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半导体入门,你需要了解的二三事

2018年3月5日 19:50:06

本文来自于“独角兽智库”微信公众号,作者为独角兽研究,原标题为《【独角兽研究】半导体入门系列之一》。

开始接触半导体行业时,印象最深的感受是:哪里都有你,但哪里都看不透你,因为半导体在这个智能化的社会已经基本无处不在,虽然基本逻辑一样,但是应用不同又会划分出不同的种类,再加上它的市场规模庞大,导致产业链虽然长,但是每个细分环节的市场规模都不算小。今天尝试把自己学习和研究结果跟大家做个分享,希望对初学者有所启发。

先上两张半导体全面图,第一张主要告诉我们,在电子化和智能化的过程中,为了实现不同功能,需要开发不同种类的芯片;第二张是半导体核心产业链和配套产业。

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一、分立器件和集成电路的关系

半导体直接的解释是指导电性能介于导体和绝缘体之间、并可以通过掺入杂质来改变其导电性能的材料。二极管和三极管是分立器件中最重要的元件类别,半导体材料是它们的基础,只是之前还有电子管和晶体管之分,但是电子管因为灯丝的热损耗,效率比晶体管低,现在已很少见到,绝大部分是晶体管,所以我们现在讨论二极管、三极管时已经把前面的半导体或晶体省去。简单来讲,二极管是具有单向导电的二端器件,三极管的作用是放大电流。

晶体管出现后才有了集成电路,这里插一个故事来解释这个问题:1942年在美国诞生了世界上第一台电子计算机,它是一个占地150平方米、重达30吨的庞然大物,里面的电路使用了17468只电子管、7200只电阻、10000只电容、50万条线,耗电量150千瓦。很显然,占用面积大、无法移动是它最直观和突出的问题,如何能把这些电子元件和连线集成在一小块载体上是当时很多科学家思考的问题。1947年,美国贝尔实验室制造出来了第一个晶体管,在此之前要实现电流放大功能只能依靠体积大、耗电量大、结构脆弱的电子管,而晶体管不仅具备电子管的主要功能,并且克服了电子管的上述缺点,这样一来,把电子线路中的分立元器件集中制作在一块半导体晶片上,实现一小块晶片就是一个完整电路就成为了可能,这就是初期集成电路的由来。

因此,分立器件和集成电路的关系可以从字面上去理解,即分立和集成、器件和电路的关系。由于它们的基础都是半导体材料,所以为了方便,把它们都归于半导体行业中。

二、细分市场规模

纵向种类划分:根据世界半导体贸易协会(WSTS)统计,2016年全球半导体市场规模是3389亿美元,其中集成电路市场规模为2767亿美元,占比81.6%。进一步细分,逻辑芯片的市场规模最大,达到949亿美元,占比28%,接下来分别是存储器、微处理器和模拟电路,占比是22%、19%和13%。而从最近的数据来看,预计2017年全球半导体市场规模会超过4000亿美元,存储器产值有望超1100亿美元,成为占比最高的集成电路细分品种。

横向产业链划分:按照全球半导体企业的营收来测算,半导体设计市场规模在800-900亿美元,晶圆制造环节的市场规模大约是500亿美元,半导体封测市场规模也在500亿美元左右,这部分的数据大家大概了解一下级别就可以,具体数据不是很准确,因为有些企业设计到多个环节。原材料和半导体设备的市场规模都在400-500亿美元,都包含了制造和封测环节所需的材料和设备。

三、核心能力指标

在IC设计、晶圆制造和封测这几个环节中,晶圆制造是进入壁垒最高的环节,就是给你同样的先进设备和材料,没有掌握相关工艺是做不出来先进晶圆的,而这部分工艺的开放度很低,这也是台积电为什么能够占领50%市场份额的主要原因之一。

晶圆制造涉及两个参数,一是上游材料硅片的尺寸,二是代表晶圆工艺的蚀刻尺寸,即晶体管之间的距离。

1)在一定范围内,硅片尺寸越大越好,因为这样每块晶圆能生产更多的芯片,比如同样使用0.13微米的制程在200mm的晶圆上可以生产大约179个处理器核心,而使用300mm的晶圆可以制造大约427个处理器核心,300mm直径的晶圆的面积是200mm直径晶圆的2.25倍,出产的处理器个数却是后者的2.385倍,并且300mm晶圆实际的成本并不会比200mm晶圆来得高多少,因此这种成倍的生产率提高显然是所有芯片生产商所喜欢的。但是硅片具有的一个特性限制了生产商随意增加硅晶圆的尺寸,那就是在晶圆生产过程中,离晶圆中心越远就越容易出现坏点。因此从硅片中心向外扩展,坏点数呈上升趋势,这样我们就无法随心所欲地增大晶圆尺寸。半导体硅片是个市场高度集中的行业,日本信越、日本胜高、中国台湾环球晶圆、韩国LG和德国Silitronic这五大厂垄断了全球超过90%的市场份额,原因是半导体硅片对纯度的要求极高(99%的小数点后面要11个9以上),相较于太阳能硅片(小数点后要6个9),半导体硅片整个工艺流程(原料纯度,管道清洗,提纯塔,厂房洁净度等)的要求都高出许多。目前主流的硅片尺寸为300mm(12英寸)、200mm(8英寸)和150mm(6英寸),其中12英寸硅片占比超过60%,主要用在高性能芯片上,由于硅片尺寸越大,工艺难度越高,所以目前我国对300mm(12寸)硅晶圆的需求还基本依靠进口。

2)蚀刻尺寸是在一个硅片上所能蚀刻的一个最小尺寸,更先进的制造工艺,所能蚀刻的尺寸越小,那一块硅片上所能生产的芯片就越多,成本也就随之降低、处理器的运算效率也会增加。此外,体积的减少可以降低耗电量,更容易塞入行动装置中以满足未来轻薄化的需求。目前先进主流的晶圆技术是12英寸硅片加14nm制程,而为了应对更强运算能力和更低功耗的需求,10/7nm甚至5nm工艺已经提上应用议程。虽然半导体工艺从微米级到纳米级,纳米级从90nm到40nm过程中,核心指标“计算能力单位成本”持续下降,也就是工艺提高可以带来明显的收益,但是当工艺进入20nm这个级别之下,上述规律已经不明显,开发成本快速提升导致收益下降,所以目前来看,28nm制程是性价比最高的节点。

四、行业增长驱动力

半导体行业的增长有一定的周期性,它的景气周期主要由新科技带来的终端需求提升,比如1970-1990年,受到大型机、个人电脑等终端消费推动,全球半导体销售产值从5亿美金增长到1000亿美金;2001-2007年,受到笔记本、无线通讯、家电等消费推动,全球半导体销售产值从1400亿美金增长到2500亿美金;2009-2014年,需求推动的力量是智能手机为代表的移动互联网产品,这一时期全球半导体销售产值从2200亿美金增长至3300亿美金。

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预计从2017年开始到2022年,受到AI、物联网、5G、汽车智能化等的推动,全球半导体销售产值将突破5000亿美金。具体来讲有三方面增长驱动力:1、消费电子创新带动新型IC(AMOLED驱动、无线充电芯片等)高增长;2、汽车电子化率持续提升带来汽车半导体持续增长;3、物联网、AI、AR/VR等新型终端持续放量。

1)消费电子是目前半导体产值最高的下游,目前能看到未来2-3年消费电子确定性创新方向主要包括LCD屏幕往OLED屏幕转变、3d摄像头、无线充电、3D背板等,这些创新领域都会带动相关芯片需求增长。

2)汽车电子化的核心驱动力是智能驾驶和新能源汽车,智能驾驶需要更多传感器和通信网络来制程,因此会新增很多电子需求,主要包括车载摄像头、毫米波雷达、激光雷达、Tbox、汽车通讯系统等;新能源汽车系统中用电动机取代传统的内燃机,新增大量高价值量电子部件,包括锂电池、IGBT等功率器件。据PWC数据,目前全球汽车的电子化率(电子零部件成本/整车成本)不到30%,未来会逐步提升到50%以上,从绝对值看,目前单车半导体价值量接近400美金,未来将以每年5-10%的增速持续提升。

3)物联网主要应用在智能家居,车联网,智能医疗,智能工控等领域,据ICInsight数据,2015年全球物联网半导体领域市场规模在224亿美元,预计到2020年、2025年市场规模分别为429亿美元、919亿美元,基本实现5年翻一倍的增速,未来10年CAGR约为14%。从芯片种类来看,物联网需要最大的三类芯片分别是传感器芯片、通信芯片和控制芯片。传感器芯片主要包括图像传感器、化学传感器、湿度传感器、电磁传感器等;通信芯片主要包括蓝牙、蜂窝、WiFi、ZigBee等;控制芯片主要包括MCU芯片等。

4)其实消费电子、汽车智能和物联网的颠覆性增长都需要AI芯片的支持,AI芯片是目前引领半导体行业先进技术发展的核心。AI产业链根据技术层级从上到下分为基础层、技术层和应用层,基础层分为计算能力层与数据层,以GPU、FPGA、ASIC和类脑芯片为代表的计算芯片位于计算能力层。此外,不同环节的不同需求会催生专用计算芯片,比如深度学习主要分为训练和推断两个环节,在数据训练阶段,大量的标记或者未标记的数据被输入深度神经网络中进行训练,随着深度神经网络模型层数的增多,与之相对应的权重参数成倍的增长,从而对硬件的计算能力有着更高需求,此阶段(训练阶段)的设计目标是高并发高吞吐量;推断环节分为两大类——云侧推断与端侧推断,云侧推断不仅要求硬件有着高性能计算,更重要的是对于多指令数据的处理能力,比如Bing搜索引擎同时要对数以万计的图片搜索要求进行识别推断从而给出搜索结果,而端侧推断更强调在高性能计算和低功耗中寻找一个平衡点,设计目标是低延时低功耗。(编辑:张鹏艳)

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