【灼识咨询5G专题二】 强烈“芯”痛之后看芯片国产化
自5月15日，美国商务部工业与安全局将华为列入实体名单以来，华为、海康威视，浙江大华，大疆创新等中国高科技企业均开始逐渐受到来自美、英、日系全球供应商的“断供”压力。华为作为全球通信行业的龙头企业，能够制约其发展的技术并不是来自通信领域，而是来自如处理器，FPGA等芯片领域的技术。事实上，不论是华为，海康威视还是大疆创新，中国的高科技企业目前被外国供应商“卡住脖子”的大多数压力都来自于芯片。因此可以说这场事关科技，乃至未来全球局势走向的贸易摩擦的焦点将主要落在芯片行业上。
我们梳理了华为目前所有业务涉及到的主要零部件的国产替代情况，以及可能替代国际供应商的国产厂商名单，由下图可以看出，国产替代程度接近于0的零部件基本集中在芯片领域：
因此，CIC灼识咨询将通过分析我国芯片产业链上目前最“薄弱”的一环-芯片设计从而剖析中国芯片行业以及在芯片行业中国产替代的现状及可能。
全球芯片行业产业链及中国市场依赖度概览
简单来说，半导体是材料，集成电路是由半导体材料制成的电路的集合，而芯片是由不同类型的集成电路或者单一类型集成电路形成的最终产品。目前全球芯片行业的核心产业链主要包括芯片设计，芯片制造及芯片封测，另外在芯片设计中的EDA(Electronics Design Automation)供应商、IP(intellectual property core) 供应商以及在芯片制造中的半导体设备及材料也是产业链中非常重要的组成部分：
据统计，全球芯片（半导体）行业以总营收计的市场规模从2014年的约3,562亿美元增长到2018年的约4,738亿美元，过去五年的复合增长率达到7.4%；其中芯片设计占据最大的市场，从2014年的约1,244亿美元增长到2018年的1,838亿美元，持年复合增长率约10.3%。
以销售额计，中国从2017年开始已经成为全球最大的芯片消费市场，然而，中国的芯片行业自给率在2018年仅为约15%，绝大多数的芯片依赖进口，另据中国海关总署数据显示，2018 年中国集成电路进口金额超过3000亿元，超过原油，成为中国进口量最大的商品。如果从芯片行业各个产业链环节来看，中国芯片行业的进口依赖状况如下：
1
芯片设计
细分领域具备亮点，但核心关键领域设计能力不足。从应用类别(如：手机到汽车)到芯片项目(如：处理器到FPGA)，国内在高端关键芯片自给率几近为0，目前仍然高度仰赖美国企业。
2
芯片设备
自给率低于30%，需求缺口较大，当前在中端设备实现突破，初步产业链已经形成成套布局，但高端制程或者产品仍需攻克。中国本土半导体设备厂商只占全球份额的1-2%，在关键领域如：沉积、刻蚀、离子注入、检测等，仍高度仰赖美国及日本企业。
3
芯片材料
在靶材等领域已经比肩国际水平，但在光刻胶等高端领域仍需较长时间才能实现国产替代。2018年，全球半导体材料市场规模在约为443亿美元，其中晶圆制造材料供应中中国占比在10%以下，但部分封装材料供应占比在30%以上，由此可见中国在部分细分领域上比肩国际领先，但高端领域仍未实现突破。
4
芯片制造
全球芯片制造行业市场集中，代工业呈现非常明显的头部效应，在全球前十大代工厂商中，台积电一家占据了60%的市场份额。目前台积电受贸易战影响相对较低， 而大陆的其他芯片制造厂商成为第二股大势力，因此这一部分业务目前对于国外供应商依赖程度很低。
5
芯片封测
芯片封测领域是最先能实现自主可控的领域。封测行业国内企业整体实力不俗，在世界拥有较强竞争力，长电科技、华天科技和通富微电这三家封测企业在2017 年的全球整体市占率达19%，主要的竞争对手仅为来自美国的Amkor。因此此行业较不容易受贸易战影响。
由此可见，技术含量较低的产业链下游 - 芯片制造及芯片封测是中国在芯片行业中目前的优势环节，而芯片材料，芯片设备尤其是芯片设计仍是中国芯片行业的短板，因此中国芯片行业需要从设计，材料及设备这三个角度实现自主可控的生产加工从而摆脱来自全球供应商在极限情况下的“断供”压力。
芯片设计技术分析及中国芯片设计行业概览
高端芯片的架构是及其复杂的，如果将一个芯片的结构形容为一座建筑的话，芯片设计就像建筑的结构设计，芯片设计师就是建筑设计师。一般的芯片设计可以分成以下几个步骤，依序为：规格制定、逻辑设计、电路布局、布局后模拟以及光罩制作。规格制定是指品牌厂的工程师和芯片设计工程师接触，提出要求，逻辑设计是指芯片设计工程师完成逻辑设计图，电路布局是指将逻辑设计图转化成电路图，布局后模拟是指经由软件测试，看是否符合规格制定要求，而光罩制作则是将电路制作成一片片的光罩，完成后的光罩即送往芯片制造公司。具体的设计步骤及3D芯片的设计模型可参考下图：
全球芯片设计行业由于准入门槛高，其市场集中度也非常高，当前全球芯片设计市场仍然是以美国为主导，2018年全球芯片设计市场，以营收规模计，达到1094亿美元左右，排名前十的芯片设计公司中有6家来自美国，3家来自台湾地区，1家来自中国大陆地区，就是华为海思。由于2018年博通的总部从新加坡搬迁至美国，美国的芯片设计公司在2018年总销售额中的占比达到约68%，其中，博通，高通，英伟达，AMD，Marvell和赛灵思六家顶级供应商进入全球前十的名单中，他们的市场占有率达到56.9%。台湾地区芯片设计公司在2018 年的总销售额中占约16%，与2010年持平。联发科、联咏科技和瑞昱半导体去年的芯片设计销售额都超过了10亿美元，而且都跻身全球前十大芯片设计公司之列。其次就是中国大陆地区的华为海思。
从全球市场的市场占有即可看出，我国芯片设计行业除了华为海思，以及紫光展锐等公司以外，可以登上世界舞台的企业寥寥无几，不仅如此，中国大陆高端芯片设计领域与国外先进水平差距主要体现在以下四个方面：
FPGA（Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）, DSP（Digital Signal Processor, 数字信号处理器）等高端（半）通用型芯片的设计，国内外技术悬殊
FPGA芯片具有可编程灵活性高、开发周期短、并行计算效率高等优点，相当于一张可由下游客户自行刻录的门电路集成电路，DSP具有独特的乘加算法特性，可实现即时处理资料的优点；而这些领域由于都是属于高端（半）通用型芯片，具有研发投入大，生命周期长，较难在短期聚集起经济效益，因此在国内公司层面发展较为缓慢，甚至有些领域是停滞的。
2CPU(Central Processing Unit, 中央处理器)是目前中国追赶难度最大的高端芯片
大陆企业及政府常年有一个自主CPU的梦，但实际上国内相关企业仅有 3-5 家，且都没有实现商业量产，多数仍然依靠申请科研项目经费和政府补贴维持运转。龙芯等国内 CPU 设计企业虽然能够做出 CPU 产品，而且在单一或部分指标上可能超越国外 CPU，但由于缺乏产业生态支撑，还无法与占主导地位的产品竞争。CPU是一块超大规模的集成电路，其设计难度远远高于一般小型电子设备的芯片的难度，目前全球的市场基本上被Intel垄断。
3存储器芯片国内外差距同样较大
目前全球存储芯片主要有三类产品，根据销售额大小依次为：DRAM（Dynamic Random Access Memory，动态随机存取存储器）、NAND Flash（NAND闪存）以及Nor Flash（Nor闪存）。在内存和闪存领域中，IDM 厂三星和海力士拥有绝对的优势，截止到2017年，在两大领域合计市场份额分别为75.7%和49.1%，中国厂商竞争空间极为有限，武汉长江存储试图发展 3D Nand Flash的技术，但目前仅处于 32 层闪存样品阶段，而三星、英特尔等全球龙头企业已开始陆续量产64 层闪存产品；在Nor flash 这个约为三四十亿美元的小市场中，兆易创新是世界主要参与厂家之一，其他主流供货厂家为台湾旺宏，美国Cypress，美国美光，台湾华邦等。
4移动处理器芯片的国内外差距相对较小
在移动处理器芯片方面，中国大陆的企业随着近5年的快速发展追赶上了世界领先企业，其中紫光展锐，华为海思等在移动处理器方面已进入世界前列。
中国芯片设计行业规模及领先供应商
以营收计，中国芯片设计行业的行业规模从2014年的约911亿元增长到2018年的约2,515亿元，过去五年间，持复合增长率达到28.9%，AI，5G，边缘计算和生物识别等依然是芯片行业的热门话题，这些新增需求将持续推动芯片行业的发展。中国在上述领域的关键技术方面都处于领先地位，这必将推动中国芯片设计行业的发展。另外，汽车的去电气化和智能联网化，也将推动汽车市场对于半导体的需求。
在2018年前十大芯片设计厂商中，有三家收入超过了10亿美元，有四家的年增长率超过了20%。具体排名方面，华为海思以503亿排名第一，紫光展锐以110.5亿排名第二，豪威科技以100亿排名第三，之后分布四到八名分别是中兴微电子（61亿）、华大半导体（60亿）、汇顶科技（32亿）、北京芯成半导体（26.5亿）、格科微电子（26.3亿）、紫光国芯微电子（23.5亿）和兆易创新（26.5亿）。
各企业的具体市场占有情况见下图，可以看出中国的芯片设计行业当下是处于市场快速发展的阶段，市场分散，除了华为海思一枝独秀外，其他玩家也在努力开拓自身业务，加速发展。
事实上，除了芯片领域的企业在进行芯片设计，其他行业的许多优秀企业由于自身发展，也在积极开发适合自身业务发展的芯片，其中包括但不限于：比亚迪（汽车电子与新能源汽车应用）；比特大陆（AI芯片，矿机业务芯片设计）；富士康（工业互联网领域芯片设计）；华米科技（AI芯片“黄山一号”等）；阿里巴巴（投资寒武纪，深鉴科技，中天微等；自主研发神经网络芯片），百度（AI芯片“昆仑”）；格力（空调芯片设计）。
由此可见，中国在AI,5G,智能汽车等各领域的快速发展都将从内部推动中国芯片行业的发展，而此次贸易摩擦则是从外部提醒了政府及国民，在全球关注的高精尖领域抓住“自主可控”的重要性，也敲醒了国产替代的警钟，自此中国的半导体行业加快国产替代的步伐是坚定不移的，在强烈的市场需求下我们有理由看好半导体行业的长期发展。