《纳芯微电子看趋势 本土芯片行业进入起底回稳阶段》

  • 来源专题:光电情报网信息监测服务平台
  • 编译者: 胡思思
  • 发布时间:2024-11-29
  • 近日,纳芯微电子于苏州总部召开媒体沟通会,就过去一年的产业变化、公司业务进展,以及未来愿景和规划与包括与非网在内的众多行业媒体进行了深入交流,公司创始人、董事长、CEO王升杨的演讲坦诚且深刻,和大家分享如下:

    在这样的一个金秋时节,欢迎各位媒体老师和我们相聚在一起做一个交流。我去年和大家聊的时候,整个行业已经到了快速发展的尾声阶段。现在大概一年半的时间过去,行业变化还是蛮大的,我今天大概会分几个部分和大家分享一下,首先是我们对当前的市场以及产业的观察,之后会跟大家汇报一下纳芯微在过去一年多时间里的业务进展和更新,最后是我们面向未来的一些规划。过去这一年 卷出新格局先看一下我们对行业的观察,纳芯微的业务一直聚焦泛能源、汽车电子两个领域,同时也兼顾消费领域,所以从这几个领域和大家分享。

    首先汽车方面,在过去一年多时间里,新能源车的渗透率在持续提高。今年全年新能源车的出货规模预计将超过1000万辆,这是一个非常可观的数字。在几年前没有人能想到在短短的几年时间里,中国每年的新车销量竟然一半以上是新能源车,并且这个趋势还将继续发展下去。随着汽车的电动化和智能化进程的加快,我们在市场上看到了非常多的新机会。站在芯片公司的角度去看,芯片的使用量也在大幅增加。但是从去年开始,整个国内的新能源车产业,开始进入到了一个竞争非常激烈的时期。主机厂之间的激烈竞争,将压力传导到Tier-1供应商,最终再传导到芯片企业。“卷”是在近期行业交流里面听到过最多的一个字,那这是我们现在看到的汽车行业的状态。

    泛能源方面,工业行业整体上来看,过去在特殊时期,客户和渠道商储备了大量的库存,这些库存经历了一个比较漫长的消耗过程,目前来看库存的消化已经基本完成。今年二季度,随着库存的见底,所有面向工业市场的芯片公司出货量都迎来了一个快速的增长,但是增长在第三季度并没有很强地延续下去,因为从消耗库存到回归正常需求,这是一个一次性的事件。刨除掉库存影响之后,我们看到工业市场的真实需求,其实整体处在一个比较疲软的状态。

    另外从光伏行业来看,在2023年一季度之前,都是大家预期增长会非常快的行业,但是却从2023年一季度之后急转而下。很多客户甚至在2023年一季度还在备货,带来光伏行业非常高的库存囤积。从我们和客户的交流来看,户用光伏的去库存化可能要到明年的一季度才能完成。好的方面是光伏行业今年还是有亚非拉市场在贡献增量,但是这些区域需求的体量相对有限,所以很难完全支撑整个行业的增长。我们看到光伏行业在今年二季度经历了一个反弹之后,当前市场需求依然处于比较疲软的状态。但是另一方面,其实整个能源结构调整的大方向没有改变。当前饱受库存影响的主要还是户用的、小规模的装机需求。一些装机量大的电站,组串式光伏,其实还保持着增速。等到库存去化之后,我们对这个行业长期的成长空间还是抱有期待。

    最后是消费电子,以智能手机为例,我们看到整体消费电子回到了一个合理的、正常的市场需求,整个行业的市场竞争现在也处于一个相对合理的点上,但是我们再往后看,也不太看得到消费电子领域会有明显的新的增量。

    以上是我们目前看到整体下游行业的一个状况。

    接下来和大家分享芯片行业的情况。第一,从营收规模来看,目前海外几个主要模拟芯片厂商的营收,一个季度的销售额总计大概在200亿美元左右,国内主要模拟芯片企业的营收总计大概是50亿人民币左右。从绝对规模的角度来讲,虽然国产厂商这几年发展得非常快,但是整体上我们在全球市场的份额并不算高。

    然后我们再来看营收的变化,海外主要模拟芯片厂商的营收在2022年第三季度达到高点之后,随后经历了逐季的下降,在2023年第一季度、第二季度左右来到营收低点。国内厂商大概也在2023年第一季度左右到达了营收低点,这些都是受到了下游去库存的影响。但是从2023年第三季度后,尤其到了今年之后,国产公司整体的营收已经在逐渐恢复,而且很多公司营收已经创造新高,那这代表整体上国产芯片公司还是在提升市场份额。

    第二我们看毛利的变化,海外主要模拟芯片厂商的毛利率,从营收高点2022年的60%左右,目前已经逐季下降到了50%的水平。国内主要模拟芯片企业的毛利率从原来50%左右,下降到了40%左右的水平。大家在这段时间都经历了一个毛利率快速下降的阶段,侧面印证了整体市场竞争是非常激烈的。另一方面,从毛利率绝对数值的角度来看,国产的公司的平均毛利率水平和海外公司相比还是有明显差距的。这个差距背后,主要几个原因,一是国产公司主要立足于中国市场,海外公司立足于更广阔的全球市场,二是海外公司的产品类会更加全面多样,因此即使受到中国市场激烈竞争的冲击,拥有更广泛市场和产品布局的海外公司的营收、毛利水平相对来说会更加稳健。但我觉得这里面非常重要的一点其实还是国产厂商的产品核心竞争力,相比海外厂商还是有一定差距。

    另一方面,我们拉长视野来看,从2000年开始至今,整个模拟芯片行业其实不断地在穿越上下变化的周期。当行业整体毛利率呈现上升趋势时,意味着市场已经“卷”完了,毛利开始稳健向上,包括在此期间发生的一些行业并购,意味着这个行业已经逐渐进入到一个资源整合、成熟稳健的发展阶段。如果没有中国芯片厂商抓住历史机遇期实现快速发展,整个全球模拟芯片的市场格局就会在相当长的时间内进入一个海外巨头把持、维持高额毛利的稳定期。但正是在这个时间点,在外部环境的刺激下,中国模拟芯片厂商入场,带来了新一轮“卷”的周期。

    从模拟芯片国产化的角度来看,整体模拟芯片的国产化率大概在10%左右,但是从模拟芯片的品类上看,国产芯片已经基本完成了大部分品类从0到1的突破,实现了品类的全面覆盖。模拟芯片的国产化走到今天,我们认为在趋势上已经不可逆了。无非是说国产模拟芯片产品在性能、成本、大规模出货的质量表现等方面和国外厂商还有一点差距,并且这个差距并不是不可逾越的,只要假以时日,国产芯片是能够赶上这样的差距。但是我们也要客观地看到,当前模拟芯片国产化率依然不高,我们面临的挑战依然是巨大的。内卷加剧 除了以价格换市场外还能做些什么第二部分和大家汇报一下纳芯微的情况。2023年第一季度纳芯微的营收来到了一个高点,取得了4.71亿元人民币的营收,从第二季度开始经历了一个低迷的周期,随后从2023年第三季度开始逐季恢复增长。2024年第二季度营收回到4.86亿元人民币,在第三季度达到5.17亿元人民币的新高,并且我们预计第四季度还能延续增长。这个恢复的过程其实很艰辛,因为结合发货量来看,2024年第三季度发货量相比2023年第一季度发货量增加了约50%,但是因为激烈市场竞争带来的毛利下降,营收只增加了约10%。好的方面是我们在如此激烈的市场竞争中守住甚至还扩大了市场份额;挑战的方面是毛利率、利润经历了大幅度的下降。

    从行业维度来看,纳芯微一直聚焦汽车和泛能源行业,在过去一年剧烈的变化里,我们汽车电子业务占比还是在快速地增长,从今年上半年的约33%到今年第三季度的35%,如果单独看第三季度,单季汽车业务的占比已经达到38%。所以从市场应用的角度来看,纳芯微汽车电子业务的成长速度非常快,这和纳芯微发展战略、产品研发、资源投入方向也是一致的。另一方面,泛能源行业,我们期待在库存消化之后,能够在年底或者明年逐渐恢复增长。

    从产品维度来看,2024年上半年,纳芯微约54%的营收来自信号链产品,包括数字隔离器、隔离采样、接口、运放、ADC、电源基准、传感器信号调理芯片(ASIC)以及针对特定应用开发的SoC(ASSP)芯片等。传感器方面的营收占比在11%左右,包括磁传感器、温湿度传感器、压力传感器等;传感器领域很特殊,几乎每一个传感器品类都是一个非常细分的市场赛道,并且传感器领域也是纳芯微产品布局重要的差异点之一。电源管理方面,营收占比在35%左右,这是纳芯微近两三年里重点投入的方向,纳芯微最开始以隔离驱动进入电源管理领域,随后逐步拓展到非隔离驱动、电机驱动、LED驱动、高低边开关、功率路径保护等品类。这几个方向,也是我们看到在过去几年里快速成长的领域,目前在纳芯微整体的营收构成里面已经超过了三分之一。

    另一方面,纳芯微的确在隔离产品上比较领先,因此市场上提到纳芯微会给我们贴上“隔离芯片”的标签,但是近几年里,我们除了隔离芯片之外已经实现了更加多元化的产品布局,因此今天专门将隔离业务和非隔离业务进行了区分,再做一个对比。整体上来看,纳芯微隔离类的产品已经进入到了一个相对稳定的状态,我们今年隔离类的产品发货规模预计会超过5亿颗,营收上相较去年前三季度,会有30%的增长,发货规模有接近60%的增长,前三季度的发货量已经超过了去年全年。对于隔离这一相对比较细分的产品品类,我们通过不断的产品优化迭代,持续地巩固我们的市场地位。今天可以非常明确地说,纳芯微就是中国隔离市场的领军企业。

    除了隔离类的产品之外,过去一年里纳芯微在非隔离产品方面也取得了不错的进展。以今年前三季度和去年前三季度同比,我们在通用接口(同比增长64.90%)、高速接口(同比增长69.60%)、供电电源(同比增长88.70%)、ASSP芯片(同比增长81.20%)、压力传感器(同比增长132.70%)、温湿度传感器(同比增长160.40%)、马达驱动(同比增长149.90%)、功率路径保护(同比增长104.20%)等方面都取得了非常可观的增长。我们看到在过去几年里,纳芯微重点投入、孵化的新业务方向,整体上的市场表现、带来的回报是符合预期的。

    除了这些之外,在今天相对艰难的市场状态下,纳芯微依然面向未来在做持续的投资和产品开发。以汽车电子为例,纳芯微的成熟量产业务包括数字隔离器、隔离采样、隔离接口、隔离驱动、尾灯LED驱动、电流传感器等产品,已经在新能源汽车三电、尾灯照明等应用里实现了大规模稳定量产。快速成长的业务里,包括增加了诊断和保护功能的智能隔离驱动、车载马达驱动、非隔离驱动、车载供电电源、通用接口和压力传感器等。以上是纳芯微已经推向市场,并且目前市场反馈还不错,正在快速增长的产品方向。新近量产业务方面,主要是今年陆续发布、推向市场的产品,还在做一些客户的Design in,正处在早期的市场导入阶段的产品,包括功率路径保护、高边/低边开关、小电机驱动SoC、磁开关、角度传感器、温湿度传感器、固态继电器等。最后是我们在研中的,预计明年甚至再晚一点的时间,能够推向市场的产品,包括汽车前灯照明LED驱动、氛围灯驱动SoC、带功能安全特性的ABS轮速传感器、车载SerDes视频接口、车载音频功放、车载PMIC/SBC等。总结来说,虽然今天市场竞争非常得激烈,但是纳芯微在聚焦的市场上依然会坚持有条不紊地去组织产品开发,在市场上推出更加丰富多元的产品。

    另外站在应用的角度,其实我们产品品类的拓展也不断延伸到更多具体的应用领域,从最开始成熟量产业务聚焦的新能源汽车三电、汽车照明应用,拓展到快速成长业务的车身域控、燃油车动力系统,再到新近量产业务的热管理、电池包、智能座舱,最后到在研业务中,和可靠性、功能安全息息相关的底盘与安全类应用,这是我们在汽车方面产品组合布局的一个主线和思路。

    最后再来看一下纳芯微整体的汽车业务发展历程。纳芯微自2016年发布首款汽车芯片以来,汽车业务快速增长,营收占比快速提高。2022年纳芯微汽车芯片出货量超过1亿颗,汽车业务占比23.13%;2023年汽车芯片出货量1.64亿颗,汽车业务占比30.95%;2024年,预计汽车芯片出货量超过2.7亿颗,汽车业务占比预计超过35%。

    接下来和大家更新一下我们在海外市场的进展。除了经营好国内市场之外,纳芯微近年以来也在重点布局海外,目前在日本、韩国、欧洲、北美等区域都建立了销售和技术支持团队,也招募了不少本地员工,积极去拓展本地市场和客户。目前,我们在全球客户拓展上已经取得了不错的进展,尤其在汽车领域,我们已经有非常多和全球领先的汽车零部件Tier1供应商的项目处于量产状态,而且大部分是导入其全球项目,而非单独的中国项目。此外,我们还有更多的一些汽车零部件Tier1客户,现在正处于供应商导入、资质审核、物料导入的一些阶段。

    最后和大家一起分享一下纳芯微的战略规划和面向未来的思考。

    第一是提升产品竞争力,这是特别重要的事情。去年年终我们做公司战略规划的时候就强调要“由快到好”。过去几年,不管是国产化还是缺货,在市场需求刺激下,大家都在快速往前跑的过程中,先有产品,能供货,就能抢占到市场。至于产品有没有竞争力,在那几年里面其实没有很重要。但到了今天,行业发展来到了一个新阶段,市场进入行业出清的时候,产品竞争力就变得特别重要,只有依靠强大的产品竞争力做支撑,才能不断地拓展市场和客户。

    以纳芯微隔离产品为例,纳芯微隔离产品的成功并不是一蹴而就的,而是在过去几年时间里,围绕着核心的电路技术和隔离工艺平台,进行了多次迭代。从2017年的第一代数字隔离器,到2025年预计发布的第三代数字隔离器,纳芯微每一代的数字隔离器产品,都把产品的性能、成本和质量表现提升到了一个新高度。到今天,我们可以很有信心地讲,至少在中国市场,我们认为最好的隔离技术、最好的隔离工艺、最大的发货规模、最好的市场表现都是纳芯微的。纳芯微在隔离这个细分品类上,已经初步建立了产品核心竞争力,但是这并不是终点,我们还在开发第四代的数字隔离工艺平台,会将隔离的性能、成本、质量表现进一步推进到更高的高度,相信伴随着第四代隔离工艺平台搭建以后,我们在隔离这个品类上的市场优势能够更加巩固。隔离是这样一个例子,包括我们前面提到的很多产品,大规模量产的,即将量产的,正在研发的,所有这些产品其实都一样,只有不断地迭代、不断地技术创新,不断地优化底层工艺平台,才能打造出产品的核心竞争力。

    纳芯微战略规划的第二点是面向未来,要围绕客户应用,同客户加强联合创新。国产芯片公司一定不能永远只做原位替换的产品,不能永远只做市场的跟随者。作为中国的芯片公司,我们一定要把产品的定义能力构建起来。定义产品不是一件容易的事情,需要深度理解客户的系统应用需求,并且在解决客户特定问题和解决行业通用问题之间取得平衡。所以我们一定要有能力去做这样一些具有差异化的产品。反过来其实我在很多场合都讲,国产的芯片公司,到底跟国际公司相比会有什么竞争优势?说实话挺难讲的。对方比我们规模更大、资金更充裕、物料更丰富、甚至成本也更有优势。芯片行业的国产化优势,和很多其它制造业的国产化逻辑不大一样,因为芯片行业成本的决定性因素并非它的生产要素,比如劳动力、物流、水电等,而是由工艺平台、技术能力来决定的。

    很多其他的制造业行业国产化的逻辑是说我能把产品在中国造出来,也许性能还差一点、质量弱一点,但至少成本比国外的便宜。通过低的价格抢占市场,其它方面再慢慢改善。但是在芯片这个行业,这个基本逻辑是不成立的,国产化后的成本未必比海外低。这是芯片行业的特点,也是很大的挑战,因为客户会认为,芯片国产化之后,成本起码应该降低20%,而事实上并非如此。

    那中国的芯片公司到底什么有什么优势?我觉得,今天中国已经变成了很多应用的研发、创新源头,那么对于本土的芯片公司而言,我们离这个源头更近,这是我们和国外芯片公司相比,最大的优势所在。那么这个优势,通过做原位替换的产品是无法实现的,所以一定要做差异化产品,一定要围绕客户应用的需求,在深刻理解的基础上去做创新和差异化。

    这里的案例是我们和大陆的一个压力传感器合作。事实上我们之前和大陆已经在轮速传感器方面有合作,将联合开发具有功能安全ASIL-D等级、监测车辆速度的一个ABS轮速传感器产品,将用于很多自动驾驶的场景里。过往客户主要用的是海外芯片公司的产品,和纳芯微的合作也是客户首次把该产品国产化的举措。通过我们团队的努力,纳芯微在较短时间内就完成了第一版产品的开发,不管是交付时间,还是交付质量,都超出了客户预期,预计将在今年年底开始装车。在此基础上,客户找到我们开发压力传感器,是一个安全等级更高的产品,用于汽车的安全气囊监测和侧面碰撞监测,是双方合作的又一大延续。此外,我们之前的轮速传感器合作签约范围还是大陆国内的项目范畴,现在到了压力传感器项目,签约的范围则扩展到大陆下一代全球的平台。对纳芯微来说,这不仅是一个长期的业务,也是通过和行业头部客户的深度合作,来理解行业应用,从而构建我们核心能力的机会。

    第三是产业整合,这也是最近比较热门的话题。纳芯微属于开始并购较早的国产芯片公司,近期我们也看到了很多公告,大家在陆续开展标的的整合。这个行业已经明确进入到了资源整合阶段,回顾我们刚刚看到的近20年来模拟芯片行业发展的情况,海外的很多模拟芯片公司,都已经被整合到其它公司里了。模拟芯片行业特别适合做并购整合,因为产品的品类非常多,通过并购不断成长,实现资源配置的优化。这也是我国模拟芯片行业继续往前发展的必由之路。纳芯微拟收购麦歌恩,也是遵循这个思路开展的一个探索。

    第四点是坚定地开拓海外市场。纳芯微为什么要做海外市场?芯片出海并不容易,我们行业受到限制性政治因素影响很大。很多海外客户在要求产业链转移出中国。本质上我们是目标驱动:如果你相信中国有机会成长出一家有全球竞争力甚至领导力的模拟芯片公司,如果你相信纳芯微有机会实现这个目标,那么我们一定要具备经营全球市场的能力。因为中国市场占到大约30%,还有70%的市场在海外。所以哪怕很难,我们也秉持这个简单朴素的想法,坚定地进行海外市场的开拓。

    我们接触了很多客户,包括欧洲、日本、韩国等等,本质上我们认为还是要回到正常的商业逻辑,给客户提供价值。我们的三大步骤,第一是local for local。就是在中国我们可以服务一些在国内有分支机构的全球性客户,满足他们在中国的业务、本土化供应链等需求。第二步是local for global,也就是说我通过local for local的需求开启和建立了这个服务窗口,之后在把这个合作拓展到中国以外的区域,拿到客户全球项目的机会。那么最终的步骤是global for global,在全球构建团队、能力、在全球真正经营全球客户,变成客户全球性的合作伙伴。这些都不是一蹴而就的事情,需要我们长期的努力。产业进入起底回稳阶段 本土芯片未来可期最后,我放了一个Gartner曲线,它往往是用来描述一个新技术的诞生,会被资本市场过度地预期,然后上去形成泡沫,然后再下滑,再到稳步增长,这么一个历程。对于半导体行业来说,从2018年中美贸易竞争开启了一个国产化浪潮,集中地打开了一个机会窗口,于是大家开始抢跑,这跟一个新技术的诞生也很相似,所以我觉得它大致也符合这样一个Gartner曲线。如果我们把这个起点标注在2018年,国产半导体走向星辰大海的元年,那么过去几年国产半导体的发展也差不多经历了这么一个曲线:快速发展---预期提升---实际发展速度有限---资本市场退潮---估值开始回调---泡沫开始破灭---市场进入激烈竞争---重新审视---重新生长。

    对于一个新技术为何会呈现出这么一个曲线?我认为往往人们对于短期的事情理解容易过于乐观,而对于长期的事情理解却会估计不足,甚至悲观,即技术的演进速度和技术产业化的落地速度跟不上人们的预期。对于半导体来说,则是因为国产半导体企业的核心能力的建设跟不上大家的预期或产业的期待。前几年我提到过,现在只是行业的上半场,下半场冬天要来了。今天我们再回头来看,冬天的到来其实是这个行业回归理性、回归价值的必由之路。这个行业的核心能力的构建其实是这个阶段完成的,是在行业最困难、最低谷的阶段完成的,包括产业的整合。但这个阶段,往往大家的目光、聚焦点都不在这个行业了。因为大家的关注点会转移到其它新兴行业的初始阶段。

    但是从我们行业本身来讲,真正到了下行周期时,才到了行业静水流深的阶段,才到了构建核心竞争力的阶段。现在我们回顾当年半导体缺芯的时期,也非常难以想象还有这么一个阶段,虽然当时很痛苦,但现在看起来还挺“美好”的,可以说是半导体的“黄金时代”。任何一个时代,当时可能很痛苦很卷,也许过几年回头看,仍然是很美好的。现在的“卷”,代表行业还在发生快速的变化,很多人还看到有机会,希望在里面分一杯羹,所以才要更加努力。

    那我们回到汽车行业,这个行业几十年以来都是非常稳定的,难得现在卷一卷,这个行业这几年开始卷起来,意味着中国的产业链,不论是新的车厂,还是零部件厂商,还是汽车芯片公司,在这个环境和背景下,作为后来者,作为外来者,才有机会进门。让纳芯微这样的公司,有机会在汽车行业和头部的客户合作,甚至成长为主力玩家。

    也许再过了几年,我们这个行业里刚毕业的学生、或者一些创业者,来看我们现在的情形,也许会像我们现在看缺芯时期一样说,这真是国产半导体行业的黄金时代。有很多机会,很多可能性。所以作为芯片行业的从业者,我一直觉得我们这代人挺幸运,能够赶上和经历行业发生剧烈的变革的周期。比我们再早十年的人没赶上,比我们再晚十年的人,估计也赶不上。只有我们这代人恰恰好赶上了这样一个大时代的变革的机会窗口,是非常有幸的。不管怎么样,我们在这样一个大的时代浪潮里面,我们参与其中,也许还通过自己的努力创造一点价值,那我觉得就更加幸运了。

  • 原文来源:https://www.eefocus.com/article/1777344.html
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    • 发布时间:2023-05-12
    •   DRAM的发展方向   对于 DRAM,主要目标是继续将 1T-1C 单元的封装尺寸扩大到 4F2 的实际极限。挑战在于垂直晶体管结构、高 κ 电介质以提高电容密度,同时保持低泄漏。一般来说,DRAM 的技术要求随着缩放而变得更加困难。在过去的几年中,DRAM 引入了许多新技术(例如,193 nm 氟化氩 (ArF) 浸没式High NA 光刻技术和双图形技术、改进的单元 FET 技术,包括鳍型晶体管、掩埋字线/单元 FET 技术等等)。   由于 DRAM 存储电容器在物理上随着尺寸缩小而变小,因此等效氧化物厚度 (EOT) 必须急剧缩小以保持足够的存储电容。为了扩展 EOT,需要具有高相对介电常数 (κ) 的介电材料。因此,采用高κ(ZrO2/Al2O/ZrO2)的金属-绝缘体-金属(MIM)电容器作为接地规则在48nm和30nm半间距之间的DRAM的电容器。和这个材料进化和改进一直持续到 20 nm HP 和超高 κ(钙钛矿 κ > 50~100)材料被释放。此外,高 κ 绝缘体的物理厚度应按比例缩小以适应最小特征尺寸。因此,电容器的 3-D 结构将从圆柱形变为柱形。   另一方面,随着外围CMOS器件的微缩,这些器件形成后的工艺步骤需要低温工艺流程。这对于通常在 CMOS 器件形成后构建的 DRAM 单元工艺来说是一个挑战,因此仅限于低温处理。DRAM 外围设备要求可以放宽 Ioff 但需要更多 Ion 的低待机功耗 (LSTP) 设备。但是,在未来,将需要高 κ 金属栅极来维持性能。   另一个重要主题是从 6F2 到 4F2 cell的迁移。由于半间距缩放变得非常困难,因此不可能维持成本趋势。保持成本趋势并逐代增加总比特输出的最有希望的方法是改变单元尺寸因子 (a) 缩放比例(其中 a = [DRAM 单元尺寸]/[DRAM 半间距])。目前 6F2(a = 6)是最常见的。例如,垂直单元晶体管是必需的,但仍然存在一些挑战。另一种选择是使用 3D DRAM。   总之,需要保持足够的存储电容和足够的单元晶体管性能以在未来保持保留时间特性。他们的困难要求正在增加,以继续扩展 DRAM 设备并获得更大的产品尺寸(即 >16 Gb)。除此之外,如果与引入新技术相比,成本微缩的效率变差,那么DRAM微缩将会停止,而采用3D单元堆叠结构,或者采用新的DRAM概念。   Flash的演进方式   有几种交叉的存储器技术具有一个共同的特征——非易失性。要求和挑战因应用而异,范围从仅需要 Kb 存储的 RFID 到芯片中数百 Gb 的高密度存储。非易失性存储器可分为两大类——闪存(NAND Flash 和 NOR Flash)和非基于电荷的存储存储器。非易失性存储器基本上无处不在,许多应用程序使用通常不需要前沿技术节点的嵌入式存储器。More Moore 非易失性存储器表仅跟踪前沿独立部件的存储器挑战和潜在解决方案。   闪存基于简单的单晶体管 (1T) 单元,其中晶体管既用作访问(或单元选择)设备又用作存储节点。目前闪存服务于99%以上的应用。   当存储电子的数量达到统计极限时,即使可以进一步缩小器件尺寸,实现更小的单元,存储器阵列中所有器件的阈值电压分布也变得不可控,逻辑状态不可预测。因此,存储密度不能通过持续缩放基于电荷的设备来无限增加。然而,通过垂直堆叠存储层可能会继续有效提高密度。   通过完成一个设备层然后完成另一层等等来堆叠的经济性值得怀疑。如图 MM-9 所示,在堆叠几层设备后,每位成本开始上升。此外,由于复杂处理增加的互连和良率损失导致阵列效率下降,可能会进一步降低此类 3D 堆叠的每比特成本优势。   在2007 年,业内提出了一种“punch and plug”方法来垂直制造位线串,以大大简化加工步骤。这种方法使 3D 堆叠设备只需几个步骤,而不是通过重复处理,从而为 NAND 闪存提供了一条新的低成本扩展路径。图 MM-9 说明了一种这样的方法。最初创造的bit-cost-scalable(或 BiCS)架构将 NAND 串从水平位置转为垂直位置 90 度。字线(WL)保持在水平面上。如图 MM-9 所示,这种类型的 3D 方法比完整设备的堆叠要经济得多,并且成本效益不会达到相当高的层数。      自 2007 年以来,已经提出了许多基于 BiCS 概念的架构,当中包括一些使用浮栅而不是电荷捕获层进行存储的架构,这些技术在过去 2-3 年中已经投入量产。一般来说,所有 3D NAND 方法都采用了一种策略,即使用比传统 2D NAND 大得多的面积占用空间。3D NAND 的 x 和 y 尺寸(相当于 2D 中的单元尺寸)在 100nm 范围内甚至更高,而最小的 2D NAND 约为 15nm。更大的“单元尺寸”是通过堆叠大量存储层来实现具有竞争力的封装密度的。   3D NAND 的经济性因其复杂而独特的制造需求而变得更加混乱。尽管较大的单元尺寸似乎放宽了对细线光刻的要求,但要实现高数据速率,最好使用large page size尺寸,而这又会转化为细间距位线和金属线。因此,即使单元尺寸很大,金属线仍然需要约 20nm 的半间距,这只能通过具有双图案的 193i 光刻来实现。深孔刻蚀难度大、速度慢,刻蚀产量一般很低。沉积多层电介质和/或多晶硅,以及多层膜和深孔的计量都是对陌生领域的挑战。这些都转化为对新设备和占地面积的大量投资,以及对晶圆流和良率的新挑战。   最终的未知数是可以堆叠多少层。   层的堆叠似乎没有硬性物理限制。超过一定的纵横比(也许是 100:1?)时,当反应离子蚀刻过程中的离子被侧壁上的静电荷弯曲并且不能进一步向下移动时,蚀刻停止(etch-stop)现象可能会限制一次操作中可以蚀刻的层数 . 然而,这可以通过堆叠更少的层、蚀刻和堆叠更多的层(以更高的成本)来绕过。   堆叠许多层可能会产生使晶圆弯曲的高应力,尽管这需要仔细设计,但它似乎并不是无法解决的物理极限。即使在 200 层(每层约 50nm)时,总堆叠高度约为 10?m,仍然与逻辑 IC 的 10-15 层金属层处于同一范围内。这种层厚度不会显着影响裸芯片厚度(目前最薄约为 40?m)。   然而,在 1000 层时,总层厚度可能会导致厚die不符合在薄封装中堆叠多个die(例如,16 或 32)的形状因数。目前量产176层,300+层有望实现,甚至500、800层也有可能。除了处理挑战之外,堆叠更多层还增加了接触更多字线所需的面积开销。该区域开销,加上增加的处理复杂性,最终将通过添加更多层来降低成本效益。   当堆叠更多层被证明太困难时,面积 x-y 足迹的重新缩小可能最终会开始。然而,这种趋势并不能保证。如果孔纵横比是限制因素,那么缩小占位面积不会降低该比率,因此也无济于事。此外,与紧密间距的 2D NAND 相比,更大的单元尺寸似乎至少部分有助于 3D NAND 的更好性能(速度和循环可靠性)。x-y 缩放是否仍能提供这样的性能尚不清楚。   因此,未来几代的路线图预测在 2022 年与当前节点保持一致。另一方面,增加每个存储单元的存储位数虽然在技术上具有挑战性,但似乎取得了进展。这在一定程度上是为了利用 3D NAND 器件本质上更大,因此存储的电子更多,更容易制成更多的逻辑电平。   目前 4 位/单元器件 (QLC) 正在量产,并且乐观地认为 5 位/单元甚至更多可能在不久的将来变得可行。一个单元中更多的存储位需要在性能上做出一些折衷,因为它需要更长的时间来编程和读取,并且在将逻辑电平压缩在一起时可靠性会受到影响。然而对于许多读取密集型应用程序来说,为了降低成本,这种权衡是可以接受的。     新兴存储的不确定性   由于存储电荷太少,2D NAND Flash 缩放受到统计波动的限制,一些不基于电荷存储的非常规非易失性存储器(铁电或 FeRAM、磁性或 MRAM、相变或 PCRAM,以及电阻或 ReRAM)正在开发中,形成通常称为“新兴”存储器的类别。   尽管 2D NAND 正在被 3D NAND 取代(不再受制于电子太少的缺点),但基于非电荷的新兴存储器的一些特性(例如低电压操作或随机存取)正在被各种各样的应用关注从而获得继续发展的机会。这些新兴的存储器通常具有两端结构(例如,电阻器或电容器),因此很难同时用作单元格选择设备。存储单元一般以1T-1C、1T-1R或1D-1R的形式结合单独的存取器件。   1 FeRAM:铁随机存储器   FeRAM 器件通过切换和感测铁电电容器的极化状态来实现非易失性。要读取内存状态,必须跟踪铁电电容器的磁滞回线( hysteresis loop),并且存储的数据被破坏并且必须在读取后写回(破坏性读取,如 DRAM)。由于这种“破坏性读取”,找到既能提供足够的极化变化又能在延长的工作周期内保持必要稳定性的铁电材料和电极材料是一项挑战。   许多铁电材料对于 CMOS 制造材料的正常补充来说是陌生的,并且可以通过传统的 CMOS 处理条件退化。FeRAM 速度快、功耗低、电压低,因此适用于 RFID、智能卡、ID 卡和其他嵌入式应用。处理难度限制了它的广泛采用。最近,提出了基于 HfO2 的铁电 FET,其铁电性用于改变 FET 的 Vt,从而可以形成类似于闪存的 1T 单元。如果开发成熟,这种新存储器可以用作低功耗且速度非常快的类似闪存的存储器。   2  MRAM:磁性内存   MRAM (Magnetic RAM) 设备采用磁性隧道结 (MTJ:magnetic tunnel junction) 作为存储元件。MTJ 单元由两种铁磁材料组成,由用作隧道势垒的薄绝缘层隔开。当一层的磁矩切换为与另一层对齐(或与另一层的方向相反)时,电流流过 MTJ 的有效电阻会发生变化。可以读取隧道电流的大小以指示存储的是“一”还是“零”。场切换 MRAM 可能是最接近理想的“通用存储器”的,因为它是非易失性的、快速的并且可以无限循环。因此,它可以用作 NVM 以及 SRAM 和 DRAM。   然而,在 IC 电路中产生磁场既困难又低效。尽管如此,Field Switching MTJ MRAM已经成功制成产品。然而,当存储元件缩放时,切换所需的磁场会增加,而电迁移会限制可用于产生更高 H 场的电流密度。因此,预计现场开关 MTJ MRAM 不太可能扩展到 65nm 节点以上。   “STT(spin-transfer torque )”方法的最新进展提供了一种新的潜在解决方案,其中自旋极化电流将其角动量转移到自由磁性层,从而在不借助外部磁场的情况下反转其极性。在自旋转移过程中,大量电流通过 MTJ 隧道层,这种应力可能会降低写入耐久性。在进一步缩放时,存储元件的稳定性会受到热噪声的影响,因此预计在 32nm 及以下需要垂直磁化材料。最近已经证明了垂直磁化。   随着NAND Flash的快速发展,以及最近推出的有望继续等效缩放的3D NAND,STT-MRAM取代NAND的希望似乎渺茫。然而,其类似 SRAM 的性能和比传统 6T-SRAM 小得多的占用空间在该应用中引起了极大的兴趣,特别是在不需要高循环耐久性的移动设备中,例如在计算中。因此,STT-MRAM 现在大多不被视为独立内存,而是嵌入式内存 ,并且不在独立 NVM 表中进行跟踪。   STT-MRAM 不仅是嵌入式 SRAM 替代品的潜在解决方案,也是嵌入式闪存 (NOR) 替代品的潜在解决方案。这对于物联网应用来说可能特别有趣,因为低功耗是最重要的。另一方面,对于使用更高存储密度的其他嵌入式系统应用,预计 NOR 闪存将继续占据主导地位,因为它仍然更具成本效益。此外,闪存能够承受 PCB 板焊接过程(约 250°C)而不会丢失其预加载代码,这是众所周知的,许多新兴存储器尚未能够证明这一点。   3 PCRAM   PCRAM 器件使用硫属化物玻璃(最常用的化合物是 Ge2Sb2Te5,或 GST)的非晶态和晶态之间的电阻率差异来存储逻辑电平。该器件由顶部电极、硫族化物相变层和底部电极组成。泄漏路径被与相变元件串联的存取晶体管(或二极管)切断。   相变写入操作包括:(1) RESET,其中硫族化物玻璃通过短电脉冲瞬间熔化,然后快速淬火成具有高电阻率的非晶固体,以及 (2) SET,其中振幅较低但更长脉冲(通常 >100ns)将非晶相退火为低电阻晶态。1T-1R(或 1D-1R)单元比 NOR Flash 更大或更小,取决于使用的是 MOSFET 还是 BJT(或二极管。该设备可以被编程为任何最终状态而无需擦除先前状态,从而提供更快的编程吞吐量。简单的电阻器结构和低电压操作也使 PCRAM 对于嵌入式 NVM 应用具有吸引力。   PCRAM 的主要挑战是重置相变元件所需的高电流(fraction of mA),以及相对较长的设置时间和高温耐受性以在回流焊期间(约 250°C)保留预加载代码。热干扰是 PCRAM 可扩展性的潜在挑战。然而,热干扰效应是非累积的(不像闪存,其中导致电荷注入的编程和读取干扰是累积的)并且较高温度的RESET脉冲很短(10ns。相变材料与电极的相互作用可能会带来长期的可靠性问题并限制循环耐久性,是类 DRAM 应用的主要挑战。与 DRAM 一样,PCRAM 是真正的随机存取、位可变存储器。   已经使用碳纳米管作为电极证明, PCRAM 器件可以做到 < 5nm 的可扩展性,并且复位电流遵循较大器件的外推线。至少在一个案例中,证明了 1E11 的循环耐力。相变存储器从2011年开始用于功能手机,取代NOR Flash,2012年开始在~45nm节点量产,但此后没有新产品推出。在过去的几年中,PCM 存储器也被瞄准为嵌入式应用程序的 eFlash 替代品的潜在候选者 。在这些工作中,不同类别的相变材料的合金化允许获得符合焊接回流的存储器;然而,如此高的温度稳定性是以较慢的写入速度为代价的。   4 ReRAM:电阻式存储器   目前正在研究一大类两端器件,其中存储状态由金属-绝缘体-金属 (MIM:metal-insulator-metal ) 结构的电阻率决定,用于存储应用。其中许多电阻式存储器仍处于研究阶段。由于他们承诺缩小到 10nm 以下,并以极高的频率 (< ns) 和低功耗运行,过去十年中许多工业实验室的重点研发工作使这项技术被广泛认为是 NAND 的潜在继承者(包括 3D NAND ).   作为一种双端器件,高密度 ReRAM 的发展一直受到缺乏良好选择器器件的限制。然而,3D XP 内存的最新进展似乎已经解决了这个瓶颈,如果解决了不稳定位等其他技术问题,ReRAM 可能会取得快速进展。除了 3D XP 阵列(类似于基于 PCRAM 的 3D XP 存储器)之外,还可以使用 2D 阵列和小字线 (WL) 和小位线 (BL) 半间距制造高密度 ReRAM 产品。   此外,如果最终采用 OTS 类型的选择器器件,那么使用底部的晶体管和 3D 阵列中每个 ReRAM 器件的 OTS 选择器来制造 BiCS 型 3D ReRAM 似乎是可行的,如图 MM-10 所示。尽管由于引入 3D XP 内存似乎解决了双极选择器设备的瓶颈,但尚未推出高密度 ReRAM 产品,但可以合理预期 ReRAM 的进展。   然而最近,开发高密度 ReRAM 的热情似乎消退了。这可能是由于两个原因。(1) 3D NAND Flash的成功增加了进入门槛, (2) 难以满足大型阵列的可靠性要求。(请注意,针对嵌入式应用程序的较小 Mb 大小阵列成功开发 ReRAM 已发布多项公告。)   在过去的几年中,上述这些问题似乎注定了高密度 ReRAM 的大规模应用。最初关于 ReRAM 由数千个原子组成,不受统计波动影响的论点现在看来值得怀疑。似乎操作 ReRAM 的灯丝仅由几个原子(离子)组成。似乎有证据表明,即使是相对较大的 ReRAM 设备也会受到统计波动的影响。因此,我们不看好高密度应用的 ReRAM。 更多精彩内容欢迎点击==>>电子技术应用-AET<<   .