【上海国际电力元件展览会】国产集成电路高端化的问题与建议

上海国际电力元件、可再生能源管理展览会新展期定于2020年11月16-18日在上海世博展览馆举行，邀您关注今日上海国际电力元件展览会新资讯：

       随着全球贸易环境愈加复杂，部分国家通过行政甚至司法手段限制我国集成电路产业发展，倒逼我国集成电路产业必须加快实现高端化突破。但是，我国集成电路产业在很多领域仍然呈现出技术产品盘踞中低端、产业层次低、企业规模小、整体布局散的格局。我国集成电路国产化现状及存在问题，如何突破产业高端化发展，提升自主化能力？是当下我国集成电路产业发展面临的主要挑战。

       1 / 面临的形势

       集成电路是当今信息技术产业高速发展的源动力，已广泛渗透与融合到国民经济和社会发展的每个角落。加快构建以集成电路为核心的现代信息技术产业体系，是推进信息化和工业化深度融合、落实国家安全战略和产业发展战略的迫切要求，是推动我国经济结构战略性调整的必然选择。

       随着中美贸易摩擦使得外部环境越发严峻，进一步的限制、阻碍我国包含集成电路在内的高新技术产业发展，倒逼我国集成电路产业必须把握住全球新一轮科技革命和产业变革机遇，走突破高端化提升自主化水平的发展之路。

       集成电路通常可分为模拟集成电路和数字集成电路两大类。因为两类集成电路产业涵盖的产品种类众多，且发展特点不尽相同，因此我们选取MCU、蓝牙、SSD主控等数字集成电路产品以及模拟IC（电源管理和信号链IC）、射频器件及芯片、光通信芯片等模拟集成电路产品为例，来说明我国集成电路产业高端化突破及国产化情况。这些产品同时具备市场量大面广、国产盘踞中低端的特点，如果能尽快突破，实现高端领域的进口替代，将会具有很强的指标效应，值得着重分析。

       2 / 高端化突破及国产化发展现状

       当前，世界格局进入大调整、大变革的新阶段，出现以科技竞争为核心的全面竞争态势，我国发展将面临更加复杂严峻的政治经济环境，倒逼我国集成电路产业必须加快实现高端化突破。为此，本节着重从数字集成电路、模拟集成电路、射频前端芯片和器件，以及光通信器件和芯片的四大块来分析国产化发展现状：

       （1）数字集成电路。在该领域中，MCU、蓝牙和存储器主控芯片都是在消费电子领域广泛应用的基础性芯片。现状表现：

       ●MCU。中国每年的MCU市场容量达到400亿元左右，但目前国产MCU占据的主流市场还停留在8位，占比50%左右，其中国产32位MCU占总市场比重还不到5%。这主要缘由在于，我国芯片制造在嵌入式Flash工艺、IP及模拟技术等受制于人，致使产品在性能和稳定性方面，和国外企业还具有一定的差距。特别是在32位以上的高端领域自给率几乎为零。

       今天，国内大部分电器厂商及消费类终端厂商首选是ST、NXP等国外厂商。对价格有一定要求的会选择日韩及台湾地区MCU品牌，之后才会考虑国内品牌。

       ●蓝牙。其已经成为在物联网短距离连接方面的最佳方案，且仍保持着芯片市场以每年4亿片左右的规模增长。未来蓝牙芯片的出货量也将持续保持非同一般的增长态势。预测2018~2022年复合增长率仍可达8%~12%，低功耗蓝牙增长在20~30%，2022年蓝牙设备整体出货量达 52亿颗以上。

       但是，蓝牙芯片国产率目前不到20%。虽然国内少数厂商在少数应用上取得突破，可市场占比依然很小，低端产品同质化、价格战明显，毛利较低，简单透传的场景较多。

       ●存储器主控芯片。它是数字集成电路产品里另一个应用范围极广的领域。目前，我国这一块市场，在高端存储器主控芯片订单主要集中在美国的Marvell和Microchip（收购PMC而得），面向的主要是工业领域和企业级系统；在消费类低端主控芯片则主要由台湾慧荣（SMI）和群联（Phison）瓜分。其中慧荣的市场份额更是高达30%。

       就国产存储器主控厂商，总数有三四十家，但技术水平参差不齐，大部分国产存储器主控核心的IP是从国外授权/购买使用许可的，没有自己可以修改的源代码。由于IP受制于人，因此，在成本上面没有竞争力，在技术演变发展方面也被制约。

       （2）模拟集成电路。这一类产品是所有电子产品的必需品，市场规模持续增长，2018年全球模拟芯片占全球半导体市场比例为12.2%。其中，2018年中国模拟芯片市场规模2273.4亿元，同比增长6.23%，市场占全球比例超过50%，增速高于全球平均水平。近五年复合增速为9.16%。

       按具体功能分，电源管理类和电压控制类模拟芯片占比接近60%，是最重要的市场。其次，运算放大器和比较器合计占比达16%、ADC/DAC占比达15%。

       就国内模拟芯片市场份额来看，35%是被TI、ADI、NXP、英飞凌、意法半导体等国际模拟芯片巨头占据，其中TI以13%的市占率位列第一。而国内模拟厂商的自给率不到20%，在高端领域低于5%。

       （3）射频前端芯片和器件。这一块是无线连接的核心，是实现信号发送和接收的基础零件，有着广泛的应用。它包括射频开关和LNA，射频PA，滤波器，天线Tuner和毫米波FEM等。其中，滤波器占射频市场额约50%，射频PA占约30%，射频开关和LNA占约10%，其他占约10%。可以看到，滤波器和PA是射频前端芯片和器件的重要部分。迄今为止，全球93%的PA供应集中在Skyworks、Qorvo、新博通等几家美国厂商手中。另外，在滤波器市场方面，也被村田、Qorvo等日美厂商瓜分，其中日商瓜分了80%的SAW滤波器供应，而美企则统领了95%的BAW滤波器市场；在射频器件方面，中国台湾如TSMC等则占据大部分射频器件代工的市场份额。就市场来看，在本土射频厂商的合力下，2G射频器件替代率高达95%，3G替代率85%，4G替代率有40%，而在5G射频领域替代率基本为零。

       ●光通信器件和芯片。这一块对于推进5G全产业自主可控至关重要。就市场来看，在中兴、华为等通信设备的强势助攻下，中国已成为世界上最大的光器件消费大国，市场占比约为35%。就国产化来看，国内企业在无源器件、低速光收发模块等中低端细分市场较强，然而以高速率为主要特征的高端光芯片技术，还掌握在美日企业手中，我国高速率光芯片国产化率仅3%左右。在技术产品及其制造来看，国内企业目前只掌握了10Gb/s速率及以下的激光器、探测器、调制器芯片，以及PLC/AWG芯片的制造工艺以及配套IC的设计、封测能力，25Gb/s的工艺能力及产能配套都无法形成规模；单通道25Gbps光芯片大部分已可国产化，电芯片部分国产化，但绝大多数25Gb/s速率模块使用的光电芯片只能做到小批量供货，大部分还要依赖进口。50Gbps以上的光电芯片，只有很少部分器件可国产化。更为高端的100G光通信系统，其中可调窄线宽激光器、相关光发射/接收芯片均高度依赖进口。尤其是，在电跨阻放大芯片、高速模数/数模1通信前传光模块需要的50Gb/s PAM-4芯片方面，还鲜少有国内厂家能够规模化供货商用解决方案。

       综上分析可见，我国集成电路在数字和模拟领域的主要产品上高端化水平和国产化率普遍不高。表1显示了我国计算机、电子和通信系统中国产芯片占有率情况，总体来看，除了在移动终端的应用处理器和基带、核心网络设备的网络处理器等领域，国产芯片占有20%左右的市场份额，大部分电子信息产品领域，国产芯片的支撑能力都非常薄弱。

       表1：我国电子信息系统中国产芯片占有率情况

       3 / 主要挑战

       我国集成电路产业推进高端化进程中面临的问题和挑战有很多，本节分别就数字集成电路和模拟集成电路的进口替代和高端化突破面临的主要挑战给与分析：

       （1）数字集成电路面对的问题。

       ●下游厂商替代意识不强，国内厂商又存在急功近利的想法，在生态建设方面推进缓慢。相比之下，国外企业凭借多年的积累，在产品系列、开发工具、评估工具、软件库、应用支持及know-how方面已经构建了完整的生态，致使应用端很难实现替代。

       其中，如MCU的生态方面，目前多数国产MCU企业之所以难于摆脱ST生态环境的束缚，主要缘由：一是它们产品直接以与国外大厂软硬件兼容为卖点，仅停留在开发板、烧写器和基础固件库上，至于开发环境（IDE）、RTOS和中间件，依旧依靠第三方更高层应用的支撑。二是由于MCU芯片的价格占整机成本的比例非常小，国产MCU与进口MCU的价格差距已经不足以驱动高端用户选择尚不成熟的国产MCU，因此国内系统级用户对采用国产MCU的态度就非常谨慎。这就造成国产MCU长期被禁锢在低端领域，持续进行着国产厂商之间的低层次竞争，而始终无法跃上一个台阶去与进口MCU竞争更高价值的市场。

       ●技术难度加大，技术更迭周期短，国外厂商依靠标准和知识产权提前站位，国内技术差距有逐渐拉大的风险。具体表现：

       一是，标准方面，蓝牙、存储器主控等覆盖范围非常广的产品都需要依据不同的标准和协议来进行产品定义。二是，技术方面，以存储主控器为例，随着存储器层数快速增加，需要关注高速IP接口、NAND闪存颗粒适配技术、28nm及以上工艺超过7000万逻辑门电路芯片设计能力和封装测试能力、对国产密码算法SM4的性能要求和系统兼容性、高性能LDPC纠错技术的持续研发能力等。三是，配套方面，需要综合考虑与之适配的固件研发难度、大规模量产研发难度等整体难度，这对国产芯片追赶先进厂商的产品而言更加困难。国外厂商则依靠知识产权的优势领导行业最新技术和标准的升级，在产品推出时间上能领先国产厂家，吃掉产品生命周期中利润最丰厚的时段。

       ●国产数字集成电路厂商产品多元化程度不够，能获得的产业链支撑资源也很少。具体表现：

       一是，国外厂商往往卖出一颗数字芯片的同时还能顺带卖出周边的多颗价值远超这个芯片自身的模拟芯片、功率器件、传感器等产品，从而实现公司整体上的高收益。但大多数国内厂家还是只能仅仅依靠产品自身的利润来造血发展。二是，国产芯片厂商在产业链资源方面也落后很多，以存储器1主控为例，实力非常小的国产存储器主控厂商，很难获得NAND颗粒原厂支持，同其他独立主控大厂商相比，国产主控厂商缺乏NAND颗粒资源的支撑，也就缺少了优化纠错算法的关键参数，产品实现高性能会受到一定程度影响，同时也很难实现规模量产。

       （2）模拟集成电路面对的挑战。

       ●无法满足高性能模拟集成电路对工艺技术上的差异化要求和产能需求，是影响国内模拟集成电路高端化突破的主要瓶颈。具体表现：

一是，大部分高端模拟集成电路产品，需要实现在设计和工艺的紧耦合，如：低失调运算放大器、精密基准、仪表放大器、高压运算放大器等。纵观国际知名的模拟集成电路供应商，几乎所有都是IDM厂商。拥有自己的晶圆厂是他们能够领先市场的关键，而对于国内模拟集成电路企业而言，不仅严重缺乏自身具备有竞争力的工艺开发能力，且也缺乏与代工的交流和耦合的“杀手锏”。二是，高端产品普遍缺少本土代工厂的支持机制，且在产能上本土代工厂对模拟芯片也不够重视（根据芯谋研究的数据，国内可用于模拟集成电路制造的晶圆月产能约为38.4万片，扣除用于其它工艺的产能，实际可用产能不到20万片——模拟集成电路制造当前的产能缺口高达54万片/月），使得这些厂商只能高度依赖海外FAB的资源。

       其中，如射频芯片领域，目前，射频器件（不含滤波器）涉及的主要工艺包括GaAs, SOI, CMOS, SiGe，GaN和InP。除了CMOS和SOI等硅基材料工艺，国内在化合物材料工艺方面的短板非常明显。又如在光通信芯片领域，高速DFB、EML芯片所需的InP工艺，VCSEL激光器所需的GaAs工艺等都依赖美国、中国台湾等国家和地区的代工资源。可以看出，大部分模拟集成电路领域所需特色工艺和产能，国内都无法满足需求。

       ●全产业缺乏整合，肯坚持做高端产品具有“铁棒磨成针”的模拟集成电路企业少之又少。主要缘由：

       一是，相比数字集成电路来说，模拟集成电路资本投入较小、市场巨大、应用广泛、设计团队较精简，成为非常适合创业团队大展拳脚的领域。但这样也造成了国内模拟集成电路领域创业扎堆严重，靠抄袭去快速进入市场的模拟团队也有存活空间。二是，由于模拟集成电路靠良好的供应链运营就可以维持生存甚至保持可观的毛利率，因此大部分模拟集成电路公司都倾向选择在中低端电源管理、运放、无线充/快充等领域靠低价竞争实现收益。长久以往，某些注重坚持投入研发和知识产权的保护，主动提高产品性能的“良币”企业将被驱逐，市场上靠抄袭和低价竞争的“劣币”企业反而越来越多，形成了很大的产业内耗。三是，模拟集成电路高端化突破需要更多具有“铁棒磨成针”的模拟集成电路企业，另外已经具备一定规模的领军型模拟企业也需要发挥龙头的作用，主动利用资本的优势积极进行产业整合，引导全行业良性发展。

       ●终端用户对国内高性能的模拟集成电路产品信心不足，上游产业资源对模拟集成电路产业的支撑不足。主要缘由：

       一是，对于工业、医疗电子、测试测量仪器仪表等对芯片性能和质量的要求高，而对芯片价格不敏感的行业客户，在选择国产高性能模拟集成电路时候非常谨慎。由于没有足够高端应用市场给予“试错”机会，国产模拟集成电路多数只能集中在低端进行价格竞争，难有机会走向高端做性能的提升。二是，模拟集成电路产业上游相关配套行业领域基础薄弱，也无法形成支撑。以光通信器件产业为例，其发展严重依赖于先进测试仪表、制造装备等基础性行业能力。国内仪表装备厂商基本从事低端设备的开发，精度高、自动化程度高的设备大多严重依赖进口，光通信器件企业固定资产投资负担重，还存在产业安全等问题。应提高对自主研发的光通信器件制造与测试装备的重视程度，比如全自动高精度贴片机、全自动打线机、高速率光电信号测试仪表及装备等。

       4 / 相关建议

       （1） 加强工业、汽车等行业系统大厂和国产芯片及上游供应链厂商的协同联动合作。主要着力点：

       一是，国产整机和系统厂商对国产芯片和上游供应链厂商的支持力度和信任程度都不够，尤其是工业、汽车等价格不敏感行业，对国产高性能芯片的采购非常谨慎，导致国产供应链的规模和影响力一直非常有限，不利于上游的技术升级，更不利于整体产业的自主可控，随时有被“卡脖子”的风险。

       二是，针对产业链上下游的联动合作，需要良好的合作机制来推进，建议协调国内大中型国有工业、汽车等行业类企业，加强对其上下游集成电路产业链上国内集成电路企业的支持。

       三是，利用政府采购，帮助领军集成电路企业积极对接国内重大活动场景系统集成商，整机及模组商的集成电路产品需求，对规模化采购我国集成电路企业产品的厂商按照采购额给予一定比例的奖励，在帮助企业开拓市场的同时，提升我国集成电路产业高端化突破和对基础工业的支撑保障能力和产业链协同能力。

       （2）根据芯谋研究数据，未来5年，国内模拟集成电路市场规模将超过350亿美元，假设按照国产芯片自主供应达到50%，那么晶圆产能需求为118万片/月，而国内既有产能加上确定增加的产能约为75万片/月，仍有43万片/月缺口。建议加快推动面向模拟集成电路的IDM或虚拟IDM产线建设。主要缘由：

       一是，高性能的模拟产品需要设计和工艺紧密结合，而国内缺少代工厂对模拟集成电路厂商在工艺和产能上的支持，就很难形成设计和工艺结合的机会，很难做出高规格的模拟集成电路。因此建议国内主要制造代工企业高度重视模拟集成电路产业，与设计企业及封测厂商进行深度合作，在重点产品领域进行产能绑定，形成虚拟IDM模式，或者探索在芯片制造环节使用“虚拟生产线”等创新模式，提升模拟集成电路产业高端化的推进效率。

       二是，鼓励国内领军的模拟集成电路设计企业，加强在模拟工艺、关键封装测试技术和产能方面的布局，进而探索走出一条模拟集成电路的IDM之路，加快实现模拟集成电路核心工艺和产能的自主可控。

       （3）鼓励引导集成电路企业加大研发投入，加强企业在标准、知识产权领域的创新支持。具体表现：

       一是，从前面的分析可以看出，目前影响我国芯片产品高端化的瓶颈之一还是技术能力和产品性能的不足。因此建议加大对集成电路企业开展关键领域自主研发活动的支持，加强对各类所有制企业的创新政策落实力度，完善以研发费用加计扣除为主的税收优惠政策，引导产业投资基金、银行等金融机构加大对企业创新投入的支持等。、

       二是，在知识产权和标准方面，要充分让全行业认识到知识产权创造是推动集成电路产业高端化突破和高质量发展的关键所在，引导集成电路产业链上下游企业进行高质量自主知识产权竞争力布局，大力培育高价值核心专利，积极参与国际标准制定，通过推动对知识产权和标准研究的激励和保障，让集成电路企业等市场主体更有信心有恒心有动力去创新。

文章来源：CIC集成电路

作者：朱晶

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