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盘点半导体行业2021:整年陷入“缺芯”困局,国产替代已在路上

2022-1-20 10:13

  【天极网企业频道】2021年,以云计算、大数据、人工智能为代表的数字化技术,正在颠覆人类的生产和生活方式,并影响着千行百业数字化、智慧化转型的进程,并逐渐延伸到企业的各个业务环节。在岁末年初之际,天极网联合比特网编辑部希望通过对于热门赛道/重点行业的盘点,分析研究产业趋势方向,洞察真谛,助力企业顺势转型。

  2021年,全球缺芯的危机愈演愈烈。

  过去一年,全球缺芯焦虑,从汽车、消费电子等重点行业,演变成为一场覆盖半导体行业上下游产业链、波及全球消费者的“灾难”。

  其中,汽车厂商出现减产、关停部分工厂,减配出货等情况;智能手机厂商同样困于芯片紧缺,产品研发与出货速度都受到了影响。

  但就是在全球“缺芯”的背景下,中国半导体产业正处在发展最为迅速的一个时期。以眼下世界芯片格局来看,中国半导体行业通过资本刺激,将大量技术转移到以芯片制造业为主导产业中。

盘点半导体行业2021:整年陷入“缺芯”困局,国产替代已在路上

  可以发现,近些年,中国诞生了很多优秀芯片公司,它们大部分的发展历程都是从低端芯片产品的国产化入手,先利用价格优势切入市场,再积累实力和经验走向中高端,最终,他们有望成为中国半导体行业的中流砥柱。

  就在全球“缺芯”的困局和中国半导体行业迅速发展中,我们度过了一个波澜不惊的2021年,接下来,本篇文章就将以半导体领域2021年发展为切入点,总结过往,窥探未来。

  一、全球缺芯仍是行业热点

  芯片行业遭遇史无前例的大缺货,但半导体产业的发展依然有其周期性。目前业界广泛关注的焦点是,这波缺货何时结束,供应何时恢复正常。多个信息源都表明,整个半导体缺货行情不会持续太久,但个别行业芯片的缺货还将持续一段时间。

  造成芯片缺货有很多原因,在整个半导体的发展中,大约两三年会产生一个周期,而目前正处于一个供不应求的高峰周期。而在2019年,实际上处于供过于求,也是整个半导体市场下滑的时间点。再往前推两年,2017年则是一个高峰。往往半导体公司在高峰时期会进行大量投资,投资产出的两年后则又产生供过于求的情况。

  我们认为,各行业的芯片需求爆发最后都会落在全球几个代工厂仅有的产线上生产,而这几大芯片代工厂,由于没有预期到芯片需求的激增,近年来都没有投入资金在工厂扩建上,这就是今年芯片缺货现象愈演愈烈的根本原因。

  在这一轮缺货潮中,处于供应链上游的厂商肯定赚得盆满钵满,但不计后果地投入扩产也将使得未来所需要承担的风险变得越来越大。

  1、行业如何应对缺芯困局

  而且,全球半导体产业已经进入“后摩尔定律时代”,再加上眼下缺芯状况严重,面对新的挑战,各个产业链环节上的企业都在进行技术升级,探索相应机会。下面我们就一起看看晶圆制造和汽车行业的厂商,如何应对缺芯困局。

  (1)晶圆制造行业:

  从全球晶圆代工厂的布局来看,能够竞逐晶圆制造先进制程工艺的如今只剩下台积电、三星和英特尔。2021年11月,三星电子宣布从2025年开始大规模生产2nm芯片,英特尔也宣布了加强代工计划,并希望在2025年前能赶上台积电和三星等竞争对手。

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  台积电

  日前,高盛在一份报告中指出,由于芯片价格上涨、高性能计算机(HPC)/5G处于行业升级周期以及其他利好因素影响,台积电2022年的增长速度将高于2021年,今年台积电营收预计同比增长26.1%,目标价由1028台币上调至1035台币,新目标价意味着台积电较12月30日收盘价有68%的潜在上涨空间。

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  台积电计划在今年第四季度启动3nm制程芯片生产的消息也在间接刺激其股价走向。在此前一场会议中,台积电总裁魏哲家表示,3nm制程的风险量产计划于2022 年下半年开始大规模量产。

  目前,5nm是台积电营收的重要来源。根据台积电第三季度业绩表现,5nm制程出货占该公司2021年第三季晶圆销售金额的18%,7纳米制程出货占全季晶圆销售金额的34%。

  调研机构TrendForce集邦咨询指出,台积电在苹果iPhone新机的带动下,第三季营收达148.8亿美元,季增11.9%,稳居全球第一,其中7nm及5nm受到智能手机及高效能运算需求驱动,两者营收合计已超越台积电整体过半比重,且处于持续增长。

  未来几年先进制程市场将掀起一场激烈的竞争,晶圆代工市场将会面临定价压力。因此,在高成本投入以及各地兴建晶圆厂的情况下,台积电能否维持高毛利率或将成为新的问题。

  三星电子

  众所周知,从去年开始的缺芯潮,已经延续到今年,而如今影响的范围也从汽车行业辐射到全球多个行业。

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  目前,社会各界都期望韩国芯片可以扩大产能,从芯片厂到供应商都开始加大产能。

  据韩国当地媒体THE ELEC报道,三星电子的供应商EcoPro HN的社长Yoon Seong-jin在电话会议上表示,由于芯片短缺的现象越发严重,三星电子计划提前三个月开始运营平泽工厂P3生产线。而三星电子也要求该公司在2021年12月之前提供化学滤网产品,而不是之前约定的2022年初的截止日期。

  由此可以推断,三星电子已经积极扩大产能,以应对长期存在的芯片短缺现象。

  据悉,三星电子原计划在其平泽工厂建设共计六条芯片生产线,其中P3生产线将被用于生产存储芯片或者代工芯片,该产线占据了厂区近一半的土地,预计将于2023年上半年开始运营。

  如今,这条生产线又被重新提上日程,将提前至2022年开工。同时,平泽P2生产线也将于今年下半年启用。

  最后,据消息人士透露,除了平泽工厂以外,三星电子已经在华城芯片工厂投入大量设备建立研究实验室,在半导体业务上的投入,也将不断扩大。

  英特尔

  2月份,英特尔老将帕特·基辛格(Pat Gelsinger)在万众瞩目中走马上任,他上任CEO职位后,对英特尔进行了大刀阔斧的改革,公布了IDM2.0计划,重点主要分为两个部分:持续发展7nm先进制程和保持封装技术方面的领先性。

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  变革英特尔在芯片代工方面的路线:在坚持原先IDM模式下自有工厂的前提下,进一步扩大与第三方代工厂的合作;重启代工业务,增加产能,从美国和欧洲市场起步,满足全球对半导体生产的旺盛需求。

  市场传闻也证明,英特尔也正在代工这条路上前进。2021年7月16日,据《华尔街日报》报道,英特尔正在收购芯片代工制造商格芯(GlobalFoundries),交易金额或将达到300亿美元。若顺利完成,这笔收购案将成为英特尔成立以来最大的一笔交易。但目前,交易前途未卜,格芯CEO日前在采访中否认谈判进行表示会继续IPO进程。

  在摩尔定律失效,先进制程地位落后,后来者如AMD疯狂攻城略地,资本市场遭遇滑铁卢的当下,被围困的英特尔如何重夺霸主地位?

  目前,英特尔正从PC中心到数据中心进行转型,为云服务提供商、企业以及政府等提供相关产品,这一业务利润丰厚,曾被视作英特尔的增长火车头,但是云计算芯片需求的下滑以及抢占这块蛋糕的同行们都让英特尔的转型之路不再一帆风顺。去年第二季度,得益于疫情带来的对云服务器的需求,数据中心业务营收年增长为43%,但在这次财报中同比下降9%。

  PC市场依然旺盛的需求一定程度上弥补了数据中心业务增长放缓的影响,客户端计算业务保持上涨趋势,主要归功于英特尔在PC相关产品的强劲表现,同比增长33%。

  行业研究机构IDC和Gartner最新数据均显示,由于疫情突然爆发的对PC产品的需求,正在回归常态。今年第二季度PC出货量增长已经大幅放缓,虽然对新PC的需求较疫情前高,但全球芯片短缺带来影响限制了增长趋势。

  CEO基辛格在电话会议中评论说:“预计短缺将在今年下半年触底反弹,但该行业还需要一到两年的时间才能完全赶上需求。”

  来看其他业务方向。在物联网(Internet of Things)业务中,IOTG事业部营收同比增长47%,达9.84亿美元,Mobileye保持迅猛增长势头,营收增长翻倍至3.27亿美元;存储器事业部NSG营收同比下滑34%至11亿美元;可编程方案事业部PSG营收同比下降3%至4.86亿美元。

  英特尔近年的失落很大程度是因为在先进制程上的掉队,被业界戏称为“牙膏厂”。芯片公司们一直致力于将更多晶体管封装到芯片里,进一步提升性能以及设备的电源效率。英特尔从1971年开始,推出封装10微米晶体管的处理器,处于行业领先地位。

  但是,随着台积电和三星在芯片先进制程上的追赶,英特尔自身却延宕。早在2016年,英特尔原计划推出的10nm制程最后拖到了2019年才面世,2019年就应该推出的7nm制程技术也因良品率问题被一拖再拖,被AMD和英伟达夺走市场份额。

  本月初,据报道,苹果和英特尔将成为第一批测试使用台积电3nm制程的客户,芯片量产时间预计会在明年下半年或是后年初。这是利好英特尔的积极信号。产业观察者表示,英特尔若比竞争对手领先采用台积电的3nm制程,或许可以收复一部分失去的市场占有率。

  芯片行业的竞争与合作态势变化莫测,没有谁能永居霸主地位。

  (2)汽车行业:

  自去年年底汽车行业被曝缺芯后,受到供应不足的困扰,全球大多车企先后宣布减产或停产,不过目前缺芯情况依旧未能得到很好缓解,问题愈演愈烈。

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  大众集团

  作为国内最早受芯片影响的大众汽车在去年年底陷入停产的传闻。大众集团中国CEO冯思翰表示,由于全球芯片供应短缺影响其生产,该公司去年12月在中国的销量损失达到数万辆。3月16日,大众集团CEO赫伯特·迪斯在2021年度新闻发布会上再次强调,由于全球芯片短缺和美国严寒天气打击汽车行业,公司今年前两个月已损失了10万辆汽车的产量,而这一缺口将无法在2021年弥补。

  特斯拉

  马斯克在第四季度财报电话会议上表示,芯片短缺可能对公司生产造成短期影响,正在尽最大努力度过芯片短缺的难关。

  福特汽车

  芯片短缺可能导致公司第一季度减产10%至20%,预计全年利润因此减少10亿至25亿美元。预计全球芯片短缺问题今年夏季可能缓解,但可能要到2022年才能完全解决。

  通用汽车

  公司可以在全球面临芯片短缺的情况下正常运转,通用汽车只能通过减少皮卡车型的生产数量,从而使工厂得以稳定发展。对于全球缺芯这个问题,预测今年的自由现金流将会下降15亿美元-25亿美元,折合成人民币大约为98亿元-163亿元。

  长城汽车

  在重庆、徐水两大生产基地并无停产计划,长城汽车目前面临着芯片供应紧张的情况,工厂生产受到一定程度影响,但均未停产。针对芯片市场供应紧张的情况,长城汽车正在主动采取多种措施积极应对,包括在全球范围内积极采购芯片、加强供应链管理等方式,来缓解芯片供应紧张带来的影响。

  广汽集团

  广汽集团将成立芯片应对小组,及时协调芯片供应链问题,实行一点一策一预案,多方联动推动产业链条的短缩,积极探索开发重点芯片替代方案。

  比亚迪

  王传福表示,由于提前布局芯片自研,目前全球汽车行业经历的缺芯停产问题,比亚迪没有受到丝毫影响。

  缺芯最严重的汽车行业似乎已经度过了最艰难的时刻,这一点已经反映在汽车行业的多个环节。大众汽车的CFO Arno Antilitz表示已经看到芯片供应趋于稳定,丰田、日产、本田三家汽车制造商也都表示将会在近期提高产量。通用汽车发言人表示,11月第一周,通用汽车北美组装工厂首次没有因为缺芯停工。

  2、“缺芯”情况何时改善

  全球范围的缺芯潮仍在继续。汽车制造业、混凝土行业、电子产品制造业……无一不受到严重影响。

  尽管台积电、英特尔和三星都在大举投资扩建和建设新的芯片代工厂。但正如英特尔首席执行官盖尔辛格指出的,这些投资需要时间,至少需要几个月乃至几年才能投产。

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  Arm首席执行官Simon Segars则认为全球供应紧张情况预计将延续到2022年12月,因为芯片制造商正在努力消化未完成的订单积压。

  相比之下,高通对缺芯预期却较为乐观。近期,高通CEO Cristiano Amon表示,预计到12月底,高通自身的供应问题将得到实质性改善,该公司获得的供应足以满足明年下半年之前的需求。

  拿格芯来说,作为全球第三大晶圆代工大厂,它遭遇了被疯狂下单的情形。根据CNBC报道,格芯执行长Tom Caulfield表示,自2020年8月以来公司产能就已不足,产能利用率超过100%,到2023年底的产能已全部售完。他还进一步指出,在未来5至10年的大部分时间里,格芯将追求的是供应,而不是需求。

  台积电创始人张忠谋近日也公开表示,目前看不到半导体何时会不缺货,但最终会缓解。他强调,对半导体需求与日俱增之际,两年前他在台积电运动会时就说过台积电是兵家必争之地,现在看来依旧如此,而且会愈来愈重要。

  英特尔首席执行官帕特·盖辛格 (Pat Gelsinger)在接受采访时更是做出了芯片短缺至少持续到2023年的预计,他表示“我们现在处于最糟糕的境地;明年每个季度,我们都会逐渐好转,但直到2023年他们才会实现供需平衡”。

  当然,为了尽早摆脱缺芯危机,台积电、三星、联电、格芯、中芯国际、英特尔、英飞凌、博世、TI、SK海力士、美光等也皆表明未来将加大投资力度,扩建工厂。

  我们认为,在芯片制造商的努力之下,2022年恢复供需平衡还是颇有希望的。

  3、全球半导体行业2021年十大关键词

  (1)缺芯

  2021年上半年,芯片短缺的话题一直停留在热门话题榜。“芯”究竟有多缺呢?就拿最有韧性的苹果供应链来说,受供应链缺芯影响,iPhone 13不仅创下了苹果从下单到发货的最长等待期,而且还将用于生产iPad及零部件调往iPhone13系列。这足以看出2021年缺芯困局对于厂商们的影响。

  (2)换帅

  2021年1月13日,英特尔宣布,现任CEO Bob Swan 于2021年2月15日离职,云服务商VMware(威睿)首席执行官的Pat Gelsinger接任Bob Swan的职位,担任英特尔第八任CEO。

  随着新CEO Pat Gesinger上任,英特尔宣布重启代工业务。为了让英特尔回归行业领先地位,Gesinger提出了IDM 2.0战略。IDM 2.0指出未来英特尔的大部分产品将会在内部制造生产,以提高对产品研发、量产以及交付的把控。同时英特尔计划建立IFS部门为客户提供晶圆制造、封装、以及x86、arm、RISC-V等多种IP的设计服务。

  (3)跨界

  为了改善缺芯局面,稳定供应链,各个领域的企业都宣布下场造芯。

  如汽车行业,国外的通用、福特先后宣布联手半导体公司进入芯片开发领域;国内车厂北汽选择和imagination合资成立核芯达,吉利与ARM、联发科、云知声、芯聚能以不同方式研发车规MCU、智能座舱芯片等产品,上汽则与英飞凌联手成立上汽英飞凌,主攻IGBT芯片。除了与芯片企业合作,还有以比亚迪为代表的部分车企选择自研芯片。

  (4)元宇宙

  元宇宙成为资本市场上的热门概念。3月以来,“元宇宙第一股”的Roblox的美股上市宣告了元宇宙时代的到来。游戏行业的巨头如Epic、腾讯都表示看好这一概念。今年10月Facebook改名Meta,成为“元宇宙”宇宙中最受瞩目的一个动作。

  12月17日京东提出产业元宇宙,提出要将数字能力引入现实世界,通过数字世界的构建提升现实世界、实体经济中认识和改造世界的能力。无疑,产业元宇宙的出现又为元宇宙概念带来了另一层解读。

  (5)手机厂商入局芯片行业

  2021年,OPPO、vivo等多家手机公司全都宣布了自研芯片。目前vivo公布了第一颗自研ISP芯片 V1,而OPPO也公布了首颗自研影响专用NPU芯片马里亚纳。可以看到,目前国内的头部手机厂商已经在自研芯片赛道上聚齐,但除了华为外,其他厂商的进度都仍处在影像领域的研发。

  (6)国产GPU

  国产GPU是一个充满潜力的赛道,同时也是一个充满竞争的赛道,壁仞、天数、沐曦、燧原、摩尔线程等都频频出现在人们的视野中。

  GPU在消费电子、科学计算、深度学习、自动驾驶、数据分析等领域均有重要的应用。谁能杀出重围,挑战Nvidia和AMD,未来几年,我们拭目以待。

  (7)涨价

  缺芯所导致的直接结果就是“涨价”。一颗芯片的诞生大致可以分为设计、生产、封装测试三个环节,其中原材料紧缺、产能满负荷的情况会直接导致芯片价格水涨船高。

  在代工层面,Digitimes报道,晶圆代工报价预计将继续上涨,其中台积电12月后或将调涨20%,三星宣布提高芯片代工的费用,计划将代工价格提高15%-20%。据称,此举已经获得了一些客户同意,并已经签订新的合同。具体的价格涨幅取决于客户的订单量、芯片种类和合同期限,新价格将在4至5个月后正式生效。

  (8)台积电

  在全球缺芯的情况下,代工领域的领军企业台积电无疑成为半导体受关注的企业。

  这一年台积电的市值也是水涨船高,达到了5568.48亿美元,闯入全球市值前十榜单。

  目前,台积电代表着晶圆代工的最水平。目前台积电在代工领域的市占率超过50%,而台积电在先进制程上也保持领先。摩根大通预计未来台积电5nm的市占率有望达到90%。

  (9)3nm

  2021年11月4日,台积电宣布3nm技术一切正常。听到这一消息,最为高兴的当属苹果。因为按照计划,苹果明年发布的A系列处理器以及M系列新处理器,都会使用台积电3nm工艺。台积电宣布3nm技术顺利推进,意味着苹果自研芯片将获得更出色的代工技术加持,苹果终端设备在市场上的竞争优势将会进一步扩大。

  (10)大基金二期

  2021年,国家集成电路产业投资基金股份有限公司动作不断,短短1个月左右便发生了多起减持。而在一期有序退出的同时,募资超2000亿元的国家集成电路产业投资基金二期股份有限公司正在陆续跟进,投资有望全面提速。

  二、国内半导体行业形势如何?

  目前,在中国进口的产品中,芯片已经连续多年超过石油成为中国进口最多的商品。芯片也关系到国家安全和主要经济命脉。因此,中国政府一直在推动芯片的国产化。按照中国政府发布的《中国制造2025规划》,到2025年,中国要实现70%的芯片自给自足。

  半导体技术起源美国,国外半导体公司发展多年,芯片在性能和产品种类上都要优于国内的芯片。因此在很长一段时间,虽然中国政府推动芯片国产化多年,但民间的终端公司的主要芯片来源还是以国外的芯片为主,国内芯片公司获得的订单很少。

  第三代半导体材料行业是我国重点鼓励发展的产业,是支撑经济社会发展和保障国家安全的战略性和基础性产业。为加快推进第三代半导体材料行业的发展,国家层面先后印发《重点新材料首批次应用示范指导目录(2019版)》《国务院关于印发进一步鼓励软件产业和集成电路产业发展若干政策的通知》等鼓励性、支持性政策;而地方层面也积极响应,通过政策将实质性的人、财、物资源注入,推动着各地半导体材料产业的集聚和发展。

  但对中国半导体产业而言,自主桌面处理器要想成功,一个需要迈过的坎儿是如何绕开不成功路线的干扰,中国处理器厂商数量全球最多,从x86、MIPS、Arm到PowerPC,以及新晋网红RISC-V,只要历史上叫得出的处理器架构,在中国都有人在做。

  但过去主流,并不以市场化生存为目标,总想着向“两弹一星”看齐,这种科研独行侠式方式并不适合桌面处理器这样一个高度商业化的细分产业。我对自主处理器产业有信心,但我判断,十年后自主处理器占据市场优势地位的那一天,龙头企业一定不是口号喊得最响的那几家。

  GPU等其他产品的困境与机遇,与CPU颇为接近。当然GPU和CPU市场生态有差异,当前在资本推动下的打法也和之前CPU打法有明显不同,是否能蹚出一条路来,还要待时间来检验。

  但中国必须作出困难预计,尤其是自己还没有发展好的时候,这些产品因政治影响而断供的风险非常高,真正等自主产品成熟可用上规模,外部籍此来威胁中国的筹码也就将失去价值。因此接下来两三年,几个关键领域的本土公司发展节奏至关重要。

  但伴随摩尔定律放缓,工艺演进难以像过去一样有效降低芯片价格,再加上新的过亿出货量的规模应用相对较少,那么通过疫情和产能错配引发的机会来制造供应紧张,并因之提升芯片售价,除了终端用户,半导体整个生态链上的从业者都喜闻乐见,只有终端芯片价格上涨,晶圆代工、封测和原材料才有机会涨价,全行业才有可能迎接十年未见的高增长,而短期利益尤其明显的渠道商更是施展浑身解数来放大缺货状况——历史级行情可遇而不可求,不把握住这次机会,等到行业下行周期又要过苦日子了。

  1、半导体行业的国产替代化机会在何处?

  一颗芯片上,集成了中央处理单元、随机存储器、只读存储器和计算机其他功能,相当于一个微型计算机,功能齐全、控制力强、抗干扰强、体积小、功耗低、成本低的它顺理成章成为电子时代的“宠儿”。通过软件控制芯片能够取代复杂的电子线路控制系统,实现智能化以及轻量化控制。

  因此,芯片能够广泛使用在各类电子产品中,工业控制、电机控制、智慧城市、智能表计、智能家电、智能门锁/门禁医疗、电池及能源管理、生物识别、光通信、传感器控制和机器人……可以说芯片是解决一切的有控制需求场景的“万能钥匙”,其下游应用也渗透入千行百业。

  随着物联网、车联网、5G以及疫情之下的新式办公的兴起,能应用于各种场景的芯片市场也逐渐膨胀。IC Insights最新预测显示,全球半导体的资本支出在2021年达到1520亿美元,飙升34%,这是自2017年增长41%以来的最大百分比涨幅。

  2、2021年国产芯片新品盘点

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  阿里巴巴

  2021年10月19日,在2021云栖大会主论坛上,阿里巴巴旗下半导体公司平头哥发布自研云芯片倚天710,这也是平头哥成立以来推出的第一颗通用芯片。

  与2019年发布的AI推理芯片含光800不同,倚天710是一颗通用服务器CPU(中央处理器)芯片。CPU是计算机系统最核心的单元,负责接收、处理、运算计算机内部的所有信息。据了解,芯片种类繁多,一般简单分为通用芯片和专用芯片。其中前者广泛应用于主流消费电子领域,不论是设计还是制造比后者难度都要高。

  倚天710的问世也让平头哥家族继续壮大。2019年7月,平头哥发布RISC-V处理器玄铁910,迈出了平头哥成立后的第一步,玄铁910的发布意味着基于RISC-V架构的高性能芯片成为可能,也让芯片设计的门槛进一步降低,并为终端提供算力基础设施,这是阿里巴巴构建芯片生态的重要一步。

  在2019年的云栖大会上,平头哥发布了阿里巴巴第一颗芯片含光800,这是一颗针对场景深度定制的芯片,推出后便应用在阿里巴巴内部核心业务中。例如在城市大脑中实时处理杭州主城区交通视频,需要40颗传统GPU(图形处理器),延时为300毫秒,而使用含光800则仅需4颗,延时降至150毫秒。

  上述研发人员也透露,经过两年的发展,含光800如今已规模化应用于搜索推荐、视频直播等场景。主要来说, AI芯片含光800通过阿里云为人工智能场景提供算力,使用服务器芯片倚天710则通过阿里云为云上客户提供差异化的顶级算力。

  比亚迪

  12月14日,比亚迪半导体官方宣布,成功自主研发并量产1200V功率器件驱动芯片——BF1181,今年12月实现向各大厂商批量供货。

  据介绍,BF1181是一款磁隔离单通道栅极驱动芯片,用于驱动1200V功率器件,同时具有优异的动态性能和工作稳定性,并集成了多种功能,如故障报警,有源密码定位,主次级欠压保护等。

  BF1181还集成了模拟电平检测功能,可用于实现温度或电压的检测,并提高芯片的通用性,进一步简化系统设计,如尺寸与成本等。

  为了安全可靠地使用功率器件,并实现将MCU的低压驱动信号实时控制功率器件的开启与关断,功率器件驱动芯片必不可少,它将驱动功能和各种保护功能集成于一体。可以说每个功率器件都需要一个驱动芯片——合适的驱动芯片可让电力电子系统事半功倍。

  事实上,我国车用功率器件驱动芯片目前主要依赖进口,此前国内基本还没有满足应用的车规级高压功率器件驱动芯片。

  此外,比亚迪半导体还实现了关键产品核心技术的自主可控,极大地带动上下游产业链并进行成果共享,促进新能源汽车关键零部件技术发展,最终推动新能源汽车产业长足发展。

  紫光展锐

  沉寂已久的紫光展锐,终于在芯片市场中崭露头角。根据知名市场调研机构Counterpoint发布的2021年第三季度全球智能手机芯片市场报告,其中紫光展锐凭借10%的市场份额,超越三星,成为全球第四大芯片企业。

  并且,其市场份额距离华为海思巅峰时的15%份额并不远。而目前华为海思芯片已经跌至第六,份额只有3%。

  不仅如此,紫光展锐除了在全球芯片市场取得傲人成绩之外,在芯片技术方面也取得了突破。

  日前,紫光展锐举办了一场芯片发布会,对外公布了第二代5G芯片平台“唐古拉T770”和“唐古拉T760”。

  值得一提的是,紫光展锐发布的新款芯片采用了6nm制程工艺,相比上一代的芯片产品,性能和集成度均有100%的提升。

  毫无疑问,紫光展锐发布的第二代5G芯片,再次向外界展示了其在半导体技术和通信技术方面的实力,同时,紫光展锐也成功跻身全球先进技术的第一梯队。

  如今,国产芯片产业逐渐壮大,国产替代浪潮愈演愈烈的背景下,紫光展锐更是被视为“第二个华为海思”。

  兆易创新

  因受到全球缺芯的影响,MCU、IGBT等车用芯片持续供不应求。近日,兆易创新传来好消息,公司自研的车规级MCU芯片已经成功流片,预计将在2022年中期,便能实现MCU芯片的量产。

  MCU属于微控制单元,用于汽车电子系统的运算控制和诊断,如果一辆汽车没有MCU作支撑,汽车根本造不出来。

  据了解,MCU芯片可以分为32、16位以及8位三种不同类型,而目前国内的MCU芯片主要集中在16位和8位,其中8位的MCU芯片占据国内50%的市场,而32位占比不到10%,主要应用在消费电子、家居、通讯等中低端领域,较少布局汽车领域,所以,我国在MCU芯片方面的研究只能算是中低端水平。

  在国内32位MCU芯片市场,兆易创新已经是国内最大的32位MCU芯片供应商,产品主要应用于工业控制、消费电子以及通讯领域。

  如今,兆易创新的车规级MCU芯片即将实现量产,算是成功弥补了自身产业的缺陷,同时,也弥补了国内车规级MCU芯片的空白。

  爱芯科技

  2021年5月,爱芯科技发布自研的第一颗高性能、低功耗的人工智能视觉处理器芯片:AX630A。据悉,该芯片用时9个月实现流片,并一次成功,目前该芯片已进入量产阶段。

  AX630A在功耗仅约3W的前提下,实现57.6TOPS@800MHz 2w4f的算力,等效算力达到28.8TOPS@800MHz INT4。在公开数据集下的不同网络运行速度对比,AX630A每秒处理帧数分别为3116和1356,远超其他同类芯片产品。

  除此之外,在分辨率上AX630A最大支持4K@60fps的高分辨率,以及AI-3DNR、AI-HDR、AI-RLTM加持的优异画质,同时支持20路1080p解码或8路1080p编码的超强编解码和高清屏显。由于低功耗和强算力的优势,AX630A芯片可以更好的应用于智能摄像头、智能分析盒、智能加速卡、运动相机以及工业摄像头等硬件设备。

  爱芯科技在设计上将算法和硬件进行深度结合:将AI引入ISP,使ISP能够不断得到训练;AI ISP 突破了传统ISP效率低的问题,使得画质增强,让图像更清晰;存算协同设计减少DDR读写,节省内存带宽;混合精度深度学,专有网络加速单元,让芯片和算法完美融合;VPU(新视觉处理单元)可实现智能视频编码,高效视频压缩,节省视频存储。

  vivo

  2021年9月,vivo正式发布自研V1芯片,并在vivo X70系列上首发。该芯片是由vivo主导开发,服务高速计算成像的专业影像芯片,是一颗全定制的特殊规格集成电路芯片,可搭配不同主芯片和屏幕,扩充ISP高速成像算力,释放主芯片ISP负载,同时服务用户拍照和录像的需求。

  OPPO

  12月14日,OPPO INNO DAY 2021正式开幕,而OPPO首款影像专用NPU-马里亚纳Marisilicon X也终于露出了庐山真面目,作为OPPO第一个自研芯片,无论是消费者还是行业都对其抱有极高的关注,因为除了芯片本身将带来的体验提升以外,这同样也是OPPO未来发展方向的一个重要指示标。

  OPPO将MariSilicon X定义为全球首个为影像而生的专用NPU芯片,不仅拥有强大的算力,还具备超高的能效比,还整合和提升了视频流处理的能力,利用强大的AI算力将影像能力推向了新层级,实现了4K+20bit RAW+AI+Ultra HDR的极致影像规格,一举突破了手机摄影一直弱势的弱光视频等极限场景。

  三、RISC-V架构能否成为X86和Arm外的第三极

  凭借其开源、灵活、可定制和简约的特性,RISC-V自面世以来,就受到了行业先进的关注。进入最近几年,因为性能、参与者以及相关产品和工具的成熟,RISC-V进入了全面爆发前夕。据分析机构Semico Research预测,预计到2025年,市场将总共消费624亿个RISC-V内核,这个新兴的技术将会在包括计算机,消费者,通讯,运输和工业市场在内的多个细分市场获得广泛认可。

盘点半导体行业2021:整年陷入“缺芯”困局,国产替代已在路上

  不久之前,倪光南院士在一次大学报告上表示,我国应该关注RISC-V架构,这或许是我国芯片的又一个出路。其实这方面技术早就引起了我国科技公司的注意,连阿里也来掺一脚,那么这个RISC-V架构到底是什么呢?

  1、RISC-V芯片目前应用情况

  RISC-V作为一款开放性的框架,与Arm和x86相比,在开源方面拥有更大的优势,不少指令集都是开源的,比如为RISC-V提供数组处理能力的RVV向量指令集,就将在近期进入Public Reivew状态。

  虽然当前不少内核仍是各大IP供应商的专有产品,但他们在软件工具链上也纷纷选择了开源。在今日正式举办的RISC-V中国峰会上,我们也看到了国内产学研在RISC-V开源上作出的各种努力。

  2、首个开源高性能RISC-V内核——香山

  当前的RISC-V社区已经有了不少开源内核,但国内外的开源内核以及各大IP公司免费提供的内核,往往都是较为初级的内核,适合上手试用或是一些低性能的应用,无法满足业界对高性能RISC-V处理器的需求,想要尝试进阶或高级的RISC-V开发,想要现成的内核只能选用SiFive或芯来等公司提供的高性能IP。

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  面对这一挑战,中国科学院计算技术研究所(ICT)发布了香山,一款开源的高性能RISC-V内核。该内核的第一版微架构雁栖湖在去年6月就建立了代码仓库,并于今年四月完成了RTL工作。雁栖湖是一个11级流水线的架构,采用了台积电的28nm工艺,频率可达1.3GHz,SPEC CPU2006可达7分/GHz左右。

  中科院计算所的包云岗提到,该内核的未来目标是性能达到ARM Cortex-A76的水平,而基于第一版雁栖湖的芯片将在7月中旬流片。

  中科院计算所也在今年开始了第二版南湖架构的设计讨论工作,预计2021年底可以完成。该架构采用了中芯国际的14nm工艺,频率预计可以达到2GHz,SPEC CPU2006可达10分/GHz。南湖将支持刚发布1.0候选版本的bitmanip位操作指令集扩展,并采用新的L2 Cache,实现更高的频率、吞吐量和更低的延迟,同时也将开放PCIe、USB和HDMI等外设的接口。

  除此之外,香山还采用了第二版的木兰宽松许可证,在确保开源的同时,也进一步保证了贡献者的利益。

  在对开发语言进行对比后,中科院计算所选用了Chisel作为硬件设计语言,据包云岗强调,与Verilog相比,Chisel将代码量减少了五分之一。不仅如此,在开发工具上,中科院计算所也已经完成了NEMU解释器、Agent Faker测试框架与Difftest验证框架等一系列工作。

  包云岗强调,他们的计划是让香山存活30年,每半年更新一次架构,每年两次流片。香山的目标是广泛应用于工业界,并成为学术界的创新平台。

  3、RISC-V笔记本2022年面世?

  对RISC-V有过关注的朋友相信也都记得ISCAS(中国科学院软件研究所)的PLCT Lab(软件语言与编译技术实验室)团队,该团队曾完成过AOSP和V8在RISC-V RV64G上移植的工作。根据团队成员项目总监吴伟在RISC-V软件开发者社区透露,PLCT Lab与Tarsier团队将从2021年7月起开展两项新工作,Tarsier团队为ISCAS内部成立的一个新团队,主要专注于移植和优化RISC-V上的Linux发行版。

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  两个团队的工作内容包括将火狐移植到RV64GC上,包括对Spidermonkey引擎的支持。第二项工作则是将Chromium的浏览器和ChromiumOS移植到RV64GC上。而ChromiumOS是谷歌Chrome OS的开源项目,Chrome OS基于Chrome浏览器的Linux操作系统,广泛应用于Chromebook和Pixelbook笔记本。

  如果明年RISC-V笔记本就能面世的话,这将是一个极快的速度,毕竟Arm的笔记本也只在近年才开始普及。当前不少RISC-V内核都有了具备运行Linux的性能,而笔记本上高频使用的软件正是浏览器,因此这两项移植工作都将大大推动RISC-V的软件生态。

  四、写在最后

  1、中国半导体行业的未来在哪里

  在过去的一年里,半导体、5G等板块受到了热情的关注,成为年轻人认可的未来发展方向。其实这些趋势从长远来看肯定是顺理成章的,甚至可以成为未来的主流赛道,但从短期来看,这只是一个话题。

  从2020年开始,国家大力支持半导体产业发展,希望国内相关企业能够加紧研发。

  随着半导体行业的再次崛起,其实来自更多应用场景带来的好处。如上所述,越来越多的智能家居产品不断涌现,而这些产品都需要芯片来控制,包括新能源汽车的兴起,也需要芯片控制工程网络的大量版权,这些都在推动半导体企业向前发展。

  但是,这些场景和产品对芯片的要求并不高。与手机不同,它们不需要最先进的工艺来满足当前消费者的需求。基本上都是低端芯片产品。但这样的产品只能说提升了芯片厂商的性能和利润,对其企业技术升级和未来发展的好处非常有限。

  芯片研发和生产耗时耗力,大多数厂商对研发持谨慎态度。也许当我们刚刚完成7nm工艺时,国外的3nm就可以立即实现大规模生产。在这种情况下,虽然我们取得了进展,但仍然很难实现研发。

  对于中国半导体领域来讲,2021年是高速发展的一年,也是摆脱困境寻求突破的一年。这也促使我们对2022年充满期待。

  2、后摩尔定律芯片制造行业如何发展

  随着摩尔定律经过数十载的发展,目前片上晶体管的尺寸已经离技术极限不远。这意味着按照摩尔定律进一步缩减晶体管特征尺寸的难度越来越大,半导体工艺下一步发展走到了十字路口。在逼近物理极限的情况下,新工艺研发的难度以及人力和资金的投入,也是呈指数级攀升,因此,业界开始向更多方向进行探索。

  在半导体行业,制成工艺的不断迭代,是维持摩尔定律的重要底层驱动因素。现在半导体工艺上所说的多少nm工艺其实是指线宽,也就是芯片上的最基本功能单位门电路的宽度,因为实际上门电路之间连线的宽度同门电路的宽度相同,所以线宽可以描述制造工艺。目前先进制成已经发展到5nm。

  先进的制成,带来两个好处:其一,缩小线宽意味着晶体管可以做得更小、更密集,而且在相同的芯片复杂程度下可使用更小的晶圆,于是成本降低了;其二,缩小线宽可以提升工作频率,缩减元件之间的间距之后,晶体管之间的电容也会降低,晶体管的开关频率也得以提升,从而整个芯片的工作频率就上去了。

  对于头部的晶圆厂来说,一方面,维持摩尔定律,就意味着每年超过百亿美元的资本投入和研发投入,是一项非常高的成本支出;另一方面,先进制成的大部分场景是在消费电子领域,如手机的高端旗舰机或者笔记本电脑,这部分市场加起来,仅占整个半导体市场的25%左右,随着全球智能手机和笔记本电脑的出货量已经到达高点并开始下滑,先进制成带来好处是在下降的。

  由此可见,维持摩尔定律的收益有限,头部的晶圆厂商也开始放缓先进制成迭代的速率,在资本研发投入和先进制程带来的收益之间,找一个平衡,摩尔定律失效了。

  距离“摩尔定律”的提出(1965年),已经过去50多年了,站在今天这个时点回顾,我们会发现摩尔定律已经不能再准确地描述半导体先进制程的迭代速度了。而这背后蕴含的经济规律是:维持先进制成迭代需要的成本,逐渐超过他所带来的价值,因此先进制程迭代速度的放缓,也是顺理成章了。

  然而另一方面,先进制成工艺发展的放缓,并不意味着计算芯片性能发展的放缓。我们依然能看到诸如增加AI计算能力、针对场景优化的垂直一体化整合等设计思路,推动计算芯片性能的不断进步,给用户带来各方面体验的提升。

  2021年,在半导体领域中,大国竞合,巨头交锋,整体看上去一片荣景,向内看却是错综复杂,险象环生。变幻的是国际风云,不变的是科技创新这一主流。摩尔定律并未消亡,借力制程、封装、器件、高性能材料和新一代信息技术,未来即使穷尽元素周期表,也定会柳暗花明又一村。

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