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文章轉至IC咖啡 最近幾年， 半導體產業(yè)風起云涌。 一方面， 中國半導體異軍突起， 另一方面， 全球產業(yè)面臨超級周期，加上人工智能等新興應用的崛起，中美科技摩擦頻發(fā)，全球半導體現(xiàn)狀如何？全球半導體的機會又將如何？
半導體的前世今生
1、半導體歷史沿革 芯片是一種微型電子器件或部件。采用一定的工藝，把一個電路中所需的晶體管、電阻、電容和電感等元件及布線互連一起，制作在一小塊或幾小塊半導體晶片或介質基片上，然后封裝在一個管殼內，成為具有所需電路功能的微型結構；其中所有元件在結構上已組成一個整體，使電子元件向著微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面邁進了一大步。
自從 1958 年德州儀器發(fā)明出世界上第一塊集成電路以來，集成電路迅猛發(fā)展，歷史上大致從西從東形成轉移。 從上世紀 50 年代發(fā)展至今，集成電路大體經歷了三次產業(yè)變遷， 分別是： 在美國發(fā)明起源——在日本加速發(fā)展——在韓國臺灣分化發(fā)展。
▲全球半導體產業(yè)三次變遷歷程
縱貫全球半導體產業(yè)發(fā)展的時間軸，可以劃分出七大時間節(jié)點： 20 世紀 40-50 年代晶體管時代及 IC的誕生； 60 年代集成電路制造進入量產階段， IC 進入了商用階段； 70 年代個人計算機出現(xiàn)，大規(guī)模集成電路進入民用領域； 80 年代 PC 普及， 整個行業(yè)基本都在圍繞 PC 發(fā)展； 90 年代 PC 進入成熟階段； 21 世紀前 10 年互聯(lián)網(wǎng)大范圍推廣， 網(wǎng)絡泡沫和移動通訊時代來臨， 消費電子取代 PC 成為半導體產業(yè)新驅動因素； 2010 年至今大數(shù)據(jù)時代到來，半導體產業(yè)經歷了增速放緩逐步進入成熟。 
▲ 全球半導體產業(yè)發(fā)展歷程
2、半導體的產業(yè)鏈全景
半導體是許多工業(yè)整機設備的核心， 普遍應用于計算機、 消費類電子、 網(wǎng)絡通信、 汽車電子等核心領域。 半導體主要分為四部分： 集成電路、 分立器件、 光電子器件、 微型傳感器，其中集成電路按其功能可分為微處理器、邏輯 IC、存儲器、模擬電路。 其中集成電路占到整個市場的 80%以上， 可按其功能分為計算類、 儲存類和模擬類集成電路。
把整個半導體生產流程簡化了看，我們可得出下圖，芯片在出廠前主要經歷了設計、制造階段、封測，最后流向終端產品領域。
▲半導體生產流程
半導體產業(yè)鏈龐大而復雜，可以分為上游支撐產業(yè)鏈，包括半導體設備、材料、生產環(huán)境；中游核心產業(yè)鏈，包括 IC 設計、 IC 制造、 IC 封裝測試；下游需求產業(yè)鏈，覆蓋汽車電子、消費電子、通信、計算機。從產業(yè)鏈分布的公司來看：美國、日本、歐洲、臺灣公司形成對上中游核心產業(yè)全覆蓋，依靠技術自主可控壟斷半導體產業(yè)。
▲半導體產業(yè)鏈全景圖
從全球集成電路市場看，隨著 PC 應用市場萎縮， 4G 手機市場逐漸飽和，全球集成電路市場的增長步伐放緩，但 2018 年全球集成電路銷售額仍保持了 15.94%的增長，達到 4779.36 億美元。從 1999 年到2018 年，全球半導體銷售額從 1494 億美元增長至了 4779.36 億美元，年復合增長率為 6.31%。
據(jù) Gartner 公司的數(shù)據(jù)顯示，三星電子和蘋果仍然是 2018 年兩大半導體芯片買家，占全球市場總量的17.9%，與上一年相比下降了 1.6%。受出貨量和平均銷售價格增長的推動，英特爾去年的半導體營收較 2017年增長了 13.8%。此外，其他主要內存芯片廠商去年的表現(xiàn)也較為強勁，包括 SK 海力士和美光。
計算類 IC——硬核科技的代表
計算類芯片也稱邏輯電路，是一種離散信號的傳遞和處理，以二進制為原理、實現(xiàn)數(shù)字信號邏輯運算和操作的電路, 它們在計算機、數(shù)字控制、通信、自動化和儀表等方面中被大量運用。邏輯電路可以分為標準化和非標準化兩大類。
縱觀全球半導體，作為資金與技術高度密集行業(yè)，半導體目前形成深化的專業(yè)分工、細分領域高度集中的特點，邏輯 IC 作為半導體行業(yè)的核心，自上世紀末開始，近 20 年來持續(xù)保持增長態(tài)勢， CAGR 達到8.51%， 2018 年邏輯 IC 市場規(guī)模達到新高 1093 億美金，約占全球半導體市場總值的四分之一。
▲1999—2018 全球邏輯 IC 銷量及增速（億美元， %）
目前世界范圍內主流標準化邏輯電路有四種： CPU、 GPU、 ASIC、 FPGA。由于西方國家電子信息化擁有先發(fā)優(yōu)勢，形成了對革命性產品的壟斷，邏輯 IC 行業(yè)形成了較高市場準入門檻，四個主流領域多被歐美發(fā)達國家的電子巨頭所控制。
▲全球大型邏輯 IC 公司分類
1、 CPU
CPU 從 1971 年發(fā)展至今已經有四十七年的歷史了，提起 CPU 不得不說 Intel 公司的發(fā)展史就是 CPU的發(fā)展簡史。英特爾公司最早有三位創(chuàng)始人：羅伯特·諾宜斯、高登·摩爾、安迪·葛洛夫。集成電路技術的發(fā)展一直遵循摩爾定律，高登·摩爾就是摩爾定律創(chuàng)始人。
CPU 是一塊超大規(guī)模的集成電路，是計算機的運算核心和控制核心。它的功能主要是解釋計算機指令以及處理計算機軟件中的數(shù)據(jù)。 CPU 的結構主要包括控制單元、運算器、高速緩存器、動態(tài)隨機存取存儲器四個部分，分別對應控制、運算、高速數(shù)據(jù)交換存儲、短暫存儲四個用途。
▲CPU 微架構示意圖
多年來，隨著電子信息技術發(fā)展， CPU 在集成電路領域仍保持強大的競爭優(yōu)勢，源于 CPU 諸多優(yōu)勢，其一 CPU 是通用類計算芯片，能適應不同應用場景，包括手機、汽車、工業(yè)制造、計算機等。其二性能上穩(wěn)定性好、運算能力突出、功耗適中、開發(fā)周期相對較短、成本較低。
CPU 可分為桌面 CPU 和移動 CPU 兩大類。桌面 CPU 行業(yè)目前形成傳統(tǒng)霸主英特爾與后起之秀 AMD兩強爭霸的局面。
▲主要 CPU 公司介紹
工藝制程方面，目前 CPU 頂級的工藝制程為 14nm, 正在向 10nm 推進。 AMD 通過多年研發(fā)投入，從不同等級產品的核心數(shù)、基頻、主頻、緩存、工藝制程等多項技術參數(shù)上看已經不落后于 Intel, 但缺陷也是明顯的， AMD 產品工作主頻往往產生較高發(fā)熱量，功耗過大，反映了 AMD 追求低成本工藝制作與 Intel追求極致工藝制作的較大差距。
應用領域上， CPU 作為任何電子終端產品的核心部件，被大規(guī)模應用在個人 PC、平板電腦、大型服務器、商用無人機、移動設備上。
▲CPU 主要應用領域
移動 CPU 領域呈現(xiàn)一超多強的局面，美國高通公司一直在高端移動處理器市場中占據(jù)壟統(tǒng)治地位，至今這種優(yōu)勢依舊難以打破。其競爭對手主要包括美國蘋果電腦、臺灣聯(lián)發(fā)科和韓國三星電子。
▲主要移動 CPU 公司介紹
2、 GPU
由于 CPU 的架構中需要大量的空間去放置存儲單元和控制單元，相比之下計算單元只占據(jù)了很小的一部分，所以它在大規(guī)模并行計算能力上極受限制，而更擅長于邏輯控制。但是隨著人們對更大規(guī)模與更快處理速度的需求增加， CPU 無法滿足，因此誕生了 GPU。
GPU 是圖形處理器，是一種專門在個人電腦、工作站、游戲機和一些移動設備（如平板電腦、智能手機等）上圖像運算工作的微處理器，擁有很強的浮點運算能力。它與 CPU 有明顯區(qū)別：一是相比于 CPU串行計算， GPU 是并行計算，同時使用大量運算器解決計算問題的過程，有效提高計算機系統(tǒng)計算速度和處理能力，它的基本思想是用多個處理器來共同求解同一問題，即將被求解的問題分解成若干個部分，各部分均由一個獨立的處理機來并行計算。二是 GPU 的結構中沒有控制器，所以 GPU 無法單獨工作，必須由 CPU 進行控制調用才能工作， GPU 更適合簡單大量的處理類型統(tǒng)一的數(shù)據(jù)。
▲GPU 可以解決的問題以及應用領域
雖然 GPU 是為了圖像處理而生的，但是我們通過對 GPU 微架構示意圖觀察，認為 GPU 在結構上并沒有專門為圖像服務的部件，只是對 CPU 的結構進行了優(yōu)化與調整，所以 GPU 也可以稱為專用 CPU。
▲GPU 微架構示意圖
談到 GPU，可能首先想到的是 NVIDIA，這是一顆 GPU 領域的璀璨明星， NVIDIA 成立于 1993 年，由黃仁勛等三人創(chuàng)辦，從 1995 年開始推出自己的顯卡 NV1 和 NV2，但并不成功，真正讓 NVIDIA 嶄露頭角的是 1997 年推出的 RIVA128，這款顯卡像素填充率為 100 Mpiexl/s，支持微軟的 Direct 3D 標準，在能效上超越了 3Dfx 的 Voodoo 和 ATI 的 Rage Pro，加上價格低廉獲得了很多整機廠的青睞，隨后 NVIDIA 乘勝推出了 RIVA TNT 及 GeForce 256，徹底將 3Dfx 和 S3 這些昔日的霸主拋在身后，此時唯一能與之相爭的只有 ATI 的 Radeon， ATI 的Radeon 系列與 NVIDIA 的 GeForce 系列的對抗直到 2006 年才罷場， AMD成功收購 ATI，獨立 GPU 市場形成 NVIDIA 和 AMD 兩大巨頭的格局。
從產品上來看，兩家公司 GPU 特點和優(yōu)勢完全不同,這緣于研發(fā)思路存在差異：NVIDIA 產品特點主要有四點：一是設計思路歸于高性能、低功耗；二是性能強大，經常壟斷高端旗艦級市場，高端 N 卡占據(jù)優(yōu)勢比較明顯；三是支持 PhysX、 TXAA、 FXAA 等多個技術；四是驅動程序完善。
AMD 的產品特點在于：一是芯片單一性能突出，功耗普遍較大；二是主打入門級的產品，性價比高，覆蓋中低端市場；三是支持 AMD Eyefinity 寬屏技術；四是挖礦性能相當突出。總之， N 卡主要有低功耗、驅動成熟、追求極致性能，產品線完善等優(yōu)勢， A 卡則主要是性價比相對更高，計算能力強，繪圖、挖礦更有優(yōu)勢，畫質較好，但高端產品線較少。
3、ASIC
近年隨著以比特幣為代表的虛擬貨幣市場的火爆， 催生了一大批生產“挖掘”虛擬貨幣設備的礦機廠商，相較于我們常見的 CPU、 GPU 等通用型芯片來說， ASIC 芯片的計算能力和計算效率都直接根據(jù)特定的需要進行定制，所以其可以實現(xiàn)體積小、功耗低、高可靠性、保密性強、計算性能高、計算效率高等優(yōu)勢，特別適合礦機這種對芯片算力要求高、功耗要求小的特定應用領域。缺點是 ASIC 不同于 GPU 和FPGA 的靈活性，定制化的 ASIC 一旦制造完成將不能更改設計要求高、初期成本高、開發(fā)周期長。
▲比特大陸螞蟻礦機 S15以及ASIC 礦機芯片
由于挖礦屬于邊緣應用領域， AI 仍是 ASIC 的主要應用領域，隨著人工智能時代到來，傳統(tǒng)的神經網(wǎng)絡算法在通用芯片(CPU 、 GPU)上效率不高，功耗比較大，因此從芯片的設計角度來說，通用型往往意味著更高的成本。為了提升效率，降低功耗， ASIC 應運而生。目前從全球范圍來看，基于人工智能方向的ASIC 領域并未出現(xiàn)“一家獨大”的局面，反而呈現(xiàn)出國內外電子科技巨頭、科研院所和國內初創(chuàng)型公司互相競爭的格局，國外以 Google、 IBM、 Intel、斯坦福大學為首，國內有中星微電子、寒武紀科技、啟英泰倫。
4、FPGA
通用處理器的摩爾定律已入暮年，而機器學習和 Web 服務的規(guī)模卻在指數(shù)級增長。人們使用定制硬件來加速常見的計算任務，然而日新月異的行業(yè)又要求這些定制的硬件可被重新編程來執(zhí)行新類型的計算任務。 FPGA 正是一種硬件可重構的體系結構，常年來被用作高計算領域專用芯片（ASIC）的小批量替代品。
FPGA 指現(xiàn)場可編程門陣列，它是在 PAL、 GAL、 CPLD 等可編程器件的基礎上進一步發(fā)展的產物。它是作為專用集成電路（ASIC）領域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。
▲FPGA 內部結構圖
FPGA 能部分替代 ASIC 是有原因的，一是 FPGA 并行運算，二是硬件結構可變，三是運行中可更修改。
▲FPGA 可小批量替代 ASIC 的原因
FPGA 的核心優(yōu)勢，主要有五個方面：可編程靈活度高、并行運算效率高、開發(fā)周期較短、穩(wěn)定性好、長期維護。
全球 FPGA 市場被國外四大巨頭 Xilinx（賽靈思）， Altera（阿爾特拉已被英特爾收購）、 Lattice（萊迪思）、 Microsemi(美高森美)壟斷。 從產品上看，賽靈思公司多年來保持 FPGA 行業(yè)霸主地位，源于產品超強的競爭力，一是賽靈思 FPGA在集成上不斷突破，工藝制程一直保持領先，芯片效率高、功耗小。二是產品定位于高端市場，應用領域覆蓋汽車、數(shù)據(jù)中心、消費類電子、高性能計算、醫(yī)療、有線通信等附加值高的行業(yè)。三是技術專利數(shù)量龐大，形成了抵御同業(yè)對手的天然壁壘。
5、DSP
除了以上四種主要標準化電路，非標準化邏輯電路也在各種應用領域被大量應用， DSP 是應用領域比較廣泛的一種。
區(qū)別于 FPGA 適用于系統(tǒng)高速取樣速率、高數(shù)據(jù)率、框圖方式編程、處理任務固定或重復、使用定點。適合于高速采樣頻率下，特別是任務比較固定或重復的情況以及試制樣機、系統(tǒng)開發(fā)的場合。 DSP，也稱數(shù)字信號處理器，適用于系統(tǒng)較低取樣速率、低數(shù)據(jù)率、多條件操作、處理復雜的多算法任務、使用 C 語言編程、系統(tǒng)使用浮點。適合于較低采樣速率下多條件進程、特別是復雜的多算法任務。 DSP 是由通用計算機中的 CPU 演變而來的，和工業(yè)控制計算機相比， DSP 這種單片機具有多重優(yōu)勢：一是系統(tǒng)結構簡單，使用方便，實現(xiàn)模塊化；二是可靠性高，可保持長時間無故障工作；三是處理功能強，速度快；四是控制功能強；五是環(huán)境適應能力強。
▲DSP 內部結構圖
DSP 憑借卓越的性能，在圖形圖像處理，語音處理，信號處理等通信領域起到越來越重要的作用，被廣泛應用于移動通信、電機控制、汽車毫米波雷達圖像處理、測量儀表等領域。
▲DSP 重要應用領域
目前，全球范圍內上生產 DSP 的大型廠商包括德州儀器、亞德諾半導體、恩智浦半導體。
▲DSP 主要公司介紹
依據(jù) DSP 主流廠商產品的特點，可以預計未來 DSP 技術將向以下幾個方面繼續(xù)發(fā)展與更新：一是DSP 芯核集成度越來越高，通過縮小 DSP 芯片尺寸，實現(xiàn)了 DSP 系統(tǒng)級的集成電路；二是為了面向復雜應用領域，可編程 DSP 芯片將成為未來主導；三是定點 DSP 仍占據(jù)主流，隨著 DSP 定點運算器件成本的不斷低，能耗越來越小的優(yōu)勢日漸明顯，未來定點 DSP 芯片仍將是市場的主角。
總體上來看，通過對多種計算類芯片全方位對比，計算類芯片經過幾十年的發(fā)展， CPU 不再一枝獨秀，多種新應用領域對復雜計算產生強大需求，由此產生專注于圖像處理的芯片 GPU；可以靈活編程，大幅縮短開發(fā)周期的芯片 FPGA；進行了定制設計優(yōu)化，在特定應用場景下功耗及量產成本較低的 ASIC 芯片；以及融合數(shù)字信號處理算法，專用于數(shù)字信號處理領域的 DSP 芯片等都得到了廣泛的應用與快速的發(fā)展。
目前，計算類芯片已經形成了以 CPU、 GPU、 FPGA、 ASIC、 DSP 并行發(fā)展的新趨勢，可以預見，隨著未來 5G 通訊、傳感器（MEMS）、可穿戴設備、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)機器人、 VR/AR 以及人工智能等新興領域市場的發(fā)展擴大，對計算類芯片性能、技術、能耗等方面的需求將繼續(xù)驅動各種計算類芯片在技術上得到更加快速的發(fā)展。
存儲 IC——現(xiàn)代信息技術的基石
存儲器可以說是大數(shù)據(jù)時代的基石。存儲器就類似于鋼鐵之于現(xiàn)代工業(yè)，是名副其實的電子行業(yè)“原材料”。計算機中的全部信息，包括輸入的原始數(shù)據(jù)、計算機程序、中間運行結果和最終運行結果都保存在存儲器中。
從大類上看，存儲器可以分為光學存儲器、半導體存儲器、磁性存儲器。半導體存儲器是目前最主要的存儲器類別， 以斷電后存儲數(shù)據(jù)是否丟失為標準， 半導體存儲芯片可分兩類：一類是非易失性存儲器，這一類存儲器斷電后數(shù)據(jù)能夠存儲，主要以 NAND Flash 為代表，常見于 SSD（固態(tài)硬盤)；另一類是易失性存儲器，這一類存儲器斷電后數(shù)據(jù)不能儲存，主要以 DRAM 為代表，常用于電腦、手機內存。除了 NAND Flash 和 DRAM，還包含其他門類，例如 Nor Flash、 SRAM、 RRAM、 MRAM、 FRAM 等 。
▲存儲器的分類
存儲器行業(yè)屬于強周期性行業(yè)，從歷史表現(xiàn)上看，存儲器行業(yè)總是處于交替出現(xiàn)的漲跌循環(huán)之中。存儲器行業(yè)的波動劇烈，其產業(yè)周期強于電子市場及電子元器件市場整體的周期性，暴漲暴跌的情況可謂常態(tài)。
從產值構成來看， DRAM、 NAND Flash、 NOR Flash 是存儲器產業(yè)的核心部分。這緣于一方面性能不斷提升的手機操作系統(tǒng)及日益豐富的應用軟件極大地依賴于手機嵌入式閃存的容量；另一方面，萬物互聯(lián)等新技術的涌現(xiàn)推動數(shù)據(jù)量的急速膨脹。
▲主要存儲器產品
受益于上述兩因素， 2018 年全球半導體營收去年達 4779.36 億美元，主要貢獻來自于存儲芯片。存儲芯片占半導體總營收的比重從 2017 年的 31%上升至了 2018 年的 34.8%，占比最大。 CAGR 明顯高于集成電路整體市場 CAGR，從存儲芯片內部結構看， DRAM 占比 57.1%， NAND Flash 占比 39.49%， NOR Flash占比 3.41%。
1、DRAM
在半導體科技極為發(fā)達的臺灣，內存和顯存被統(tǒng)稱為記憶體，即動態(tài)隨機存取記憶體(DRAM)， DRAM是最常見的存儲器，只能將數(shù)據(jù)保持很短的時間。為了保持數(shù)據(jù)，使用電容存儲，所以必須隔一段時間刷新一次，如果存儲單元沒有被刷新，存儲的信息就會丟失。
DRAM 是相對于 SRAM 而產生的， SRAM（靜態(tài)隨機存儲器)是隨機訪問存儲器的一種, 這種存儲器只要保持通電，里面儲存的數(shù)據(jù)就可以恒常保持。 SARM 的優(yōu)勢是訪問速度快、功耗非常低，缺陷是單位存儲密度不足，成本較高, 因而不適合用于更高儲存密度低成本的應用，如 PC 內存。 DRAM 除了兼具SRAM 特點外還擁有非常高的密度，單位體積的容量較高，因此成本較低，幾乎適用于任何帶有計算平臺的個人消費類或工業(yè)設備，從筆記本電腦和臺式電腦到智能手機和許多其他類型的電子產品等。
▲SRAM和DRAM 內部結構圖
隨著 CPU 性能的不斷提高，終端產品內存也需要逐步升級，高性能的內存搭配高性能的 CPU 才能最大的發(fā)揮它的價值與優(yōu)勢， DRAM 發(fā)展到現(xiàn)在已歷經了五代，從第一代 SDRAM，到如今的第五代 DDR4SDRAM。 DRAM 沿著傳輸速率更大，總線計時器更多，預讀取量更大，數(shù)據(jù)傳送速率更快，供電電壓更小的方向發(fā)展。
▲SRAM、 DRAM、 SDRAM、 DDR3、 DDR4 參數(shù)對比
▲DRAM 傳輸速度跟隨 CPU 性能提升不斷提高
從行業(yè)上看，早期計算機應用占了整個 DRAM 產業(yè)高達 90%份額， 2016 年開始伴隨大容量智能手機崛起，手機逐漸取代 PC 成為 DRAM 產業(yè)的主流，同時云服務器 DRAM 需求涌現(xiàn)的帶動是功不可沒的推手，包括 Facebook、 Google、 Amazon、騰訊、阿里巴巴等不斷擴充網(wǎng)路存儲系統(tǒng)，對于云存儲、云計算的 需求提升，都帶動服務器 DRAM 需求起飛，目前 DRAM 行業(yè)一直被美韓三大存儲器公司壟斷,三星、海力士、美光占據(jù)了全球市場的 95%以上。
▲主要 DRAM 存儲器公司
DRAM 節(jié)點尺寸目前是由器件上最小的半間距來定義的，美光 DRAM 基于字線，三星和 SK 海力士則基于主動晶體管，美光科技、 三星和 SK 海力士作為 DRAM 市場的主導廠商，這三家公司擁有各自的工藝節(jié)點。由于解決了這些技術節(jié)點問題，美韓三大廠商憑借領先的工藝水平拉開了與其它存儲器廠商的差距。
2、 NAND Flash
NAND Flash 是 Flash 存儲器中最重要的一種，其內部采用非線性宏單元模式，為固態(tài)大容量內存的實現(xiàn)提供了廉價有效的解決方案。 NAND Flash 存儲器具有容量較大，改寫速度快等優(yōu)點，適用于大量數(shù)據(jù)的存儲。
Flash 的內部由金屬氧化層、半導體、場效晶體管(MOSFET)構成，里面有個懸浮門(Floating Gate)，是真正存儲數(shù)據(jù)的單元。數(shù)據(jù)在 Flash 內存單元中是以電荷(electrical charge) 形式存儲的。存儲電荷的多少，取決于圖中的控制門（Control gate）所被施加的電壓，它控制的是向存儲單元中沖入電荷還是使其釋放電荷。而數(shù)據(jù)的表示，以所存儲的電荷的電壓是否超過一個特定的閾值 Vth 來表示。對于 NAND Flash 的寫入（編程)，就是控制 Control Gate 去充電（對 Control Gate 加壓），使得懸浮門存儲的電荷夠多，超過閾值Vth，就表示 0。對于 NAND Flash 的擦除(Erase)，就是對懸浮門放電，低于閥值 Vth，就表示 1。
▲Flash 的內部存儲結構
▲NAND Flash 架構圖
NAND FLASH 內部依靠存儲顆粒實現(xiàn)存儲，里面存放數(shù)據(jù)的最小單位叫 cell。每個儲存單元內儲存 1 個信息位（bit），稱為單階儲存單元（SLC）， SLC 閃存的優(yōu)點是傳輸速度更快，功率消耗更低和儲存單元的壽命更長，成本也就更高。每個儲存單元內儲存 2 個 bit，稱為多階儲存單元（MLC），與 SLC 相比，MLC 成本較低，其傳輸速度較慢，功率消耗較高和儲存單元的壽命較低。每個儲存單元內儲存 3 個 bit 稱為三階儲存單元（TLC），存儲的數(shù)據(jù)密度相對 MLC 和 SLC 更大，所以價格也就更便宜，但使用壽命和性能也就更低。由于存儲數(shù)據(jù)量的不用，導致 SSD 從可擦寫次數(shù)、讀取時間、編程時間、擦寫時間存在差異。
▲閃存芯片存儲原理
▲SLC、 MLC、 TLC 性能對比
從工藝上看， NAND Flash 可以分為 2D 工藝和 3D 工藝，傳統(tǒng)的 2D 工藝類似于“一張紙”，但“一張紙”的容量是有瓶頸的，三星、英特爾、美光、東芝四家閃存大廠為了滿足大容量終端需求，均開始研發(fā)多層閃存（3D NAND Flash），英特爾和美光引入市場的 3D Xpoint 是自 NAND Flash 推出以來，最具突破性的一項存儲技術，它通過單層存儲器堆疊突破了 2D NAND 存儲芯片容量的極限，大幅提升了存儲器容量，因此技術 3D NAND 具備了四個優(yōu)勢：一是比 2D NAND Flash 快 1000 倍；二是成本只有 DRAM 的一半；三是使用壽命是 2D NAND 的 1000 倍；四是密度是傳統(tǒng)存儲的 10 倍。
除了傳統(tǒng)存儲巨頭三星電子、 SK 海力士、美光科技，東芝和西部數(shù)據(jù)也是 NAND FLASH 領域不可忽視的重要力量。
▲主要 NAND FLASH 公司
應用領域看， NAND-FLASH 廣泛應用于固態(tài)硬盤(SSD), 固態(tài)硬盤按照存放數(shù)據(jù)最小單位 bit 來劃分主要可以分為 SLC-SSD、 MLC-SSD 和 TLC-SSD 三類。 SLC-SSD 具有高速寫入，低出錯率，長耐久度特性，主要針對軍工、企業(yè)級存儲。 MLC-SSD 和 TLC-SSD 固態(tài)硬盤的應用主要針對消費級存儲，有著 2倍、 3 倍容量于 SLC-SSD， 同時具備低成本優(yōu)勢，適合 USB 閃盤，手機等。
▲NAND FLASH 主要應用領域
整體上來看， DRAM 和 NAND FLASH 占據(jù)了存儲芯片市場 96%以上的份額， NOR Flash 由于存儲容量小，應用領域偏重于代碼存儲，在消費級存儲應用上已出現(xiàn)被 NAND 閃存替代的趨勢，目前僅應用于功能性手機，機頂盒、網(wǎng)絡設備、工業(yè)生產線控制上。
由于存儲行業(yè)終端用戶的 IT 需求往往是綜合計算、網(wǎng)絡、存儲三方面，廣泛分布于所有對數(shù)據(jù)存儲有需求的各行各業(yè)，涵蓋了國民經濟的大部分領域，市場規(guī)模和發(fā)展?jié)摿薮蟆?/span>
公司層面，由于未來以 DRAM 和 NAND FLASH 為主導的存儲器行業(yè)趨勢仍將延續(xù)，海外存儲器巨頭三星電子、 SK 海力士、美光科技、西部數(shù)據(jù)、東芝憑借三個先發(fā)優(yōu)勢：國家資本支持，數(shù)量龐大的技術專利，對下游終端行業(yè)多年的滲透，控制了中高端存儲器市場，未來仍將繼續(xù)角逐存儲器行業(yè)。
模擬 IC---通信、 5G 等新興技術產業(yè)發(fā)展急先鋒
信號可分為模擬信號和數(shù)字信號?，F(xiàn)實中一切的信號，包括光熱力聲電等都屬于模擬信號，例如麥克風能將聲音的大小轉換成電壓的大小， 可得到一個連續(xù)的電壓變化，這種連續(xù)的信號稱為模擬信號，用來處理模擬信號的集成電路稱為模擬芯片。
模擬芯片產品已經遍布生活中的各個角落， 無論是網(wǎng)絡通信、 消費電子、 工業(yè)控制、 醫(yī)療設備還是汽車電子， 都會用到模擬芯片，同時，現(xiàn)在的許多新興應用，包括共享單車、 AR/VR 無人機等也都會用到模擬芯片。
▲全球模擬芯片應用領域份額
模擬芯片作為電子產品的重要組成部分， 市場需求隨著各類電子產品的快速發(fā)展而不斷擴大。模擬產品生命周期較長， 可達 10 年之久， 同時， 模擬芯片市場不易受單一產業(yè)景氣變動影響，因此價格波動遠沒有存儲芯片和邏輯電路等數(shù)字芯片的變化大，市場波動幅度也相對較小。根據(jù) WSTS 統(tǒng)計， 2017 年全球模擬芯片銷售額為 527 億美金，約占半導體總體規(guī)模的 12.8％。據(jù) ICInsights 預測，在未來五年內，模擬芯片的銷售量預計將在主要集成電路細分市場中增長最為強勁，以 6.6％的年復合增長率快速增長。預計到2022 年，全球模擬芯片市場規(guī)?？蛇_到 748 億美元。模擬芯片是預測中增長最快的主要產品類別，電源管理 IC，專用模擬芯片和信號轉換器組件的強勁銷售預計將成為未來五年模擬增長的主要推動力。
1、射頻器件
射頻器件是無線連接的核心，凡是需要無線連接的地方必備射頻器件，進入了 5G 時代，其背后牽動的價值尤為重要。
通常情況下，一部手機主板使用的射頻芯片占整個線路面板的 30%--40%。隨著智能手機迭代加快，射頻芯片也將迎來新一波高峰。目前，全球約 95%的市場被控制在歐美廠商手中，甚至沒有一家亞洲廠商能進入產業(yè)頂尖行列。在物聯(lián)網(wǎng)應用推動下，未來全球無線連接數(shù)量將成倍的增長。 同時，未來由 4G+，5G，物聯(lián)網(wǎng)等對射頻器件的爆發(fā)性需求會加速它的發(fā)展。
歸結起來，射頻器件主要三大細分領域為射頻濾波器、射頻開關、 PA 芯片（功率放大器芯片）。射頻前端芯片是移動智能終端產品的核心組成部分，追求低功耗、高性能、低成本是其技術升級的主要驅動力，也是芯片設計研發(fā)的主要方向。
從已有數(shù)據(jù)看來， 濾波器是射頻前端市場中最大的業(yè)務板塊，其市場規(guī)模將從 2016 年的 52 億美元增長至 2022年的 163億美元。濾波器市場的驅動力來自于新型天線對額外濾波的需求，以及多載波聚合（CA）對更多的體聲波（BAW）濾波器的需求。
功率放大器（PA）和低噪聲放大器（LNA）是射頻前端市場中第二大的業(yè)務板塊，由于新型天線的出 現(xiàn)和增長，低噪聲放大器市場將穩(wěn)步發(fā)展。開關是射頻前端市場中第三大的業(yè)務板塊，其市場規(guī)模將從 2016 年的 10 億美元增長至 2022 年的 20億美元。該市場將主要由天線開關業(yè)務驅動而增長。
2、AD/DA(模數(shù)/數(shù)模)相關產品
近年來，數(shù)字技術，特別是計算機技術飛速發(fā)展與普及，在現(xiàn)代軍事和商用控制、通信等領域有著廣泛的應用。為了提高系統(tǒng)的性能指標，對信號的處理廣泛采用了數(shù)字計算機技術。由于系統(tǒng)的實際對象都是模擬量，如溫度、壓力、位移、圖像等，需要將這些模擬信號轉換成數(shù)字信號才能使計算機或者數(shù)字儀表識別、處理這些信號；而經計算機分析、處理后輸出的數(shù)字量往往也需要將其轉換為相應模擬信號才能為執(zhí)行機構所接受。由此，就需要能在模擬信號與數(shù)字信號之間起橋梁作用的電路，即模數(shù)和數(shù)模轉換器。
A/D 是模擬量到數(shù)字量的轉換，依靠的是模數(shù)轉換器（Analog to Digital Converter），簡稱 ADC。 D/A 是數(shù)字量到模擬量的轉換，依靠的是數(shù)模轉換器（Digital to Analog Converter），簡稱 DAC。它們的道理是完全一樣的，只是轉換方向不同。
如今的電子產品中， 數(shù)模芯片幾乎無處不在。數(shù)模芯片主要用在汽車專用模擬芯片中，近年來自動駕駛與電動汽車技術發(fā)展，都是汽車模擬芯片市場的增長保障。 目前生產 AD/DA 的主要廠家有 ADI、 TI、BB、 PHILIP、 MOTOROLA 等。
▲數(shù)模轉換器結構示意圖
得益于目前 4G、 5G 通信的建設， 移動基站的部署等行業(yè)因素推動， 移動通信終端和便攜式移動互聯(lián)設備的增長等等推動， 通信與消費電子領域仍然是信號轉換模擬芯片的最大終端應用市場。同時，汽車電子也成為繼網(wǎng)絡通信領域之后帶動數(shù)模芯片市場增長的另一大領域。全球AD/DA 轉換中高端市場主要由ADI、 TI 等美國廠商占據(jù)，我們從上文分析 TI 和 ADI 等大型模擬芯片廠商近年的運營情況看來，其對汽車電子應用市場相關領域的投入是支持這些公司不斷壯大的支撐。
我國目前在部分品種芯片的研發(fā)和生產方面已經具備基本的自給自足的能力，但芯片的設計和生產工藝與美國相比，仍存在整體差距，尤其是在高端核心芯片，比如高速數(shù)模轉換芯片、射頻芯片等方面，對外依賴度較高。
在 5G 時代，對器件標準提出了更高要求，而同時 5G 時代有望加速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)則對數(shù)模中低端器件的需求全面提升。我們認為， 5G 高端需求在數(shù)模轉換器件領域有望實現(xiàn)突破， 而國內廠商則有望在中低端器件的需求中，探索出該領域升級和突破的新思路。
3、 電源管理產品
如今，我們的生活中隨處可看到電子設備的激增，從收音機到電視機、智能手機、無人機、智能手表或者電動汽車，對電子設備的需求正影響和惠及不同的市場，尤其是電力管理設備。事實上，任何電子設備都需要電源管理裝置。 作為電子設備的關鍵部件，電源管理芯片擔負起對電能的變換、分配、檢測及其它電能管理的職責，其性能的優(yōu)劣對于整機系統(tǒng)性能具有重要意義。 因此，電源管理產品市場的發(fā)展遵循最終用戶需求的大趨勢也非常明顯。 2017 年全球模擬芯片銷售情況中， 電源管理芯片占模擬芯片銷售份額接近三成， 并持續(xù)保持增長態(tài)勢。
對于電源管理芯片而言，其主要的應用領域包括汽車、通信、工業(yè)、消費類、計算等方面。據(jù) IC insights的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示， 2017 年模擬市場的總銷售額為 545 億美元，其中電源管理芯片占比接近三成，并持續(xù)保持增長態(tài)勢。據(jù) Yole 預測， 電源 IC 將從多個關鍵終端市場獲益，到 2023 年電源 IC 市場規(guī)模將增長至 227億美元， 2017~2023 年期間的復合年增長率（CAGR）將達 4.6%。
通信市場占據(jù)了最主要的市場份額，尤其是即將到來的 5G 大規(guī)模布局， 將進一步提升通信領域電源管理芯片的需求。 同時， 汽車電氣化以及工業(yè) 4.0 升級， 也將成為電源管理芯片的助推劑。 相對而言，消費類及計算方面應用需求變化并不顯著。
進入 2018 年，全球電源管理芯片領域也表現(xiàn)的非?；钴S。先是，微控制器領域的有力競爭者 Renesas（瑞薩）收購了 Intersil，后者的產品組合包括穩(wěn)壓器和其他模擬產品。通過收購， Renesas 獲得了原本缺乏的電源管理、接口和柵極驅動器產品組合。而后，蘋果與 Dialog 也達成6 億美元交易， Dialog 將授權其 電源管理技術、轉移部分資產以及輸送 300 名研發(fā)工程師給蘋果。自此，蘋果也具備了電源芯片開發(fā)能力，后續(xù)產品也將搭載自主產品。
海外廠商，如美國、日本廠商，仍然占據(jù)著移動通信器件的壟斷地位，全球數(shù)模轉換中高端市場主要由 ADI 和 TI 等美國廠商占據(jù)，國內廠商在相關領域的研制仍處在低階階段，未來將會存在相關公司研發(fā)、擴展和資本合作，這個階段將會帶給優(yōu)秀公司高速成長的機會。 綜合看來，伴隨著全球科技、經濟、軍事等領域的快速發(fā)展，模擬芯片市場正迎來新的爆發(fā)期。尤其是其中的射頻關鍵器件、 AD/DA 數(shù)模/模數(shù)轉換器將成為 5G 產業(yè)發(fā)展帶來的關鍵突破點。 同時，全球各大廠商的并購、重組等利用各種資源對產業(yè)鏈進行整合和提升，為行業(yè)的發(fā)展提供更多元化的發(fā)展思路。
全球半導體行業(yè)步入超級周期、同時面臨中美科技摩擦、中國集成電路產業(yè)扶持政策力度加大等多因素疊加，前景向好。半導體是信息產業(yè)的明珠，具備技術密集、資本密集特性和勞務密集型三個特點，是信息產業(yè)根本所在。近些年來以來，由于人工智能、可折疊手機等新興應用的崛起，全球半導體行業(yè)進入超級周期。而且，最近隨著中美科技摩擦頻發(fā)，美方對中國投資及核心技術獲取施加限制，中國半導體行業(yè)正處于產業(yè)升級的歷史窗口期。 |
