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半导体

手机芯片之后,谁是半导体下一个黄金增长点?

每一波席卷而来的技术浪潮,一旦对消费市场产生颠覆性影响,并诞生应用广泛的新型消费终端,半导体应用的最大单一市场往往随之易主。PC处理器和智能手机处理器,是各自时代的黄金增长点,引领半导体产业沿着摩尔定律高速成长。

但是,任何一个黄金增长点的统治力都无法永存。从2021年第三季度开始,智能手机的出货量已经连续三个季度同比下滑,手机芯片厂商不得不下调或削减订单。一旦智能手机不再是半导体产业旱涝保收的屏障,半导体产业的下一个黄金增长点会是什么?

何其相似的问鼎之路

1981年8月12日,一台由古董电视般方正厚重的显示器、扁平盒状的主机、独立的白色键盘组成的设备伴随着一个简洁而响亮的名号进入民众视野:IBM PC。彼时的计算机是政府或科研机构进行科学计算的工具,而IBM正是此类大型机的最大供应商。IBM PC的出现,开启了计算机从实验室走向普罗大众的序章,也让全世界看到了个人电脑时代的曙光。 

表面来看,IBM PC是蓝色巨人在个人电脑市场平步青云的盛大开场。然而,真正趁势而起并统领PC时代的,是半导体巨人英特尔和软件王者微软。为了寻求IBM PC的快速上市,IBM打破了当时计算机制造商一手包办所有组件的惯例,转而从第三方购买处理器和软件——前者是英特尔的8088微处理器,后者是微软的DOS操作系统。

一时间,有心入局但无力承担计算机软硬件开发的IT精英们看到,处理器和操作系统可以独立于计算机制造公司而存在,作为第三方产品被购买和集成。短短几年,康柏、戴尔等一批新锐计算机厂商,基于英特尔处理器和微软软件大量生产IBM PC兼容机,抢占市场份额。在后发者的激烈竞争下,IBM在个人电脑的先发优势逐渐磨灭,英特尔和微软却愈发声势浩大。在微软推出Windows操作系统之后,Wintel成为个人电脑时代颠扑不破的底层架构,统治力延续至今。 

在市场需求的推动和创始人精神的感召下,英特尔沿着创始人戈登·摩尔提出的“摩尔定律”,推动PC芯片的迭代,芯片制程从20世纪80年代的3微米一路升级到如今的10nm,使PC能够替代越来越多的大型机功能,PC处理器也成为20世纪80年代至21世纪10年代半导体产业的增长极。

“计算机的发明将人类带入信息时代。而半导体芯片作为计算机信息存储和处理的具体‘执行者’,对计算机的发展又起到了决定性的作用。随着芯片工艺的持续优化、性能的不断提升,再加上互联网技术的蓬勃发展,计算机走进了千家万户,成为信息社会的‘终端’。”北京航空航天大学集成电路科学与工程学院副院长张悦向《中国电子报》记者指出。

在PC代替大型机走入用户工作和消费者生活之后,移动互联网的出现和演进,让人们看到了终端设备进一步轻量化、便捷化的可能。2G时代,移动通信从模拟信号走向数字信号,手机的竞争焦点从通话质量转向产品功能,成就了诺基亚的辉煌。到了3G时代,移动通信从语音通信走向数据通信,手机能够处理更多的媒体格式、提供更多的信息服务,iPhone等一批智能手机产品深刻改变了消费终端的形态,手机处理器也成为半导体增长动能的换挡器。

据世界半导体贸易协会和资策会产业情报研究所数据,自2010年起,计算机在全球半导体应用的市场比重持续下降,智能手机引领的通信IC占比逐年攀升,在2014年首次超过计算机芯片的市场占比,达到34.4%,开启了移动通信芯片的黄金时代。

手机处理器能扛起半导体增长大旗的另一个原因,是它接过了PC处理器的接力棒,成为摩尔定律的延续者。2010年,苹果iPhone 4正式上市,首次搭载的苹果自研处理器A4采用45nm制程,拥有3000多万晶体管。而2021年随苹果iPhone 13系列登场的A15处理器,采用5nm制程,拥有150亿晶体管。11年的时间,同一系列的手机处理器晶体管数量实现了5000倍的提升,手机处理器成为先进制程的“头号玩家”。

“进入21世纪,移动互联网技术和无线通信技术逐渐把信息社会‘终端’从PC转移到手机,以前很多只能在计算机上进行的操作,如今手机都可以胜任,加之其体型小巧、携带方便、价格更低,逐渐取代计算机,成为促进半导体产业增长的中流砥柱。”张悦告诉记者。

继任者的素质

不难看出,近几十年来半导体产业两度撑起一片天的增长动力,都与划时代的消费终端息息相关。

“信息时代的电子设备要成为半导体产业的引领者,至少需要兼顾三个特点:便携性、功能性和生态性。”张悦指出。

他表示,随着当今社会数据量爆炸式增长、生活节奏加快,人们对处理信息的需求更倾向于即时处理,所以便携性至关重要,电子设备只有随用可取才能被更多群体接受。在便携的同时,设备要有强大的数据处理能力和信息交互能力——也就是功能性,才能适应更复杂的任务和更广泛的用户群体。除了芯片等核心硬件的提升,还需要软件及周围配套技术的协同,构建整体生态,带动技术发展和推广。

而此类终端,往往是在技术浪潮带动消费形态变革、消费形态变革又推动技术创新的螺旋上升中诞生的。

“计算机和通信市场分别随着有线通信技术和无线通信技术的发展而迅速增长,尤其后者在应用面、便携性和受众方面占据更多优势,因此随着无线通信技术的普及,无线通信产品迅速替代了部分计算机的功能。”芯谋研究高级分析师张彬磊向《中国电子报》记者表示。

即便有颠覆式的技术浪潮,并将一种全新的终端顶上浪尖,要形成对半导体增长的引领力,既要对芯片有“量”的拉动,也要有持续升级的功能需求,带动芯片不断地迭代优化。

“能长期引领半导体增长的IC产品,一是量大面广;二是技术不断迭代,有不断创新升级的需求;三是具备一定的复杂度和集成度,具备技术门槛。四是要有强有力的领军企业参与其中。” 北京半导体行业协会副秘书长、北京国际工程咨询有限公司高级经济师朱晶向《中国电子报》记者表示。

那么,在智能手机芯片之后,还会有这样一个占据“天时地利人和”的IC产品,撑起半导体增长的一片天吗?之所以业界有这样的思索,是因为从2021年第三季度至今,手机出货量已经连续三个季度同比下降。IDC数据显示,2022年第一季度全球手机出货3.14亿部,同比下降8.9%,环比下降15.4%。供应链不断传出头部芯片企业下调或削减订单的消息。随着手机行业的人口红利接近尾声,换机周期增长,手机芯片对半导体产业的带动力不再旱涝保收。

从终端层面来看,与手机同时代的终端设备,已经很难在便携性、功能性和生态性等维度超越智能手机。与有线通信技术和无线通信技术催化了PC和手机的出现一样,新一代半导体增长极需要颠覆性技术开路。

“在‘后摩尔时代’即将到来之际,人工智能、量子信息、新能源汽车等新兴技术蓬勃发展之时,势必推动半导体核心关键技术和产业发展迎来重大变革。最近几年正处于历史交汇期,传统技术老当益壮,新技术群雄逐鹿,有点雾里看花的感觉,但这是窗口期也是机遇期。乐观预计未来5-10年半导体产业会在工艺、集成、应用等方面出现一锤定音的颠覆性技术。”张悦说。

张彬磊也表示,目前通信技术的发展已经相对成熟,很难再推出新的终端类型,即使5G全部普及,也只能推动手持通信设备更新换代,半导体的新一轮高成长需要颠覆性的概念。

“目前市场上还未出现引领力堪比PC或手机芯片的产品,但是这类产品的概念早就存在了,比如嵌入人体的芯片。”张彬磊说。

未来动能已出现

现阶段,智能手机芯片依然是半导体应用最大的单一市场,能够达到同等量级的半导体增长点尚未明确。但是,一些成长性被普遍看好的半导体品类,有望在未来几年为产业发展注入动力。

“可以从两个大的维度去看半导体技术未来几年的发展。一是针对当前计算架构的优化和革新,二是新的信息载体和应用领域。”张悦指出。

张悦进一步介绍了两个维度的代表性IC产品。针对当前计算架构的优化和革新,已经出现了一系列新兴半导体技术,包括磁存储器MRAM、阻变存储器RRAM、相变存储器PCRAM等新型非易失性存储器,存算一体芯片等。新型非易失性存储器相关技术利用新物理原理解决传统半导体器件的功耗瓶颈问题。存算一体芯片将存储和计算相融合,解决冯诺依曼架构瓶颈和“存储墙”问题,显著提高计算能力。

汽车电子是新的信息载体和应用领域一个代表性例子。汽车的新能源和智能化趋势,推动一系列半导体技术迅猛发展。例如车规级功率半导体中的硅基IGBT器件和SiC功率器件,可以应用于不同级别的新能源汽车。面向高级别的智能驾驶和整车智能化控制,强算力、高能效的SoC芯片以及高性能MCU芯片也具有巨大市场。此外,未来汽车需要更多、更高精度的传感器。

“以上两大类产品的成长趋势在最近几年已经有所验证。但是否能达到类似计算机和手机的‘颠覆性’效应,还需要在材料、机制、工艺、集成等方面的进一步创新。”张悦说。

万物互联时代的到来,让感知芯片的需求得到空前释放。IC insights数据显示,2010—2019年,CIS(CMOS图像传感器)成为增长最快的半导体产品类别。

“短期来看,成长性较好的半导体产品一定是以CIS为代表的各类传感器,未来是万物互联的时代,汽车、城市、安防、家居等市场都对感知类芯片需求量巨大。如此多的感知类芯片必然会对通信、算力和存储芯片提出更高的要求。因此未来几年传感器、通信、算力、存储芯片将会成为引领半导体市场发展的主要品类。”张彬磊说。

在国内,一系列重大战略的实施,也将为特定的半导体产品注入增长动能。

“从产品来看,比较看好功率/电源类芯片、存储器、以及智能计算芯片,源于目前我国正在推进的碳中和以及‘东数西算’等重大国家战略,对这几类芯片的需求都是巨大的。”朱晶说。

可以说,半导体产业正处在一个传统力量尚未褪去,新生力量百花齐放的局面。从成就颠覆式半导体增长点的要素来看,围绕量子通信、人工神经网络等被寄予厚望的颠覆式技术,脑机、生物芯片、机器人等新的终端概念,二维半导体材料、非冯·诺依曼架构等后摩尔时代半导体迭代方向的探索和研究正在铺开,只是究竟哪一种或者哪几种要素能够互相激发,形成技术、产品与市场的螺旋式上升闭环,衍生出新的半导体增长极,还尚未明确。可以确定的是,只要民众对于IT服务和信息消费的需求还在,下一个半导体黄金增长点还会出现,只是其形式或许会大大超出人们的想象。

责任编辑:赵强


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