EDA&IP是中國仍然遠遠落后的另一個細分領域。三大全球領先公司新思科技(Synopsys),楷登電子(Cadence)和明導國際(Mentor)占領了中國EDA市場的絕大部分。不過,中國也有一些活躍在EDA領域的公司,例如芯愿景(Cellix)芯原微(VeriSilicon),華大九天(Empyrean),ProPlus,廣立微電子(Semitronix)和芯禾(Xpeedic)等。華大九天似乎是中國大陸市場的領導者,但是找不到這些公司中任何一家的財務信息。據報道Cellix芯原微正準備在科創板(STAR)上市,而ProPlus于2020年4月結束了一輪投資,英特爾表示已參與。
IP核是許可方的知識產權,可以用作芯片設計的基礎。IC設計公司使用第三方IP和自己的IP設計芯片。該細分領域的領導者是總部位于英國但由日本軟銀(Softbank)控股的安謀科技(ARM),基本上,所有智能手機和大多數物聯網設備都使用Arm的處理器架構。2016年9月軟銀完成Arm收購,一年半后于2018年4月,創建了Arm中國合資公司(也稱為Arm mini China),其中中方投資占51%,Arm占49%股份。安謀中國(Arm China)在中國銷售和許可Arm(UK)技術,但并結合中國市場需求自主研發半導體相關的IP產品。例如,安謀中國已經開發了一種IP,可以允許中國制造的芯片運行由中國國家密碼管理局開發的加密算法。
Imagination Technologies的總部也位于英國,但于2017年11月被總部位于開曼和中資背景的私募股權基金凱橋資本(Canyon Bridge)收購。Imagination于2020年4月宣布了計劃任命幾位新董事,來自中國改革控股,也是凱橋資本的投資人。在英國政府表示擔憂后,該提議被撤回。Imagination主要開發用于圖形處理器單元(GPU)的IP。蘋果一直是Imagination的最大客戶,直到2016年,今年初他們簽署了一項新的多年期許可協議,根據該協議,Apple可以使用Imagination的更多IP。
前面提到的Synopsys和Cadence在IP核授權領域也很活躍,位于美國的Rambus在存儲技術授權許可也很活躍。在中國,芯原微電子(VeriSilicon)是該領域的頭部但虧損的公司,它成立于2001年,投資者包括英特爾,三星,小米,大基金和華登國際。芯原微電子宣布有意在上海科創板上市。
除了Arm架構外,只有少數其他處理器架構。像Arm一樣,MIPS和RISC-V也被稱為精簡指令系統計算架構(RISC),而x86是復雜指令系統計算架構(CISC)。通常,CISC架構更適合于高性能處理器(復雜性和速度;例如服務器)和RISC適用于低功耗(例如智能手機)。
MIPS Technologies在1980年代開發了MIPS架構并將其許可給芯片設計人員。Imagination Technologies在2013年收購了MIPS Technologies,并在2017年被凱橋資本(Canyon Bridge)收購前將其出售給了總部位于美國的Wave Computing。Wave Computing于2020年4月申請破產,但有報道稱MIPS將獨立開展業務。相比Arm,MIPS并沒有那么成功,但在中國被龍芯(第一個中國國產CPU)和設計CPU和物聯網及穿戴芯片的君正(Ingenic)所采用。
RISC-V是一個開源項目,于2010年在美國加州大學伯克利分校啟動,旨在提供免費的指令集架構。RISC-V始于學術界,但2015年成立了RISC-V基金會,旨在通過開放式協作創建一個標準化和改進的社區。2020年3月,RISC-V國際協會(RVI)在瑞士成立,這是對地緣政治形勢的反思,也是為了平息“對開放合作模式的政治干擾的擔憂”。RVI在其網站上明確提及“美國對RISC-V沒有任何出口限制,我們已遵守美國所有法律。此舉并未繞過任何現有限制,而是緩解了未來的不確定性。”RVI從未接受過任何政府的資助,目前擁有500多名成員,包括阿里巴巴、華為、中國科學院計算技術研究所和VeriSilicon。美國成員包括西部數字,英偉達和Rambus。
RVI從未收到過任何政府的資助或尋求任何資金,目前有500多個成員,其中中國成員包括阿里巴巴,華為,中科院計算研究所和芯原微電子。美國成員包括西部數據(Western Digital),英偉達(Nvidia)和Rambus。RISC-V相對較新,因此對Arm的競爭還沒有很大,但是社區正在快速發展,并且在當前的地緣政治環境下,開源,從定義上來說不受出口控制,可能是中國芯片設計公司的前進之路。
Design & IDM設計及IDM
在本文中,我將無晶圓設計公司和集成器件制造商(IDM)合并為一個細分領域,因為它們都具有設計芯片的能力。無晶圓設計公司依靠晶圓代工廠來制造他們設計的芯片,而IDM則是自己制造芯片。設計及IDM是整個地區半導體價值鏈中最大的部分(中國占半導體總銷售額的72%,美國占81%,其他地區占61%);該分析還還包含各地區大多數的公司。全球最大的半導體公司都活躍在這一領域:IDM包括英特爾(Intel),三星(Samsung),海力士(SK Hynix)和美光(Micron);無晶圓設計公司包括高通(Qualcomm)和博通(Broadcom)。它們的銷售額均超過200億美元;只有臺積電(TSMC)銷售額屬于同一量級,346億美元。在設計與與IDM領域,美國以54%的銷售額遙遙領先,緊隨其后的是其他地區的39%和中國的7%。
中國最大的芯片設計公司是紫光(Unis)和華為海思(HiSilicon)。海思基于Arm架構開發片上系統(SoC,即CPU,GPU和內存等多個組件封裝在在一個芯片里)。海思設計智能手機芯片(麒麟),服務器芯片(鯤鵬)和智能手機調制解調器(巴龍)。新款麒麟810在人工智能基準測試中表現優于競爭對手高通(Qualcomm)的驍龍(Snapdragon) 855 SoC。高通公司是智能手機SoC的全球市場領導者,在中國市場長期保持著同樣的地位。直到2020年第一季度,海思首次成為中國智能手機SoC出貨量第一名,因受到COVID-19的影響較大,與2019年第一季度相比,智能手機SoC出貨量下降了44%以上。
紫光(Unis)是清華紫光集團生態系統的一部分。清華紫光集團的子公司包括無晶圓設計公司有紫光同創(Pango Microsystems),紫光同芯(Tongxin Microelectronics),紫光存儲(Unic Memory),紫光國微(Unigroup Guoxin),紫光展銳(UNISOC)(展訊和銳迪科的合資公司)和紫光股份(Unis);晶圓代工廠有紫光國芯(UniIC Semiconductors),武漢新芯(XMC)和長江存儲(YMTC);封測公司有紫光宏茂(Unimos)。其中上市公司有紫光股份和紫光國微。紫光展銳主要設計中低端智能手機和功能手機芯片,在印度和非洲非常受歡迎。
另一個在半導體行業非常活躍的中國央企是中國電子信息產業集團(CEC),簡稱中國電子,包括無晶圓設計公司有安路科技(Anlogic),中電華大科技(CE Huada Tech),華大半導體(Huada Semiconductor),南京微盟(Microne),飛騰(Phytium Technology),上海貝嶺(Shanghai Belling),Solantro(于2018年收購的加拿大公司,現稱為華大半導體北美研發中心)和晶門科技(Solomon Systech);晶圓代工廠有積塔半導體(GTA Semiconductor);封測公司有Chipadavanced。其中上市公司有中電華大科技、上海貝嶺和晶門科技。
中國消費電子公司(和智能手機供應商)小米一直活躍于其子公司松果電子(Pinecone)的芯片設計中,該公司于2014年成立。松果電子(Pinecone)于2017年初發布了澎湃(Surge)S1芯片,但使用S1的小米5C智能手機由于高功耗和熱輸出而失敗。2019年4月,小米宣布將分拆并組建新公司南京大魚半導體(Big Fish Semiconductors),小米持有其25%的股份,專注于AI和IoT芯片的開發。松果電子Pinecone(小米持股51%,中國大唐電信持股49%)將繼續開發智能手機芯片。小米還投資了IP提供商芯原微電子(VeriSilicon),是其僅次于大基金的第二大股東。
上面提到的中國設計公司主要使用Arm架構,但還有一些中國公司使用x86架構。因為x86是CISC架構,是服務器市場上的主要架構。但是最近,基于Arm和RISC-V的處理器似乎獲得了更大的吸引力。英特爾(Intel)是x86處理器市場的領導者,但是同樣來自美國的超微半導體(AMD)在過去幾年中一直憑借其銳龍(Ryzen)芯片架構獲得了市場份額。除此之外,只有中國臺灣的威盛科技(VIA Technologies)擁有x86 CPU許可,但威盛科技一直未能成功地讓產品接近英特爾(Intel)和超微半導體(AMD)的市場份額。
不過,有趣的是,5月8日中國發布了首個搭載最新的國產x86處理器的電腦,使用來自上海兆芯的KX-6000處理器。兆芯是威盛科技與上海市政府于2013年成立的合資企業。這些KX6000處理器是基于威盛科技美國子公司Centaur Technology開發的架構,其性能仍遠遠落后于英特爾(Intel)和超微半導體(AMD)目前的產品,但絕對適合政府部門使用。這是中國減少對外國技術依賴計劃中的重要一步,兆芯已制定長期的計劃,以縮小與英特爾(Intel)和超微半導體(AMD)的差距。
超微半導體(AMD)還在中國成立了一家合資企業,合作伙伴包括高性能計算制造商中科曙光(Sugon)和中國科學院。天津海光先進技術投資有限公司(THATIC或Higon)成立于2016年,實際由兩家合資公司組成,其中AMD持有成都海光微電子(HMC)51%的股份和成都海光集成電路(Hygon)30%的股份。AMD將IP出口到子公司HMC,Hygon將對設計進行定制,然后將其發送到美國的格芯(Global Foundries)進行制造。這使得中國方面可以稱處理器芯片為“中國的”,而AMD則遵守所有相關的出口管制法規。直到2019年6月,因為Sugon已經承認其高性能計算機的軍事終端使用和終端用戶,美國政府將AMD的合資企業加入了實體清單。其推論是,美國企業在向這些實體出口產品和技術之前需要申請許可證,而美國政府遵循的是“推定拒絕(Presumption of Denial)”政策。
英特爾于2016年與清華大學和瀾起科技(Montage Technology)建立了合作關系。基于Intel x86 Xeon架構和清華大學開發的技術,瀾起科技設計了津逮CPU(Jintide)。瀾起科技自2019年7月在上海科創板(STAR)上市,英特爾(Intel)持有9%的股份。
2016年,高通與貴州省政府成立了合資公司,這是中美在半導體行業的一次合作,但持續時間并不長。華芯通半導體(HXT)專注于基于Arm架構的服務器芯片設計,貴州省持股55%,高通持股45%。2018年11月,HXT宣布昇龍(StarDragon)4800已經開始量產,該處理器類似于高通(Qualcomm)的Centrq 2400系列,采用改進的加密模塊,以滿足中國商業密碼算法標準。據報道,2019年4月合資企業將關閉。
Foundry晶圓代工廠
其它地區在晶圓純代工領域占據主導地位,主要原因是中國臺灣的臺積電(TSMC)在這一領域遙遙領先。其它地區的第二和第三大晶圓廠也設在中國臺灣。唯一一家總部位于美國的代工廠是阿布達比酋長國控股的格芯(GlobalFoundries),而在中國,最大的晶圓代工廠是中芯國際(SMIC)和華虹宏力(Huahong Grace)。至于華虹集團旗下的華力、清華紫光旗下的長江存儲(YMTC)和武漢新芯(XMC)、合肥長鑫(CXMT)等中國晶圓代工廠,目前無法找到相關的財務數據。
多年來,中芯國際已經取得了相當大的進步,現在已經能夠大規模生產14nm芯片,盡管根據一些消息來源,不良率仍然非常高。業界領頭羊臺積電和IDM三星已經開始量產7nm制程芯片(臺積電開始量產5nm制程芯片),而格芯(GlobalFoundries)則宣布由于成本高昂而停止了7nm制程芯片的研發。5月11日,中芯國際宣布已開始在FinFET 14nm制程上批量生產華為/海思的麒麟710A。盡管這些芯片不是目前最先進的(麒麟710于2018年7月推出),但對于中國半導體行業而言,這是一項重大進展,因為這是華為首次使用臺積電以外的代工廠生產智能手機芯片。
另外,長江存儲(YMTC)和合肥長鑫(CXMT)是專注于研發存儲器芯片的中國晶圓代工廠。存儲器市場由韓國的三星(Samsung)和海力士(SK Hynix)以及美國的美光(Micron)所控制。4月13日,長江存儲宣布,基于自己的Xtacking架構,開發出128層3D NAND閃存芯片X2-6070。X2-6070能否成功取決于多種因素,包括量產時間(可能是2021年上半年)和良率(晶圓片上正常工作的芯片的比例)。因此,在設計好存儲芯片之后,提升良率將是下一個巨大的挑戰。
合肥長鑫(CXMT)是中國新的DRAM內存制造商(成立于2016年,當時名為Innotron),4月底宣布,他們與美國Rambus公司簽署了一項長期專利許可協議,以獲得各種DRAM專利。這筆交易將加強合肥長鑫的IP產品組合和多元化。通過之前簽署的許可協議,合肥長鑫已經可以使用奇夢達的IP(奇夢達于2006年從英飛凌分離出來,當時是世界第二大DRAM公司,但在2011年停止運營)。
OSAT封測
全球十大晶圓外包封測(OSAT)公司中,有一半來自中國臺灣。市場領導者日月光(ASE Group)的市場份額為47%,其次是美國的安靠(Amkor)和中國的長電科技(JCET)。另外四家中國臺灣公司中,兩家中國公司(TFME和天水華天)和一家新加坡公司名列前十名。日月光半導體的市場占有率為47%,緊隨其后的是美國的安靠(Amkor)和中國的長電科技(JCET)。封測全球前十名還包括另外4家中國臺灣公司,通富微(TFME)和華天科技等2家中國大陸公司,和1家新加坡公司。
該分析表明,除了封測細分領域(中國大陸占全球市場的20%以上)之外,中國大陸在全球半導體價值鏈中的地位仍然相對較小。在全球封測細分領域前6強企業中,有3家是中國企業,而6年前只有長電科技進入前10名。這也表明,中國半導體產業可以快速發展。
但是,在其他細分領域,尤其是半導體設備和EDA&IP,中國仍然遠遠落后。盡管中微(AMEC)研發的某些設備已應用在許多晶圓廠,但在全球所有半導體設備制造商收入排名來看,中微(AMEC)的份額仍然非常小(第20名),然而,占比大小很重要。為了在半導體行業保持競爭力,公司需要在研發方面進行投資,而銷售量更高的公司可以在新技術開發和創新上進行更多投資。
在企業平均研發支出占銷售額的百分比方面,這三個地區沒有太大差別。美國設計和 IDM公司在研發上的投入超過了來自中國和世界其他地區的競爭對手,而中國的晶圓代工和封測公司的平均研發支出要高于其他公司。在晶圓代工領域,這主要由于中芯國際的高達22.1%的研發支出,遠高于全球其他任何晶圓代工廠(中國的士蘭微(Silan)以10.7%的研發支出位居第二,臺積電以8.5%位居第三)。從實際的研發支出(以美元計算),中國晶圓代工和封測領域在全球研發支出占銷售額比例確實高于其他地區,例如晶圓代工領域為18% VS 8%,封測領域為23% VS21%。世界其他地區的研發支出金額都遠高于中國;對于晶圓代工領域,世界其他地區的研發投入是中國的4.6倍,而對于封測領域,他們的研發投入是中國的2.9倍。
對于設備,EDA&IP細分領域,各地區之間沒有明顯的差異(和晶圓代工和封測領域類似,這些平均值所基于的樣本量也很小),但是對于設計和IDM領域,美國公司平均研發支出占銷售額比例要比其他地區要高。因為這些公司也是整個行業的龍頭公司,以銷售額來衡量,這是美國半導體行業的主要競爭優勢。盡管美國設計和IDM公司占全球設計和IDM銷售額的54%,但它們研發支出占該領域全球的72%(例如,本分析中的22家公司合計389億美元)。英特爾(Intel)的研發支出為134億美元,超過了除三星(Samsung)、臺積電(TSMC)、高通(Qualcomm)、美光(Micron)、SK海力士(SK Hynix)、博通(Broadcom)、應用材料(AMAT)和德州儀器(TI)之外的全球所有半導體公司的年收入。
各地區在設備和EDA&IP細分領域的研發支出占銷售額的百分比沒有出現重大差異,但這并不意味著中國在這些領域會更容易趕上。例如,阿斯麥爾(ASML)公司的研發支出約為22億美元,是該分析中所有六家中國半導體設備公司年收入總和的兩倍。對于EDA來說,整個行業基本上依賴于三大巨頭:新思科技(Synopsys)、楷登電子(Cadence)和明導國際(Mentor)。盡管有很多中國公司在開發EDA工具,但他們競爭力很弱,因為它們不夠全面(沒有完整的設計流程),并且由于最先進的晶圓代工廠不會使用它們,因此它們很難獲得更好地了解流程并改進其軟件。
對中國來說,幸運的是一些進展為國內半導體行業的發展提供了更為積極的前景。Arm中國的成立,對Imagination Technologies的收購,英特爾對瀾起科技和ProPlus的投資,合肥長鑫(CXMT)獲得RambusIP許可協議以及基于RISC-V架構的發展,都可能為加強中國半導體產業帶來機遇。在芯片設計領域,根據IC Insights的數據,海思已經處于世界一流水平,并于2020年第一季度首次進入半導體銷售領導者的前十名。近期最新的進展成果還有兆芯發布的第一個X86架構的國產CPU,平頭哥發布的基于RISC-V的CPU和AI推理芯片以及長江存儲(YMTC)發布的3D NAND閃存芯片等,這也表明中國芯片設計肯定正在取得進展。中芯國際最近宣布將在14nm FinFET上量產海思的麒麟710A,這對中國芯片制造業來說是一個重大發展。
但是……特別是在設備和EDA領域,挑戰仍然存在,而當行業龍頭(包括設計和制造領域)在研發上投入更多資金并保持其技術領先地位時,要趕上行業領導者則極為困難。大基金的設立是幫助中國半導體公司縮小這一差距的,最近的趨勢是似乎有更多的中國半導體公司積極準備上市,例如在上海科創板(STAR),中微(AMEC)和瀾起科技已經上市,中芯國際(SMIC),芯原(VeriSilicon)和芯愿景(Cellix)也宣布籌備上市,此外Imagination Technologies公司,紫光展銳(UNISOC)和地平線機器人也被傳言計劃IPO。可以理解企業上市為尋求更多的資金和資源,但他們也應該記住,投資者的利益(快速回報)并不總是與公司自身的利益(長期致力于研發)保持一致。對于那些仍需確立自己在全球半導體價值鏈中的地位的公司來說,沒有捷徑可走。
當然,中國國內半導體行業發展的最大障礙是當前的地緣政治氣候和美國政府最近采取的限制美國公司的行動,自2020年5月15日起,非美國公司也不能與一些中國半導體公司做生意。在下一篇文章中,我將更多地討論美中科技戰爭對半導體行業的影響。敬請期待!
最后,我想建議讀者進一步閱讀,這確實使我對中國半導體產業的歷史和發展有了更好的了解。這非常有用,我真的很喜歡閱讀戴老板(Boss Dai)最初撰寫的文章,該文章于2018年5月15日發布在他的微信公眾號上:中國芯酸往事。本文由Jeffrey Ding和Lorand Laskai 翻譯成英文,并發表在2019年7月8日的中國AI通訊(ChinaAI Newsletter):“The Sour Past of “China Chips”。
(i)關于數據收集的說明
在對全球半導體價值鏈的分析中,我選擇了201家公司:中國大陸100家,美國42家,其他地區的59家。其中121家上市公司,可以從其年度報告中獲取其銷售和研發支出數據。所使用的年度報告是截至2019年12月31日或更早的財年的報告,以下公司除外:愛思強(Aixtron),匯頂科技(Goodix),長電科技(JCET),力晶半導體(PowerChip),塔爾半導體(Tower Semiconductor)(2018-12-31),安霸半導體(Ambarella)(2020-1-31)和美滿電子(Marvell)(2020-2-1)。
對于另外15家公司,我使用了其他公開數據:安謀科技Arm(2019年軟銀集團年度報告),寒武紀(Cambricon),格芯(GlobalFoundries),Imagination Technologies,鎧俠(Kioxia),安世半導體(Nexperia),世界先進半導體(Vanguard International Semiconductor)(VIS合并財務報表)和芯原微(VeriSilicon)。
對于格科微電子(GalaxyCore),海思(HiSilicon),華大半導體,北京矽成半導體(Integrated Silicon Solutions Inc),Sanechips Technology,紫光展銳(UNISOC):Trendforce(2018收入)。
對于明導國際(Mentor Graphics),根據2016年和2017年Synopsys和Cadence的合并收入份額(Synopsys 46%,Cadence 33%和Mentor 21%)計算了2019年收入與Synopsys和Cadence的相對收入(Mentor最新可用年度報告) )。
對于某些公司而言,其半導體業務是其總業務的一部分。對于這些公司,我只包括半導體收入:
富士通半導體(Fujitsu Semiconductor):設備解決方案中的LSI設備,占富士通集團總收入的5.3%。
日立高科技(Hitachi Hitech):電子設備系統,占總收入的20.1%。
IBM:系統(包括服務器和存儲系統),占總收入的9.9%。
Jusun Engineering:半導體(不包括顯示器和太陽能電池),占總收入的52%。
三菱電機(Mitsubishi Electric):電子設備,占總收入的4.4%。
三星(Samsung):設備解決方案內的半導體(不包括公司間收入),占三星電子總收入的28%。
天津中環:半導體器件(不包括半導體材料和新能源),占總收入的0.83%。
Wonik IPS:半導體(不包括顯示和太陽能),占總收入的55%。
一些活躍在全球半導體價值鏈中的大公司被排除在數據分析之外,因為它們沒有報告與其半導體相關業務的財務數據,或者其數據不夠具體,無法包含在此分析中,例如,蘋果(美國,設計),百度(中國,設計),博世(德國,設計),佳能(日本,設備)和尼康(日本,設備)。
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