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工业芯片的现状与未来

2019-11-25
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集成电路主要用于以下几大领域,分别是:民用/商用,工业,军事/航空航天。平时我们听到和见到最多的就是民用,特别是智能手机需要用到的各种处理器、存储器、电源管理、RF前端等,应用在该领域芯片的总体特点就是高集成度和低功耗。而工业领域对芯片的各方面性能要求,较之于民用来说要高得多,而随着工业物联网时代的到来,在原有性能的基础上,对相应芯片的集成度、功耗以及低延迟等指标的要求更高了。可以说,工业芯片的设计和制造水平才是衡量一个国家整体半导体实力的真正试金石。


工业对于每一个国家来说,都是最重要的支柱性产业,整体工业水平上不去,则国家的综合国力和国际影响力肯定不行,而芯片又被称为“工业粮食”,是各种工业设备的核心部分,其重要程度可想而知。而在国际贸易纷繁复杂、变化多端的当下,如果不具备较高水平工业芯片的设计和生产能力的话,则很有可能受制于人,从而威胁到一个国家的整体工业体系安全。因此,必须提升核心工业芯片的自主水平。


这里所说的工业应用,不只是工厂、车间里的设备和机器,而是广义上的工业场景,具体包括:工厂自动化与控制系统、电机驱动、照明、测试和测量、电力和能源等传统工业领域,以及医疗电子、汽车、工业运输、楼宇自动化、显示器及数字标牌、电子销售点 (EPOS)、智慧城市等。


由于涉及的应用领域非常广泛,所以工业芯片的种类繁多,具体包括:处理器、传感器、存储器、通信、放大器、时钟和定时器、数据转换器、接口和隔离芯片,以及功率、电源管理、电机驱动、无线连接、RF器件等。

行业现状


来自市场研究机构IHS的数据显示,全球工业芯片市场2014至2019年以8%的年复合增长率发展,2019年市值将达595亿美元。正因看好这一市场的前景,一些数字领域的半导体龙头厂商开始将发展重点向工业半导体转移。随着工业数字化的发展,人工智能等新技术也开始融入工业领域,正在为工业半导体企业的发展打开一个新的领域。


2018年,在泛工业芯片领域,快速增长的应用包括网络设备,商用飞机、LED照明、数字标签、数字视频监控、气候监控、智能仪表、光伏逆变器和人机界面系统。另外,各种类型的医疗电子设备(例如助听器,内窥镜和成像系统)也促进了该市场的增长。

国外企业


目前,全球的工业芯片市场主要还是被欧美日的大企业所把持着,它们的整体水平和市场影响力优势明显。排名靠前的厂商主要有:德州仪器(TI),ADI,英飞凌(Infineon),意法半导体(STMicroelectronics),英特尔,美光科技,Microchip,安森美,恩智浦,日亚化学(Nichia)以及瑞萨电子等。


以上这些厂商在工业芯片领域,都有各自的优势产品,例如:TI强在模拟和嵌入式芯片,ADI是ADC和DAC的领导企业,英飞凌是功率器件引领者、意法半导体在MEMS传感器方面有优势,且正在不断加大在工业应用领域的投入力度,英特尔是CPU市场霸主,美光科技提供工业用DRAM,安森美强在图像传感器,恩智浦是汽车芯片的霸主,日亚化学则是LED领域领先者。


中国企业


目前,中国已经拥有一批工业芯片企业,数量还是不少的,但总体比较分散,还未形成合力,综合竞争力弱于国外大厂,且产品仍然集中在中低端市场。然而,在某几个应用领域和产品线,已经具有较强的竞争力,且实现了国产替代,其中,典型代表就是电力和功率半导体市场。


目前,国内IPM、MOSFET和IGBT功率器件厂商市场集中在电力牵引、智能电网、高铁和地铁、电动车和充电桩、变频家电和变频空调、机器人和运动控制、保障性安居工程、节能设备以及城市基础设施等领域。


今年5月,中国半导体行业协会(CSIA)发布了“2018年中国集成电路设计十大企业”,具体如下图所示。其中,排名第四的北京智芯微电子,是这份榜单中唯一一家专注做工业芯片的厂商,其它都是以民用的消费类芯片为主。



智芯微电子的安全芯片,RFID芯片,通信芯片,主控芯片等均在电力系统、轨道交通、钢铁冶金等工业领域得到应用。前不久,该公司的产品发布会还推出了“海燕701”主控产品以及首款嵌入式终端操作系统“枢纽OS”,不断完善针对工业领域的产品线。


除了在计量、安全、电力通信、主控芯片方面具有统治地位之外,该公司还在智能传感、智慧城市等泛工业应用领域不断拓展。


此外,还有一些本土设计、制造工业级芯片的厂商没有在这份榜单中体现,特别是在传感器和功率器件方面,我国本土企业是有突破的。如歌尔声学,是国内传感器领域的龙头企业,在电声行业微型电声元器件和消费类电声产品的研发和制造方面具有很强竞争力。功率器件方面,以中车和比亚迪为代表的本土企业,在IGBT领域取得了佳绩,实现了电动汽车和高铁用IGBT的国产替代。


总体来看,中国本土工业芯片厂商,产品还是以功率器件、工控类MCU、传感器为主,而在其它大类的工业芯片方面,如高性能的模拟产品、ADC、CPU、FPGA、工业存储等,我国企业与国际大厂还有较大差距。


如何提升中国工业芯片发展水平?


从2018年的全球工业芯片市场发展情况来看,由于大量新应用的需求,小批量,具有更强多样性和更高附加值的工业芯片市场增长强劲,该市场在2018年增长了10。8%,达到520亿美元。


在细分领域方面,通用模拟IC和光电器件市场在2018年的表现非常出色。另外,得益于数字化、电源效率、连接性和其他功能的进步,预计工业应用MCU将长期发展,前景看好。


而中国在工业功率芯片方面表现最为突出,除了要进一步巩固之外(如正在第三代化合物半导体SiC和GaN方面加强研发和推广力度),还要适应工业物联网的发展需求,在高性能模拟芯片、控制器、人工智能等方面有所突破,拉近与国际大厂之间的距离。


在发展我国工业芯片方面,产业界、学术界和政府相关部门是有共识的,包括:多给本土企业提供试错机会,产学研共同培养专业人才,税收优惠,贴近市场、技术创新等。


前不久,工信部也出台了一系列政策,以加快我国工业芯片技术研发及产业化自主发展。具体措施包括:对符合条件的工业芯片设计、制造等企业所得税、进口关税等出台多项税收优惠政策,对相关领域给予重点扶持;围绕能源、交通等国家重点工业领域,充分发挥相关行业组织作用,通过举办产用交流对接会、新产品推介会、发布典型应用示范案例等方式,为我国工业芯片企业和整机企业搭建交流合作平台。


在人才培养方面,要推动筹建集成电路产教融合发展联盟,促进产业界和学术界的资源整合,推动培养拥有工程化能力的产业人才,同时以集成电路为试点实施关键领域核心技术紧缺博士人才自主培养专项,根据企业需要,依托高水平大学和国内骨干企业,针对性地培养一批高端博士人才;支持26所高校建设或筹建示范性微电子学院,推动高校与区域内集成电路领域骨干企业、国家公共服务平台、科技创新平台、产业化基地和地方政府等加强合作。


最重要的一点,就是要打造出一个扎根于我国本土的工业芯片生态体系,要想实现这一目标,就必须持续推进设计、制造、封测等环节的深度融合,不同于消费类芯片,工业芯片在性能和稳定性方面要求更高,研发周期更长,产品迭代速度也不像消费类芯片那么快,这样就给设计、制造和封测深化合作提供了足够的时间和空间,芯片制造企业就可以对设计企业的设计规范、参数规格、EDA工具等有更深入的了解,从而提供更好的PDK支持。我国大陆地区的晶圆代工企业,在特种工艺和制程方面还是有竞争力的,而这正适合工业芯片制造。在设计环节,我国本土的Fabless企业数量虽然很多,但专注于工业芯片的相对较少,这样反倒有利于统一的生态系统建设。同理也可以推广到封测环节。可见,在我国建立起一个工业芯片生态体系,还是有较好产业基础的,虽然整体水平还不高,但只要强化合作意识,做好顶层规划,就可以实现更高效的融合发展,提升整体水平和规模。


另外,还要携手工业芯片产业相关单位,加强产学研协同、标准建设协同、产业链协同、应用协同和设计企业合作,共同打造工业芯片产业生态圈。


只有产学研界共同努力,形成合力,才能提升中国工业芯片的发展水平,从而帮助我国从工业大国向工业强国迈进。


*免责声明:本文由作者原创。文章内容系作者个人观点,半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点,不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持,如果有任何异议,欢迎联系半导体行业观察。


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