是合肥长鑫。有消息称,由合肥相关方面投资的合肥长鑫公司将投入约500亿元,合肥计划打造月产能12.5万片的12英寸晶圆厂晶圆生产线,前中芯国际执行长王宁国将执掌该项目。预计今年年底该项目将进入设备安装阶段。
 

  第三股力量是福建晋华。福建省晋华集成电路有限公司由福建省电子信息集团、晋江能源投资集团有限公司等共同出资设立,通过与联电签订技术合作协定的方式,前期由联电协助其生产利基型 DRAM,后期逐步导入。目前新建的12英寸厂房已经动工,初步产能规划每月6万片,估计2017年年底完成技术开发,2018年9月试产。
 

  毫无疑问,由于存储产业集中,存在着很高的技术与专利壁垒,中国存储产业的发展并不容易,但是中国半导体业用存储器作为推进IC产业的突破口,将是一个重要的尝试。有关方面需要足够的耐心与坚持。
 

  国产CPU:
 

  需要变换切入点
 

  龙芯中科公司“合作伙伴大会”现场,记者看到大量装载着龙芯CPU的台式计算机、平板电脑、一体机、服务器、交换机、防火墙等。经过十年沉潜,国产CPU的代表龙芯正在逐渐发展成熟。在此次合作伙伴大会上,不仅龙芯中科公司推出一批性能堪比国际主流的产品,如龙芯3A3000/3B3000主频达到1.5GHz,产品性能超过英特尔凌动系列、高端ARM系列等,一批产业链相关企业也发布了基于龙芯新一代处理器的终端产品,如中国航天科技、航天科工、船舶重工、中电科技、中科曙光、浪潮集团、新华三集团、研祥智能、东华软件、中石油渤海钻探等。
 

  “占据国际市场主要份额的x86架构处理器单核性能上在2010年至2012年前后基本达到天花板,这给国产CPU提供了追赶的机会。”龙芯中科公司胡伟武告诉记者。而经过这些年的“补短板”工作,国产CPU的整体性能也确实得到大幅提升,已经达到“可用”的程度。一些国产CPU企业下一阶段的重点已经转向对公开市场的拓展,而不仅局限在国家安全相关市场为主。
 

  以x86架构为主的国产CPU企业兆芯也于近日首次展示了最新一代ZX-D系列处理器。“该产品的性能大概相当于英特尔i3-i5处理器之间,它不仅定位于党政军等市场,也将向公开市场拓展。”兆芯副总裁傅城告诉记者。据悉,ZX-D系列处理器现在已经在台积电成功流片,显示该产品的市场化进程迈进了重要一步。预计今年年底前将会有搭载它的整机产品发布。
 

  事实上,我国在开发自主CPU上的尝试还有很多。Gartner研究总监盛陵海表示,我国发展CPU产业走的是多技术并行的路线。按照架构划分,x86、MIPS、POWER、ARM四大处理器架构,中国企业都有尝试。
 

  x86方面,我国的兆芯和曙光分别通过与威盛和AMD进行商业合作。目前,兆芯推出3代CPU产品,已经在联想台式机/一体机和笔记本、同方一体机、仪电mini PC、联想服务器、火星高科服务器等产品上得到了应用,累计出货几十万颗,到2018年年底将有望实现累计出货100万颗。曙光则联姻AMD在服务器领域布局,并计划自研安全加密模块替代原有AMD的安全部分,提升安全保障能力。
 

  在ARM体系方面,2016年年初高通公司与贵州省相关部门共同出资18.5亿元成立贵州华芯通半导体技术有限公司,进行服务器芯片的设计、开发与销售。目前公司已经获得来自ARM v8-A架构授权和技术转移,目标是开发10纳米的服务器芯片。
 

  龙芯CPU可以划归MIPS阵营,但龙芯在MIPS精简指令集基础上自主扩展了指令集loongISA,并坚持自主研发微架构和编译器。至于POWER架构方面,随着IBM开放POWER架构,国内也在相关企业进行对标行业应用市场的开发。
 

  目前,中国正在加大力度发展IC产业,而通用CPU作为行业内最重要的产品,它的成败具有标志性意义。当然,产品性能的优劣只是一个方面,能够进入充分竞争的公开市场,并站稳脚跟才是检测成败的关键指标。目前来看,国产CPU的整体性能已经得到较大提升,但是生态环境却相对薄弱且成熟缓慢,使得长远发展空间受限。
 

  这主要表现在合作伙伴少、软硬件生态力量分散、无法建立Wintel联盟的协同共赢模式、缺乏产业上下游间的融合发展和深度优化等。采访中,傅城就表示:“目前公司进入公开市场最大的障碍不是产品性能,而是普通消费者的使用习惯和消费体验。”这将是下一步中国CPU企业需要重点攻克的壁垒。
 

  IC设计:
 

  在高端芯片上差距大
 

  无论存储器还是CPU,产业生态的重要性都十分巨大。因此,有必要梳理我国IC产业链的发展状况。根据中国半导体行业协公的统计,2016年中国集成电路产业销售额4335.5亿元,其中,设计业1644.3亿元,制造业1126.9亿元;封测业1564.3亿元。基本呈现三分天下的态势。所以有必要对三者进行分析。
 

  2016年以来,在移动智能终端、IPTV和视频监控、云计算、大数据等多层次需求及智能硬件创新的带动下,中国集成电路设计领域表现出蓬勃的发展势头。在全球集成电路产业呈负增长的情况下,中国集成电路设计业一直保持着两位数的增长速率。据市场调研公司DIGITIME Research估计,2017年中国大陆的IC设计产值将达到289.3亿美元,年成长率为16.9%。
 

  回顾从1999年到2016年的这段时间,中国集成电路设计业一直高速增长,设计公司数量也显著增多。中国半导体行业协会IC设计分会理事长魏少军在日前召开的“中国集成电路设计业2016年会(ICCAD2016)”上指出,1999年到2016年间,中国集成电路设计的复合年均增长率(CAGR)为44.91%;中国IC设计公司在两年内数量翻倍,从2014年的681家增至2016年的1362家。
 

  更有说服力的数字是,2016年全球前50名Fabless企业中,中国设计企业数量达到11家,分别是深圳海思、紫光展锐、大唐微电子、南瑞智芯、中国华大、中兴、敦泰科技、士兰微、格兰微、珠海全志、蒙太奇等。其中,深圳海思在销售规模上已达到300亿元、紫光展锐达到125亿元,这两家规模过百亿元的企业也成功进入了全球Fabless前10名。
 

  紫光展锐的设计水平已达16/14纳米。据悉,全球1/4的手机都采用了展讯的芯片,展讯在2016年的芯片出货量已达到6亿套,销售额为120亿元。在基带芯片上,展讯已能和高通、联发科三分天下,2016年市场份额达到27%。目前,展讯正在借助英特尔技术、台积电代工实现“两条腿走路”合作模式。今年展讯推出的两款新品便是由英特尔代工、基于英特尔架构的14纳米X86移动芯片,分别面向中高端市场和中低端市场。
 

  “英特尔的技术提供了性能强大的方案,让展讯足以面对未来更多元的手机应用和高运算量需求。”展讯通信市场副总裁王成伟告诉记者。
 

  而海思成功推出了与高通“骁龙”芯片性能相当的“麒麟”芯片。麒麟910首次集成了自研的Balong 710基带,成为一款真正意义上的手机SoC;从麒麟920起,海思开始推出能与高通和三星处理器一较高下的产品,远远地甩开了联发科。“麒麟”芯片被陆续用在了华为Mate系列,强有力地支撑了华为高端智能手机的发展。
 

  按照我国集成电路产业“十三五”发展规划建议对集成电路设计业的规划,到2020年,全国集成电路设计业年销售收入将达到3900亿元,产业规模占全国集成电路产业比例为41.9%。按照目前的中国集成电路设计业的发展态势,达到这个目标应该不难。
 

  但我国IC设计业仍然存在整体技术水平不高、核心产品创新不力、产品总体处于中低端、企业竞争实力不强、野蛮生长痕迹明显等问题,华润微电子有限公司常务副董事长陈南翔指出,特别值得关注的是,在高端芯片领域,中国与国际上的差距尤其巨大。在高端芯片领域追赶国际先进水平,将是未来一段时期中国IC行业的主要任务之一。
 

  IC制造:
 

  局部和节点或产能过剩
 

  中国半导体行业协会发布统计数据,2016年中国集成电路制造业的销售额达到1126.9亿元,同比增长达25.1%。这是近5年以来,国内半导体制造业增长速度首次超过设计业,这与芯片设计业订单增长、国内芯片制造业产能利用率持续满载有关,更与数千亿元资金向集成电路制造领域投入的带动息息相关。从2016年的情况来看,至少有3500亿元将在未来的数年间投入集成电路制造领域,其中大部分为新建12英寸晶圆厂的投入。
 

  受投资驱动影响,中国的集成电路制造的产能正在大步扩张。根据国际半导体设备与材料产业协会(SEMI)发布的报告,在全球处于规划或建设阶段、预计于2017年~2020年间投产的62座半导体晶圆厂中,有26座设于中国,占全球总数42%。到2017年,这些中国新建的晶圆厂预计将有6座上线投产,2018年达到高峰,共13座晶圆厂加入营运,其中多数为晶圆代工厂。
 

  据记者不完全统计,在2016年新建的12英寸晶圆厂包括:以武汉新芯为基础的国家存储器生产基地项目动工,投资240亿美元,主要面向存储器芯片的产品设计、技术研发、晶圆生产与测试,预计到2020年将形成月产能30万片的生产规模,到2030年将形成每月100万片的产能;南京与台积电宣布合作新建的12英寸晶圆厂和IC设计中心,初期规划月产能2万片,投资30亿美元;德科玛宣布在江苏淮安新建的一座小规模12英寸晶圆厂,总投资20亿美元,预计月产能可达2万片;美国AOS公司在重庆投资7亿美元的12英寸功率半导体芯片制造及封测基地;福建省晋华存储器集成电路生产线,一期投资370亿元;中芯国际在上海新建的14纳米及以下制程的12英寸生产线,月产能7万片,总投资达675亿元;中芯国际在深圳新建的12英寸生产线,预期月产能4万片;华力微启动的12英寸高工艺等级生产线项目,总投资387亿元,规划月产能4万片。
 

  看到如此多的晶圆项目上马,产业界出现了关于投资过热的担忧。清华大学微电子所教授魏少军指出:“从供需缺口和贸易逆差来看,我们自给率只有13.5%,从产能总量上看,未超出预期,不存在产能过剩问题;但布局分散,无法呈现规模效应,局部地区和局部技术节点上确实可能出现局部产能过剩。”
 

  “从中国大陆晶圆厂财报中可以发现,当前企业的营收主要来自55纳米及以上的工艺节点。”半导体专家莫大康告诉记者。业界专家对中国大陆集成电路制造的普遍看法,是落后世界领先水平两代以上。尤其是先进成熟工业产能严重不足。
 

  在国内集成电路市场需求中,28纳米及以下IC产品已经占据55%的份额。而中国大陆集成电路制造的总体产能虽占全球的14.6%,但在28nm以下的产能仅占全球的1.4%。从财报上看,国内规模最大的中芯国际2016年销售总额达到29亿美元,收入同比上升30.3%。其28纳米工艺在公司营收中占比已经提升至3.5%,预计今年将提升到7%~9%。
 

  本次产能的增加以相对高端的工艺为主。新扩张的产能将有效满足中国集成电路设计业庞大的需求。而Gartner指出,未来5年内,一些国际化无厂半导体企业也可能将多达50%的晶圆采购需求转向中国代工厂。制造业显然将成为带动中国IC产业快速成长的重要驱动力。
 

  封装测试:
 

  向高端迈进脚步加快
 

  日前,国内最大的封测企业长电科技发布了其2016年的公司财报,实现营收191.55亿元,同比增长77.24%。其中最令人关注的消息是,长电科技于2016年5月完成并购的星科金朋实现了大幅减亏,净利润-6.2亿元,同比减亏1.34亿元,并表亏损2.5亿元。这显示长电科技于2015年年初开始启动的这项“蛇吞象”式的行动进展相对顺利。星科金朋2013年营收为15.99亿美元,在全球封测领域排名第四,而长电科技则只有8.5亿美元,排名第六。

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