半导体集成电路设计行业分析报告Word格式.docx
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预计我国半导体投资将持续围绕国家战略和新兴行业进行投资规划,比如智能汽车、智能电网、人工智能、物联网、5G等,并对装备材料业给予支持,助推国内集成电路产业发展。
IC设计行业百花齐放,高端领域有待突破:
我国IC设计行业目前蓬勃发展。
从需求来看,人工智能应用正在快速普及,由于人工智能应用对于芯片算力的需求远超以往传统应用,未来有望成为IC设计的发展的重要推动力。
从供给来看,我国IC设计企业的产品已经覆盖比较全面,涵盖手机Soc、基带芯片、指纹识别以及银行安全芯片等,在一些细分领域也位居全球前列。
而在高端芯片领域,尤其在PC和服务器的芯片领域,我国与芯片的占有率相对低,和国际巨头差距明显。
一、行业概况
集成电路设计领域处于集成电路产业上游,是指以集成电路为目标的设计流程。
集成电路设计涉及对电子器件(例如晶体管、电阻器、电容器等)、器件间互连线模型的建立,市场主要由下游终端需求决定。
IC(IntegratedCircuit)设计从模式来看,主要分为Fabless和IDM,IDM为集芯片设计、制造、封测一体的企业,Fabless为只做芯片设计的企业。
最开始的大部分芯片企业都是IDM,1982年全球第一家Fabless公司LSILogic成立,1987年第一家Pure-playFoundry公司台积电成立。
随着芯片制造技术的提升,有能力的承担巨额投资的企业越来越少,很多IDM企业纷纷剥离其制造业务,专注于IC设计。
再往后,随着集成电路行业分工进一步细化,产业链形成IP、设计、晶圆、封装的上下游体系。
从IDM模式与Fabless模式的对比来看,Fabless由于专注于设计,投资额较小,适合创业者进入,但也会面临难以找到代工厂的问题,而IDM模式属于重资产模式,投资额大,由于只服务自家产品,如果自家场面市场需求面临变化,会出现产能利用率不足的问题。
此外,IDM具有资源整合的优势,由于不需要进行硅验证,IDM企业从IC设计到IC制造需要的时间较短,而Fabless由于与Foundry的工艺流程难以及时对接,产品上市时间较慢。
从Fabless和IDM企业销售对比来看,2000年Fabless和IDM企业销售额分别为170亿美金和1718亿美金,2017年分别为1000亿美金和2636亿美金。
2000-2017年Fabless企业的收入CAGR为10.9%,而IDM企业为2.6%,Fabless企业增速显著高于IDM企业。
从过去历年收入增速的对比图来看,大部分时间的Fabless的收入规模增速都高于IDM。
2017年由于存储器价格暴涨,存储厂商营收大增,而大部分存储厂商都是IDM模式,因而IDM厂商总体营收增速显著高于Fabless厂商。
Fabless模式的蓬勃发展,正是IC设计行业的飞速进步的体现。
芯片设计流程可以分为前端和后端设计,前端设计定义了芯片的功能、性能等。
后端设计处理电压,时钟等问题,是耗电的直接因素。
以数字芯片为例,从前端设计来看,一般设计一颗芯片需要经历以下几个步骤:
(1)规格制定:
根据下游客户的需求,定义芯片的具体功能和性能。
(2)详细设计:
根据芯片的功能规格要求,提出实现的架构以及模块功能的划分。
(3)RTL编写:
用硬体描述语言(HDL)将电路功能用代码的形式描述出来。
(4)仿真验证:
对上一步编写的代码进行验证,反复迭代检查代码是否符合规格制定部分提出的要求。
(5)逻辑综合:
将HDL编写的代码通过EDA软件转换成逻辑电路图。
转换之后,还需要反复确认该逻辑电路图是否符合规格设计的要求。
(6)STA和形式验证:
静态时序验证(STA)检查是否存在建立时间和保持时间的违例,形式验证从功能上进行验证,确保逻辑综合后的电路没有改变HDL描述的功能。
IC设计的各个环节均需要用到EDA(ElectronicDesignAutomation)工具,EDA行业现在已形成了Synopsys、Cadence和MentorGraphics三足鼎立之势,2017年这三巨头的收入占据了全球EDA行业总收入的70%。
我国EDA企业与三巨头存在较大差距,国内目前从事该行业的主要有华大九天、广立微、芯禾科技。
IP核为具有知识产权的可以移植到别的芯片中的模块,一个芯片往往需要多个IP的组合来实现不同的功能。
处理器IP授权和接口IP授权是IP授权服务最大的构成部分,2016年两者合计占比62.5%。
处理器IP中ARM的市场份额最大,接口IP中Synopsys是其中的王者。
芯片设计企业所用的EDA工具和IP核均存在外包情况,其中EDA工具几乎全部都是外包,IP授权将近60%-70%外包,一些技术实力强劲的企业会自己使用自己的IP。
根据集成电路的功能的不同,可以将集成电路可以分为CPU、GPU、FPGA、AISC、存储器、模拟电路等,各类集成电路如果从设计的角度来看,主要分为以下产品种类:
1、CPU
中央处理器(CPU,CentralProcessingUnit)是一块超大规模的集成电路,是一台计算机的运算核心和控制核心。
它的功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。
CPU根据架构的不同主要可以分为四类:
X86:
适合windows系统,专利在英特尔和AMD的手中,其他厂商很难取得授权。
ARM:
适合手机和平板上的安卓和IOS系统,专利在ARM公司手中,需要付费使用。
MIPS、RISC-V:
开源的指令集,可以免费使用,但是支持的应用生态较少。
PowerPC:
PowerPC架构CPU主要被IBM用于其小型机上。
从目前的CPU市场来看,国内在各类架构的CPU均有企业涉足,其中ARM架构的CPU海思取得了较大成功,MIPS架构的CPU北京君正的在物联网领域有较大优势。
2、GPU
图形处理器(英语:
GraphicsProcessingUnit,缩写:
GPU),又称显示核心、视觉处理器、显示芯片,是一种专门在个人电脑、工作站、游戏机和一些移动设备(如平板电脑、智能手机等)上图像运算工作的微处理器。
目前,在桌面GPU市场,全球市场份额基本被英伟达和AMD占据,在手机GPU市场,以苹果、高通和ARM的GPU为主。
3、FPGA
FPGA是现场可编程门阵列,是指一切通过软件手段更改、配置器件内部连接结构和逻辑单元,完成既定设计功能的数字集成电路,又称为“万能芯片”。
FPGA的一大特点是可以通过编程实现任意芯片的逻辑功能,包括ASIC、DSP甚至PC处理器等。
目前,FPGA市场已经被Xilinx和Atlera两大巨头垄断,合计占据90%市场,拥有6000多项专利对后来者形成了巨大的专利壁垒。
我国目前FPGA领域的参与者主要有紫光同创(紫光集团的子公司)、高云半导体、上海安路、京微齐力,与国际巨头还有较大差距,主要以中低密度FPGA为主,国内市场占有率不足3%。
4、AISC
AISC是一种为专门目的而设计的集成电路,特点是面向特定用户的需求,ASIC在批量生产时与通用集成电路相比具有体积更小、功耗更低、可靠性提高、性能提高、保密性增强、成本降低等优点。
5、存储芯片
与前面几种相比,存储芯片每个存储单元基本相同,设计环节难度较小、主要在制造环节难度较大。
目前全球存储芯片市场上,DRAM基本被三星、海力士和美光垄断,国内紫光集团、长江存储、福建晋华、兆易创新、合肥长鑫在进行DRAM相关的研发,未来随着产能释放有望实现国产化替代。
6、模拟芯片
模拟电路是处理模拟信号的电路,如话筒里的声音信号,电视信号和VCD输出的图像信号、温度采集的模拟信号和其它模拟量的信号处理的集成模块。
与数字电路不同,模拟芯片研发周期较长、更新换代较慢,设计软件较少,注重设计人员的经验。
模拟芯片企业很少采用Fabless模式,以IDM模式为主。
从全球的模拟芯片企业来看,目前全球前10大企业均为国外公司,还没有中国公司入围。
二、全球芯片设计产业情况
1、全球IC设计产业概况:
轻资产模式快速增长
从全球的IC设计产业来看,近年来行业规模能保持5%左右的增速,在集成电路总产值中的占比约在30%左右。
2017年IC设计产值达到1006亿美元,同比增长6.5%,占集成电路总产值比重为29.3%。
2018年IC设计产值比2017年增长83亿美元,同比增长8.3%,达到了1089亿美元。
从全球IC设计产业市场占有率来看,美国公司在全球IC设计中的产值销售额占比领先地位非常稳固,2018年占比为68%,与2010年相比仅低了一个百分点。
中国进步迅速,2018年占比达到了13%,在2010年占比仅为5%,提高了8个百分点。
另外,从全球排名前50的Fabless模式的IC供应商的数量来看,中国进步也非常迅速,2009年国内仅有海思一家进入全球前50,2017年有10家公司进入全球前50。
2018年全球前10大Fabless模式IC设计公司中,博通排名第一,取代了此前一直被高通占据的榜首位置,主要是因为高通受累于智能手机行业的不景气,营收出现负增长,而博通对手机业务的依赖相对较低。
海思营收增速最快,达到34.3%,位列第五,相比2017年的第7名提升了2名,海思的高速增长主要来自华为手机出货量大增。
紫光集团在2017年排名第10,2018年未进入排行榜前10。
全球Fabless模式主要公司简介如下:
(1)博通
博通是全球领先的有线和无线通信半导体公司,前身为安华高科技,产品为有线和无线通讯半导体,总部设在美国。
公司有2000多项美国专利和800多项外国专利,当前也是全球最大的WLAN芯片厂商。
(2)高通
高通是移动端处理器与移动通信技术领导厂商,以其CDMA(码分多址)数字技术为基础,开发并提供富于创意的数字无线通信产品和服务。
业务涵盖技术领先的3G、4G芯片组、系统软件以及开发工具和产品,持有大量3G、4G基础必要专利,通过专利组合,授权给手机终端厂商使用。
(3)英伟达
公司是一家以设计智核芯片组为主的无晶圆IC半导体公司,是图形处理技术的市场领袖,专注于打造能够增强个人和专业计算平台的人机交互体验的产品。
公司的图形和通信处理器已被多种多样的计算平台采用,包括个人数字媒体PC、商用PC、专业工作站等。
(4)联发科
公司是全球著名IC设计厂商,专注于无线通讯及数字多媒体等技术领域。
其提供的芯片整合系统解决方案,包含无线通讯、高清数字电视、光储存、DVD及蓝光等相关产品
(5)海思半导体
公司成立于2004年10月,前身是创建于1991年的华为集成电路设计中心。
海思的产品覆盖无线网络、固定网络、数字媒体等领域的芯片及解决方案。
在数字媒体领域,已推出SoC网络监控芯片及解决方案、可视电话芯片及解决方案、DVB芯片及解决方案和IPTV芯片及解决方案。
(6)AMD
公司是一家专门为计算机、通信和消费电子行业设计和制造各种创新的微处理器(CPU、GPU、APU、主板芯片组、电视卡芯片等)、闪存和低功率处理器解决方案的公司。
公司自2009年超微将自家晶圆厂拆分为现今的GlobalFoundrie