打造“中国芯”——芯片全景图&国产芯片的机会(上)

2020-01-02 16:36

  目前,RISC-V基金会共有包括18家白金会员在内的235家会员单位(数据截止2019年7月10日)。这些会员单位中包含了半导体设计制造公司、系统集成商、设备制造商、军工企业、科研机构、高校等各式各样的组织,足以说明RISC-V的影响力在不断扩大。

  专注于RISC-V的代表企业为晶心科技,在IP领域仅次于ARM、Synopsys、MIPS、Cadence排名第五。晶心科技于2005年成立,董事长为联发科董事长蔡明介,从创立伊始公司就专注于嵌入式CPU IP,至今已有13年历史。目前公司主要围绕低功耗高性能的CPU进行开发,除了CPU IP之外,还提供平台外围IP、软硬件开发工具、生态系统等一整套方案。

  为了避免受制于海外芯片巨头,国内开始发力基于RISC-V的芯片设计,从源头实现芯片自主。2018年7月,上海经信委出台了国内首个支持RISC-V的政策。10月,中国RISC-V产业联盟成立。产品方面,中天微和华米科技先后发布了基于RISC-V指令集的处理器。

  基于RISC-V开发的黄山1号(华米),全球可穿戴领域第一颗人工智能芯片。2019年7月25日,玄铁910正式发布,这是平头哥半导体成立之后的第一款产品。玄铁910基于RISC-V的处理器IP核,开发者可以免费下载FPGA代码,开展芯片原型设计架构创新。2019年8月22日,业界领先的半导体供应商兆易创新正式发布基于RISC-V内核的GD32V系列32位通用MCU产品,提供从芯片到程序代码库、开发套件、设计方案等完整工具链支持并持续打造RISC-V开发生态。

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  2.中游——国际巨头工艺领先,国内厂商助力芯片设计发展

  芯片产业链中游包含晶圆制造和封装测试。

  按照上中游是否集成,芯片/半导体行业有两种模式:

  垂直集成模式,又称IDM,归属于该模式的企业业务需包含设计和制造/封测。IDM模式的代表企业是英特尔、德州仪器(TI)和三星。

  垂直分工模式,采取分工模式的企业仅只专营一项业务,像是英伟达和华为海思仅有芯片设计,没有制造业务,称作fabless;而台积电、中芯国际和格芯为代表的代工厂仅代工制造,不涉及芯片设计,称作Foundry。

  台积电是全球Foundry中的绝对霸主,一家拿到50%的份额,台积电先进制程的开发进度几乎决定了行业的发展速度。大陆地区代工厂代表有中芯国际和华虹半导体,其中中芯国际在全球晶圆代工企业中位列第五。

  (1) 晶圆制造

  纯晶圆代工行业集中度很高,前四大纯晶圆代工厂合计占据全球份额的85%,其中台积电一家更是雄踞近60%的市场份额。以中芯国际、华虹半导体、华力微为代表的大陆晶圆代工厂商相比国际巨头仍有很大差距。

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  芯片制造环节中,芯片制程决定了代工厂的先进程度。芯片的制程就是用来表征集成电路尺寸的大小的一个参数,随着摩尔定律发展,制程从0.5um、0.35um、0.25um、0.18um、0.15um、0.13um、90nm、65nm、45nm、32nm、28nm、22nm、14nm,一直发展到现在的10nm、7nm、5nm。目前,28nm是传统制程和先进制程的分界点。

  以台积电为例,晶圆制造的制程每隔几年便会更新换代一次。近几年来换代周期缩短,台积电2017年10nm已经量产,7nm将于今年量产,5nm预计2020年量产。iPhone11的 A13 Bionic芯片用的便是台积电7nm工艺。除了晶圆制造技术更新换代外,其下游的封测技术也不断随之发展。

  目前台积电已经试产了5nm,三星为了与台积电竞争,称要研发3nm制程。大陆工厂与台积电的差距大约在2代以上,最先进的中芯国际今年一季度刚刚可以量产14nm制程,目前正抓紧攻克12nm;至于排名第二华虹半导体,距离先进制程仍有距离。

  而中芯国际的存在,对于中国大陆半导体产业有着重要的意义:赚钱是其次,主要要撑起高水平半导体制造业的自主化,进而促成整个设计、制造、封测产业链的完善。同时,也可以为上游的本土半导体设备及材料厂商提供支持。

  而正是晶圆代工厂的出现,降低了新选手进入半导体产业的技术和资金门槛,成就了诸多IC设计公司。

  (2)  封装测试

  封测是集成电路产品的最后一段环节,技术相对容易。封装和测试是两道工序,封装是把电路包起来,外部留出接触的pin脚;测试则是检测芯片的性能满足设计要求。

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  封装技术门槛相对较低,国内发展基础相对较好,所以封测业追赶速度比设计和制造更快。中国半导体第一个全面领先全球的企业,最有可能在封测业出现。国内封测领域有三大龙头,分别是长电科技、天水华天和通富微电,三家均进入了全球封测行业的前十。

  从长远看,国内封测技术已经跟上全球先进步伐,随着国内上游芯片设计公司的崛起,下游配套晶圆建厂逻辑的兑现,辅以国家政策和产业资本的支持,国内封测企业全面超越台系厂商,是大概率事件。

  3.下游

  产业链的下游主要为系统集成(System Integration)企业,提供软硬件集成解决方案,例如人工智能解决方案商。通过对特定行业及特定需求进行定制化算法及系统解决方案,下游企业是赋能实体经济的直接方。

  主要应用为智能驾驶、智能安防、智能语音、智能机器人、智能手机、AIoT等。

  Part.2

  数字芯片

  数字芯片是一种对离散信号的传递和处理,实现数字信号逻辑运算和操作的电路。数字芯片在计算机、数字控制、通信、自动化和仪表等方面中被大量运用。数字芯片则包含处理器(CPU、GPU、基带芯片等)、存储器(DRAM、NANDFlash、NOR Flash)和逻辑电路(FPGA等)。

  PC、Mac和智能手机等我们常用的电子设备中的CPU、GPU等都是数字芯片。随着AI的发展,FPGA、ASIC等芯片受到越来越多的重视。同样,我们耳熟能详的内存、闪存为代表的存储芯片均属于数字芯片。

  一、微处理器CPU、GPU——作为通用芯片,国内追赶难度极大

  1.、CPU

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  (1)两大巨人——英特尔与ARM

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