全球變局下中國半導體產業的「危」與「機」

作者 : 顧正書,EE Times China主分析師

以下筆者對全球變局下中國半導體產業的「危」與「機」做了一點膚淺的分析和觀察,希望能夠幫助在半導體產業埋頭研發、默默耕耘的同仁們理清思路,堅定信念...

中國IC設計服務業者芯原(VeriSilicon)於6月初在EE Times China網站的一場直播講座上,以《大變局下的中國積體電路產業「危」與「機」》為題發表演說,從半導體產業歷史發展、IC技術變革、全球化等多個角度分析了當前不確定環境下的半導體產業現狀及未來發展趨勢,並以芯原的IC設計服務理念和實踐為例闡明了中國半導體產業發展的危機及應對策略。

以下筆者以戴偉民的演講內容為基礎,對全球變局下中國半導體產業的「危」與「機」做了一點膚淺的分析和觀察,希望能夠幫助在半導體產業埋頭研發、默默耕耘的同仁們理清思路,堅定信念,繼續為此攸關中國科技競爭力及未來命運的事業而奮鬥。

全球大變局——中美科技冷戰

中美貿易摩擦、中興事件、華為禁運、實體清單,及至最近限制台積電為華為海思代工最先進製程晶片,美國針對中國發動的一場「科技冷戰」逐漸浮出水面。

2019年11月,96歲高齡的前美國國務卿季辛吉(Henry A. Kissinger)針對中美科技冷戰的不斷升級發出警告,稱這場沒有硝煙的戰爭「比第一次世界大戰更嚴重」,但「挽救為時未晚」。今年4月份,他又針對蔓延全球的新冠病毒發表觀點,宣稱這場疫情將「永遠改變世界秩序」,國家和政府應該「一邊管控危機,一邊建設未來」。(出自Kissinger’s Warning: U.S.-China‘in the Foothills’of an Escalating Cold War 和The Coronavirus Pandemic Will Forever Alter the World Order)

2020是美國大選之年,由共和黨與民主黨參議員共同起草的《無盡前沿法案》(Endless Frontier Act,EFA)罕見地獲得兩黨一直認可。該法案旨在推動美國政府加大對科技領域的投資,讓美國在世界範圍內繼續保持優勢。

EFA法案主要提議:

  1. 將美國國家科學基金會(NSF)重組為國家科學與技術基金會(NSTF):從科學基礎研究為導向變更為科學研究與技術發展為導向。雖然只有一字之差,但技術和應用變得與科學基礎研究同樣重要。
  2. NSTF下設技術管理局,類似美國國防部高級研究計畫署(DARPA)的組織機構,負責在五年內管理和投資 1,000 億美元,用於人工智慧和機器學習、高性能運算、機器人、自動化和先進製造、量子計算、網路安全、生物技術和半導體等領域的投資和研究。
  3. 撥款100億美元給商務部,未來5年內在全美10~15個區域科技中心資助相關科技專案的研發。

美國已經感受到最近幾年中國在AI方面的飛速發展和咄咄逼人之勢,而半導體是所有先進科技的基礎,也是美國在產業和國防領域始終保持全球領先優勢的戰略要地,是絕對不能容忍中國或其它任何國家覬覦的。

不過美國麻省理工學院(MIT)校長Leo Rafael Reif就EFA法案發表評論,表示很多政策法案過於強調如何限制中國的發展,而非專注於尋求系統性的方法來提升美國自身實力。在任何競賽中,成功都是來自更加刻苦的訓練和跑得更快,而不能寄望於競爭對手跌倒。

Reif強調,要想保證美國未來國家安全和經濟的健康發展,需要一套綜合且具有前瞻性的科學和技術發展戰略。

新冠病毒疫情嚴重影響全球經濟

到目前為止,全球新冠病毒確診人數已經破千萬,累計死亡人數將近60萬。據國際貨幣基金組織(IMF)首席經濟學家Gita Gopinath估計,在2020年至2021年期間,全球GDP因病毒導致的損失累計約9兆美元,超過日本和德國經濟的總和。疫情對世界經濟的影響大致如下:

  • 全球經濟將萎縮3%;
  • 全球貿易總額下降12.9%~31.9%;
  • 製造業面臨需求下滑打擊;
  • 服務業遭受重創;
  • 失業率上升。

IMF預測,中國GDP年成長率2020年為1.2%,2021年將達9.2%。2020年第一季,中國的GDP下降了6.8%,其中第一產業(農業為主)下降3.2%;第二產業(製造業和工業為主)下降9.6%;第三產業(服務業為主)下降5.2%。中國國際經濟交流中心副理事長黃奇帆提出疫情對中國的主要負面影響及五個應對措施如下:

 

 

全球半導體產業首度出現出貨量連續兩年下滑

半導體研究機構IC Insights的最新報告預計,2020年全球半導體元件出貨量將下降3%,這意味著繼2019年衰退6%後,出貨量在今年將再度陷入下滑的窘境。

據IC Insights統計,從2013年到2018年,全球IC出貨量一直處於穩定的成長軌跡。其中,2013年成長8%,2014年成長9%,2015年成長5%,2016年成長7%,2017年開始更創下雙位數成長達15%,2018年的成長10%,在歷經2017年和2018年的雙位數成長後,2019年出現了歷史上第5次出貨量衰退。

IC Insights預計,2020年半導體總出貨量的百分比分割率將超過2:1。預計OSD元件(光學元件、感測器、離散元件)將佔半導體總元件數量的69%,而IC則為31%。多年來,這一百分比劃分一直保持穩定。該機構並預測,2020年全球IC市場成長的基線預測目前為-4%,同時預計今年整體半導體出貨量將下降3%。

隨著半導體產業規模的擴大,此一產業的發展跟全球經濟成長趨勢的相關度越來越強。這意味全球經濟的健康與否會直接影響到半導體產業的發展。

半導體製程、IP價值和晶片設計成本

隨著晶圓製造製程技術的進步,晶片上整合的電晶體數量也越來越多。以蘋果(Apple) iPhone的應用處理器晶片為例,電晶體數量隨著特徵線寬的減小而大幅提升,支撐了手機晶片性能的不斷升級。在16nm製程下,其手機晶片的電晶體數目為33億個,在7nm製程下為69億個,在5nm製程時預計達100億個。

晶片單位面積下電晶體數量的快速上升促使電晶體的單位成本快速下降,蘋果晶片每電晶體的生產成本在16nm製程下為4.98美元/10億個電晶體,而在7nm製程下僅為2.65美元。晶片中電晶體數量大幅提升,使得單顆晶片中整合的IP數量也大幅增加,原本在16nm製程下單顆晶片中整合113個IP,在7nm製程下單顆晶片中整合178個IP。

 

不同製程節點下的晶片所整合的硬體IP數量(平均值)。

(圖片來源:IBS)

 

這催生了蓬勃發展的半導體IP市場。據市場研究機構IBS統計和預測,全球半導體IP市場將從2018年的46億美元成長至2027年的101億美元,年均複合成長率為9.13%。其中:

  • 處理器類半導體IP市場預計在2027年達到62.55億美元,2018年為26.20億美元,年均複合成長率為10.15%;
  • 數位類比混合訊號IP市場預計在2027年達到13.32億美元,2018年為7.25億美元,年均複合成長率為6.99%;
  • 射頻IP市場預計在2027年達到11.24億美元,2018年為5.42億美元,年均複合成長率為8.44%。

伴隨著晶圓製程的先進和半導體IP的發展,晶片設計的成本越來越高。全球範圍內能夠提供7nm製程技術的代工廠商也只有台積電和三星,而能夠支付得起7nm和5nm製程的晶片設計廠商也為數不多。

以製程處於主流應用時期的設計成本為例,製程節點為28nm時,單顆晶片設計成本約為0.41億美元,而製程節點為7nm時,設計成本則快速升至約2.22億美元。其中早期使用和成熟期使用的成本相差一倍以上,但成熟期的使用成本仍非常昂貴。

2018年全球領先的晶片設計公司(fabless)的研發/營收比重如下圖:

 

 

中國半導體產業的「危」與「機」

2019年中國消費了2,122億美元的半導體產品(全球比重52.93%),預計到2030年將消費5,385億美元(全球比重59.20%),年複合成長率為8.84% (資料基於如下假設:中美貿易爭端不會阻止海外企業向中國出售產品)。

 

中國半導體市場按產品劃分。

(來源:IBS,2020年6月)

 

然而,中國半導體供應的自給率卻很低。據IBS預測,2019年中國市場的半導體供應量約有15.81%來自中國公司,而84.19%依賴外國公司。到2030年,中國市場的半導體供應量有39.78%來自中國公司,60.22%仍將來自外國公司。這一預測資料也許有點保守,但我們計畫2025年半導體自給率提升至70%的目標確實很難實現。

 

中國的半導體供應。

(來源:IBS,2020年6月)

 

樂觀地看,中國市場的重要性日益顯著。一直以來中國半導體消費量主要由「中國製造」(加工再出口)驅動,這一情況即將發生改變。預計2020年中國電子終端設備的內需市場將超過出口市場。

而且,中國企業的半導體需求量不斷提升。2019年中國市場半導體消費量45.09%來自中國企業,2020年中國和外國企業在中國市場的半導體消費量將持平。到2030年,中國市場半導體消費量68.58%將來自中國公司,市場需求主要來自資料中心、消費電子、汽車和醫療等領域。

 

中國半導體消費量。

(來源:IBS,2020年6月)

 

此外,中國正在千方百計尋求「技術趕超」。我們知道,IP研發(如微處理器和RF)和設計能力的提高需要時間累積。中國正在對下一代技術進行大量投資,並力爭成為新產品和服務的全球領導者。以高鐵、核能發電、5G寬頻通訊、電動車充電站和區塊鏈等為代表的「新基建」是重點佈局領域,預計2025~2030年中國將在許多技術領域取得世界領先優勢。

中國七大「新基建」的發展都離不開AI晶片、高性能伺服器微處理器、無線網路通訊處理器、高能效功率元件、機器視覺感測器,以及高精度類比元件等通用和專用半導體技術和產品。綜上所述,雖然中國半導體產業面臨前所未有的困難與挑戰,但同時也預示著走獨立自主之路、趕超世界先進技術的巨大機遇。為此中國半導體業界同仁應該堅持「科學創新,技術攻關」,以及開放創新、安全可控的發展之路。

 

(本文原刊於EE Times China網站)

 

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