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手机芯片国产化现状与趋势分析

【摘要】为更好地保障通信信息安全,使我国在芯片领域摆脱依赖进口的现状,首先分析了智能手机主要采用的芯片与芯片供应商格局的基本情况,然后从芯片设计与芯片制造两方面剖析了手机芯片国产化的发展进程,指出了目前存在的问题并对未来发展趋势作出判断。

1 引言

芯片是半导体元件产品的统称,是集成电路的载体,由晶圆分割而成。1960年,美国仙童公司制造出第一块可实际使用的单片集成电路[1]。我们现在所说的芯片,则是超大规模集成电路发展的杰出代表。据Gartner预测,2017年全球半导体行业总营收将突破4000亿美元大关[2]。按收入统计,IC Insights所公布的2016年全球半导体排名TOP20中[3],美国占据8家,日本、欧洲、中国台湾地区各有3家,韩国拥有2家,新加坡1家,中国大陆暂未有企业上榜。其中纯芯片代工企业3家,芯片设计公司5家,其余公司则同时具备芯片设计和制造的能力。这一榜单基本反映了芯片行业主导竞争的全球格局分布。10 nm及其后续7 nm、5 nm、3 nm制造工艺、4G+/5G通信技术、高性能低功耗移动芯片平台、大容量存储芯片、物联网、车联网等是芯片行业聚焦的热点,知识产权(IP, Intellectual Property)、先进制造/封装技术、关键设备/原料、高级技术人才是主要的竞争壁垒。

据有关部门统计,2016年中国集成电路进口额高达2271亿美元[4],对外依存度仍处于高位。近些年,在国家政策的引导下,国内集成电路产业发展稳步提升,本文梳理了在此轮国内集成电路大发展中智能手机芯片产业链国产化情况,分析现状及存在问题,并对未来的发展趋势作出判断。

2 国家政策扶持

芯片在智能手机行业中拥有重要地位,是制造业的尖端领域之一,也是先进技术的代表行业之一。鉴于芯片行业的重要性以及我国在该领域的落后现实,工业和信息化部于2014年颁布《国家集成电路产业推进纲要》[5](以下简称“纲要”),纲要根据全球的发展趋势以及我国的产业现状,提出了集成电路行业发展的主要任务和发展重点,即着力发展集成电路设计业,加速发展集成电路制造业,提升先进封装测试业发展水平,推动集成电路关键装备和材料相关技术的突破。

纲要中制定了我国芯片产业中长期发展目标,到2020年,集成电路产业与国际先进水平的差距逐步缩小,全行业销售收入年均增速超过20%,企业可持续发展能力大幅增强。移动智能终端、网络通信、云计算、物联网、大数据等重点领域集成电路设计技术达到国际领先水平,产业生态体系初步形成。16/14 nm制造工艺实现规模量产,封装测试技术达到国际领先水平,关键装备和材料进入国际采购体系,基本建成技术先进、安全可靠的集成电路产业体系。到2030年,集成电路产业链主要环节达到国际先进水平,一批企业进入国际第一梯队,实现跨越发展。

为配合集成电路产业发展,从中央到地方成立了多只产业基金,国家集成电路产业投资基金,以及北京、湖北、合肥、深圳、贵州、湖南、上海、厦门、四川、辽宁、广东、陕西、南京、无锡、昆山[6]等地方基金目标规模已超过3000亿元,各地也纷纷出台相应政策以促进相关项目在当地的落实推进。

3 手机主要芯片及主流供应商

智能手机属于较为复杂的电子设备,它集成了种类繁多的器件。现阶段智能手机主要采用的芯片如图1所示:

图1 智能手机硬件框图

从图1可以看出,现阶段一部智能手机中,主要使用的芯片包括主芯片(应用处理器,AP)、基带芯片、射频芯片、存储芯片、摄像头芯片、显示/触控芯片、指纹识别芯片、电源管理芯片、连接芯片(Wi-Fi、蓝牙等)等。另外,部分智能手机也会搭载专用的音频芯片、用于图像处理的DSP芯片、虹膜识别芯片、感光芯片、协处理芯片等。手机主要芯片及供应商汇总如表1所示:

表1 手机主要芯片及供应商

从技术、专利、市场表现等方面来比较可知,国外芯片供应商在主要手机芯片领域,例如SoC、存储、摄像头等,处于领导或领先位置,可喜的是国内芯片企业已在不少领域实现了零的突破,正奋起直追业界先进。

图2 手机芯片产业链地区分布示意图

从图2的全球手机芯片产业链分布来看,主流供应商主要集中在美国、日本、韩国及中国台湾,但中国内地已在大部分环节和领域展开了布局。

4 手机芯片国产化进展

半导体芯片行业中常见有两种商业模式[7]及三类企业。第一种商业模式是IDM(Integrated Design and Manufacture,集成器件制造),拥有从设计到制造、封装测试以及市场销售等全部职能,代表厂商有英特尔。第二种商业模式是垂直分工模式,主要由两类企业(设计公司与代工商)分工协作。其中芯片设计公司只做设计,没有工厂(即Fabless),代表厂商有高通、联发科、英伟达等。代工厂(Foundry)则主要进行晶圆代工制造服务,代表厂商有台积电、格罗方德、中芯国际等。另外还有一类企业聚焦于IP设计领域,为Fabless厂商提供各类IP,代表厂商有ARM、Imagination等。

在经济全球化的大浪潮下,国产化概念在某种程度上被弱化,但芯片的国产化对于国民经济及国家安全等仍然具有重要的战略意义,本文在对手机芯片国产化情况进行梳理之前,对“国产化”进行了定义:即拥有自主知识产权,掌握核心技术,国内公司全资拥有或具有控股权,掌握企业实际运营。接下来将从芯片设计和芯片制造两方面来梳理分析手机芯片的国产化情况,其中芯片制造部分包含封装测试。

4.1 芯片设计

芯片设计作为半导体行业中极为重要的一环,研发成本和技术壁垒相对稍低,是相对容易突破的环节,在手机芯片产业链中亦是如此。表2是手机芯片领域中有代表性的国产厂商及其在行业中的地位,在一定程度上反应了芯片国产化的水平。

表2 有代表性的国产手机芯片厂商及其业界地位

功耗、成本等原因促使手机芯片集成化程度提高,SoC中包含的模块愈加丰富,技术门槛提升。另外,为达到更好的平台性能,一般SoC厂商会同时提供射频芯片(Transceiver)、电源管理芯片PMIC等,提高业务收入的同时也加深与下游手机厂商的联系。客观上有利于领导厂商保持竞争优势,同时,展讯这样的国产中低端SoC厂商在由中低端向中高端技术突破、以及开拓更多客户时遭遇更大的挑战。

由于存储芯片的特殊性,其设计和制造一般由同一家厂商完成,技术和资金门槛更高,且业内早已形成寡头垄断的格局,想要取得突破的难度较大。国产厂商在手机的其他功能芯片领域已具有一定规模市场,但在存储芯片领域仍处于技术研发和建厂阶段。现阶段国内已有的存储芯片项目如表3所示:

表3 国内主要存储芯片项目及其进展

综合来看整体看来,除了SoC(以及相关射频、电源管理芯片)领域的海思(海思麒麟970在业界率先将神经网络处理器NPU引入SoC)、指纹识别领域的汇顶(旭日大数据显示,汇顶出货量104.2kk,已接近业界领导厂商FPC的123KK),国内公司已接近业界先进水平,其它手机芯片设计领域国产厂商尚处于中低端、小众或起步阶段,整体实力相对薄弱,追赶国际先进水平任重道远。

4.2 芯片制造

相比于芯片设计领域,芯片制造的国产化进程门槛更高。中芯国际是国内芯片制造厂商的突出代表,2016年中芯国际收入29亿美元[12],再创历史新高,在IC Insights“2017年McClean报告中位列晶圆代工市场第四位。其芯片造业务涵盖逻辑芯片(SoC)、图像传感芯片、NOR Flash、电源管理芯片等,提供0.35 μm到28 nm的多种制程服务。展讯、海思、高通、格科微等都是中芯国际的客户。

在地方政府的扶持下,中芯国际在上海、北京、武汉、天津、深圳等地拥有多座晶圆代工厂,但在先进制程方面与业界先进水平差距仍较大,落后2~3个世代,以至于海思为保证产品竞争力,将主力手机芯片交给了台积电代工。

中芯国际在先进制程与特色制程两个领域齐头并进,与高通、华为合作研发“14 nm”工艺,在物联网领域提供工艺、制造和芯片设计的一站式服务。

在芯片生产领域的另一重要环节是封测测试。长电科技通过收购星科金朋,来突破一直难以进入国际一流客户供应链的瓶颈,顺利跻身全球封测领域三甲位置[13]。在最新的股权调整后,中芯国际成为长电科技最大的股东,由此,国内芯片制造和封测的两个龙头企业实现了强强联合。今年上半年,长电科技先进技术Fan out和SiP封装业务拓展顺利,高端封装市场占比得到持续提高。

通富微电、华天科技是封测领域的另外两家代表企业,分别收购了AMD两家子公司和美国FCI,均跻身全球Top10榜单[13]。国内企业在封测领域已经初步形成了群体布局,同时将在先进技术和新兴领域继续追赶业界先进。

5 问题分析及未来展望

5.1 存在的问题

手机芯片国产化现阶段存在的问题主要体现在以下5个方面:

(1)仅在部分领域单兵突破,整体上与先进水平差距较大

国内手机芯片相关的从业公司中,从行业影响力来看,仅少数公司在部分领域取得了突破,例如海思的麒麟芯片、汇顶的指纹识别芯片等,多数公司仍扮演着各自领域的中低端产品或服务供应者的角色,整体上与业界先进水平差距较大,这些公司在技术和资金密集的半导体行业激烈的市场竞争中谋求发展的难度也较大。

(2)产业链整体实力尚薄弱,上游关键设备和原料仍依赖进口

如果说在芯片设计和制造领域国内公司尚有布局,那么在上游关键设备以及硅晶圆等原材料市场,国内则基本处于空白。关键设备和原料市场主要被ASML、美国应材、日本信越等几家寡头所垄断。不过,国内首座12吋硅晶圆厂新胜半导体即将量产[143],有望逐步改善目前12吋硅晶圆99%依赖进口的局面,是建立自主供应链的重要一步。

(3)核心技术(专利)、人才缺乏

由于起步较晚,核心技术(专利)和人才缺乏是制约国内包括手机芯片行业在内的半导体产业发展最大的桎梏。CPU、GPU、通信等方面核心IP被国际领导厂商牢牢掌握,国内多数公司主要通过取得国际厂商授权来进行相应产品开发。部分设计公司和Foundry在业务开展之初主要依赖从日、韩、中国台湾等地挖来技术人才以开展相关业务,面临一定的专利诉讼风险,同时上述地区的领导厂商也因此对人才外流、技术保密等做了更多的防范和部署。


国内各类芯片人才储备严重不足,支撑产业高速发展的人才缺口较大。若按照2020年达到一万亿产值来计算,需要的人员规模是70万人,但目前人才储备不到30万,缺口较大[154]。高等教育在集成电路方面比较薄弱,专业化、体系化、产学结合、创新人才引进等方面仍有很多工作待开展。

(4)低层次、高频度竞争不利于可持续发展

国内多数手机芯片厂商起步较晚,业务起始于国际厂商逐步放弃的中低端市场,这决定了他们在市场竞争中须采取薄利多销的策略,价格战成为最常用的手段。例如,展讯为了与联发科争夺市场,高调发起价格战导致2016年毛利率急速下降[165]。低端产品、低价、低毛利,这样的商业模式不利于在资金和技术密集的芯片行业的可持续发展。产品上市可能会面临市场供应过剩,伴随着高额的资金投入,则可能导致利润缩小甚至亏损。

(5)国际巨头拓宽了在中国本土的布局

ARM、台积电、高通、英特尔、三星、海力士、格罗方德等纷纷加大了在国内的投资,拓宽了布局,以最大限度分享内地的集成电路政策红利。表4是国际公司在国内的投资项目的情况:

国际巨头加大在内地布局是一把双刃剑,一方面给当地带来税收和GDP,同时带来就业和产业链配套,对人才培养也是利好。另一方面,国际巨头在内地布局多采用独资或合资方式,掌控了核心技术和公司运营,在一定程度上增强了其全球运营的实力,不利于本土民族芯片企业的成长。

表4 手机芯片行业部分国际公司在内地的布局情况

5.2 未来展望

《国家集成电路产业推进纲要》已经在产业政策方面指明芯片行业的发展方向和目标,国内厂商需在政府统筹下,稳步推进。除满足消费和工业需求外,还要兼顾在通信、信息安全等领域的发展,降低对国际半导体企业的依赖。

人才培养方面,教育部在2016年联合其它部门发布了《教育部等七部门关于加强集成电路人才培养的意见》,为解决芯片人才缺口奠定了教育培养制度基础。


在国家统一战略部署下,统筹协调各地的资源投入,集中扶植一批业内龙头企业,积极参与全球芯片产业分工,配套建设从原料、设备到设计、制造、封测等完整产业链,在掌握核心技术的基础上取得部分领域的市场优势地位,力争在智能手机领域率先实现国产芯片的高度自给。

6 结束语


在国家大力推进集成电路产业发展的大背景下,本文以智能手机芯片作为切入点,梳理了手机芯片国产化进展的情况。从手机主要采用的芯片入手,总结了各类芯片主要供应商的全球分布,然后从芯片设计和芯片制造两个维度,探讨了芯片的国产化进程,包括对主要的参与厂商及其在产业链中地位进行了归纳汇总,最后总结了手机芯片国产化过程中存在的主要问题,并对未来发展进行了展望。

受限于研究资源,本文主要从宏观和定性的角度进行研究和分析,后续可以进一步从关键技术/知识产权、市场表现、资源投入等角度进行细致、定量的研究,在搭建模型的基础上,可以尝试研究发布例如“手机芯片国产化指数”等定量化成果。

 

参考文献:

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