数字芯片 头豹词条报告系列

数字芯片行业分类 按照使用功能，数字芯片可分为存储器、数字逻辑IC和微型元件。存储器可进一步分为易失性存储器RAM 和非易失性存储器。数字逻辑IC即逻辑芯片，是以二进制为原理实现运算与逻辑判断功能的集成电路。微型元件 指MCU单片机，指将运算、存储等功能集成于一个芯片之上的微控制单元。 按照使用功能分类 存储器指利用半导体、磁性介质等技术制成的存储数据的电子设备。根据断电后数据是否会丢失，存储器可分为易失性存储器RAM和非易失性存储器。易失性存储器RAM（即随机存储器）的典型代表是内存（内存是程序运行的临时场所），其主要特点为断电数据丢失，但存取数据速度快。按照存储结构分类，RAM可分为动态随机存储器和静态随机存储器。非易失性存储器的典型代表是硬盘，其主要特点为断电数据不丢失，可用于长期存储数据。非易失性存储器种类较多，分别是ROM只读存储器、FLASH存储器（闪存）和外部大容量存储器，如移动硬盘。 存储器 数字逻辑IC即逻辑芯片，该类芯片指包含逻辑关系，以二进制为原理实现运算与逻辑判断功能的集成电路。常见的逻辑芯片有中央处理器（CPU）、图像处理器 （GPU）、专用处理器（ASIC）和现场可编程门阵列（FGPA）。CPU由运算、控制、存储三个单元组成，主要负责进行分析、判断、运算并控制计算机各部分协调工作。GPU是显卡的计算核心，主要负责图形渲染（图形渲染的实质是大量数据的快速并行计算）。 数字芯片分类 数字逻辑IC ASIC是实现专门目的的集成电路，手机应用处理器是其中的典型代表。FGPA指半定制的ASIC集成电路，该类集成电路可通过修改软件程序更新或改变芯片逻辑功能。 微型元件指将运算、存储等功能集成于一个芯片的微控制单元，即微控制器（MCU），别名单片微型计算机或单片机。微控制器是芯片级的计算机，该元件将中央处理器（频率与规格适当缩减）和各类部件整合在单一芯片上。MCU具有功耗低、成本低、可运算的特性，在对中央处理器计算性能要求不高的电子终端领域应用范围广泛，如家用电器，汽车多媒体系统等。 微型元件 中国数字芯片行业具有细分领域众多、高端数字芯片国产化率低、周期性波动的三大特征。数字芯片包括存 储器、逻辑芯片、单片机，不同类型数字芯片细分领域众多且技术差异大。国产芯片以低端为主，高端数字芯片 数字芯片细分领域众多 数字芯片包括存储器、逻辑芯片、单片机，不同类型数字芯片细分领域众多且技术差异大。 数字芯片细分领域众多，其中典型行业包括移动CPU、计算机CPU/MPU、ASIC、FPGA、MCU、存储芯 片等。技术差异是导致数字芯片细分领域多的主要原因。数字芯片的细分领域对设计软件、材料、加工制造、工艺知识、装备精度等要求差异较大。因此，实现多领域覆盖对资金、研发能力的要求较高，大多数 数字芯片企业专注于其中一个或几个细分领域。例如，长江存储专注于存储器的研发、海思半导体专注于处理器研发等。 高端数字芯片国产化率低 国产芯片以低端为主，高端数字芯片国产化率较低。 2022年1月，中国进口集成电路3,247块，按照个数计算，中国芯片国产化率达37%。然而，国产芯片以低端为主，并且部分国产芯片由外资企业在中国子公司生产。制程工艺先进是高端数字芯片的主要特征。目 前，处理器等高端数字芯片制程基本小于14nm。在2020年中国的2,000多家芯片设计公司中，大多数公司仍采用0.11μm、0.13μm、0.18μm甚至更落后的制程工艺，仅海思半导体、寒武纪等厂商能设计出CPU、 GPU、DSP和FPGA等高性能数字芯片。与此同时，制程工艺的提升意味着对芯片制造设备、封测工艺的要求同步提升。高端数字芯片对制程工艺、集成化能力、技术研发能力、规模化运营的要求使得高端数字芯 片行业壁垒较高，行业壁垒加剧海外头部厂商的垄断程度，这一局面不利于中国数字芯片产业发展。因 此，中国高端数字芯片国产化率亟待提升。 数字芯片呈现周期性波动的特征 数字芯片行业具有高低波动循环的库存周期特征。 库存错配是数字芯片行业周期性波动的主要原因。一个完整的库存周期包括被动去库存、主动补库存、被动补库存和主动去库存四个阶段。在被动去库存阶段，数字芯片需求量增大导致产品供不应求，库存持续 减少，数字芯片价格开始上升。在主动补库存阶段，产能供给增加，供不应求的局面开始改变但需求仍大于供给，数字芯片价格增速放缓。在被动补库存阶段，供大于求，新增产能逐渐形成库存，数字芯片价格 开始下跌。在主动去库存阶段，供给厂商由于数字芯片价格下跌盈利能力持续恶化，部分产能退出市场导 致整体供应量减少，库存开始下降。2022年第三季度，消费类芯片库存达到顶点，芯片企业开始进入主动去库存阶段。以数字芯片设计公司为例，紫光国微2022年第三季度存货21亿元，紫光国微2022年第三季 度存货22亿元，国科微2022年第三季度存货19亿元，大多数数字芯片设计企业在这一季度达到2021年第 数字芯片发展历程 1947年至1964年是中国数字芯片行业萌芽期。在萌芽期，集成电路的概念传入中国，中国开始在20世纪50年代后着力培养半导体技术人才。1965年至2013年是中国数字芯片行业启动期。在启动期，河北半导体研究所 鉴定会鉴定出中国首批DTL型数字逻辑电路。1978年后，中国先后成立多个国家级项目推动数字芯片产业发展，如909工程。中国芯片需求量在启动期不断提升，但国产率较低，芯片在2013年成为中国第一大进口商品。 2014年至今是中国数字芯片行业高速发展期。在高速发展期，中国数字芯片国产率不断提升，但高端数字芯片 市场仍受海外厂商垄断。2019年开始的贸易制裁进一步刺激中国数字芯片行业的国产化进程。 萌芽期 1947~1964 1947年，美国贝尔实验室发明半导体点接触式晶体管，人类进入“硅文明时代”。 1956年，中国提出“向科学进军”的口号，国家将半导体科学列为四大紧急措施之一。 同年，中国固体物理学和半导体物理学奠基人黄昆建议和组织实施“五校联合半导体物理专门化”， 北大、复旦、吉大、厦大和南大5所大学两年间共培养300多名半导体专门人才。 1957年，中国相继研制出锗点接触二极管和三极管（晶体管）。 数字芯片行业的诞生几乎与芯片行业的发展同步。在美国出现半导体点接触式晶体管后，集成电路的 概念逐渐传入中国。20世纪50年代后中国开始着力培养半导体技术人才，此时中国苏子芯片行业处于萌芽期。 启动期 1965~2013 1965年，河北半导体研究所召开鉴定会，会议鉴定中国首批DTL型数字逻辑电路，鉴定会的召开标志 着中国数字芯片行业进入启动期。 1978年，中国召开全国科学大会，该大会号召全体社会向科技现代化进军。 1995年，中国909工程立项，其方针为：建设集芯片设计、制造和销售为一体，并以整机发展紧密结 合的中国微电子行业大型跨国企业集团。 2002年，信息产业部、国家税务总局颁布《集成电路设计企业及产品认定管理办法》，公布国家首 批认证的集成电路设计企业。 高速发展期 2014年，国务院印发《国家集成电路产业发展推进纲要》，芯片设计上升为国家战略。国家“芯片大基金”正式设立，各大基金公司通过控股形式投资芯片制造、设计、封测等行业，数字芯片行业进 入高速发展期。 2018年，中国核心数字芯片国产率处于较低水平，处理器、存储器、FPGA等数字芯片国产自给率不 足10%。 2019年，美国商务部将华为及其70家子公司添加到实体名单，中国数字芯片行业开始全产业链国产化进程。 2022年，中国芯片国产化率稳步提升，芯片进口量累计减少970亿颗。 2014年，国务院印发《国家集成电路产业发展推进纲要》，该政策的颁布标志着中国数字芯片行业 进入高速发展期。中国数字芯片国产率稳步提升，2019开始的国际贸易制裁进一步推动中国数字芯片自研和全产业链国产化进程。 数字芯片上游分为EDA工具、IP核授权商和晶圆代工厂。EDA工具代表企业有Synopsys、Candence、华 大九天、西门子等。知名IP核授权商有ARM、Synopsys芯原微电子等。晶圆代工厂代表企业有台积电、中芯国际等。中游为数字芯片厂商，代表企业有韦尔股份、紫光国微等。下游为数字芯片终端应用，代表企业有联想、 华为、步步高、比亚迪等。 上游EDA工具： 1)从竞争格局分析，Synopsys、Cadence、西门子为全球EDA行业三大龙头公司。这三家公司在中国EDA 市场销售额占比合计达68.8%。 2）从周期性分析，EDA工具作为芯片产业链的最顶端环节，周期性波动滞后于整体产业且由于知识产权积 累，波动幅度较小。 上游IP核授权商： 1）从议价能力分析，IP核产品附加值高、毛利率强，对下游芯片设计环节议价能力较强。 2）从从业人员角度分析，大陆IP核行业技术人员较少，总体人数不及ARM一家公司的全球员工总数。 上游晶圆代工厂： 1）在竞争格局方面，全球芯片制造行业呈现较为明显的头部效应。台积电是目前世界最大的晶圆代工厂， 在全球芯片制造领域市场份额超过50%。 2）在产能区域分布方面，全球晶圆代工产业正在向中国大陆转移。2016年至2020年，全球新增投产的晶圆 厂为62座，其中有26座建设于中国大陆，占全球总数的42%。 中游数字芯片厂商： 1）在国内外技术差距方面，中国数字芯片厂商与海外头部厂商存在较大差距。在高端数字芯片领域，中国 头部厂商如龙芯、景嘉微等暂时无法与海外知名厂商直接竞争。 2）在设计成本方面，制程工艺越高，数字芯片设计成本越高。IP核购买费用、自研部件费用、专利费和人 员工资是芯片设计环节的主要支出。 下游数字芯片终端应用市场： 1）在芯片采购支出排名方面，联想、步步高、小米、华为四家中国企业2022年芯片采购支出排名全球前 十，合计657.9亿美元，占整体采购市场比例达10.9%。 2）在应用市场对芯片的需求量方面，智能手机和计算机对芯片的需求量占数字芯片应用市场整体需求量的 50%以上。物联网市场成为目前拉动数字芯片需求增长的主要动力。 上 产业链上游 生产制造端 EDA工具 上游厂商 Synopsys Candence 北京华大九天科技股份有限公司 查看全部 产业链上游说明 EDA（Electronic Design Automation）指电子设计自动化技术，是一种利用计算机辅助设计软件进 行芯片功能设计、物理设计（布局、布线、版图、设计规则检查等）等流程的设计方式。 在全球竞争格局方面，Synopsys、Cadence、Mentor Graphic为EDA行业三大领军公司（Mentor Graphic于2016年并入西门子公司），三大公司全球市场份额超过60%。其中Synopsys、Candence既是EDA厂商又是IP核供应商，两家公司利用原有EDA设计软件和技术优势开发出大量的模拟、数字 及混合信号IP核。目前，在中国EDA工具市场，全球前三大EDA公司Synopsys、Cadence、Siemens EDA销售额合计超110亿元，CR3高达68.8%，但国内EDA企业如华大九天在细分领域个 别工具功能强大，优势明显。 在周期性波动方面，EDA处于芯片产业链的第一环，终端芯片应用商所面临的半导体行业下行压力需 要经过芯片设计厂商、晶圆制造厂商再传导到EDA公司。因此，EDA的周期性波动滞后于整个芯片制 造行业的周期性波动，且波动幅度较小。知识产权积累是EDA公司周期性波动幅度小的主要原因。 EDA厂商处于产业链最顶端，EDA巨头凭借多年积累的知识产权建立算法密集的大型工业软件系统， 可替代性较弱，议价能力强。 生产制造端 IP核授权商 上游厂商 芯原微电子（上海）股份有限公司 中科寒武纪科技股份有限公司 苏州国芯科技股份有限公司 查看全部 产业链