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芯片為何如此重要?行業現狀及賽道解析

2022-09-20
來源:21ic

8月9日,美國總統在白宮簽署《芯片和科學法案》。

法案內容主要是對美本土芯片產業提供巨額補貼,為美國半導體研發、制造以及勞動力發展提供527億美元。其中390億美元將用于半導體制造業的激勵措施,20億美元用于汽車和國防系統使用的傳統芯片。此外,在美國建立芯片工廠的企業將獲得25%的減稅。

早在2020年8月,我國也提出,要從財稅、投融資、研發、進出口、人才、知識產權、市場應用、國際合作等方面支持集成電路和軟件產業發展,提出中國芯片自給率要在2025年達到70%。

可見,芯片被大家重視的程度。但芯片究竟為什么這么重要?我國芯片行業現狀如何?哪些賽道更被關注?

報告醬梳理了多篇相關報告,與大家一同分享。

芯片為何重要?

想要了解芯片的重要性,我們最好先了解芯片是什么。

如果用身邊實物來舉例的話,半導體材料可以比作制作紙張的纖維,集成電路可以比作紙張,芯片則是紙張做成的書本。

工程師們努力的方向就是讓集成電路更小更復雜,使得芯片的功能更強大。

集成電路是指組成電路的有源器件、無源元件及其互連一起,制作在半導體襯底上,或絕緣基片上,形成結構上緊密聯系的、內部相關的電子電路;芯片一般是肉眼能夠看到、長滿了很多小腳的,或者腳看不到、但是很明顯的方形物體。

它們都被廣泛應用于通信、安防、軍事、工業、交通、消費電子(例如:手機、電視、電腦等)等領域。

幾乎只要用電的東西,它里面都或多或少存在一些芯片。一旦失去芯片,我們生產制造的手機、電腦和家用電器,都會無法正常進行下去。這就是芯片重要的原因。

芯片行業現狀

芯片屬于半導體元件產品的統稱,是集成電路(IC, integrated circuit)的載體。

相比來說,集成電路范圍要更廣,把一些電阻電容二極管集成到一起就算是集成電路了,但這個概念也會更加偏向于底層。

我們看行業現狀,以集成電路為主來統計。

隨著貿易爭端問題緩和、全球疫情逐步得以控制、5G、物聯網、人工智能、可穿戴設備等新興應用領域持續蓬勃發展,預計2026年,全球集成電路市場規模將增至7478.62億美元。其中:

集成電路設計達到2774.57億美元;

集成電路制造達到3834.05億美元;

集成電路封測達到870億美元。

國內來看,我國集成電路產業起步較晚,2018年以來,受“實體清單”影響,中興、華為等企業被貿易制裁,我國更加重視芯片的發展,行業也隨之進入高速發展階段。

據我國半導體行業協會數據顯示,集成電路市場規模從2017年的5411億元增長至2021年的約9145億元,其中2017-2021年復合增長率為14%。預計2026年,我國集成電路市場規模將達到22755億元,2021-2026CAGR為20%。

從芯片的結構來看,產業有兩大核心:

一是電路理論,也就是芯片的研發設計,國內為人熟知的芯片設計公司是華為的海思;

二是生產制造,也就是芯片的制造工藝,典型的芯片制造公司是臺積電和中芯國際。

目前,我國集成電路需求旺盛,但國內自給量不足,需要大量進口,對外依賴度較高。根據海關總署的統計數據,2021年中國集成電路產品進口數量為6354.81億個,出口數量為3107億個,進口金額為4396.94億美元,出口金額為1563億美元,存在較大的貿易逆差。

其中,EDA是集成電路產業的基礎支柱,支撐著龐大的數字經濟。下游中,汽車智能化需求極大,而智能化的硬件基礎便是芯片。這也是報告醬認為,當下最火熱的兩大賽道。

EDA&汽車芯片

1. EDA,半導體皇冠上的明珠

EDA是電子設計自動化的簡稱,是電子設計與制造技術發展中的核心。

EDA技術以計算機為工具,采用硬件描述語言的表達方式,對數據庫、計算數學等進行科學、有效的融合,是用于輔助完成超大規模集成電路芯片設計、制造、封裝、測試整個流程的計算機軟件。

如果說半導體是工業皇冠,那么EDA無疑是皇冠上的明珠。

2020年整個EDA的市場規模僅為115億美元,在整個集成電路產業中占比很小,和以互聯網為代表的信息技術服務產業相比更是九牛一毛。

但是EDA產業是電子設計產業的最上游,也是整個電子信息產業的基石之一。一家集成電路企業如果沒有EDA工具,會陷入巧婦難為無米之炊的境地。如果抽調這顆小小的基石,整個半導體行業都將崩塌。

EDA工具的發展創新極大程度提高了芯片設計效率,一直以來是推動芯片設計成本保持在合理范圍的重要方式。根據加州大學圣迭戈分校AndrewKahng教授在2013年的推測,2011年設計一款消費級應用處理器芯片的成本約4000萬美元,如果不考慮1993年至2009年的EDA技術進步,相關設計成本可能高達77億美元,EDA技術進步讓設計效率提升近200倍。

EDA市場規模雖小,但卻需要覆蓋集成電路從設計到制造的全流程。故全球三巨頭在發展前期均選擇了優先發展部分點工具,后逐步布局全流程的發展模式。

Synopsys的優勢在于數字芯片設計、靜態時序驗證確認以及SIP提供;

Cadence的強項在于模擬或混合信號的定制化電路和版圖設計;

SimensEDA(原MentorGraphics)主攻后端驗證、可測試性設計和光學臨近修正。

國內市場來看,華大九天已實現模擬電路的全流程工具覆蓋,同時,華大九天也擁有全球領先的全流程平板顯示(FPD)開發平臺,市場份額6%左右。其次是概倫電子,在我國的市場份額約在1%。

2. 汽車芯片

目前,芯片大多分為四個等級,軍工級、車規級、工業級以及消費級,不同等級的芯片,無論是在成本、制作難度、制作工藝上都有著一定的差別。

車規級芯片,顧名思義,就是使用在汽車身上的芯片。在一輛汽車身上,芯片的數量一般在50-150個之間,大部分汽車包括主要的ADAS系統、ESP、發動機ECU、傳感器等等,而一些高端的車型,比如說帶有雨量感應配置的,這其中也需要用到一個芯片。

因此,別看汽車屬于機械產物,但是對于現代汽車來說,芯片已經是汽車內部構造中不可缺少的一個重要部件。

與手機、電腦芯片不同,汽車所使用的車規級芯片運算能力上要更快、更強,并且需要保證其穩定性,如果汽車上的芯片出現故障,很可能會導致安全性的下降,比如說ADAS系統芯片、ESP芯片等等。

并且因為車規級芯片的制作成本和工藝要求較高,其中研發的成本和研發周期也非常長,不是資本充足的科技公司,基本無法承受,所以能夠制造和生產汽車芯片的企業少之又少。

物以稀為貴,參考天風《汽車芯片:電動化乘勢而行,智能化浪潮之巔》觀點,看好我國核心汽車芯片公司在智能&電動化浪潮下的產業鏈重構+國產替代浪潮下的機遇。



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