晶元產業觀：五大維度深度剖析行業現狀

一道禁令，一段往事，一場博弈，中興事件敲醒了落後世界20多年的中國晶元產業，這場漫長的沉睡似乎在事件發酵的27天里才真正進入清醒。

頗有諷刺意味的是，當特朗普充滿善意的推特讓事件峰迴路轉的那刻，業界大部分人仍然為中興即將迎來新的重生感到欣慰。

迴光返照？大難不死？赦過宥罪？此刻的任何說法，都不能從真正意義上掩蓋中國晶元之痛。

圖片選自互聯網

此刻，中國晶元產業的孕育、創新、成長曆程形成多種問號在關注者的腦海中不斷湧現，而與中國芯發展路徑相映襯的，則是每一細分領域中騰騰升起的宏偉藍圖與激情，這番圖景對於整個IT供應鏈的影響，遠比事件的波瀾，來得更為深遠。

眾所周知，對中國來說，晶元製造能力幾乎在短時間內不會在資本、人才以及生態上形成任何競爭力。

據數據統計，美國前十大半導體設計公司年收入佔全行業比例超過90%，台灣超80%，但反觀國內晶元發展態勢，45.9%從起跑線上就已經落敗。而且2016年中國集成電路涉及企業從736家暴增至1362家，2017年增速回落，但總量也達到了1380家。

其中的緣由無外乎幾點：1、人才梯隊沒有有效形成規模，曾有觀點這樣認為，即使將世界最先進的生產線搬到國內，也沒有人才能夠真正讓晶元生產形成規模，因為這一技術密集型產業太需要積累，也同樣需要深厚技術沉澱；

2、晶元全生命周期服務鏈條斷檔，眾所周知，晶元技術在設計、製造、封裝以及生態上需要全方位的協作，任何一個環節的滯後都會影響晶元技術在整體上的性能表現，而中國晶元產業恰恰缺少這樣的完備鏈條；

3、資本規模沒有跟上，儘管大有大基金的雄厚支持，小有小的民間資本參與，無論是應用型的AI晶元，或是產品級的手機晶元，能夠撐起一片天的獨角獸寥寥無幾，事實證明，多年的資本傾入，仍然沒能改變半導體基礎產業弱勢的現狀。

事實上，鞏固和強化晶元產業，本文無意從產業數據上進行剖析，而是強調不能脫離晶元在細分領域的應用與布局看問題，因為未來的晶元產業的發展正在受到包括AI、物聯網、計算、存儲以及雲服務的影響，儘管他們的形態趨同，但是在應用落地以及效果上確有著不一樣的個性與魅力。

例如網路晶元，其必須滿足飛速增長的網路帶寬處理需求。但伴隨著國家戰略層面對網路通信基礎設施和網路安全自主能力的重視，網路設備的晶元國產化已經開始，像中科網威推出的安全產品內置國產申威晶元，華為的路由器和家用無線路由器也採用了自主的華為海思晶元；

再例如國內物聯網晶元提供商-華為海思、中芯國際、台積電（台灣）、華虹宏力、展訊、聯發科（台灣）、華潤微、聯芯科技等公司都紛紛擴大布局，在設備、組件和軟體開發方面的加強創新；

聚焦到存儲晶元，則有長江存儲量產首款國產32層3D NAND快閃記憶體晶元（64G），其在做進一步準備的同時，預計在2019年64層3D NAND快閃記憶體（128G）能夠實現規模化生產。

中國心，中國芯，我們從圍繞各個領域晶元的成長步伐，可以看到中國晶元產業的發展圖景，頗有內心奮起，拳拳之意的堅定，基於此，我們不妨走入細分行業，一窺究竟。

國產晶元的話題，又被提至風口浪尖。國產晶元行不行？其實性能並不差。為什麼不行？國產晶元設計能力存在短板，晶元製造業表面看起來發展迅速但主要為海外客戶加工晶元。而國產晶元廠商在設計上缺少關鍵IP核的設計能力，SoC設計嚴重依賴第三方。但最重要的是市場和生態不足以支撐其應用。下面我們來看看在網路通信設備方面，國產晶元的現狀吧。

國產晶元備受關注（圖片來源：互聯網）

長期困頓的國產晶元產業

國內的晶元產業一直以來是政府重點支持的產業，在已經公布的2017年度財報中，國產晶元概念股廠商在2017年獲得的政府補助金額大多數在1000萬元以上，甚至有些廠商獲得了過億元的補貼。但許多國產晶元廠商靠政府補貼度日，除去政府補貼後連續幾年都處於虧損狀態。

路由器也有處理器支撐

網路設備的晶元應用廣泛

路由器、交換機這些設備在互聯網時代，已經是不可或缺的基礎設施。當下雲計算、大數據的興起，讓數據中心的建設呈爆髮式增長，更需要路由器、交換機這些網路設備的支持。或許在生活中這些設備並沒有得到你的關注，但其實我們發出的每一條微信，打開的每一條微博，觀看的每一個視頻都離不開路由器和交換機的傳輸。

路由器可以說是互聯網中的樞紐，它不僅可以連通不同的網路，還可以選擇數據傳送的路徑，並且能夠阻隔非法訪問。作為IP網路的核心設備，路由器的技術已經成為現在信息產業的重要技術，它在數據通信中起到的作用也越來越重要。而交換機則是一個擴大網路的器材，能為子網路中提供更多的連接埠，以便連接更多的計算機。

高端路由器的晶元不容小覷

國外廠商佔據大部分市場 國內廠商艱苦奮鬥

國產晶元的話題再次走到風口浪尖，那麼在網路設備領域中國產晶元的應用現狀如何呢？答案是，網路設備中國產晶元寥寥無幾，依舊是國際大廠的天下。博通、博科、Marvell、摩托羅拉、諾基亞、愛立信、阿爾卡特、英特爾，在運營商和企業級的產品中，基本被這些國外品牌佔據。

和CPU晶元不同，網路處理器晶元涉及網路通信、微電子、處理器架構等多個領域，設計難度很大。同時，其性能必須滿足飛速增長的網路帶寬處理需求。但伴隨著國家戰略層面對網路通信基礎設施和網路安全自主能力的重視，網路設備的晶元國產化已經開始。像中科網威推出的安全產品內置國產申威晶元，華為的路由器和家用無線路由器也採用了自主的華為海思晶元。

華為海思的路由器晶元

國產晶元已經有了，而且性能並不差，但為什麼還是聽不到它的聲音？關鍵是沒有生態支持。晶元要是被比喻成大腦的話，那麼操作系統和軟體就是魂魄，失魂落魄也不行。沒有整機供應商的量、沒有用戶等，便浪費了芯的魂魄，使之成為無人之芯，無載體的靈魂。像剛才提到的兩家廠商，不止自己做晶元，更能夠推出搭載國產晶元的設備，並推向市場應用。

結語：

國產晶元產業的提升，不僅僅是需要一個晶元。更是需要一個操作系統與軟體共同支撐、OEM廠商市場宣傳用戶應用支持的生態。要培養出這樣一個生態環境，投入的資金更是巨量的。想要網路設備的晶元擁有更多國產化產品，需要大量資本資本投入國產晶元技術之後再投入整機市場、用戶的行業生態構建與發展。

市場研究諮詢公司Compass Intelligence發布了2018年度全球AI晶元公司排行榜，在全球前24名的AI晶元企業中，中國公司佔據7個席位。

根據榜單，英偉達(Nvidia)、英特爾(Intel)以及IBM分列前三甲，華為排名12名，成國內最強AI晶元廠商。剩餘6家公司分別為聯發科（MediaTek）、Imagination、瑞芯微（Rockchip）、芯原（Verisilcon）、寒武紀（Cambricon）、地平線（Horizon）。

國內AI晶元產業的迅速發展，引起了廣泛熱議和關注，部分媒體鼓吹中國憑藉AI晶元便能在晶元行業實現彎道超車。在筆者看來，這樣的結論存在過度炒作行為，AI晶元的爆發，距離中國成為晶元強國差之甚遠。

AI晶元無顛覆性的技術

目前，AI晶元主要以CPU、GPU、FPGA、 ASIC為主，如英特爾AI晶元屬於CPU，英偉達屬於GPU，阿爾特拉屬於FPGA，寒武紀和地平線屬於ASIC，其中，CPU和GPU屬於通用型，FPGA和 ASIC屬於專用型。

相比CPU，GPU具有明顯的數據吞吐量和並行計算優勢， 最早被用於 AI 計算，廣泛應用在數據中心中。FPGA 因靈活性和效率上的優勢，在 2015 年後異軍突起，適用於虛擬化雲平台和預測階段，ASIC 晶元因其比 FPGA 晶元具備更低能耗和更高計算效率，適用於人工智慧平台和智能終端領域的特性。但是和FPGA晶元一樣，不具備批量生產優勢，也就是說沒有價格優勢。

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AI晶元快速發展的同時面臨著嚴峻現實問題。因為應用場景不同，在演算法上也不能通用，無法固定，所以演算法和應用僅處於一一對應階段，沒有像CPU一樣的通用演算法晶元。在架構上，目前是CPU+GPU、CPU+FPGA、CPU+ASIC組合。

AI晶元要想發展，必需隨場景不同而變化，這是AI晶元架構發展的挑戰。

AI晶元更多起到優化作用

在當前應用場景中，AI晶元更多起到優化現有應用的作用，一方面是基於微處理器，優化網路神經計算，提高語音、圖片等識別速度。如啟英泰倫研發的CI1006 AI晶元，集成腦神經網路處理硬體單元，專供語音識別，提升智能語音識別響應及控制速度，實現單晶元本地離線大辭彙量識別。華為在海思麒麟970處理器中搭載寒武紀AI晶元，運用於Mate 10手機中，在圖片識別速度上明顯提升。

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另一方面，AI晶元可運用於人工智慧專業領域，如醫療、教育、安防和監控等。如在醫療領域，提升診斷效率，解決醫療資源短缺；在安防監控上，進行危險行為識別、人物跟蹤等。

AI晶元市場總體份額較小

據統計，2017年AI晶元市場規模為7億美元，預計到2022年達到490億美元，年均增長率90%。另一組數據，僅2017年，全球晶元產值超過3900億美元，其中近50%的銷售額被前十大晶元製造商瓜分。AI晶元市場需要到2021年才能達到2017年晶元市場的零頭。

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國產晶元自給率嚴重不足

中國在晶元市場上擁有龐大的需求量，佔全球晶元需求量的50%以上，某些應用晶元佔到70%-80%，而國產晶元只能供給8%左右，據統計，2016年中國在晶元進口額為2300億美元。

在晶元的原材料和裝備上，日本佔據部分化學試劑全球60%以上的市場。韓國擅長存儲器產品，台灣地區專業代工。作為半導體發源地的美國，具有深厚的技術和創新實力。在中興事件中，雖然中興只有25%-30%的零部件來自美國供應，但手機晶元、基帶晶元、射頻晶元和存儲晶元等核心零部件均依賴美國。

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結語：中國在AI晶元發展上位於全球第一列隊是件值得自豪的事，但國人更需理智看待晶元行業，中國要想在AI晶元領域趕超國際對手，必須在一個垂直領域做得非常深，在硬體開發上進行生態培育，在架構上實現顛覆性技術並應用於產業。再放眼整個晶元行業，國家的資金扶持和商業資本的關注，為晶元行業帶來發展機遇。未來的3-5年里，是國產芯發展的關鍵期。

在網路技術高速發展的當下，萬物互聯時代逐步開啟，物聯網（IoT）自然成為各方角力爭奪的新戰場。在物聯網的世界裡，人與人、人與物和物與物之間能夠快速、智能地實現信息交互和通信，進而獲得更為便捷的生活體驗。

物聯網蓬勃發展 帶熱IoT晶元

據市場調研公司ABI Research預計，在2020年通過物聯網進行無線連網的設備總數將達到300億台，而且大部分增長將來自於智能移動設備。其中，網關或感應器類型的設備將佔到物聯網全部設備中的60%，但是個人連網移動設備仍將是物聯網的重要組成部分。

在物聯網技術、應用的帶動下，其相關晶元產業也將獲得蓬勃發展，甚至將成為中國「芯」領域成功破局的關鍵。根據市場研究機構IC Insights發布的最新報告指出，物聯網和汽車應用將成為2016-2021年間帶動晶元銷售成長最主要的因素。

在此期間，物聯網晶元銷售額的複合年增長率（CAGR）有望達到13.2%，而車用晶元的複合年增長率則可達到13.4%。同期整個半導體行業的市場規模也會提升7.9%。

2016-2021年物聯網晶元銷售額的複合年增長率（CAGR）有望達到13.2%

2017年，與物聯網相關的集成電路銷售額增長14%，達到了145億美元。2018年，物聯網終端應用的集成電路銷售額預計將增長16%，預計可達到168億美元。

物聯網是一個龐大複雜的系統，千億級數量的不同設備對網路連接有著不同的需求，這就讓物聯網技術在各行業落地帶來更多的發展機遇。

現階段物聯網晶元產業格局

在物聯網行業的高速發展下，物聯網晶元正成為超越PC、手機晶元領域的最大潛力「股」。面對巨大的市場空間，國內外廠商紛紛發力物聯網晶元。

目前，主要的國外物聯網晶元提供商包括高通、英特爾、ARM、AMD、三星、英偉達、恩智浦、博通、Atmel、Marvell、Cyress等等，而國內物聯網晶元提供商則包括華為海思、中芯國際、台積電（台灣）、華虹宏力、展訊、聯發科（台灣）、華潤微、聯芯科技等公司都紛紛擴大布局，在設備、組件和軟體開發方面的加強創新。

物聯網晶元產業格局

不過，物聯網領域龐大繁雜，顯然單一類型晶元無法滿足不斷擴大的物聯網應用與市場組成。現階段主要包括有工業物聯網晶元、通訊射頻晶元、身份識別類晶元、安全晶元和移動支付晶元等等，並且這些領域的物聯網晶元需求規模巨大。

物聯網晶元成為中國破局契機

由於半導體行業獨特的生產製造背景，讓其門檻較高，涉及從材料、工藝、生產設備等基礎性行業的支持。一旦生產過程中出現任何一個微小失誤，就可能引發晶元良率不達標，甚至報廢情況，讓所有企業投入打水漂。

相對來說，物聯網晶元只針對特定的應用場景，就沒有那麼嚴苛的要求了，只需深入垂直領域，即使工藝差一些，但通過不斷迭代演進，持續積累設計經驗，驗證產品，單點突破後再橫向擴展，還是可以逐步將量做起來的。

具體到現在的物聯網行業，如智慧城市、智慧樓宇、智慧農業、智慧水務等等均有巨大需求。而在諸多細分市場上，在系統的基礎層都是高度復用的，如感測器、物聯網終端內置的MCU、傳輸層的多種低功耗廣域網晶元，以及未來的5G、網關等邊緣計算設備用到的中央處理器等等。此外，許多垂直領域都對物聯網晶元存在剛需，但還沒有性價比合理的解決方案，仍有巨大市場空間等待挖掘。

結語

目前來看，我國半導體產業鏈雖然總體上還無法與美國抗衡，但一些領域上的差距已越來越小，而在物聯網晶元一些領域中則齊頭並進甚至開始超越，成為帶動整個晶元產業逐個突破的新機遇。

晶元之傷，這也是存儲行業多年思考的問題。其實在前沿技術的研發中，中國的科研院所並不落下風，例如前不久浙江大學信息與電子工程學院趙毅教授課題組研發出的低成本、低功耗的新型存儲器，以及一個月前復旦大學微電子學院教授張衛、周鵬帶領的團隊研發的二維非易失性存儲晶元......這些技術應用站在行業上都是超前的，但是距離規模化量產似乎還「遙遙無期」。

Samsung 3D V-NAND（圖片來自custompcreview）

存儲晶元，可以理解為嵌入式系統晶元在存儲行業的應用，從產品化實現可分為ASIC技術和FPGA技術。從應用來看，存儲晶元技術多用於企業級存儲系統，為訪問性能、存儲協議、管理平台、存儲介質，以及多種應用提供高質量的支持。

如果說存儲器是家庭的大門，那麼控制器就是家鑰匙，只有這兩者滿足了才能為大數據找到存放的倉庫。當前，存儲產業在全球IC市場的佔比超過33%，如果中國掌握不了自家的鑰匙，還談什麼數據安全？然而，要想在晶元領域佔領高地，所涉及的方面包括設計、生產、封裝、測試，還有材料、編程器件等等，只要單一產業鏈崛起是行不通的。

近年來，中國在存儲器產業的投資力度備受關注。2016年12月，以長江存儲為主體的國家存儲器基地開工建設，包括三座全球單座潔凈面積最大的3DNAND生產廠房、一座總部研發大樓和若干配套建築，預計項目建成後總產能將達到30萬片/月，年產值將超過100億美元。在長江存儲的背後，是國家集成電路產業投資基金（佔比24.0933%）、湖北紫光國器（51.0363%）等重磅機構。

2018年4月11日，長江存儲正式啟動了生產機台遷入作業，為量產首款國產32層3D NAND快閃記憶體晶元（64G）做了進一步準備，預計在2019年64層3D NAND快閃記憶體（128G）能夠實現規模化生產。對此，紫光集團董事長趙偉國信心滿滿：未來兩年內，人們或許就可以看到採用中國國產NAND存儲器的智能手機上市。

就像趙偉國所說的，機會來了，一方面是產業投入持續加大，另一方面也是由於半導體製程的演進使得摩爾定律在存儲行業似乎「失效」了。在14nm之後，NAND Flash晶元在存儲容量、良品率、成本、價格等方面陷入了困境，3D NAND的出現恰逢其時，為中國存儲器行業提供了彎道超車的機會。簡言之，3DNAND可以將原本平鋪的儲存單元進行堆疊，形成多層結構提供容量，使原本只有1層的儲存單元堆疊成64層甚至更多。更重要的是，其工藝製造技術有時會跑在處理器的前面。

從技術層面來說，半導體光刻在2D向3DNAND轉型的過程中可以沿用，也就是說中國無需再花時間去研製新的生產工藝。從資本層面來說，3D NAND生產線前期需要巨額投入，而在大多數工廠都面臨資金吃緊的情況下，中國的大力投入為技術攻關提供了源源不斷地支持。從存儲晶元市場長期被韓國、日本、美國廠商壟斷，到國產存儲晶元廠商的崛起，困境正在發生轉變。

10億美元，這是一枚32層3D NAND存儲晶元的價值，為了它，長江存儲投入了1000名研發人員，花費了兩年的時間。長江存儲預計，2018年下半年就能開始3D快閃記憶體生產，初期產能5000片晶圓/月，而武漢基地的設計產能如果可以如期達到30萬片晶圓/月，就足以比肩SKHynix、東芝這樣的傳統豪強。更進一步說，當長江存儲在2019年開始量產64層3D NAND快閃記憶體的時候，國產存儲晶元的水平與三星的差距就能縮短到兩年以內了。

隨著中國集成電路晶元進口額超過2000億美元，IC行業的重心向中國市場轉移已經成為趨勢。不過在這一浪潮之中，我們在工藝水平、良品率、技術實力等方面仍存在相當的距離。同時，考慮到晶元畢竟是上游產業，下沉到行業中還需要軟硬體集成商來連接行業客戶的需求，使其落地到應用場景中，也只有打通了這條鏈，才能讓晶元的開發、量產、測試進入快速周期，從而形成良性的生態閉環。要知道，三星半導體花了10多年的努力才走到今天，美國經歷輝煌後也是靠著美光等企業苦苦迎擊著三星和東芝，中國要想實現存儲晶元大規模替代進口，唯有潛心研發、布局生態，才會有可持續的發展。

伺服器晶元哪家強？美國英特爾找至強。這句筆者從某廣告語改成的話，充分體現了今天的伺服器晶元市場現狀。冰凍三尺非一日之寒，這種產業現狀已經成為行業內默認的規則，並以此形成了一個完整的、牢固的伺服器晶元產業鏈。

伺服器晶元環境 冰凍三尺非一日之寒

X86無間隙 至強一家獨大

至強處理器在伺服器晶元市場份額上佔據絕對的控制權。如果有一個潛在客戶問伺服器廠商的售前工程師：「你家伺服器用的什麼晶元？」那麼，對方給出的答案一定是「V4」或者是「最新的可擴展處理器」。

整個交流過程，不用提到英特爾至強，但是大家默認伺服器晶元是採用英特爾至強系。

英特爾一直以Tick-Tock為戰略發展標準，即通常在奇數年推出新的製程工藝升級，偶數年推出新的微構架，這樣每兩年英特爾處理器的製程和微構架就可以提升到一個新的層次。2017年7月12日，一場英特爾至強可擴展（Scalable）處理器在北京發布。不同於之前以E和V代表的代際區別，最新一代變成了銅牌、銀牌、金牌和鉑金四個類別，囊括在Scalable家族體系中。

至強可擴展處理器系列

其中用矩陣的模式（也可稱為網狀環形架構）打通晶元，縮短溝通距離，讓兩點間不用繞路，從而提升可擴展能力的Mesh架構成為顛覆傳統技術的關鍵。

在鉑金系列中，最高為28核。鉑金8180處理器單顆CPU可在SGEMM上實現高達3570GFLOPS，在IGEMM上實現5185GFLOPS；AVX-512提供每核多達兩個512位FMA單元並行計算。

可以說，英特爾至強處理器壟斷了整個伺服器市場，準確的說是絕大部分X86伺服器市場被英特爾所佔據，其他人難插足。

MIPS架構 國芯劍走偏鋒

但是今天的伺服器市場，顯然不滿足於一家獨大的擠牙膏式產品發布節奏。2018年年初戴爾等品牌伺服器開始採用AMD處理器，高通也忙於進軍伺服器市場。中國在去年宣布未來十年將投資1000億美元投資做晶元。但很遺憾，這些，依然沒有改變伺服器晶元市場現狀。

龍芯在中國人眼裡就是「國產最強」的代名詞，無論是跑分，還是性能甚至會超過市場上主流的處理器。搭著「國產」這班順風車，龍芯賺得了吆喝和資金。龍芯1號在2002年完成研發，主頻266MHz。最新的龍芯3號主頻達到1GHz，峰值計算能力達到16GFLOPS。

從沙子到晶圓再到處理器 市場化困難重重

龍芯處理器採用精簡指令集MIPS架構，在跑分上遙遙領先，擁有不錯的功耗比。但是十五年過去了，除了太空中三顆北斗衛星定位星是採用龍芯晶元在軌運行之外，龍芯在民用市場上幾乎完全沒有市佔率。

類似的情況也發生在申威處理器上，在贏得超算世界冠軍後，申威並沒有得到普及，也沒辦法得到普及。問題並不是出在資金上，而是生態問題，是系統、軟體整個IT生態兼容問題。

伺服器晶元無規模 無生態 無解

國產芯就是一個大IP，搭上這班列車能夠帶來不錯的收益和市場反響，但畢竟實驗室與市場/商業化，還是完全不同的兩個概念。有了實驗室里的技術成績，依然需要打造一個晶元生態，完成市場化過程。沒有生態，就無法生成價值輸出，再好的產品也只是一個無意義的裝飾品。

從國內晶元市場來看，除了生態問題之外，成本問題也是一大難題。伺服器晶元行業需要思考：在沒有生態，沒有市場，沒有規模效應的前提下，如何控制成本，控制價格與價值之間的定位關係，並實現良性的供求關係？

寫在最後，中國晶元產業客觀而言確實在用行動證明，國產晶元領域有萬億規模的資本支持，更有千萬家本土企業在奮進中成長，這其中有對未來本土晶元技術的信心，更有對行業領域晶元技術發展的憧憬，無論如何，我們願意從耐心的等待中找到屬於中國芯的生命力，堅定有力。

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