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中国在全球半导体产业链中的地位提高了吗?
时间: 2020-06-07 20:09 浏览次数:
1947年,晶体管在美国贝尔实验室诞生,标志着半导体时代的开启。1958年集成电路的出现加速了半导体行业的发展。经过半个世纪,半导体行业已经非常成熟,形成了从半导体材料、设备

1947年,晶体管在美国贝尔实验室诞生,标志着半导体时代的开启。1958年集成电路的出现 加速了半导体行业的发展。经过半个世纪,半导体行业已经非常成熟,形成了从半导体材料、设备到半导体设计、制造、封装测试完整的产业链。如今半导体行业垂直分工模式的出现促进了产业链分工的全球化。美国作为半导体领域无可争议领先者,依然需要依赖全球各地的资源与技术。对于国内半导体企业来说,国家高层的关注和政策倾斜一定程度上支持着国内半导体企业的追赶。

对于我国,中国半导体一直是在冒着敌人的炮火匍匐前进,如今,敌人的炮火越来越凶猛。围追堵截中,谁让我国的“芯”如此的痛?近日,又有33家中企被美列入“实体清单”,据了解,被列入美国“实体清单”之后的企业,将无法在未经美国政府批准的情况下使用含有美国技术的产品。同时,美国的企业也将禁止在未经该国商务部授权的前提下,向“实体清单”内的企业或机构出口、再出口或在美国国内转让受出口管理条例(EAR)约束的物品。

中国的目标是加快国内半导体产业的发展,减少对芯片进口的依赖。但半导体行业的全球价值链跨越了设备、材料、软件、设计、制造、装配和测试等多个领域。然而,中国(政府)的投资往往集中在提高制造能力和获取现有技术上,而不是真正的新技术开发。除了拥有晶圆厂实际制造晶片之外,晶片制造和测试所需的工具和设备,设计晶片所需的软件,以及设计能力本身,在半导体价值链中都是重要的。

下面我们将把中、美和世界上的其他国家在半导体价值链的五个不同的部分:设备(EQP),电子设计自动化软件与知识产权核心(EDA IP),设计/制程集成设备制造商(DES和IDM), 晶圆代工和外包半导体装配和测试(OSAT)进行比较。

表1显示了这三个地区的主要公司在这五个细分市场的合并收入。包括136家公司的销售数据:27台设备(中国6台,世界13台,美国8台),9台EDA和IP(1个CN, 4行,4个美国),76台design and IDM(30个CN, 23行,23个美国),12台foundry(4个CN, 7行,1个美国),12台OSAT(5个CN, 6行,1个美国)。

上市公司的销售数据可以从年度报告中获得,但有相当多的相关半导体公司没有上市(如Arm、GlobalFoundries、HiSilicon、Kioxia、Mentor Graphics、UNISOC)。其中15家公司的销售数据是基于公开信息。对于另外65家公司,由于没有销售信息,所以不包括在分析中,这意味着本文中的合并数字是实际数字的下限。我想强调的是,本文中提到的公司名单并非详尽无遗,但我相信它提供了一个具有代表性的概述全球半导体价值链(材料部分除外)。由于本文的目的是提供中国半导体行业的概述,包括了更多和更小的中国公司。在世界其他地方和美国,只涵盖了最大和最重要的公司。

五个细分市场的所有销售数据,整个半导体行业的总销售额为5718亿美元。美国公司占47%,世界其他地区的公司占45%,中国公司占7%。在这三个地区中,design IDM是销量最高的部分。在全球范围内,design IDM占总销售额的71%,其次是设备(13%)和晶圆代工(10%)。OSAT(5%)和EDA和IP(2%)产生的收入要少得多。

中国在OSAT方面的实力相对较强,主要是因为长电科技占中国该领域收入的57%。在EDA和IP,特别是设备方面,中国远远落后于美国和世界其他国家。世界其他地区最强大的是代工,龙头是台积电(占该地区代工收入的78%)和联华电子(11%)。此外,世界其它地区在OSAT方面也处于领先地位,这再次归功于日月光半导体(ASE,占OSAT亚太地区收入的73%)和力拓(PowerTech,占12%)等台湾企业。美国的主要优势是在设计、IDM、EDA和IP。

英特尔是全球收入最高的半导体公司(720亿美元),美光、高通和博通的销售额都超过200亿美元。对于EDA软件来说,这三家全球领先的公司总部都在美国:Synopsys、Cadence Design Systems和Mentor Graphics(德国西门子公司所有)。在世界其他地区,设备公司以微弱优势胜出,荷兰ASML(全球第二设备公司)和日本东京电子公司(第三)领先于美国,应用材料公司(第1),林研究公司(第4)和KLA公司(第5)。

韩国有两家最大的IDM公司,三星(销售额560亿美元)和海力士(销售额230亿美元)。除了上述的代工和OSAT公司,台湾也有联发科、诺瓦泰克和Realtek等设计公司。日本的优势在于与东京电子(Tokyo electronics)、Dainippon Screen和Advantest,以及Kioxia、索尼半导体解决方案(Sony semiconductor Solutions)和瑞萨(Renesas)合作的IDM设备。中国最大的半导体公司包括清华紫光Unis和HiSilicon、中芯国际(SMIC)以及封装测试提供商长电科技(JCET)。荷兰半导体收入的一半以上来自光刻设备供应商ASML,但ASM International(设备,14亿美元)、NXP (IDM, 89亿美元)和Nexperia (IDM, 14亿美元)也有份额。

制作芯片需要许多不同类型的工具和设备。集成电路制造过程中的重要步骤包括光刻、离子注入、沉积(如CVD、PVD)、蚀刻、清洗和测试。主要设备供应商来自美国、日本和荷兰,但中国也在努力发展国内半导体设备行业。

光刻设备市场由荷兰ASML主导,市场占有率达85%,唯一的竞争对手是来自日本的佳能和尼康。中国唯一的光刻设备制造商是上海微电子设备有限公司(SMEE),其目前最先进的工具为90nm芯片。ASML在2004年已经出售了他们的第一个可以生产90nm复杂芯片的光刻系统,这是在16年前!

在沉积设备领域,竞争对手较多。一些大公司活跃在PVD和CVD领域,如应用材料(US)、东京电子(JP)和Lam Research (JP),但也有一些较小的公司,如爱思强(DE)、ASM国际(NL)、Evatec (CH)和Ulvac (JP)。NAURA是由成立于2001年的七星电子(Sevenstar Electronics)和北京北方微电子(Beijing North Microelectronics)于2017年合并而成,是中国最大的半导体设备公司,在该领域非常活跃。

另一家比较成熟的中国设备公司是中微半导体设备有限公司(AMEC)。这家总部位于上海的公司成立于2004年,主要生产蚀刻设备和MOCVD工具,并于2019年成为首批在上海证券交易所新科技创新板(STAR Market)上市的公司。高通在2007年参与了AMEC的B轮融资,目前仍是其股东之一。AMEC的蚀刻设备由台积电验证其7nm制程。

其他在清洁、包装和测试设备领域活跃的公司包括Advantest (JP)、ASM Pacific Technology (SG)、Dainippon Screen (JP)和Teradyne (US)。值得一提的中国半导体设备公司有杭州长川科技有限公司(Hangzhou Changchuan Technology)、Kingsemi和PNC Process Systems,但其收入远低于1.5亿美元。

电子设计自动化软件和IP核是中国仍然远远落后的另一个领域。中国EDA市场的绝大部分是由三大全球领先的Synopsys、Cadence和Mentor占据。不过,也有一些中国公司活跃在EDA领域,比如Cellix、Empyrean、ProPlus、Semitronix和Xpeedic。Empyrean似乎是中国国内市场的领头羊,但我找不到任何一家公司的财务信息。据报道,Cellix正准备在STAR市场上市,而ProPlus在2020年4月完成了一轮投资,英特尔也表示参与了投资。

知识产权核心是许可方的知识产权,它是用作芯片设计的基石。集成电路设计公司使用第三方知识产权和他们自己的知识产权来设计芯片。领军企业是总部位于英国、但由日本软银(Softbank)拥有的Arm。基本上,所有智能手机和大多数物联网设备都使用Arm的处理器架构。2016年9月,软银完成了对Arm的收购,仅在1.5年后的2018年4月,Arm中国(又称Arm mini China)成立。一个由中国投资者组成的财团持有Arm中国51%的股权,而Arm持有49%的股权。Arm中国在中国销售和许可Arm(英国)技术,但也逐渐转向开发自己的(中国)知识产权。例如,Arm中国开发了一种设计,允许中国制造的芯片运行中国国家密码管理局(State Cryptography Administration)构建的加密算法。

Imagination Technologies总部位于英国,但在2017年11月被总部位于开曼的中国私募股权基金Canyon Bridge收购。2020年4月,Imagination宣布计划任命中国国新控股有限责任公司为新董事,它是Canyon Bridge的主要投资者。在英国政府表示担忧后,该提议被撤回。Imagination主要开发图形处理器单元的IP。在2016年之前,苹果一直是Imagination的最大客户。今年早些时候,他们签署了一项新的多年授权协议,根据协议,苹果将获得Imagination更广泛的知识产权。

Canyon Bridge可以说是来自中国的“白衣骑士”。在2017年,苹果手机主要的硬件供货商之一,英国著名手机GPU开发商Imagination在半年前惨遭苹果抛弃,公司股价一夜之间下跌超7成。在此存亡之际、危难之秋,中国的私人资本Canyon Bridge出手5.5亿英镑(约49亿元人民币)收购了Imagination。根据周五最新的股价计算,此次收购的溢价约为42%。

上面提到的Synopsys和Cadence在IP核许可领域也很活跃,美国的Rambus也是如此,主要是许可内存技术。在中国,VeriSilicon是该领域比较领先(但亏损)的公司。该公司成立于2001年,投资者包括英特尔、三星、大型基金小米和华顿国际(Walden International)。VeriSilicon已宣布有意在上海上市。

除了Arm架构之外,只有少数其他处理器架构。和Arm一样,MIPS和RISC-V也被称为精简指令集架构,而x86是一种复杂指令集计算机(CISC)架构。总的来说,CISC更适合于高性能的处理器(复杂度和速度;例如,服务器)和RISC能源效率(例如,智能手机)。

MIPS技术公司在20世纪80年代开发了MIPS架构,并将其授权给芯片设计师。2013年,Imagination Technologies收购了MIPS Technologies,并在2017年Canyon Bridge收购Imagination之前将其卖给了总部位于美国的Wave Computing公司。Wave Computing在2020年4月申请破产,但有报道称,MIPS将继续独立经营。MIPS不像Arm那么成功,但在中国,它被龙芯(龙芯前身是中国首个国产CPU的创造者)和北京君正集成电路股份有限公司 Ingenic(设计CPU、物联网和可穿戴芯片)使用。

RISC-V是一个开源项目,于2010年在美国加州大学伯克利分校启动,旨在提供免费的指令集架构。RISC-V开始于学术界,在2015年成立了RISC-V基金会,通过开放合作创建一个标准化和改进的社区。在2020年3月,RISC-V国际协会(RVI)在瑞士成立,这是对地缘政治形势的反思,也是为了平息“对开放合作模式的政治干扰的担忧”。RVI在其网站上明确提到,“在美国没有任何针对RISC-V的出口限制,我们遵守了美国的所有法律。”

此举并没有规避任何现有的限制,而是缓解了未来的不确定性。RVI从未接受过任何政府的资助,目前拥有500多名成员,包括阿里巴巴、华为、中国科学院计算技术研究所和VeriSilicon。美国成员包括西部数字,英伟达和Rambus。RISC-V相对较新,所以对Arm来说还没有大的竞争,但是社区正在快速发展,并且在当前的地缘政治气候下,开源,从定义上来说不受出口控制,可能是中国芯片设计公司的前进方向。

我们将无晶圆厂设计公司和集成设备制造商合并在一个部分,因为他们都具有设计芯片的能力。无晶圆厂设计公司依赖于晶圆代工厂来生产他们设计的芯片,而IDM公司自己生产芯片。Design IDM是跨地区半导体价值链中最大的一部分(占中国半导体销售总额的72%,占世界其他地区的61%,占美国半导体销售总额的81%);这份分析报告还列出了每个地区的公司数量。世界上最大的半导体公司都活跃在这一领域。IDM包括英特尔、三星、SK海力士和美光,以及无晶圆厂设计公司高通和博通。它们的销售额都超过200亿美元;只有代工台积电(TSMC)属于同一类别,销售额为346亿美元。在设计与IDM领域,美国以54%的销售额遥遥领先,紧随其后的是世界其他地区的39%和中国的7%。

中国最大的芯片设计公司是紫光 (Unis)和HiSilicon(完全归华为所有)。海思半导体HiSilicon开发基于芯片的系统;基于Arm架构的多组件,如CPU、GPU和内存的SOC)。HiSilicon设计麒麟智能手机芯片、服务器芯片(鲲鹏)和智能手机调制解调器(巴龙)。最新款麒麟810在人工智能基准测试中表现优于竞争对手高通的骁龙(Snapdragon) 855 SoC。众所周知,高通是全球智能手机芯片市场的领导者,在中国市场长期保持着同样的地位。直到2020年第一季度,海思半导体首次成为中国智能手机SoC出货量第一名。但COVID-19的影响很大,与2019年第一季度相比,智能手机SoC出货量下降了44%以上。

Unis是清华紫光生态系统的一部分。Unigroup旗下子公司包括无晶圆公司深圳市紫光同创电子有限公司(Pango Microsystems)、同信微电子(Tongxin Microelectronics)、紫光存储(Unic Memory)、紫光国芯微电子(Unigroup Guoxin)、UNISOC(前称展讯(Spreadtrum))和紫光股份Unis;代工厂西安紫光国芯半导体有限公司、武汉新芯集成电路制造公司(XMC)和长江存储(YMTC);还有封测代工(OSAT)紫光宏茂(Unimos)。紫光和国芯是上市公司。UNISOC主要设计入门级智能手机和功能手机芯片,这些芯片在印度和非洲非常流行。

另一家在半导体行业非常活跃的中国国有企业是中国电子股份有限公司(CEC)。CEC旗下公司包括无晶圆厂上海安路信息科技有限公司 Anlogic、中电华大科技CE Huada Tech、华大半导体有限公司、南京微盟(microne)、广州飞腾信息技术(Phytium Technology)、上海贝岭股份有限公司、Solantro(一家加拿大公司,于2018年被收购,现在称为华大半导体北美研发中心)和晶门科技(Solomon Systech);晶圆代工厂有积塔半导体(GTA Semiconductor);封测公司有Chipadavanced。其中上市公司有中电华大科技、上海贝岭和晶门科技。

中国消费电子公司(和智能手机供应商)小米一直活跃于其子公司松果电子(Pinecone)的芯片设计中,该公司于2014年成立。松果电子(Pinecone)于2017年初发布了澎湃(Surge)S1芯片,但使用S1的小米5C智能手机由于高功耗和热输出而失败。2019年4月,小米宣布将分拆并组建新公司南京大鱼半导体(Big Fish Semiconductors),小米持有其25%的股份,专注于AI和IoT芯片的开发。松果电子Pinecone(小米持股51%,中国大唐电信持股49%)将继续开发智能手机芯片。小米还投资了IP提供商芯原微电子(VeriSilicon),是其仅次于大基金的第二大股东。

上面提到的中国设计公司主要使用Arm架构,但还有一些中国公司使用x86架构。因为x86是CISC架构,是服务器市场上的主要架构。但是最近,基于Arm和RISC-V的处理器似乎获得了更大的吸引力。英特尔(Intel)是x86处理器市场的领导者,但是同样来自美国的超微半导体(AMD)在过去几年中一直凭借其锐龙(Ryzen)芯片架构获得了市场份额。除此之外,只有中国台湾的威盛科技(VIA Technologies)拥有x86 CPU许可,但威盛科技一直未能成功地让产品接近英特尔(Intel)和超微半导体(AMD)的市场份额。

有趣的是,5月8日中国发布了首个搭载最新的国产x86处理器的电脑,使用来自上海兆芯的KX-6000处理器。兆芯是威盛科技与上海市政府于2013年成立的合资企业。这些KX6000处理器是基于威盛科技美国子公司Centaur Technology开发的架构,其性能仍远远落后于英特尔(Intel)和超微半导体(AMD)目前的产品,但绝对适合政府部门使用。这是中国减少对外国技术依赖计划中的重要一步,兆芯已制定长期的计划,以缩小与英特尔(Intel)和超微半导体(AMD)的差距。

超微半导体(AMD)还在中国成立了一家合资企业,合作伙伴包括高性能计算制造商中科曙光(Sugon)和中国科学院。天津海光先进技术投资有限公司(THATIC或Higon)成立于2016年,实际由两家合资公司组成,其中AMD持有成都海光微电子(HMC)51%的股份和成都海光集成电路(Hygon)30%的股份。AMD将IP出口到子公司HMC,Hygon将对设计进行定制,然后将其发送到美国的格芯(Global Foundries)进行制造。这使得中国方面可以称处理器芯片为“中国的”,而AMD则遵守所有相关的出口管制法规。直到2019年6月,因为Sugon已经承认其高性能计算机的军事终端使用和终端用户,美国政府将AMD的合资企业加入了实体清单。其推论是,美国企业在向这些实体出口产品和技术之前需要申请许可证,而美国政府遵循的是“推定拒绝(Presumption of Denial)”政策。

英特尔于2016年与清华大学和澜起科技(Montage Technology)建立了合作关系。基于Intel x86 Xeon架构和清华大学开发的技术,澜起科技设计了津逮CPU(Jintide)。澜起科技自2019年7月在上海科创板(STAR)上市,英特尔(Intel)持有9%的股份。

2016年,高通与贵州省政府成立了合资公司,这是中美在半导体行业的一次合作,但持续时间并不长。华芯通半导体(HXT)专注于基于Arm架构的服务器芯片设计,贵州省持股55%,高通持股45%。2018年11月,HXT宣布昇龙(StarDragon)4800已经开始量产,该处理器类似于高通(Qualcomm)的Centrq 2400系列,采用改进的加密模块,以满足中国商业密码算法标准。据报道,2019年4月合资企业将关闭。

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