中國(guó)芯片現(xiàn)狀洞察（2021）
根據(jù)WSTS和IC Insights兩家機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)綜合整理，我國(guó)在過(guò)去三年中對(duì)MPU和邏輯電路的份額持續(xù)增加，DRAM芯片呈下降趨勢(shì)，模擬電路、Nand Flash和MCU的份額呈現(xiàn)波動(dòng)穩(wěn)定。
綜合來(lái)看，Nand Flash和DRAM是兩種主流的存儲(chǔ)芯片，與需求量較小 的NOR Flash一起在國(guó)內(nèi)芯片份額的占有率基本不低于30%，說(shuō)明我國(guó) 目前對(duì)存儲(chǔ)芯片的需求最大。隨著云計(jì)算、AI等行業(yè)的發(fā)展，ASIC、 FPGA和CPU、GPU等邏輯電路的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，加上傳統(tǒng)邏輯門(mén)元件在電路中穩(wěn)固的需求，使得邏輯電路份額已經(jīng)占據(jù)市場(chǎng)總量的1/4以上。模擬電路包括通信、電源管理、顯示等多種模塊，是物聯(lián)網(wǎng)、通信行業(yè)的必備元件，其份額隨著應(yīng)用場(chǎng)景的豐富和通信設(shè)備的更新持續(xù)攀升。
國(guó)內(nèi)邏輯芯片發(fā)展速度較為緩慢，除了在移動(dòng)端CPU領(lǐng)域有一定的突破之外，其他領(lǐng)域的發(fā)展都與世界頂尖公司存在差距。同時(shí)，我國(guó)的研發(fā)大都局限在應(yīng)用端，涉及底層架構(gòu)、顛覆性創(chuàng)新的成果較少。
CPU的中文名稱是中央處理器，是負(fù)責(zé)信息處理、程序運(yùn)行的執(zhí)行元件。按照架構(gòu)和性能的不同被廣泛應(yīng)用在個(gè)人計(jì)算機(jī)、移動(dòng)電子設(shè)備、游戲機(jī)、路由器、激光打印機(jī)等設(shè)備上。目前，部分機(jī)構(gòu)將CPU、GPU 等擁有信息處理功能的邏輯芯片歸入微處理器類，在本報(bào)告中，我們遵從第 一章的分類標(biāo)準(zhǔn)，將其歸為邏輯芯片。
CPU指令集是CPU中計(jì)算和控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所有指令的集合。目前CPU可以分為復(fù)雜指令集（CISC） 、簡(jiǎn)單指令集（RISC）兩大類。復(fù)雜指令 集主要為X86架構(gòu)，簡(jiǎn)單指令集又可以細(xì)分為ARM、MIPS、RISC-V、 Power PC、Alpha架構(gòu)，其中生態(tài)較為完善的是ARM架構(gòu)，基本占據(jù)簡(jiǎn) 單指令集九成的市場(chǎng)。我國(guó)廠商在架構(gòu)底層指令集和IP的設(shè)計(jì)上較為落 后，因此多采用IP授權(quán)或指令集授權(quán)的方式開(kāi)發(fā)CPU產(chǎn)品。近年來(lái)，基于ARM架構(gòu)和RISC-V開(kāi)源架構(gòu)設(shè)計(jì)的CPU越來(lái)越多，生態(tài)逐漸豐富，也為國(guó)內(nèi)企業(yè)提供了許多機(jī)會(huì)。
GPU芯片最初的應(yīng)用是處理圖形數(shù)據(jù)，與CPU相比，其并行處理的能力更加強(qiáng)大。在個(gè)人計(jì)算機(jī)中，CPU、GPU和主板往往是決定機(jī)器性能的重要元件。據(jù)Jon Peddie Research數(shù)據(jù)，在過(guò)去不久的2020年第四季度，個(gè)人計(jì)算機(jī)GPU市場(chǎng)占有率呈現(xiàn)Intel一騎絕塵的現(xiàn)象，份額由上一季度的62%提升到69%，AMD、Nvidia瓜分剩下的市場(chǎng)，份額分別為17%和15%。這一領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有企業(yè)能夠切分這塊規(guī)模可觀的蛋糕。
在時(shí)下熱門(mén)的人工智能行業(yè)，以Nvidia等公司推出的通用GPU為核心搭 建深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練平臺(tái)是業(yè)內(nèi)主流，由于GPU是一款通用芯片，同時(shí)被個(gè) 人消費(fèi)者和企業(yè)消費(fèi)者以多種目的采買(mǎi)，2020年至今，市場(chǎng)上Nvidia推 出的幾款高端GPU芯片出現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)數(shù)月的缺貨和價(jià)格暴漲現(xiàn)象。世界上頭部三家GPU設(shè)計(jì)公司Nvidia、AMD和Intel長(zhǎng)期占領(lǐng)AI商用計(jì)算和民用市場(chǎng)的絕大部分份額，還有多家公司提供GPU IP；相比之下，截至2021年3月，國(guó)內(nèi)GPU相關(guān)領(lǐng)域的企業(yè)或機(jī)構(gòu)僅有18家，其中上市公司3家， 且部分公司至今未有產(chǎn)品面市。
從區(qū)域分布來(lái)看，內(nèi)地GPU企業(yè)近半數(shù)分布在上海，而上海的GPU設(shè)計(jì)企業(yè)基本都位于張江高科技園區(qū)；3家上市公司分別為景嘉微、航錦科技和中船重工，其中兩家的GPU設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)在長(zhǎng)沙，中船重工709所位于武 漢、716所位于連云港。總體上，GPU設(shè)計(jì)企業(yè)的分布集中于長(zhǎng)江中下游，長(zhǎng)沙市布局較早，產(chǎn)業(yè)自我造血能力基本實(shí)現(xiàn)；上海聚集了最多的 新設(shè)立企業(yè)，全部為獨(dú)角獸企業(yè)，資本活躍度高。
FPGA的中文名稱是現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列，是一種可以對(duì)電路功能進(jìn)行編程定義的半定制電路。由于其可以無(wú)限次編程的特點(diǎn)，F(xiàn)PGA具有開(kāi)發(fā) 時(shí)間短、延遲低、能耗低的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在視頻圖像處理、通信、數(shù)字系統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換、嵌入式系統(tǒng)等行業(yè)。由于FPGA的可編程性，其在人工智能行業(yè)也有一定的應(yīng)用，雖然單塊FPGA的計(jì)算能力沒(méi)有GPU強(qiáng)大，但設(shè)計(jì)者可以很方便地將通用結(jié)構(gòu)的FPGA芯片構(gòu)造成一個(gè)規(guī)模宏大的并行的計(jì)算結(jié)構(gòu)，滿足應(yīng)用需求。
MRFR預(yù)計(jì)2025年全球FPGA市場(chǎng)規(guī)模達(dá)125.21億美元，相較于CPU、 GPU千億美元的市場(chǎng)規(guī)模來(lái)說(shuō)顯得微不足道，但2019-2025年實(shí)現(xiàn)10.43%的復(fù)合增速，增長(zhǎng)顯著且穩(wěn)健。據(jù)Gartner統(tǒng)計(jì)，2019年中國(guó)FPGA市場(chǎng)規(guī)模為176億元，預(yù)計(jì)到2023年中國(guó)FPGA市場(chǎng)規(guī)模將接近460億元，增長(zhǎng)遠(yuǎn)高于世界水平。
從供應(yīng)廠商角度看，全球市場(chǎng)主要被美國(guó)Xilinx、Intel兩家企業(yè)壟斷，市占率分別為49%和34%；國(guó)內(nèi)FPGA市場(chǎng)國(guó)產(chǎn)率低于1%。在先進(jìn)FPGA 芯片領(lǐng)域，我國(guó)企業(yè)的產(chǎn)品與美國(guó)企業(yè)的產(chǎn)品還存在代差。報(bào)告基于2020年一級(jí)市場(chǎng)投資事件及行業(yè)內(nèi)上市、沖刺上市公司，選取了部分行業(yè)翹楚，對(duì)其業(yè)務(wù)和投融資動(dòng)態(tài)進(jìn)行梳理。
除了前文介紹的CPU、GPU、FPGA之外，目前國(guó)內(nèi)最受一級(jí)市場(chǎng)資本關(guān) 注的當(dāng)屬人工智能芯片企業(yè)。隨著人工智能技術(shù)在產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用愈發(fā)多元化，AI芯片的使用也逐漸向著專用芯片面向應(yīng)用端，通用芯片組建算力云平臺(tái)的趨勢(shì)發(fā)展。目前常見(jiàn)的AI芯片基本可以分為復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）、可編程邏輯器件（FPGA）、圖形處理器（GPU）。被廣泛提起的ASIC芯片，中文為“專用集成電路”，通常主要是以CPLD或FPGA進(jìn)行流片形成固定功能的芯片，本報(bào)告中不再專門(mén)區(qū)分ASIC與 CPLD概念，以便于梳理和閱讀。
按照任務(wù)劃分，AI芯片可以分為訓(xùn)練芯片和推理芯片；訓(xùn)練芯片用于完 成深度學(xué)習(xí)大數(shù)據(jù)量的運(yùn)算，對(duì)芯片的算力、精度和通用性要求較高；推理芯片進(jìn)行的是對(duì)成熟模型算法的一種執(zhí)行，不需要進(jìn)行大量的運(yùn)算和過(guò)高的精度，對(duì)能耗、成本等大規(guī)模應(yīng)用層面的考量更多。
目前業(yè)內(nèi)比較常用的訓(xùn)練芯片是CPU與GPU或FPGA等協(xié)同的異構(gòu)運(yùn)算組 合，我國(guó)企業(yè)在這三種芯片的設(shè)計(jì)水平都與行業(yè)前列有較大的差距。目 前只有華為海思、寒武紀(jì)、天數(shù)智芯、燧原科技等企業(yè)在云端推理芯片有產(chǎn)品推出，涵蓋ASIC、GPGPU等多種芯片。
由于起步時(shí)間較晚，我國(guó)在GPU和FPGA芯片領(lǐng)域都處于追趕行業(yè)發(fā)展的進(jìn)程中。因此發(fā)展用途較為單一、開(kāi)發(fā)難度較小的ASIC芯片，把計(jì)算單一化，在一個(gè)方向上專精可以使我們?cè)谌斯ぶ悄苡?jì)算領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)彎道超車。
存儲(chǔ)芯片的設(shè)計(jì)和制造是我國(guó)芯片領(lǐng)域最為薄弱的環(huán)節(jié)之一，除了在市場(chǎng)占有率5%左右的Flash閃存芯片中擁有少數(shù)企業(yè)布局之外，其他常見(jiàn) 的存儲(chǔ)芯片基本都由三星、東芝、美光等老牌存儲(chǔ)芯片企業(yè)壟斷。存儲(chǔ)芯片由其讀寫(xiě)特性可以分為只讀存儲(chǔ)器和隨機(jī)讀寫(xiě)存儲(chǔ)器；根據(jù)其斷電后數(shù)據(jù)是否丟失又可分為易失性存儲(chǔ)芯片和非易失性存儲(chǔ)芯片。通常來(lái)說(shuō)，行業(yè)內(nèi)公認(rèn)的易失性存儲(chǔ)芯片包括靜態(tài)存儲(chǔ)器（SRAM）和動(dòng) 態(tài)存儲(chǔ)器（DRAM）。其中SRAM的讀寫(xiě)速度較快，但制造成本高，通常用作大容量存儲(chǔ)器的緩存器；DRAM的讀寫(xiě)速度慢，但生產(chǎn)成本比較低，一般用作硬盤(pán)、大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等容量較大的主存儲(chǔ)器。
非易失性存儲(chǔ)芯片基本指的是各種只讀存儲(chǔ)器（ROM），其發(fā)展大致經(jīng) 歷了只讀存儲(chǔ)器（ROM）、可編程ROM（PROM）、可擦除可編程 ROM（EPROM）和電子擦除可編程ROM（EEPROM）。Flash存儲(chǔ)器比較特殊，是一種可以快速讀取數(shù)據(jù)的電子可擦除存儲(chǔ)器，其具有ROM和RAM兩種存儲(chǔ)器的優(yōu)點(diǎn)，可以利用專用程序擦除數(shù)據(jù)，斷電后數(shù)據(jù)也 不易丟失。
Flash存儲(chǔ)芯片還可以繼續(xù)細(xì)分為兩個(gè)類別，Nor Flash和Nand Flash。Nor Flash可以讓?xiě)?yīng)用程序在其中運(yùn)行，不需要將代碼讀取入RAM，同時(shí)Nor Flash的傳輸效率比較高，但是寫(xiě)入和擦除速度較低；NandFlash的容量較大，改寫(xiě)速度較快，因此常常被用作U盤(pán)、小型移動(dòng)電子設(shè)備的存儲(chǔ)器。
綜合來(lái)說(shuō)，我國(guó)存儲(chǔ)芯片的發(fā)展水平還較為落后，設(shè)計(jì)行業(yè)呈現(xiàn)NOR Flash單點(diǎn)突破，Nand Flash、DRAM仍然存在較大困難的階段；生產(chǎn)制造處于產(chǎn)能提升過(guò)程中，即將達(dá)到規(guī)模化生產(chǎn)。在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，抓住全球芯片短缺、價(jià)格上漲的機(jī)遇，運(yùn)用目前性價(jià)比高的產(chǎn)品搶占更 多市場(chǎng)；加速新一代Nand Flash和DRAM芯片研發(fā)，同時(shí)有計(jì)劃地根據(jù)未來(lái)需求擴(kuò)大產(chǎn)能，逐步實(shí)現(xiàn)DRAM芯片的國(guó)產(chǎn)化替代。
中國(guó)半導(dǎo)體設(shè)備及行業(yè)分析（匯總）
《2020年中國(guó)半導(dǎo)體設(shè)備行業(yè)市場(chǎng)研究報(bào)告》
《2020年中國(guó)半導(dǎo)體材料行業(yè)發(fā)展報(bào)告》
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