2018年4月,美國商務部以違反對針對伊朗及北韓的貿易禁運為由,對中國通訊裝置大廠中興通訊實施制裁,要求美國相關公司在7年內不得向中興通訊提供零部件,其中就包括最關鍵的微型晶片等產品。
2019年5月,美國商務部表示已將華為和其70家子公司新增到實體名單中,此舉禁止電信巨頭華為等在未經美國政府批准的情況下從美國公司購買零部件。
從中興事件到華為等被列入實體清單,雖然表面上是一起制裁行動,本質上卻體現出國內晶片自主能力的不足。
據海關的資料顯示,2018年中國進口晶片超過達到了3,120.58億美元,同比增長19.8%,創下了歷史新高。晶片已經超過原油,成為中國進口的第一大品類。而出口晶片僅為846.36億美元,進口額是出口額的3.7倍。並且從近五年的資料來看,中國晶片貿易逆差越來越大。中國晶片自給率嚴重不足,2018年中國晶片自給率僅15%左右。
從核心晶片自給率來看,處理器、GPU、儲存器等核心晶片的自給率嚴重不足,但國內企業在手機晶片、人工智慧、封裝等自給率較高。手機晶片方面以華為麒麟晶片為代表,效能達到世界領先水平。
封裝測試環節技術較低,中國作為勞動密集型大國有著先天優勢,國內封測領域有三大龍頭,分別是長電科技、華天科技和通富微電,三家均進入了全球封測行業的前十。
在人工智慧晶片方面,國內傳統網際網路巨頭和人工智慧創企積極佈局,阿里巴巴的含光800、寒武紀NPU、地平線的自動駕駛晶片為代表的人工智慧晶片取得了不俗的成績。
總體來看,國內晶片市場規模大,自給能力不足;中低端產品發展迅速,細分領域實現突破,核心受制於人。所以,在國家政策和資金的支援下,中國應加大攻克核心技術,大力發展中國產晶片,加速晶片的中國產替代,打造中國芯。
本文將對晶片做一個相對全面的介紹,包括晶片產業鏈、數字晶片、AI晶片、模擬晶片,以及世界晶片的主要格局及參與玩家,並試圖挖掘出中國產晶片的機會。
Part.1
晶片簡介及產業鏈一、晶片簡介晶片在生活中無處不在,智慧手機、電腦、家用電器、汽車甚至軍工領域都不缺晶片的身影。晶片體積雖小,卻為各行各業實現資訊化、智慧化奠定了基礎。
晶片的歷史可以追溯到電晶體的誕生,1947年美國貝爾實驗室製造出全球第一個電晶體。電晶體的出現使各種器件和線路整合在一塊介質基片上成為可能,積體電路的構想也由此誕生。
1958年,在德州儀器(Texas Instruments,TI)就職的傑克·基爾比以鍺(Ge)襯底,將幾個電晶體、電阻、電容連線在一起,成功研製出世界上第一塊積體電路,其發現積體電路的工效相比離散的部件有著巨大優勢。在傑克·基爾發明基於鍺的積體電路後的幾個月,羅伯特·諾伊斯相繼發明了基於矽(Si)的積體電路,當今半導體大多數應用的就是基於矽的積體電路。
把一個電路中所需的電晶體、電阻、電容和電感等元件及佈線互連一起,製作在一小塊或幾小塊半導體晶片或介質基片上,然後封裝在一個管殼內,成為具有所需電路功能的微型結構,這便是積體電路(IC),又被稱為晶片。晶片中所有元件在結構上已組成一個整體,使電子元件向著微小型化、低功耗、智慧化和高可靠性方面邁進了一大步。
二、晶片在電子裝置中的重要性下面以iPhone 11 Pro Max為例,來看晶片在電子裝置中的重要性。
拆開後殼
拆出主機板
拆開主機板
iPhone 11 Pro Max主機板構造
紅色:蘋果APL1W85 A13 Bionic SoC,整合SK海力士4GB記憶體
橙色:蘋果APL1092電源管理晶片
黃色:凌雲邏輯Cirrus Logic 338S00509音訊解碼器
綠色:Decawave 封裝晶片(U1超寬頻晶片)
藍色:安華高(Avago)8100中/高頻PAMiD射頻收發器
紫色:思佳訊(Skyworks)78221-17低頻 PAMiD射頻收發器
粉色:意法半導體(STMicrolectronics)STB601A0N電源管理晶片
iPhone 11 Pro Max主機板背部構造
紅色:東芝 TSB 4226VE9461CMNA1 1927 快閃記憶體
iPhone 11 Pro Max射頻電路板
紅色:蘋果(Apple)、環隆(USI)339S00648 WiFi/藍芽晶片
橙色:IntelX927YD2Q 調變解調器 基帶晶片
黃色:Intel 5765P10 A15 08B13 H1925 收發器
綠色:思佳訊Skyworks78223-17 功率放大器
藍色:威訊81013 -Qorvo 封包追蹤模組
紫色:Skyworks13797-19 5648169 1927 MX
粉色:Intel 6840P10 409 H1924基帶 電源管理晶片
充電模組
紅色:意法半導體(STMicroelectronics)無線充電晶片
橙色:蘋果338S00411音訊放大器
黃色:德州儀器(TI)SN261140電池充電晶片
綜上,可以看出晶片對電子裝置的重要性。一部智慧手機中存在著大量的晶片,提供各種功能。具體來看,A13 Bionic SoC整合的的CPU、GPU、神經網路引擎、外掛的基帶晶片等為微處理器;4G執行記憶體RAM即DRAM,快閃記憶體即NAND flash,均為儲存晶片;射頻晶片(收發器、功率放大器)、音視訊多媒體晶片、電源管理晶片等為模擬晶片。
同樣,晶片在其他電子及裝置中都在發揮著重要的作用,非智慧裝置如遙控器、空調、LED燈泡等都存在著晶片的身影。隨著5G、AIoT等的飛速發展,智慧化、互聯化、雲化等越來越需要晶片去發揮作用,特別是人工智慧晶片成為了傳統晶片廠商、網際網路/科技巨頭和AI創企的競爭高地。
三.晶片的分類晶片有多種分類方式,根據處理的訊號的不同,晶片可分為數字晶片和模擬晶片。
數字訊號:資訊引數在時間和幅度上都是離散的訊號,是模擬訊號經取樣量化後得到的離散訊號,以二進位制(0/1)表示。其特點是:在時間和幅度上離散變化,易儲存、不衰減、更適合被高速處理。
模擬訊號:資訊引數在給定時間範圍內表現為連續的訊號,例如溫度、壓力、聲音和影象等。其特點是:幅度隨時間連續變化,能真實、逼真的反映我們所處的物理世界,但是易衰減、不易儲存。
處理數字訊號的為數字晶片,處理模擬訊號的為模擬晶片。以智慧手機為例,外界的模擬訊號如拍照獲得的影象、識別所需的指紋或面容等模擬訊號通過模擬晶片進行處理,然後通過模轉數模組將模擬訊號轉化為數字訊號,再由數字晶片進行處理;處理後的數字訊號根據需要也會通過數轉模晶片轉化為模擬訊號進行對外傳輸。
四.晶片產業鏈1.上游——國際巨頭壟斷高階通用晶片,國內企業奮力追趕
晶片設計是晶片產業鏈的頂端,包括架構選擇、邏輯設計、電路設計、封裝設計等一系列的步驟。
根據DIGITIMES Research的資料,2018年全球IC設計廠商收入排名前十位中只有華為海思一家大陸企業上榜。雖然以華為海思為代表的移動處理器晶片設計廠商已進入全球前列,但國內晶片設計總體水平相比於國際晶片巨頭還存在著巨大差距,CPU、GPU、FPGA等高階通用晶片仍被國際巨頭壟斷。
近年來中國設計產業發展迅猛,行業增速遠超國際平均水平,華為海思已經達到7nm先進製程,在5G晶片技術上也走在世界前列;紫光展銳、大唐的5G部署在積極進行;匯頂科技的指紋識別晶片應用於國內大部分智慧手機;寒武紀、地平線的AI佈局在國際嶄露頭角。
(1) 晶片設計的商業模式
按照晶片設計的商業模式,可分為IP設計和晶片設計。
IP設計,即設計晶片IP核(IPcore)。IP核是晶片常用設計模組,現在晶片的設計,不再是完全從0開始,都是基於某些成熟的IP核,並在此基礎之上進行晶片功能的新增。
以ARM公司為例,自身不生產晶片,而通過處理器授權、處理器優化包授權與架構授權三種授權方式作為商業模式。晶片設計公司獲取ARM公司的授權,得到ARM晶片的IP核,在此基礎上進行進一步的晶片開發。
晶片設計,即通過自主架構或已授權架構,根據細分市場的需求進行有針對性的開發。
(2)晶片架構
在設計環節,最重要就是選擇指令集架構。
指令集架構不僅僅是一組指令的集合,它還要定義與軟體相結合的硬體資訊,用硬體電路實現指令集所規定的操作運算,處理器架構設計是目前晶片產業的最高層級和最重要的層級。
指令集架構可以理解為一個抽象層,構成處理器底層硬體與運行於其上的軟體之間的橋樑與介面,也是現在計算機處理器中最重要的一個抽象層。
目前,世界主流的架構有ARM公司主導的ARM架構,和Intel主導的x86架構。整體來看,ARM和x86架構幾乎瓜分了整個架構市場。而以靈活、精簡、開源等特性的RISC-V架構同樣受到越來越多的關注,在物聯網、AI等晶片領域有巨大的潛力,也成為中國芯的新機遇。
① CISC與Intel x86
現在常用的PC端或伺服器,使用的主要是英特爾和AMD公司的CPU。這類CPU使用的指令集,屬於CISC(Complex Instruction Set Computer)即複雜指令集計算機。一款CPU支援的指令集,可以有很多種,早期的CPU都是基於CISC。
1978年6月8日,Intel生產出了世界上第一款16位的微處理器並命名為“i8086”, x86架構誕生,它定義了晶片的基本使用規則。隨後幾十年,x86架構不斷改進,x86指令集被當做一種規範沿用至今,英特爾因此成為行業龍頭。
2003年,AMD推出了業界首款64位處理器Athlon 64,也帶來了x86-64,即x86指令集的64位擴充套件超集,Intel與AMD的鬥爭從此拉開。
② RISC與ARM
移動網際網路時代的到來對低功耗的要求越來越高,x86架構整個指令集中,只有約20%的指令會被經常使用。於是,1979年美國加州大學伯克利分校的David Patterson教授提出了RISC的想法,主張硬體應該專心加速常用的指令,較為複雜的指令則利用常用的指令去組合。
RISC(Reduced Instruction SetComputer)即精簡指令集計算機。RISC通過精簡CISC指令種類,格式,簡化定址方式,達到省電高效的效果,適合手機、平板、數碼相機等行動式電子產品或物聯網產品。
上個世紀80年代,ARM公司就是基於RISC架構開始做自己的晶片,最終一步一步崛起,戰勝了英特爾,成為現在的移動晶片之王。現在,包括華為麒麟、高通驍龍在內的大部分手機終端和物聯網裝置晶片,都是基於ARM的架構設計。
2007年,iPhone橫空出世開創了移動網際網路時代,第一代iPhone的處理器晶片即使用ARM架構設計。2008年,Google推出了基於ARM指令集的Android系統。至此,智慧手機的飛速發展奠定了ARM在智慧手機市場的霸主地位。
現在,隨著5G、物聯網、人工智慧等技術的蓬勃發展,越來越多的企業開始生產和製造服務於各個垂直行業的終端和模組。在架構的選擇上,x86是封閉性技術、ARM架構均須支付高額授權費,這種情況下,RISC-V誕生並登上舞臺。
RISC-V指令集非常精簡和靈活。它的第一個版本只包含了不到50條指令,可以用於實現一個具備定點運算和特權模式等基本功能的處理器。RISC-V架構採用的開源方式,其指令集可以自由地用於任何目的,允許任何人設計、製造和銷售RISC-V晶片和軟體而不必支付給任何公司專利費。
目前,RISC-V基金會共有包括18家白金會員在內的235家會員單位(資料截止2019年7月10日)。這些會員單位中包含了半導體設計製造公司、系統整合商、裝置製造商、軍工企業、科研機構、高校等各式各樣的組織,足以說明RISC-V的影響力在不斷擴大。
專注於RISC-V的代表企業為晶心科技,在IP領域僅次於ARM、Synopsys、MIPS、Cadence排名第五。晶心科技於2005年成立,董事長為聯發科董事長蔡明介,從創立伊始公司就專注於嵌入式CPU IP,至今已有13年曆史。目前公司主要圍繞低功耗高效能的CPU進行開發,除了CPU IP之外,還提供平臺外圍IP、軟硬體開發工具、生態系統等一整套方案。
為了避免受制於海外晶片巨頭,國內開始發力基於RISC-V的晶片設計,從源頭實現晶片自主。2018年7月,上海經信委出臺了國內首個支援RISC-V的政策。10月,中國RISC-V產業聯盟成立。產品方面,中天微和華米科技先後釋出了基於RISC-V指令集的處理器。
基於RISC-V開發的黃山1號(華米),全球可穿戴領域第一顆人工智慧晶片。2019年7月25日,玄鐵910正式釋出,這是平頭哥半導體成立之後的第一款產品。玄鐵910基於RISC-V的處理器IP核,開發者可以免費下載FPGA程式碼,開展晶片原型設計架構創新。2019年8月22日,業界領先的半導體供應商兆易創新正式釋出基於RISC-V核心的GD32V系列32位通用MCU產品,提供從晶片到程式程式碼庫、開發套件、設計方案等完整工具鏈支援並持續打造RISC-V開發生態。
2.中游——國際巨頭工藝領先,國內廠商助力晶片設計發展
晶片產業鏈中游包含晶圓製造和封裝測試。
按照上中游是否整合,晶片/半導體行業有兩種模式:
垂直整合模式,又稱IDM,歸屬於該模式的企業業務需包含設計和製造/封測。IDM模式的代表企業是英特爾、德州儀器(TI)和三星。
垂直分工模式,採取分工模式的企業僅只專營一項業務,像是英偉達和華為海思僅有晶片設計,沒有製造業務,稱作fabless;而臺積電、中芯國際和格芯為代表的代工廠僅代工製造,不涉及晶片設計,稱作Foundry。
臺積電是全球Foundry中的絕對霸主,一家拿到50%的份額,臺積電先進製程的開發進度幾乎決定了行業的發展速度。大陸地區代工廠代表有中芯國際和華虹半導體,其中中芯國際在全球晶圓代工企業中位列第五。
(1) 晶圓製造
純晶圓代工行業集中度很高,前四大純晶圓代工廠合計佔據全球份額的85%,其中臺積電一家更是雄踞近60%的市場份額。以中芯國際、華虹半導體、華力微為代表的大陸晶圓代工廠商相比國際巨頭仍有很大差距。
晶片製造環節中,晶片製程決定了代工廠的先程序度。晶片的製程就是用來表徵積體電路尺寸的大小的一個引數,隨著摩爾定律發展,製程從0.5um、0.35um、0.25um、0.18um、0.15um、0.13um、90nm、65nm、45nm、32nm、28nm、22nm、14nm,一直髮展到現在的10nm、7nm、5nm。目前,28nm是傳統制程和先進製程的分界點。
以臺積電為例,晶圓製造的製程每隔幾年便會更新換代一次。近幾年來換代週期縮短,臺積電2017年10nm已經量產,7nm將於今年量產,5nm預計2020年量產。iPhone11的 A13 Bionic晶片用的便是臺積電7nm工藝。除了晶圓製造技術更新換代外,其下游的封測技術也不斷隨之發展。
目前臺積電已經試產了5nm,三星為了與臺積電競爭,稱要研發3nm製程。大陸工廠與臺積電的差距大約在2代以上,最先進的中芯國際今年一季度剛剛可以量產14nm製程,目前正抓緊攻克12nm;至於排名第二華虹半導體,距離先進製程仍有距離。
而中芯國際的存在,對於中國大陸半導體產業有著重要的意義:賺錢是其次,主要要撐起高水平半導體制造業的自主化,進而促成整個設計、製造、封測產業鏈的完善。同時,也可以為上游的本土半導體裝置及材料廠商提供支援。
而正是晶圓代工廠的出現,降低了新選手進入半導體產業的技術和資金門檻,成就了諸多IC設計公司。
(2) 封裝測試
封測是積體電路產品的最後一段環節,技術相對容易。封裝和測試是兩道工序,封裝是把電路包起來,外部留出接觸的pin腳;測試則是檢測晶片的效能滿足設計要求。
封裝技術門檻相對較低,國內發展基礎相對較好,所以封測業追趕速度比設計和製造更快。中國半導體第一個全面領先全球的企業,最有可能在封測業出現。國內封測領域有三大龍頭,分別是長電科技、天水華天和通富微電,三家均進入了全球封測行業的前十。
從長遠看,國內封測技術已經跟上全球先進步伐,隨著國內上游晶片設計公司的崛起,下游配套晶圓建廠邏輯的兌現,輔以國家政策和產業資本的支援,國內封測企業全面超越臺系廠商,是大概率事件。
3.下游
產業鏈的下游主要為系統整合(System Integration)企業,提供軟硬體整合解決方案,例如人工智慧解決方案商。通過對特定行業及特定需求進行定製化演算法及系統解決方案,下游企業是賦能實體經濟的直接方。
主要應用為智慧駕駛、智慧安防、智慧語音、智慧機器人、智慧手機、AIoT等。
Part.2
數字晶片
數字晶片是一種對離散訊號的傳遞和處理,實現數字訊號邏輯運算和操作的電路。數字晶片在計算機、數字控制、通訊、自動化和儀表等方面中被大量運用。數字晶片則包含處理器(CPU、GPU、基帶晶片等)、儲存器(DRAM、NANDFlash、NOR Flash)和邏輯電路(FPGA等)。
PC、Mac和智慧手機等我們常用的電子裝置中的CPU、GPU等都是數字晶片。隨著AI的發展,FPGA、ASIC等晶片受到越來越多的重視。同樣,我們耳熟能詳的記憶體、快閃記憶體為代表的儲存晶片均屬於數字晶片。
一、微處理器CPU、GPU——作為通用晶片,國內追趕難度極大1.、CPU(1)兩大巨人——英特爾與ARMCPU(CentralProcessing Unit)即中央處理器,在電子裝置、雲端都有著廣泛的應用。作為一種通用晶片,CPU可完成多種不同種類的任務,起著大腦的作用,主要功能是解釋計算機指令以及處理計算機軟體中的資料。
英特爾(Intel)是主要研製CPU處理器的巨頭,全球最大的個人計算機零件和CPU製造商。1971年,英特爾推出了全球第一個微處理器——4004,應用在計算器上;1978年推出8086,可處理16位資料、組頻5MHz,這是首顆x86晶片,IBM在自己首臺PC中採用了8086的精簡版8088。英特爾的CPU帶來的計算機和網際網路革命,改變了整個世界。可以說英特爾的歷史就是CPU的發展簡史。
但隨著iPhone等智慧手機裝置的到來,移動網際網路大潮來襲,英特爾卻沒能保持住優勢,在移動裝置端CPU逐漸被ARM晶片打敗。ARM採用了RISC精簡指令集架構,主打低成本、低功耗和高效率的晶片,在移動裝置端具備極大優勢,目前世界超過95%的智慧手機和平板電腦都採用ARM架構。可見ARM和是Intel截然相反的戰略路線,英特爾一直以來堅持全產業鏈商業模式,而ARM是開放的合作共贏模式。
(2)國內主要參與玩家對於國內企業來說,CPU是國內企業追趕上世界龍頭企業難度最大的晶片。國內主要的CPU企業有龍芯、兆芯、華為鯤鵬和飛騰。
即便部分CPU效能已追趕上甚至超越英特爾,由於國內CPU缺乏完善的產業生態支援,國內企業還不足以與市場龍頭企業產生直接的競爭。國內企業多用於國家層面的金融、安防、軍工、航天等領域,民用領域暫無可觀市場。
①龍芯,源於中科院,是國內 PC 級 CPU 銷量最大的公司。
最新一代龍芯 3A4000/3B4000 處理器,採用28nm 工藝,頻率從龍芯 3A3000 的 1.5GHz 提升到了 2.0GHz,架構升級為 GS464V,搭配的晶片組也升級到了龍芯 7A2000,28nm 工藝。龍芯3A/B3000 處理器出貨量達 30 萬片以上。據稱更換到14 奈米工藝後,就能達到 AMD 公司 Zen 系列處理器的水平。
②兆芯,成立於 2013 年,是 VIA 威盛與上海政府基金成立的合資公司,獲得了 x86 授權,是國內發展高效能 X86 處理器的中堅力量。
兆芯和安鈦克合作釋出中國產化自主可控網路安全平臺,也與龍芯、飛騰有合作,推出龍芯 3A3000/3A4000,兆芯 C4600、飛騰 FT1500A/2000 系列。
今年 6 月份釋出的兆芯 KX-6000、KH-30000 系列,將工藝升級到 16nm 工藝,成為國內第一款主頻達到 3.0G 赫茲的通用 CPU,有 4 核及 8 核兩種規格,還支援 PCIe 4.0、雙通道 DDR4 記憶體,搭配的晶片組升級到了 KH-3000 系列。
效能上,四核版相當於酷睿 i5 6300H,八核版相當於酷睿 i5 8300H。採用 7nm 工藝製造,該處理器基於 ARMv8 架構,擁有 64 個 2.6GHz 核心,支援 8 通道 DDR4、PCIe 4.0 和 CCIX 互聯晶片。
9 月,華為已經率先在深圳電力行業部署鯤鵬中國產 CPU 生態體系,逐漸取代英特爾 CPU。
④飛騰,是中國產 CPU 企業中桌面級和嵌入式晶片均能提供高效能產品的企業,是中國產晶片的主流代表之一。
截至 2019 年 8 月,已聯合 500 餘家軟硬體合作伙伴,研製了 6 大類 300 餘種整機產品,移植、優化了 1,000 餘種軟體。
2019 年 8 月 26 日,國內自主安全領域領軍企業中國長城完成對天津飛騰35%的股權收購,成為天津飛騰的第一大股東。
2、GPUGPU(Graphics Processing Unit),即圖形處理器,最初是用在個人電腦、工作站、遊戲機和一些移動裝置上執行繪圖運算工作的微處理器。但憑藉其平行計算的能力,目前 GPU 在AI晶片領域也有廣泛應用。
CPU 的架構中需要大量的空間去放置儲存單元和控制單元,相比之下計算單元只佔據了很小的一部分,所以它在大規模平行計算能力上極受限制,而更擅長於邏輯控制。但是隨著人們對更大規模與更快處理速度的需求增加, CPU 無法滿足,因此誕生了GPU。
GPU 與 CPU 最大的區別是:相比於 CPU 序列計算,GPU 是平行計算,能同時使用大量運算器解決計算問題的過程,有效提高計算機系統計算速度和處理能力。對於人工智慧來說,GPU 剛好與包含大量平行計算的深度學習演算法相匹配,因此在AI時代成為了算力加速硬體的首選。
(1)GPU王者——英偉達英偉達(Nvidia)是全球最大的獨立GPU供應商。英偉達成立於1993 年,由黃仁勳等三人創辦。目前佔據全球GPU行業的市場份額超過70%,GPU 作為其核心產品佔據 84% 的收入份額。獨立GPU市場形成英偉達和AMD兩大巨頭的格局。
(2)GPU國內主要參與玩家受制於技術、人才和專利,國內企業GPU廠商與國際巨頭有著巨大差距。景嘉微成為了目前國內唯一量產GPU的行業龍頭。
①景嘉微,國內GPU行業龍頭,A 股唯一 GPU 晶片設計公司,成立於 2006年4月。
研發背靠國防科大,並積極與國內外演算法公司展開新技術合作。首款具備自主智慧財產權的圖形處理晶片JM5400已經開始應用。
②西郵微電,嵌入式GPU-螢火蟲 1 號,嵌入式 GPU 晶片,該專案填補了國內空白,總體技術達到國內領先水平。
③中科曙光,代表的 Xmachine GPU 伺服器和 Sothis AI 人工智慧平臺,面向金融人工智慧應用,提供定製化開發產品及服務。從晶片、板卡、整機、平臺、開發架構上,全面支撐金融機構的人工智慧應用,提高金融伺服器效能,控制金融風險。
二、儲存晶片——投資大、門檻高,需要國家大力支援如同鋼鐵、石油是工業時代的“糧食”一樣,儲存晶片是半導體產業發展最重要的“糧食”。計算機中的全部資訊,包括輸入的原始資料、計算機程式、中間執行結果和最終執行結果都儲存在儲存器中。
以斷電後儲存資料是否丟失為標準,半導體儲存晶片可分兩類:
一類是非易失性儲存器,這一類儲存器斷電後資料能夠儲存,主要以NAND Flash為代表,常見於SSD(固態硬碟);另一類是易失性儲存器,這一類儲存器斷電後資料不能儲存,主要以DRAM為代表,常用於電腦、手機記憶體。除了NAND Flash和 DRAM,還包含NorFlash,容量比較小,一般是64Mb以下,用於儲存一些驅動電路的演算法和程式碼之類,用於手機,汽車電子,工業控制等領域。
從產值構成來看,DRAM、NAND Flash、NOR Flash 是儲存器產業的核心部分。這緣於一方面效能不斷提升的手機作業系統及日益豐富的應用軟體極大地依賴於手機嵌入式快閃記憶體的容量;另一方面,萬物互聯等新技術的湧現推動資料量的急速膨脹。
1、DRAMDRAM(Dynamic Random Access Memory),即動態隨機存取記憶體,是最常見的儲存器,只能將資料保持很短的時間,最常見的應用是PC中的記憶體。為了保持資料,使用電容儲存,所以必須隔一段時間重新整理一次,如果儲存單元沒有被重新整理,儲存的資訊就會丟失。
從行業上看,早期計算機應用佔了整個DRAM產業高達 90%份額, 2016年開始伴隨大容量智慧手機崛起,智慧手機逐漸取代PC成為DRAM 產業的主流,同時雲伺服器 DRAM 需求湧現的帶動是功不可沒的推手,包括 Facebook、 Google、 Amazon、騰訊、阿里巴巴等不斷擴充網路儲存系統,對於雲端儲存、雲端計算需求的提升,都帶動伺服器DRAM需求起飛,目前 DRAM 行業一直被美韓三大儲存器公司壟斷,三星、海力士、美光佔據了全球市場的95%以上。
對於國企企業來說,DRAM所需行業投資巨大,門檻高,需要國家大力扶持,目前國內三大儲存晶片專案合肥長鑫、福建晉華和長江儲存成為儲存晶片中國產替代的希望。
2、NAND FlashNAND Flash 是 Flash 儲存器中最重要的一種。 NAND Flash 儲存器具有容量較大,改寫速度快等優點,適用於大量資料的儲存,最常應用於固態硬碟中。
NAND Flash內部依靠儲存顆粒實現儲存,裡面存放資料的最小單位叫cell。從工藝上看,NAND Flash可以分為2D工藝和3D工藝,傳統的2D工藝類似於“一張紙”,但“一張紙”的容量是有瓶頸的,三星、英特爾、美光、東芝四家快閃記憶體大廠為了滿足大容量終端需求,均開始研發多層快閃記憶體(3D NAND Flash),英特爾和美光引入市場的3DXpoint是自NAND Flash推出以來,最具突破性的一項儲存技術,它通過單層儲存器堆疊突破了2D NAND儲存晶片容量的極限,大幅提升了儲存器容量,因此技術3D NAND具備了四個優勢:一是比2D NAND Flash快1,000倍;二是成本只有DRAM的一半;三是使用壽命是2D NAND的1,000倍;四是密度是傳統儲存的10倍。
除了傳統儲存巨頭三星電子、 SK 海力士、美光科技,東芝和西部資料也是 NAND Flash 領域不可忽視的重要力量。同DRAM一樣,國內企業仍需國家配套政策和資金的大力支援。
3、儲存晶片格局——海外巨頭繼續壟斷,國內企業可從細分市場切入整體上來看,DRAM 和 NAND Flash 佔據了儲存晶片市場96%以上的份額,NOR Flash由於儲存容量小,應用領域偏重於程式碼儲存,在消費級儲存應用上已出現被NAND快閃記憶體替代的趨勢,目前僅應用於功能性手機,機頂盒、網路裝置、工業生產線控制上。
公司層面,由於未來以DRAM和NAND Flash為主導的儲存器行業趨勢仍將延續,海外儲存器巨頭三星電子、SK海力士、美光科技、西部資料、東芝會繼續控制中高階儲存器市場,未來仍將繼續角逐儲存器行業。
中國在儲存晶片上的進口總額高達880億美元,對外依賴度超過90%,DRAM、NAND自給率幾乎為零。
中國已開始大力發展中國產儲存晶片,目前中國逐步形成了紫光集團與武漢、南京及成都合作展開的NAND與DRAM專案(長江儲存),兆易創新與合肥合作的DRAM專案(合肥長鑫),聯電與福建省合作的DRAM專案(福建晉華)三大儲存專案。
DRAM主流消費市場雖然龐大,但前行阻力與壓力也極大,國內企業可通過細分市場切入,實現研發、生產的積澱後再彎道超車成為不少中國產儲存晶片企業的選擇,例如東芯半導體就將目標瞄準了中小容量儲存晶片市場。
新一代萬億藍海物聯網裝置需要大量的資料儲存和傳輸,中小容量儲存晶片將更合適物聯網發展的需要。目前全球NAND快閃記憶體行業正處在2D到3D的過渡期,幾大巨頭都將重點放在了3D的比拼上,儲存巨頭將逐步放棄中小容量儲存晶片市場。物聯網和智慧終端的快速發展將不斷擴大對中小容量儲存晶片的需求。行業格局的演變,為東芯這樣專注中小容量儲存晶片的半導體公司創造了歷史性的發展機遇。
4、儲存主控晶片也是國內創業企業的切入點SSD硬碟、U盤等儲存硬體的結構通常包括PCB(含供電電路)、NAND快閃記憶體、主控晶片、介面等。主控晶片相當於硬碟的CPU,起著至關重要的作用。
主控晶片設計有成熟的ARM核心、DDR物理層等IP授權可用,研發難度大大降低,所以主控晶片成為國內創企的切入點,有望打破國外企業壟斷。
目前世界上SSD主控晶片公司主要來自美國及臺灣地區,Marvell是美系主控的代表,臺灣則以群聯Phision、SMI為代表。
從2015年以來,國內廠商也陸續加大儲存市場的投資,不少廠商就選擇了SSD主控作為突破口,再加上國內半導體基金對儲存晶片的扶植,中國產主控企業開始嶄露頭角。
比較知名的就有江波龍、國科微、憶芯、華瀾微電子,還有偏重軍工、企業級市場的中勃、一方資訊等公司,另外還有臺系廠商在大陸設立的子公司,比如群聯就在合肥成立了兆芯科技,杭州聯芸科技也有臺資參與。
總的來說,國內佈局SSD主控晶片的公司就不少於10家,數量上已經超越美國、臺灣地區的公司。不過國內公司在主控晶片領域依然是新興力量。