计算机芯片国产化对未来云计算、高性能计算发展的影响

一、国外芯片发展现状

美国芯片目前居于全球领先地位,拥有一大批如Intel、TI、高通、博通等在全球拥有绝对影响力的芯片厂商。

1.美国芯片市场的规模

2016年,美国芯片行业市场规模为655亿美元,,2017年美国芯片行业市场规模为723亿美元,2018年,美国市场规模约为750亿美元。前瞻分析预测,2019-2023年,美国芯片行业市场规模将保持平均5%的增速,预计到2023年,美国芯片行业市场规模将超过890亿美元。

2.美国芯片市场的地位

美国是全球最大的半导体消费市场,也是最大的生产国,主导了全球半导体与电子产品的发展。美国在电子产品的市场、技术与新产品的发展及应用上,都具有指标意义,美国拥有由芯片产业所带动一流的下游电子产业,数十年来电脑工业均由美国厂商所主导,目前在网络设备上亦取得领先,通讯产业与欧洲厂商比肩,军事工业更是世界强者,数十年来均是全球最大的半导体消费市场,这项先天优势,是美国芯片业蓬勃发展的重要基础。美国半导体厂商对全球芯片产业总营收有近一半的贡献,而美国半导体厂商有八成营收是来自海外市场。此外,美国芯片技术研发在全球也处于领先地位

二、国内芯片生产现状

从美国用芯片掐住中兴的脖子后,芯片产业成为全民关注的焦点,民众对国内的芯片产业寄予厚望,期待能够突破技术封锁,实现国内的产业结构升级。

首先给一个总结:国内IC市场规模大自己能力不足,中低端产品发展迅速细分领域实现突破,核心受制于人。

我国是世界工厂承接了全世界电子产品的加工制造,每年需要大量进口芯片。今天已经超过原油成为我国进口的第一大品类,虽然拥有如此庞大的市场,但由于芯片产业链条长,每个环节均有不小的技术难度,导致我国芯片自给能力弱,截至2018年,自给率在15%左右。在整个产业链的多数环节,我们与国际先进技术之间存在巨大差距,这也是自给率不足的重要原因。不过经过多年发展,我们在一些细分领域实现了突破,达到先进水准,如海思的手机处理器等。按照产业链环节划分,具体可以分为设备,材料,IC设计,晶圆代工,封装测试五个领域。每个领域都有一定的门槛,下面我分别介绍,每个领域的发展情况。

1.材料,

芯片,实际就是搭建了集成电路的硅片制造芯片,先进芯片的制程已到了纳米级别,这对硅片的纯度,和平整度有极高要求。制造硅片大概需要以下三个步骤,纯化,拉晶,切割。主要难度在拉晶这个环节,拉晶就是将纯化得到的多晶硅融合,用单晶硅接触液面表面,旋转拉升得到单晶硅柱。作出的晶柱越粗,可切出的硅片直径越大,芯片制造时的效率就会更高,主流的硅片为八寸和12寸两种。

国内做的比较好的是新昇半导体和中环股份。去年第底时,新昇半导体的12寸硅片已经通过中芯国际认证。这个领域未来国产替代的空间很大,除硅片外,芯片制造过程中,还需要用到电子气体,靶材,工艺化学品,光刻胶,光刻胶除胶剂,cmp,掩模板等材料,我国厂商,在溅射靶材,研磨液上有所突破,但大多数材料仍需依赖进口。涉及相关业务的国内上市公司有南大光电,雅克科技,中环装备,晶瑞股份,江化微,鼎龙股份,江丰电子有研新材

2.IC设计

IC设计类似于做图纸设计师根据系统逻辑与性能的要求,制作,具体物理版图的过程。有些企业会将制作的图纸交给代工企业,制造,有些则拥有自己的制造厂,华为海斯,高通等属于前者,英特尔,三星等属于后者。IC根据功能的不同,可以分为多个子类。

(1)存储器

这块主要被韩国的三星海力士和美国的美光垄断,最近几年,存储器涨价让几家巨头赚翻了,存储器国产化率非常低,我国最近几年在存储器领域投入巨资,最具有代表性的是紫光集团旗下的长江存储,未来有可能会打破国外的垄断,但还需要时间来验证。

(2)微处理器

在PC端国产实力较弱,暂时没有能力实现国产替代在移动端华为海思已经可以设计出世界先进水平的处理器,而紫光展锐的中低端处理器已经成功应用于许多手机厂商。不过无论是紫光展锐还是高通,苹果设计芯片时都使用了arm的架构,arm是这个领域的隐形霸主。

(3)微控制器

mcu广泛应用在多个领域目前国内高端市场被国外厂商占据国内仅有中颖电子和兆亿创新在中低端粮mcu领域迅速实现国产化,主要是电池管理芯片,小家电主控芯片的。

(4)数字信号处理器

这块同样被国外垄断,国内仅在军用领域有一些突破,民用领域差距很大,我国模拟电路与国际巨头差距明显,且追赶难度巨大,另外,在一些更细分的领域,国产厂商也实现了突破,例如汇顶科技的指纹识别芯片已经成功登顶世界第一。

3.制造

台积电是全球范围中的,绝对霸主一家拿到了50%的份额,台积电先进制程的开发进度几乎决定了行业的发展速度,目前台积电已经试产了5nm,三星为了与台积电竞争称要研发3nm制程。大陆工厂与台积电的差距大约在二代以上,最先进的中芯国际今年一季度刚刚可以量产14纳米制程目前正抓紧攻克12纳米至于排行老二华虹半导体距离先进制程仍有距离,另外也有一些芯片企业采用了idm模式。国内长江存储,自建了存储器晶圆生产线制造工艺同样较为先进。

4.封装测试

封测式集成电路产品的最后一段环节,技术相对容易。国内封测领域有三大龙头,分别是长电科技,华天科技和通富微店。三家均进入了全球封测行业的前十。2017年时三家总共占了全球封测市场份额的19%,得益于2015年收购了国际封测巨头,星科金朋。长电科技无论技术还是规模均牢牢占据国内第一位。

5.设备

所有的生产都离不开设备,IC对设备的依赖更强。设备可分为晶圆制造设备,封装设备和测试设备等。晶圆制造设备又分为刻蚀机,光刻机,薄膜尘设备,cmp设备,检测设备等。

光刻机的技术难度最高,目前被荷兰厂商ASML垄断,短期国内在这个领域实现突破的可能性几乎为零。另外一个比较重要的设备就是刻蚀机。刻蚀设备的难度远远低于光刻机。准备在科创板上市的中微公司的等离子体刻蚀设备已被广泛应用于从65nm到7nm的IC加工制造及封装。另一个国产IC设备龙头则是北方华创,北方华创的优点在于全面,目前可以制造等离子刻蚀,物理气相沉积,化学气相沉积,氧化/扩散,清洗,退火等半导体工艺装备。可以说在芯片设备领域,除光刻机外均有所突破,未来也是国产替代的重点。

6.总结

半导体产业链条长全球分工分散,没有任何一个国家具备完全自主制造先进芯片的能力,不过我们要相信道阻且长行则将至

三、国内芯片应用现状

1.CPU

CPU 是芯片领域技术追赶难度最大的存在。一方面,英特尔几乎垄断了整个 CPU 市场,国内敢于挑战 CPU 内核的企业团队数量非常有限。虽然有龙芯这样具有研发能力的厂商,但产品大都没有实现商业量产。另一方面,由于缺乏完善的产业生态支持,尽管做出的产品在单一或部分指标上能够超越国外CPU,但还是不足以与市场主导产品形成竞争。

但有希望的是,从龙芯(MIPS)架构,海光和兆芯(X86 架构,从 AMD 和 VIA 获得授权),申威(购买 DEC alpha 架构),再加上一些交换芯片、arm 架构的处理器,中国基本能实现整个计算机和网络设备的全自主。

(1)龙芯,源于中科院,是国内 PC 级 CPU 销量最大的公司,打破了国内部分专家和从业人士并不看好 CPU 国内自主路线的落后观念。

(2)兆芯,成立于 2013 年,是 VIA 威盛与上海政府基金成立的合资公司,获得了 X86 授权,是国内发展高性能 X86 处理器的中坚力量。

在x86处理器领域,如果说状元和榜眼分别是英特尔和 AMD,那么探花则是 2013 年成立的上海兆芯集成电路公司。

(3)今年初,华为推出鲲鹏 920,成为业界首颗兼容 ARM 架构的 64 核数据中心处理器。9 月,华为已经率先在深圳电力行业部署鲲鹏国产 CPU 生态体系,逐渐取代英特尔 CPU。

4)飞腾,是国产 CPU 企业中能够覆盖高性能计算芯片大到桌面、小到嵌入式芯片均能提供产品的企业,是国产芯片的主流代表之一。

2.GPU 芯片:

GPU 方面,产值小、门槛高使市场内几乎只剩下两家可以研发高性能 GPU 的公司:AMD 和英伟达。英伟达是全球最大的独立 GPU 供应商,GPU 芯片销售收入占到了总收入的 81%。

国内 GPU 厂商面对技术、人才、专利这三样重要障碍,更是难以摸到彼此之间的巨大差距。景嘉微成为了目前国内唯一量产 GPU 的行业龙头。

1)景嘉微,国内 GPU 行业龙头,A 股唯一 GPU 芯片设计公司,成立于 2006 年 4 月。研发背靠国防科大,并积极与国内外算法公司展开新技术合作。

2)西邮微电,嵌入式图形处理器(GPU)芯片-萤火虫 1 号,嵌入式 GPU 芯片,该项目填补了国内空白,总体技术达到国内领先水平。

3)中科曙光,代表的 Xmachine GPU 服务器和 Sothis AI 人工智能平台,面向金融人工智能应用,提供定制化开发产品及服务。

四、芯片国产化对云计算未来发展的影响

云计算是一种按使用量付费的模式,这种模式提供可用的、便捷的、按需的网络访问,进入可配置的计算资源共享池(资源包括网络,服务器,存储,应用软件,服务),这些资源只需投入很少的管理工作或与服务供应商进行很少的交互,就快速提供。

与美国等发达国家相比,我国云计算发展仍有较大空间。由于我国行业起步较晚,总体上企业机构对于云计算的投资占比不高。2017年我国企业云计算相关支出占IT总支出的比例14.4%,该指标在美国则高达29.1%

我认为,芯片国产化的出现将成为我国云计算领域实现突破的契机。一方面,在云计算时代,数据中心由大量低端X86服务器堆积而成,已不再盲目追求单个CPU的计算速度,此外,摩尔定律的逐渐失效也为国产CPU厂商的奋起直追提供了条件;另一方面,云计算时代算力的高度集中使得我国信息技术产业的核心芯片与基础软件不再由单个终端用户决定,凭借国家意志,国产芯片可以在少数云计算龙头供应商上推广应用、迅速普及,从而搭建起相应的产业生态圈,并实现其内部的良性循环。

六、芯片国产化对高性能计算未来发展的影响

高性能计算,又称超级计算,是计算机科学重要的前沿性分支。它不仅是一个国家综合科研水平的重要标志,也是综合支撑国家安全、经济和社会发展等可持续发展的不可替代的信息技术手段。中国商用超算系统绝大部分采用国外厂商的芯片、系统和应用软件等,自主技术的超级计算机相对较少。

随着自主可控市场的成熟,国产芯片对高性能计算的支持在不断增加,同时,云计算的逐渐发展也为国内计算机产业生态打下良好基础,在未来,国产芯片、云计算和高性能计算必然走向一体化,现如今,在部分芯片自给的情况下,高性能计算和云计算产业链整合加速。正是由于外国对我国芯片产业的打压,给予了国内IC产业大力发展的机会,让自主可控产品从“能用”走向“好用”,让我国IC产业逐步减少对外国进口的依赖,逐步掌握核心科技不再受制于人。

总结

虽然美国如今转向研究、攻克量子计算机,减少了IC产业的关注与投入,放宽了产业的下游,是我们奋起直追的好机会,说白了就是别人不玩了,去开发更高级的量子计算了,电子芯片要发展到瓶颈了才给我们发展中国家去玩,这个产业我们进入战场可以放手一搏,但是真正实现自主可控需要向未知领域不断进发,快人一步掌握核心技术,才能在世界上牢牢把握话语权。

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