從全球視角看我國移動芯片發(fā)展

周 蘭，李 瑩，喬親旺，金 樺

（1.中國信息通信研究院，北京100191；2.思科系統(tǒng)中國網絡技術有限公司，北京100022）

我國集成電路產業(yè)起步于20世紀60年代，雖在國家的大量投資、技術引進和產業(yè)的積極努力之下，初步形成了較為完備的產業(yè)體系和市場基礎，但發(fā)展規(guī)模、技術實力等遠落后于歐美日韓臺等地區(qū)。2000年后，我國集成電路產業(yè)緊抓移動化浪潮，涌現(xiàn)出了展訊、海思、聯(lián)芯等一批移動芯片相關企業(yè)，成為促進我國集成電路產業(yè)發(fā)展的重要推動力。尤其是在2007年后，移動互聯(lián)網的快速興起帶動了智能終端出貨量的大幅快增，移動芯片更是成為推動全球集成電路技術創(chuàng)新、模式創(chuàng)新、產業(yè)轉型升級的關鍵所在。我國目前在移動芯片領域已取得較好成績，在全球的影響力也在不斷攀升，但隨著技術的加速迭代和產業(yè)的加速競合，未來技術和產業(yè)升級仍然面臨著嚴峻挑戰(zhàn)[1-3]。

2014年國務院發(fā)布《國家集成電路產業(yè)發(fā)展推進綱要》并成立了集成電路產業(yè)專項基金，意味著“十三五”期間我國集成電路將迎來自“九五”之后的又一利好發(fā)展環(huán)境。我國移動芯片已具備較好的產業(yè)基礎，應緊抓本次機遇，重點突破關鍵技術、大膽嘗試創(chuàng)新模式、著重彌補基礎短板，進而實現(xiàn)產業(yè)規(guī)模、技術實力、企業(yè)競爭力等的再次升級。

1 移動芯片產業(yè)構成及關鍵要素

1.1 形成較為清晰完備的體系架構

從產業(yè)角度來看，移動芯片隸屬于集成電路，其產業(yè)結構順應集成電路產業(yè)不斷分化的基本規(guī)律，在設計、制造、封測三大環(huán)節(jié)的基礎之上，形成了各位細致的體系架構，各環(huán)節(jié)分工明確且合作緊密，具體如圖1所示。

1.2 設計和制造依然是關鍵要素所在

于整個產業(yè)而言，各環(huán)節(jié)都不可或缺，并且都已具有相對穩(wěn)定的企業(yè)參與，但從重要性而言，設計和制造環(huán)節(jié)依然是發(fā)展的關鍵。

圖1 移動芯片產業(yè)鏈構成

移動芯片設計環(huán)節(jié)有別于PC或其他傳統(tǒng)集成電路應用領域，具有更為復雜的內容，其指的是基于ARM等基本IP核提供的基礎架構，圍繞所涉及到的多種功能需求，進行的芯片設計過程。除此之外，此環(huán)節(jié)還包括基于成品芯片和其他外圍元器件并整合操作系統(tǒng)所實現(xiàn)的以移動芯片為核心的整機參考設計及turnkey方案提供等。

移動芯片制造環(huán)節(jié)主要指的是與工藝制程緊密相關的部分，其技術發(fā)展路徑基本遵循摩爾定律，技術進步與特殊材料、大型關鍵裝備的發(fā)展緊密相關，除此之外，還會針對移動芯片特有的產品需求，如低功耗等進行個性化的技術發(fā)展。

2 全球移動芯片發(fā)展趨勢和格局

全球移動芯片發(fā)展主要有以下趨勢：

1）設計技術創(chuàng)新圍繞智能終端，并加速外延變革傳統(tǒng)領域

簡單說來，移動芯片是移動通信終端中所涉及芯片的統(tǒng)稱，具體包括實現(xiàn)終端通信功能的基帶芯片和射頻芯片、承載終端操作系統(tǒng)和豐富移動互聯(lián)網應用的應用處理芯片、實現(xiàn)終端能力感知的傳感器芯片以及GPS、藍牙、WiFi等外圍芯片等。其中，基帶芯片和應用處理芯片是智能終端核心功能的保證，也成為目前移動芯片發(fā)展的關鍵。另一方面，隨著智能終端對計算機、電視、服務器等更多其他終端設備的不斷再造，移動芯片的應用范疇也在不斷延展，就目前發(fā)展來看，智能手機/平臺PC中所涉及的基帶芯片、應用處理芯片和可穿戴芯片是發(fā)展的熱點所在。

基帶芯片與移動通信制式的升級緊密相關，目前多模多頻是創(chuàng)新的關鍵。2014年全球基帶芯片市場規(guī)模達到221億美元（數據源自Strategy Analytics），同比增長3.6%。其中，高通以26%的份額占據主導地位，MTK與展訊分別以26%和18%的份額緊隨其后。4G時代下，2G/3G/LTE等多制式網絡長期共存的狀況使得多頻多模成為技術發(fā)展的核心需求。高通在此方面始終保持領先，早在2012年就已發(fā)布六模基帶芯片，并同步提供射頻芯片和射頻前端整合等，率先在全球實現(xiàn)“全網通”手機，并成為全球LTE芯片的絕對壟斷者，2014年其市場份額超過80%。但隨著MTK、海思、展訊等多家企業(yè)相繼推出LTE芯片，其壟斷局面將被扭轉。尤其進入2015年，多家企業(yè)密集發(fā)布多款LTE芯片平臺，MTK也已具備提供“全網通”平臺能力，對高通將造成一定的沖擊。繼LTE之后，LTE-A正成為移動通信技術下階段演進的主要方向，這將推動基帶芯片設計技術的進一步升級，目前高通和海思均已發(fā)布上行2載波CA的LTE-A芯片，領先其他芯片企業(yè)接近一年的時間，并開始布局上行3載波/下行2載波的LTE-A芯片，預計2016年即可實現(xiàn)。

應用處理芯片以計算能力為中心實現(xiàn)快速升級，裝備競賽仍在繼續(xù)。移動終端智能化直接帶動應用處理芯片成為核心之一，2014年智能手機應用處理芯片市場規(guī)模約為200億美元，其中包含獨立應用處理器和集成SoC芯片中的應用處理器部分。為滿足移動應用創(chuàng)新對計算能力升級的需求，應用處理芯片始終圍繞多核復用及架構升級進行著快速的能力升級。2012年四核已成市場主流，2013年八核和64位兩條升級路徑并行，2014年市場對于計算升級的接納使得應用處理芯片的能力升級再攀高峰，基于64位的八核甚至十核并行調度芯片開始進入公眾視野。自2007年iPhone推出之后，移動芯片5年間在計算能力方面就走過了PC10年的發(fā)展歷程，目前來看這種計算升級的速度依然在繼續(xù)。業(yè)界在四核出現(xiàn)時就已經開始探討這種裝備競賽下是否已導致了能力過剩，高通也曾一度呼吁完全沒有必要如此之快地進行升級，但數年之后，升級的速度不僅沒有放緩，反而持續(xù)在加速。除應用處理芯片本身在設計技術方面的提升之外，移動操作系統(tǒng)、開放API接口、應用開發(fā)等多方面亦需同步實現(xiàn)優(yōu)化，對企業(yè)的研發(fā)提出了更高的挑戰(zhàn)。

移動芯片仍在加速向可穿戴等更多領域滲透，影響未來格局。對可穿戴設備而言，低功耗和高集成是基本需求。根據所實現(xiàn)功能的差異性，目前已有的可穿戴產品大致可分為三類（見圖2）：一是以手環(huán)、腕帶為代表的非智能化可穿戴產品，主要由傳感和通信模塊所組成，附帶簡單的嵌入式操作系統(tǒng)，完成信息采集和信息交互等基本功能；二是以部分智能手表為代表的簡單智能化可穿戴產品，由傳感、通信、顯示、應用處理等四大模塊組成，并配有簡單的智能操作系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)簡單的移動應用；三是以智能眼鏡等為代表的復雜智能化可穿戴產品，與前者相比，其配備的應用處理模塊和操作系統(tǒng)擁有更強的處理性能，能夠實現(xiàn)應用的自定義安裝和使用?？纱┐餍酒婕胺N類繁多，當前仍處于起步階段，可用于復雜智能化可穿戴產品的應用處理芯片與上層操作系統(tǒng)匹配，和應用生態(tài)構建緊密相關，成為目前競爭的焦點所在，多家企業(yè)積極布局，如高通的驍龍400、Intel的Curie、MTK的MT2601和MT2502等。

圖2 可穿戴設備硬件平臺架構分類

2）集成電路制造快速升級，助力能力加速升級

移動芯片促進集成電路制造技術快速升級，并深刻影響著技術升級的方向。臺積電自2007年以來，就加大了技術升級的步伐，由原來的3年一代縮短為近期的2年一代。2012年臺積電實現(xiàn)28 nm量產，2014年其最先進的工藝將進入到20 nm量產，計劃2015年進入16/14 nm量產；英特爾2011年就已開始進入22 nm量產，目前正在導入14 nm工藝。移動芯片工藝的快速升級，也使得其與CPU工藝間的差距快速縮小，已由2009年的3年縮小至1年左右（見圖3）。

圖3 近年來工藝技術升級路線圖

在向更高工藝升級方面，資本、技術雙壁壘決定了工藝升級的挑戰(zhàn)不斷增大，升級之路也愈發(fā)狹窄。目前臺積電和三星是主要推動力量，二者路徑迥異，臺積電依賴蘋果訂單，在升級至20 nm之后持續(xù)微縮演進至16 nm的路徑，而三星則由28 nm直接跨入14 nm市場，意圖彎道超車，醞釀代工變革。代工市場需考慮良品率、產能、代工服務先進性等諸多要素，二者目前在技術升級方面仍處于較為初期的階段，未來路徑演進的差異性會不會誘發(fā)市場格局變化仍需時間檢驗。

3）產業(yè)加快競合，生態(tài)格局逐步明晰

移動芯片產業(yè)在集成電路分工細化的基礎之上，近年來始終處于一個不斷盤整的過程，尤其是移動芯片設計行業(yè)的橫向整合態(tài)勢在加劇。有通過收購、合并來實現(xiàn)市場進入，如2010年Intel收購英飛凌無線業(yè)務進入基帶芯片市場、2011年Nvidia收購Icera提升自身通信能力，也有逐步轉型并逐漸退出，如2012年TI將投入重點轉向嵌入式應用領域，2013年意法愛立信解體退出移動芯片市場，2014年博通退出基帶芯片市場等。大浪淘沙，強者愈強。雖然整個行業(yè)分工細化及各種開發(fā)的授權模式降低了進入的門檻，但實際上存活并實現(xiàn)持續(xù)發(fā)展的難度越來越高，移動芯片產業(yè)的集中化態(tài)勢明顯，技術覆蓋面越廣的企業(yè)競爭實力越強，提供完整解決方案成為企業(yè)的一致目標。

移動芯片產業(yè)生態(tài)格局初步明晰。從移動芯片架構來看，ARM成為移動芯片基礎架構的絕對壟斷者，并以內核和架構兩種授權模式構建了龐大的生態(tài)圈。至2014年ARM架構在移動計算市場的占有率超過85%；X86憑借英特爾進入移動芯片，但市場份額不足10%；MIPS也存有少量終端芯片產品。從移動芯片設計來看，初步呈現(xiàn)“三梯隊”分布的態(tài)勢。高通、三星、蘋果領銜第一梯隊，占據全球超過60%的市場份額，也始終是移動芯片設計技術的引領者；第二梯隊以聯(lián)發(fā)科、marvell、Intel等為代表，占有約30%的市場份額，設計技術至少落后第一梯隊半代以上，國內企業(yè)展訊和海思目前也位列其中；余下的百余家企業(yè)組成了第三梯隊，合計市場份額只有10%左右。中國展訊和海思在芯片設計技術已取得一定進步，在國際舞臺初露頭角。從移動芯片制造看，“1+3+1”格局穩(wěn)固，2014年臺積電以53.7%的市場占有率再次排名全球第1；臺聯(lián)電、Global Foundries以及三星位居第2，3，4；中芯國際全球排名第5。先進的高端工藝集中態(tài)勢日漸增強，臺積電目前在高端工藝市場已形成絕對壟斷，其28 nm的平均占有率約為80%，其產能約為Global Foundries的3倍，成品率達到90%，也遠超70%的平均水平。

3 我國移動芯片產業(yè)基礎與挑戰(zhàn)

3.1 已初步實現(xiàn)技術和市場的雙重突破

我國移動芯片取得長足發(fā)展，全球影響力逐步攀升。2014年海思、展訊銷售額同比增長均超過10%，海思更成為我國首家百億級芯片企業(yè)。2009年，我國正式啟動自有標準TD-SCDMA的商用進程，憑借對標準及相關芯片技術的前期布局，我國移動芯片在3G時代不僅扭轉了2G時代幾乎全部依賴進口的現(xiàn)狀，實現(xiàn)從“無芯”到“有芯”的跨越，在全球的影響力也不斷攀升，目前移動芯片國產化率超過10%，其中展訊（聯(lián)合RDA）3年復合增長率達到13.5%（中國信息研究院統(tǒng)計數據），增長速度僅次于高通位列第2，在全球通信基帶芯片出貨量中排名第3、在TD-SCDMA出貨量中排名第1，中芯國際在全球晶圓代工市場中排名第3，海思憑借LTE芯片近3年復合增長率超過70%，并成為全球關鍵LTE芯片廠商之一。

移動芯片關鍵技術緊跟全球發(fā)展趨勢，并形成自身創(chuàng)新技術特色。在LTE芯片方面已基本跟上國際水平，海思、展訊等均有LTE多模產品發(fā)布，海思已發(fā)布2載波CA的LTE-A芯片，與全球先進水平高通相當，領先其他芯片企業(yè)0.5～1年。在應用處理芯片方面也不斷提升，展訊、海思等均已發(fā)布主流四核芯片產品，海思八核產品也于2015年推出，并已開始布局未來更為主流的64位架構；在制造工藝方面全面追趕，中芯國際28 nm工藝已開始提供代工服務，國內芯片企業(yè)也已具備28 nm設計能力，全面開始布局20 nm/14 nm等更高工藝。在兼容全球移動芯片技術發(fā)展路徑的同時，我國企業(yè)也不斷開拓創(chuàng)新，形成自身創(chuàng)新技術特色。展訊、海思、聯(lián)芯等以集成單芯片的模式外加整合操作系統(tǒng)形成一站式終端硬件平臺，極大地縮短了終端研發(fā)進程；瑞芯微、全志針對細分平板電腦市場，充分考量個性需求，為中低端平板提供獨立應用處理芯片，并全面提升多媒體能力，兩家市場份額共計超過50%；君正依托MIPS架構及自研內核定位智能手表，已擁有數十款手表產品。

3.2 制約未來升級的短板依然存在

但基于目前的基礎，若要實現(xiàn)進一步的突破升級，在拓展市場、提升技術、產業(yè)合作等方面依然面臨巨大挑戰(zhàn)，具體表現(xiàn)在：

核心技術依然掌握不足，制造尤其突出。一方面，國產移動芯片企業(yè)普遍體量較小，海思、展訊、聯(lián)芯等國內移動芯片企業(yè)年銷售額之和尚不足高通一家，且多數企業(yè)在技術升級方面采用“跟隨”的發(fā)展策略，并大多面向中低端市場，利潤率低，直接影響企業(yè)研發(fā)的持續(xù)投入，長期以來技術積累不足，新技術導入慢，未來隨著摩爾定律加速演進及工藝技術升級的難度加大，面臨著再次掉隊的風險。另一方面，制造工藝落后的局面始終未曾扭轉，雖近年來與臺積電等領先企業(yè)的差距似乎在縮小，但隨著工藝升級的技術和資金要求越來越高，單純依靠中芯國際自身循環(huán)短期內尚不具備工藝升級的能力，實際上與國家領先的差距反而在逐漸拉大。

核心技術存在短板，關鍵IP核掌握不足。一是，國內目前在LTE多模多頻芯片方面剛剛起步，海思雖較為領先，但受限于自身業(yè)務發(fā)展特性并不對外提供，國產4G終端多側重MTK、高通平臺實現(xiàn)，國內仍需加大發(fā)展力度。此外，在面向未來的技術升級方面，國內仍多處于跟蹤狀態(tài)，滯后領先企業(yè)進度。二是，對關鍵的通用型IP核的開發(fā)和掌握依然不足。我國芯片設計企業(yè)對基本IP核的開發(fā)和積累始終不足，芯片設計自主性不高，為持續(xù)發(fā)展埋下隱患。制造企業(yè)在工藝IP的積累方面嚴重不足，國內也缺乏專注于IP核研發(fā)的企業(yè)進行輔助，不僅阻礙新工藝產線的快速商用，也影響所生產的芯片產品的性能表現(xiàn)。

國內芯片設計與制造產業(yè)間的協(xié)同互動仍需加強。從中芯國際收入構成來看，國內客戶貢獻收入占比超過三成，5年內實現(xiàn)翻番，2013年1、2季度國內芯片企業(yè)貢獻同比增長均超過50%。在存儲、MEMS、模擬芯片等需特殊工藝技術的產品研發(fā)中，中芯國際與設計企業(yè)的通力合作也間接帶動了一批國內企業(yè)。但移動芯片設計與國內自主的集成電路制造間依然具有較大的互動空間，如目前中芯國際28 nm在小規(guī)模量產階段，高通為重要合作伙伴，國內企業(yè)等仍然缺席，協(xié)同互動仍需加強。未來高工藝研發(fā)更需要制造和設計的深度捆綁，各自為戰(zhàn)的現(xiàn)狀必將影響芯片制造業(yè)提升工藝的進度和水平。

4 對后續(xù)發(fā)展的幾點建議

基于以上分析，建議抓住信息通信產業(yè)轉換期的重大機遇，充分利用市場優(yōu)勢，以移動芯片為重要突破口，重點突破關鍵技術，大膽嘗試創(chuàng)新模式，著重彌補基礎短板，推動移動芯片產業(yè)的快速升級。

1）推進移動芯片相應關鍵技術的突破。一是繼續(xù)支持移動通信技術的增強演進，進一步推動通信基帶芯片多模多頻的研發(fā)和產業(yè)化。二是推動應用處理器基于不同市場需求的差異性發(fā)展，針對智能手機、平板電腦等細分領域的應用需求，提升主頻、工藝、架構、核數、GPU等關鍵指標能力。三是增強對先進工藝技術的掌握，加大對20 nm及更高工藝技術的支持，同步突破設備、原材料等基礎環(huán)節(jié)。

2）探索終端整機、芯片設計、芯片制造企業(yè)的新型聯(lián)動機制。一是鼓勵終端企業(yè)和芯片設計企業(yè)加強合作，根據市場需求有針對性地研發(fā)和設計產品，實現(xiàn)資源整合，搶占發(fā)展先機。二是促進芯片設計與制造之間“正向激勵、良性循環(huán)”機制的完善，在20 nm及14 nm等更高工藝的基礎技術研發(fā)方面，增強芯片設計及制造企業(yè)間的合作，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，共同促進工藝產線的快速應用投產。三是著力推動產業(yè)水平分工下的虛擬集中機制的建立，形成更加開放的“虛擬IDM”生態(tài)系統(tǒng)，促進整機、設計、制造、基礎IP及相應工具等各個環(huán)節(jié)參與主體間的資源協(xié)調與緊密合作。

3）堅持實現(xiàn)關鍵的通用基礎型IP核的自主研發(fā)和應用。對不可或缺的關鍵IP核，如DSP、USB、HDMI接口等，引導國內企業(yè)加大自主研發(fā)力度；探索國內設計企業(yè)和第三方IP提供企業(yè)間的交叉授權等合作模式；注重與工藝緊密關聯(lián)的核心IP庫等的儲備；加強芯片設計企業(yè)和國內代工企業(yè)在28 nm及后續(xù)工藝的IP驗證互動和設計支撐。

[1] 魏少軍.乘《綱要》東風，推動設計業(yè)發(fā)展更上一層樓[J].中國集成電路，2015（Z1）：13-18.

[2] 黃偉.新形勢下我國移動芯片技術產業(yè)發(fā)展研究[J].現(xiàn)代電信科技，2014（6）：15-19.

[3]胡啟立.“芯”路歷程—“909”超大規(guī)模集成電路工程紀實[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.■