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国产芯片的历史性机遇

日期:2019-11-02 07:30:24

资料来源:《川菜证券》内容。谢谢你。

半导体是指在常温下导体和绝缘体之间具有导电性的材料,是电子产品的核心。根据集成电路的见解,半导体分为集成电路(ic)、分立器件(二极管、晶闸管、功率晶体管等)。)、光电设备(光传感器、图像传感器、激光发射器等。)和传感器(压力传感器、温度传感器、磁场传感器等。)/集成电路通常可以分为模拟集成电路和数字集成电路。

模拟集成电路主要指由电阻、电容、晶体管等组成的集成电路。它们被集成在一起以连续函数的形式(例如声音、光、温度等)处理模拟信号。),包括通用模拟电路(接口、能量管理、信号转换等)。)和用于特殊应用的模拟电路。

数字集成电路是对离散数字信号(例如由0和1逻辑电平表示的二进制代码)执行算术和逻辑运算的集成电路。其基本组成单元是逻辑门电路,包括存储器(dram、闪存等)。)、逻辑电路(plds、门阵列、显示驱动器等。),以及微元件(微处理器、微控制器、dsp等)。)。

半导体按产品分类

常见的模拟集成电路通常包括各种放大器、模拟开关、接口电路、无线和射频ic、数据转换芯片、各种电源管理和驱动芯片等。他们的设计主要基于晶体管级电路设计和相应的布局设计,并由经验丰富的设计师进行仿真。

与此相对应的数字集成电路通常包括cpu、微处理器、微控制器、数字信号处理单元、存储器等。他们的大多数设计都是借助eda软件,以基本逻辑门电路为单位,使用硬件描述语言自动生成的,布局布线也是借助eda软件自动生成的。

半导体设计商业模式

经过多年的发展,集成电路产业在产业分工不断细化的背景下,逐渐从原来单一的idm模式转变为idm模式和无厂模式并存。Idm模式是垂直集成制造模式,这意味着企业除了集成电路的研发之外,还有自己的晶圆、封装和测试工厂。其业务范围垂直覆盖集成电路的所有方面。无晶圆模式是无晶圆生产线的集成电路设计模式。这意味着企业只从事集成电路的设计和销售,其余的分别委托给专门的晶片生产工厂和封装测试工厂。

集成电路产业商业模式示意图

TSMC成立于1987年,仅提供晶圆代工服务,促进了无晶圆模式的形成。晶圆厂的发展推动了许多芯片公司转向轻资产。相应的生产环节已经移交给TSMC和CIMC国际等晶圆厂。这些芯片公司专注于产品设计和产品销售。无厂模式已经成为集成电路行业中一种常见的重要模式。Idm模式是集成电路产业早期发展中最常见的模式。然而,由于对技术和资金实力的高要求,目前只有少数大型企业采用,如英特尔、三星、德州仪器、意法半导体等。

半导体行业不同商业模式的特征比较

半导体设计的基本过程

集成电路设计(Integrated circuit design)是指将许多晶体管、电阻、电容等元件集成在一个小的单晶硅片上,按照多层布线或隧道布线的方法将这些元件组合成一个完整的电子电路的整个设计过程。集成电路设计是一个非常复杂的行业,计算机辅助软件的成熟加速了集成电路设计的发展。在ic生产过程中,ic大多由专业ic设计公司规划设计,如联华、高通、英特尔等知名大型工厂,他们设计自己的ic芯片,并向下游厂商提供不同规格和性能的芯片供选择。

芯片设计流程示意图

芯片设计的详细过程包括制定规格、设计芯片细节、绘制芯片蓝图等步骤。详情如下:

步骤1:制定规格。该规范将首先确定集成电路的目的和性能,设定总体方向,然后查看应满足哪些协议。最后,建立集成电路的实现方法,将不同的功能分配到不同的单元,并建立不同单元之间的连接方法。

步骤2:设计芯片细节。规范制定后,设计芯片细节,并使用硬件描述语言(hdl)描述电路。常用的hdl包括verilog、vhdl等。集成电路的功能可以很容易地用代码来表达。进一步检查程序功能的正确性,并继续修改它,直到它满足所需的功能。

第三步是为屏幕设计绘制蓝图。在集成电路设计中,逻辑合成步骤是将确认的hdl代码放入电子设计自动化工具(eda工具),让计算机将hdl代码转换成逻辑电路,生成电路图。此后,反复确定逻辑门设计是否符合规范并进行修改,直到功能正确为止。

第四步是电路布局和绕组。将合成代码放入另一个eda工具中,以放置和路由电路。连续测试后,将形成相关电路图(如下所示)。在图片中,你可以看到不同的颜色,如蓝色、红色、绿色和黄色,每种颜色代表一个遮罩。

常用的计算芯片,-fft芯片,完成电路布局和绕组结果

第五步是层叠掩模并堆叠芯片。一个集成电路将产生多个掩模,分别具有上层和下层,每一层都有自己的任务。以cmos掩模原理图为例。左边是电路布局和缠绕后形成的电路图。每种颜色代表一个遮罩。右边是每个面具展开的样子。在制造过程中,目标芯片从底层逐层制造。

国外企业引领集成电路设计行业

根据digitimes research发布的2018年世界十大无晶圆厂ic设计公司排名,2018年全球ic设计产值每年增长8%,优于ic密封和半导体设备产值增长3%。2018年,在全球十大集成电路设计公司中,伯通和高通分别以217.54亿美元和164.50亿美元的收入位列前二。中国华为海斯公司以75.73亿美元的收入排名第五,2018年同比增长34.2%,在十大ic公司中排名第一。

2018年十大集成电路设计公司

根据ic insights的最新数据,2018年全球十大模拟ic公司中,德州仪器、阿德里亚诺和英飞凌分别以100.8亿美元、55.5亿美元和38.1亿美元位列前三。德州仪器占全球市场的18%。全球十大模拟集成电路公司的总收入为360.59亿美元,市场份额为58%。

2018年十大模拟集成电路公司

根据高德纳数据,三星、英特尔和sk Hynix分别以758.54亿美元、658.62亿美元和364.33亿美元位列2018年全球十大半导体公司前三名。美光(306.41亿美元)、博通(165.44亿美元)、高通(153.80亿美元)、德州仪器(147.67亿美元)、西方数据(93.21亿美元)、意法半导体(92.76亿美元)和恩智浦(90.10亿美元)位列最后七名。

2018年十大半导体公司收入比较

2018年,全球半导体市场达到4767亿美元,十大半导体公司占全球半导体市场的59.2%,半导体市场高度集中。在十大半导体公司中,博通和高通是无晶圆厂设计公司,而其他八家公司是idm型公司。存储市场仍然是半导体行业中相对较大的一个部分,约占全球半导体市场的三分之一。

根据ic insights数据,无晶圆厂2018年的收入达到1139亿美元,idm的产品销售额达到3184亿美元。从2008年到2018年,无晶圆集成电路的收入从438亿美元增加到1139亿美元,年复合增长率为10%。Idm的ic销售额从1784亿美元增长到3184亿美元,复合年增长率为6%。

2008-2018年无晶圆厂与idm的产品销售比较

可以看出,随着以TSMC为代表的工厂替代模式的发展,无厂集成电路设计公司的增长率明显高于idm。未来,随着物联网、人工智能、汽车电子等各种新应用的普及,将会出现各种新的设计要求。与传统的idm相比,无工厂具有更灵活的生产周期和更短的技术迭代周期,能够推出符合市场需求的新产品,甚至更快地推动市场进步。无寓言模式预计将继续保持快速增长势头。

全球存储市场呈现寡头垄断的竞争格局。Dram和nand是内存的代表。随着消费电子产品和数字现金的兴起,全球内存市场在2017年和2018年迎来了一轮发展高峰。根据全球半导体贸易协会(wsts)的数据,2018年全球内存市场达到1580亿美元,同比增长27.4%,内存占全球半导体市场的33.70%(4688亿美元)。

全球内存市场

2019年,随着下游需求放缓,供应过剩,存储市场大幅下滑。由于存储市场约占整个半导体市场的1/3,它还将影响2019年全球半导体行业的市场表现。wsts预计2019年全球内存市场销售额将达到1356亿美元,同比下降14%。

2017年按产品划分的全球存储分布

根据dram交换数据,三星、sk Hynix和美光在全球dram市场的全球市场份额在2018年分别达到44%、29%和22%。这三家公司合计占全球市场的95%,全球dram市场基本上由三家公司主导。

2018年全球动态随机存取存储器市场份额分布

然而,全球nand存储市场的整体集中度略低于dram市场,但仍由几个主要的idm领导者控制。三星、东芝、美光、西方数据、sk Hynix和英特尔的市场份额分别为35%、19%、13%、15%、10%和7%。前六大公司的全球市场份额高达99%,使得其他参与者很难进入市场。

2018年全球nand市场份额分布

国内集成电路设计迅速崛起

中国集成电路市场保持快速发展,集成电路设计的比重不断提高。中国集成电路市场从2008年的1006亿元快速增长到2018年的6532亿元,复合年增长率为20.55%。中国集成电路设计产值从2008年的235亿元增加到2018年的2519亿元,复合年增长率为26.77%,高于集成电路产业的增长率,集成电路设计在产业中的比重从2008年的18.86%增加到2018年的38.57%。

中国集成电路市场的销售和设计比例

从中国集成电路设计公司的数量来看,近年来公司的数量迅速增加。从2010年的582家公司,迅速增长到2018年的1698家。

中国集成电路设计公司数量统计

此外,中国1亿多家集成电路公司的销售额大幅增长,2012年有97家公司销售额超过1亿英镑,2018年有200多家公司销售额超过1亿英镑。中国集成电路设计公司在数量和质量上都有了显著提高,这也是中国集成电路设计快速发展的重要因素。

中国集成电路设计公司销售额10亿美元的统计数据

根据趋势科技的数据,中国十大集成电路设计公司中国在2018年以503亿元的收入高居榜首,同比增长30%。紫光展锐和北京豪(威尔股份收购)分别以110亿元和100亿元的收入位居第二和第三。十大集成电路设计榜单还包括以光学指纹识别为核心业务的丁晖科技、以nor flash和mcu为核心的赵一创新等高品质上市公司。

2018年中国十大集成电路设计公司

2018年,内存仍是中国集成电路进口产品类别中最大的进口产品,占36%,模拟/电源产品占15%,手机主芯片和电脑cpu分别占12%和8%。目前,中国集成电路市场仍以国外进口为主,国产化率较低。dram、nand存储器、计算机、服务器cpu等的本地化率为零。我们相信,随着中国集成电路产业的发展,中国在高端集成电路领域将会有显著的进步,未来集成电路产业的进口替代将会有巨大的市场空间。

2018年中国集成电路进口产品分类

国内芯片的历史机遇

近年来,由于内外因素的双重影响,国内芯片迎来了许多机遇:

(一)集成电路产业政策支持强,融资渠道多元化,有利于企业成长

集成电路产业是国家鼓励的高技术产业和战略性新兴产业。它得到国家政策的大力支持。中央政府和各地方省市出台了各种政策支持集成电路产业。中国政府先后颁布了《全国集成电路产业发展纲要》、《集成电路产业发展第十三个五年规划》、《集成电路设计与软件产业企业所得税政策公告》等政策。为培育新的增长势头,地方政府积极抓住集成电路发展新机遇,推动区域集成电路产业跨越式发展,继续出台相关政策支持集成电路产业发展。

国家集成电路政策摘要

国家集成电路产业基金专注于集成电路产业链中的投资机会,为企业发展提供长期稳定的金融支持。截至2018年,国家集成电路产业投资基金一期已基本完成。据微网大基金一期统计,投资分布主要集中在集成电路设计、制造、密封和测试等领域。国家大基金总裁丁武文今年7月26日表示,国家大基金第二阶段的筹资工作尚未完成,仍在进行中。据多方面消息,国家大基金二期募集资金约2000亿元,主要集中在集成电路产业链布局投资上。

地方省市集成电路政策综述

SciDev.Net为集成电路等高科技企业提供新的融资渠道。2019年7月22日,中国科学技术委员会正式成立。科技板块的成立主要是为新一代信息技术、高端设备、新材料、新能源、节能环保、生物医药领域的企业提供一种新的上市方式。集成电路产业作为新一代信息技术的代表产业,是科技板应用企业的主要产业之一。截至8月15日,已申请的151家公司中,65家属于新一代信息技术产业,占43%。7月22日首次上市的25家公司中,有6家是半导体相关公司,覆盖半导体产业链的上下游,包括芯片设计、前端制造设备、密封测试设备、半导体材料等领域,共筹资83亿元。

科学委员会已经接受了企业和行业的分配

市场多渠道基金支持半导体设计初创企业的快速增长。

随着物联网、人工智能、智能驾驶等应用的兴起,全球半导体投资热情再次点燃。进口替代的迫切需求使得中国半导体市场成为投资的主战场,无工厂模式是半导体设计初创企业首选的商业模式。

全球无寓言初创企业融资统计(2009-2018)

2018年,中国七家无晶圆厂初创企业共获得5.6亿美元融资,其中中国地区融资占当年融资总额的39%,居世界第一。

2018年全球无工厂初创企业(按地区)

如果按照芯片目标应用划分2018年获得融资的25家初创企业,智能终端、边缘设备和物联网应用有9家,融资总额6.53亿美元,排名第一。共有5个云人工智能培训/数据中心应用,总融资4.5亿美元,排名第二。共有6个自动驾驶/adas应用市场,总融资额为1.89亿美元。其他类别包括risc-v相关芯片开发设计服务、新存储技术和量子计算,总融资1.341亿美元。

2018年全球无工厂初创企业(按应用)

(2)物联网、汽车电子、人工智能等新兴应用引领集成电路的新发展

集成电路产业的下游应用领域非常广泛,包括汽车电子、工业控制、消费电子、网络设备、移动通信等。广泛的应用领域支持集成电路产业的持续发展。个人电脑和智能手机的出现分别引领了半导体历史上的前两大发展。未来,随着人们进入5g时代,一切都互联互通,数据爆炸式增长,物联网、人工智能、云计算、智能汽车、智能家居、可穿戴设备等新兴产业发展迅速,产生了对芯片产品的大量需求。有望成为集成电路产业发展的新动力,为集成电路设计企业带来新的发展机遇。

Imt-2020应用场景

在ic insights对未来半导体下游应用增长率的预测中,汽车电子和物联网的增长率高于去年同期。新应用的不断出现为芯片设计者提供了难得的发展机会。

集成电路产业在中国的销售

在国内集成电路行业,芯片设计行业的发展速度高于晶圆制造和芯片封装,2009年至2018年复合年增长率达到28.17%。2018年,中国集成电路设计行业销售额达到2519亿元,同比增长38.57%。中国集成电路设计行业的比重从2009年的24.34%稳步上升至2018年的38.57%。

集成电路设计、制造和密封在中国的比重

(1)物联网作为信息通信技术的典型代表,正在世界范围内加速发展。

根据中国经济信息社会发布的《2017-2018年中国物联网发展年报》,2017年全球物联网市场将达到0.9万亿美元。智能家居等终端交互应用的迅速崛起推动了全球消费物联网产业的发展,但企业数字化转型的驱动力有望推动工业物联网实现更快的发展。据估计,2023年全球物联网市场将达到2.8万亿美元,年复合增长率为20%。

全球物联网市场规模趋势及预测

全球物联网设备基础在2017年约为200亿台,预计到2025年将达到754亿台,年复合增长率为17%。从连接形式上看,目前手机与其他消费终端之间的主要连接方式将转变为工业与机器设备之间的m2m连接。2018年,制造业将成为投资物联网解决方案最活跃的行业,预计支出1890亿美元,占总支出的24.47%。交通行业、车辆互联网、智能建筑等跨行业物联网支出将分别达到850亿美元和920亿美元。

2017年全球物联网行业应用渗透率

2017年,中国物联网产业规模达到1.15万亿元,同比增长23.66%。据估计,到2020年,总规模将超过1.83万亿元。随着物联网的快速发展,将会产生大量的数据。预计中国的数据将从2017年的7.85 zb快速增长至2020年的38.99zb。目前,物联网的热门应用领域包括工业物联网、汽车联网、智能城市、智能家居等。未来应用范围将继续扩大。

物联网在中国的市场规模

(2)汽车电气、智能和网络一体化的发展趋势越来越明显。

世界各国,以荷兰、德国、法国等为代表。,发布或提议禁止销售传统燃料车辆的时间表。2019年8月20日,工业和信息化部就《关于研究制定禁止销售燃油汽车时间表加快汽车强国建设的建议》作出回复。其中明确指出,它将支持在条件允许的情况下建立试点地区,并在取得成功的基础上,制定研究和制定撤出燃料车辆时间表的总体计划。在政策和技术进步的推动下,新能源汽车已经成为未来汽车的发展方向。

汽车智能化与互联网应用趋势

汽车电子设备由半导体器件组成,用于检测、计算和执行汽车的各种状态和功能。随着汽车电子技术的发展,汽车智能正逐步应用于提高单个车辆的运行效率。然而,随着互联网连接技术的深入,越来越多的汽车开始搭载无线通信模块,汽车与外界相互连接。网络技术和智能相辅相成,正在加速融合。

全球和中国汽车电子市场规模

据盖世汽车统计,2018年纯电动汽车的电子成本占总成本的65%,远远高于传统紧凑型车的15%和中高端车的28%。全球汽车电子市场发展迅速,中国的增长率高于世界。据盖世汽车研究,智能驾驶升级和新能源汽车普及带动,全球汽车电子市场预计到2022年将达到21,399亿元,比2017年增长近50%,而中国汽车电子市场将达到9,783亿元,比2017年增长80%以上。与世界相比,中国将在汽车电子领域实现更高的复合增长水平。

汽车电子成本在各种车型中的比例

第三,“进口替代”和“自我控制”将为国内半导体设计企业提供新的机遇。

根据全球半导体贸易统计组织(wsts)的统计,中国半导体市场呈现快速增长趋势,中国半导体市场的增长率同比高于全球半导体市场。2018年,中国半导体销售额达1578亿美元,占全球半导体销售额的33.86%。中国半导体销售额同比增长20.08%,明显高于全球13.09%的增长率。

中国半导体在世界上的销售份额持续增长

尽管中国半导体市场呈现快速增长趋势,但中国的自给率相对较低。根据国际太阳能公司的最新数据,中国半导体自给率将从2012年的11.9%上升到2018年的15.4%。然而,仍然存在供应能力不足的问题。据估计,2023年中国的自给率将达到23%。因此,中国半导体市场存在巨大的进口替代市场空间。

中国半导体自给率仍然相对较低。

*免责声明:这篇文章最初是作者写的。这篇文章的内容是作者的个人观点。重印半导体行业观察只是为了传达不同的观点。这并不意味着半导体行业观察同意或支持这一观点。如果您有任何异议,请联系半导体行业观察。

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