國(guó)產(chǎn)芯片“智”勝未來(lái)

作為信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)性支撐，芯片行業(yè)的發(fā)展對(duì)于國(guó)計(jì)民生至關(guān)重要，無(wú)論是全球化受阻，還是科技強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的實(shí)施，都需要國(guó)產(chǎn)芯片奮起直追，大步進(jìn)位。

1、國(guó)產(chǎn)替代：提升研發(fā)投入是關(guān)鍵

長(zhǎng)期以來(lái)，中國(guó)核心芯片主要依賴(lài)進(jìn)口。如今，國(guó)產(chǎn)芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展逐漸成為中國(guó)制造的重中之重。預(yù)計(jì)2020年，國(guó)內(nèi)芯片自給率要達(dá)到40%，2025年則要達(dá)到70%。然而，根據(jù)中國(guó)半導(dǎo)體協(xié)會(huì)與國(guó)家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，自2013年至2017年，中國(guó)芯片產(chǎn)量增速在波動(dòng)中僅為15%。

在廣闊的市場(chǎng)發(fā)展空間與政策資金加持下，半導(dǎo)體國(guó)產(chǎn)替代迎來(lái)了前所未有的歷史機(jī)遇。

根據(jù)CVSource投中數(shù)據(jù)，近5年來(lái)，國(guó)內(nèi)的芯片投融資數(shù)量與金額幾乎逐年遞增，總?cè)谫Y規(guī)模達(dá)到千億規(guī)模。其中，2018年，芯片行業(yè)的投融資數(shù)量高達(dá)260，成為5年之最，融資規(guī)模為451.84億元，占據(jù)總規(guī)模的近50%。

芯片制造是典型的資本密集型行業(yè)，作為具有高技術(shù)含量的重資產(chǎn)業(yè)務(wù)，需要投入的資金量巨大。半導(dǎo)體行業(yè)觀察從國(guó)內(nèi)頂尖半導(dǎo)體公司營(yíng)收與研發(fā)費(fèi)用著手，對(duì)比了國(guó)內(nèi)與國(guó)外領(lǐng)先者的差距，這也正是國(guó)內(nèi)公司可以?shī)^起直追的方向。

2、晶圓代工廠

在晶圓代工領(lǐng)域，臺(tái)積電是絕對(duì)的王者。有報(bào)道指出，臺(tái)積電為保持先進(jìn)制程，近十年來(lái)研發(fā)投入強(qiáng)度不斷攀升，近10年研發(fā)營(yíng)收比平均為 7%，高于多數(shù)可比公司。并且在近十年來(lái)，臺(tái)積電毛利率一直維持在50%左右。對(duì)比中國(guó)臺(tái)灣，中國(guó)大陸晶圓代工條件正逐步完善但差距尚存。但從整體上來(lái)看，市場(chǎng)占比依舊較小。

3、芯片設(shè)計(jì)

根據(jù)中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2019年我國(guó)集成電路設(shè)計(jì)業(yè)銷(xiāo)售額首次突破3000億元大關(guān)，并已經(jīng)超過(guò)芯片制造及封裝測(cè)試業(yè)，在全球集成電路市場(chǎng)的份額第一次超過(guò)10%。

芯思想研究院數(shù)據(jù)顯示，2019年全球半導(dǎo)體公司研發(fā)支出有20家超過(guò)10億美元，合計(jì)達(dá)到563億美元。在這其中，有三家中國(guó)半導(dǎo)體公司入榜前十位。分別是臺(tái)積電、華為海思、聯(lián)發(fā)科。三家公司研發(fā)投入合計(jì)約75億美元，較2018年增長(zhǎng)21%。

4、封裝測(cè)試

在我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)鏈中，封裝測(cè)試業(yè)是唯一能夠與國(guó)際企業(yè)全面競(jìng)爭(zhēng)的產(chǎn)業(yè)，長(zhǎng)電科技、通富微電、華天科技等三大封測(cè)廠合計(jì)全球市占率超過(guò) 20%，具備全球競(jìng)爭(zhēng)力。

華泰證券稱(chēng)，中國(guó)大陸IC封測(cè)企業(yè)未來(lái)有望將重心從通過(guò)海外并購(gòu)取得高端封裝技術(shù)及市占率，轉(zhuǎn)而聚焦在開(kāi)發(fā)扇出型及 SiP(系統(tǒng)級(jí))等先進(jìn)封裝技術(shù)，并積極通過(guò)客戶(hù)認(rèn)證來(lái)向市場(chǎng)顯示自身技術(shù)，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

5、半導(dǎo)體設(shè)備

2019年全球半導(dǎo)體設(shè)備市場(chǎng)約576億美金，大陸地區(qū)約130億美金，占比約22.4%，僅次于中國(guó)臺(tái)灣的27%，高于韓國(guó)的18%。2019年泛半導(dǎo)體設(shè)備國(guó)產(chǎn)率約16%，IC設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率約5%。

半導(dǎo)體設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率較低，產(chǎn)品供應(yīng)主要被應(yīng)用材料、泛林、東電、ASML和科天等廠商占有。他們能獲得這樣的地位，與他們一直以來(lái)堅(jiān)持的高投入研發(fā)有關(guān)。

通過(guò)對(duì)比三家刻蝕設(shè)備國(guó)際龍頭與中微半導(dǎo)體的財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，中微半導(dǎo)體作為新興的設(shè)備公司，與國(guó)際巨頭的差距主要體現(xiàn)在規(guī)模上。公司研發(fā)費(fèi)用投入占比為 21.8%，高于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，雖然規(guī)模有一定差距，但仍有非常大的成長(zhǎng)空間。

6、半導(dǎo)體材料

半導(dǎo)體材料作為半導(dǎo)體行業(yè)的最下游，對(duì)于半導(dǎo)體領(lǐng)域的發(fā)展有著牽一發(fā)而動(dòng)全身的影響。

半導(dǎo)體材料市場(chǎng)處于寡頭壟斷局面，國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)規(guī)模非常小。相比同為產(chǎn)業(yè)鏈上游的半導(dǎo)體設(shè)備市場(chǎng)，半導(dǎo)體材料市場(chǎng)更細(xì)分，單一產(chǎn)品的市場(chǎng)空間很小，所以少有純粹的半導(dǎo)體材料公司。

半導(dǎo)體材料往往只是某些大型材料廠商的一小塊業(yè)務(wù)，但由于半導(dǎo)體工藝對(duì)材料的嚴(yán)格要求，就單一半導(dǎo)體化學(xué)品而言，僅有少數(shù)幾家供應(yīng)商可以提供產(chǎn)品。以半導(dǎo)體硅片市場(chǎng)為例，全球半導(dǎo)體硅片市場(chǎng)集中度較高，產(chǎn)品主要集中在日本、韓國(guó)、德國(guó)和中國(guó)臺(tái)灣等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)，中國(guó)大陸廠商的生產(chǎn)規(guī)模普遍偏小。

半導(dǎo)體材料領(lǐng)域具有難以跨越的技術(shù)壁壘，護(hù)城河高，國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體材料廠商想要趕上非常困難，但差距正在不斷縮小。

分析這些企業(yè)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于集成電路產(chǎn)業(yè)而言，保證研發(fā)投入是企業(yè)能夠入場(chǎng)的前提。但是，正如英特爾每年花費(fèi)超過(guò)800億人民幣、臺(tái)積電每年花費(fèi)超過(guò)140億人民幣研發(fā)費(fèi)用去維持他們的先進(jìn)性一樣，想要成為頭部廠商，必須要砸錢(qián)。同時(shí)，研發(fā)費(fèi)用只是一部分，人才，技術(shù)等都缺一不可。未來(lái)，芯片的國(guó)產(chǎn)替代還有很長(zhǎng)的路要走。

7、dToF開(kāi)啟無(wú)限可能

今年3月，蘋(píng)果在新款iPad Pro上配備“激光雷達(dá)掃描儀”引發(fā)了外界的極大關(guān)注。目前，激光雷達(dá)(LiDAR)技術(shù)仍是自動(dòng)駕駛汽車(chē)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，但高性能光電傳感器芯片研發(fā)也已與之產(chǎn)生交集。

根據(jù)蘋(píng)果官方的介紹，新款iPad Pro所配備的激光雷達(dá)掃描儀是“通過(guò)測(cè)量光觸及物體并反射回來(lái)所需的時(shí)間，來(lái)確定距離。特制的激光雷達(dá)掃描儀利用直接飛行時(shí)間(dToF)，測(cè)量室內(nèi)或室外環(huán)境中從最遠(yuǎn)五米處反射回來(lái)的光。它可從光子層面進(jìn)行探測(cè)，并能以納秒速度運(yùn)行，為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)及更廣泛的領(lǐng)域開(kāi)啟無(wú)盡可能?！?

iPad Pro上所搭載的激光雷達(dá)(Light Detection And Ranging)其實(shí)和手機(jī)上采用的ToF攝像頭都屬于雷達(dá)技術(shù)，以飛行時(shí)間距離(Time of Flight，飛行時(shí)間)捕捉3D圖像。

不同之處在于，新款iPad Pro所采用激光雷達(dá)掃描儀采用的是dToF(direct time of flight，直接測(cè)量飛行時(shí)間)技術(shù)，而目前手機(jī)上所采用的3D TOF模組則是基于iToF(indirect time of flight，間接測(cè)量飛行時(shí)間)技術(shù)。那么二者有何區(qū)別呢?

芯智訊指出，根據(jù)“大話(huà)成像”的介紹：iToF和dToF的區(qū)別，首先從發(fā)出信號(hào)來(lái)看，dToF是單個(gè)脈沖，iToF多是正弦波。此外，iToF和dToF在sensor和算法上也有不小的區(qū)別。

靈明光子成立于2018年，致力于應(yīng)用國(guó)際領(lǐng)先的單光子探測(cè)器技術(shù)，研發(fā)及制造高性能光電傳感器芯片。公司總部位于深圳南山，并在美國(guó)硅谷設(shè)有研發(fā)中心。公司主要研發(fā)高效率單光子探測(cè)器(SPAD)的大規(guī)模集成芯片，目前主要有兩條產(chǎn)品業(yè)務(wù)線(xiàn)：適用于高性能激光雷達(dá)光子接收方案的硅光子倍增管(SiPM)和適用于消費(fèi)級(jí)電子產(chǎn)品的SPAD成像傳感器(SPADIS)及整體dToF解決方案。

靈明光子CEO賈捷陽(yáng)認(rèn)為，單從技術(shù)方面看，dToF取代iToF存在很強(qiáng)的邏輯必然性?，F(xiàn)在iToF實(shí)際應(yīng)用中暴露出三個(gè)自身難以解決的問(wèn)題：一是全系統(tǒng)能耗太大(因?yàn)椴捎眠B續(xù)波或?qū)捗}沖激光)，二是準(zhǔn)度易受干擾(如透明物體干擾、多光路干擾、反射率對(duì)比度干擾)，三是抗環(huán)境光能力差限制了戶(hù)外應(yīng)用。這三個(gè)問(wèn)題顯著限制了iToF的應(yīng)用。

而dToF則從根本上解決了以上三個(gè)問(wèn)題，實(shí)際應(yīng)用的性能天花板要遠(yuǎn)高于iToF。然而任何一項(xiàng)新技術(shù)的發(fā)展都不只取決于技術(shù)原理，產(chǎn)業(yè)鏈的成熟度、全產(chǎn)業(yè)鏈成本、可靠性等因素以及市場(chǎng)的宏觀局勢(shì)都會(huì)影響技術(shù)演進(jìn)。當(dāng)前的dToF產(chǎn)業(yè)鏈成熟度尚不如iToF，因此未來(lái)dToF是否取代iToF會(huì)取決于很多因素。3D ToF的應(yīng)用場(chǎng)景非常多，對(duì)于某些特定應(yīng)用場(chǎng)景，iToF跟dToF也會(huì)各自有一些優(yōu)勢(shì)。

8、消費(fèi)類(lèi)、汽車(chē)類(lèi)產(chǎn)品線(xiàn)并駕齊驅(qū)

蘋(píng)果新款平板電腦iPad Pro搭載了基于dToF(直接飛行時(shí)間法)原理的激光雷達(dá)，該dToF傳感器由索尼(Sony)為蘋(píng)果定制生產(chǎn)，基于SPAD(單光子雪崩光電二極管)陣列，分辨率達(dá)到3萬(wàn)像素，相比意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics)的256像素和艾邁斯半導(dǎo)體(ams)的128像素，直接將dToF傳感器功能從“簡(jiǎn)單測(cè)距”跨越至“距離成像”。

蘋(píng)果新款iPad Pro激光雷達(dá)中的SPAD探測(cè)器、VCSEL及其驅(qū)動(dòng)芯片

在單芯片上集成SPAD陣列和測(cè)距電路的光電探測(cè)解決方案，可實(shí)現(xiàn)低激光功率下的遠(yuǎn)距離探測(cè)能力，降低整體系統(tǒng)的功耗和成本，以及減小體積。但無(wú)論是對(duì)設(shè)計(jì)能力，還是對(duì)制造工藝和封裝技術(shù)，要求都非常高，因此，全球具有上述綜合能力的廠商寥寥無(wú)幾。據(jù)麥姆斯咨詢(xún)調(diào)研，在中國(guó)能提供此技術(shù)的設(shè)計(jì)企業(yè)可謂鳳毛麟角，靈明光子便是其中的佼佼者。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)，單光子探測(cè)技術(shù)在當(dāng)前和未來(lái)有巨大的發(fā)展前景，靈明光子專(zhuān)注于高效率單光子探測(cè)芯片的開(kāi)發(fā)，目前面向消費(fèi)類(lèi)和汽車(chē)類(lèi)應(yīng)用分別布局了相關(guān)產(chǎn)品。靈明光子CEO賈捷陽(yáng)介紹，靈眀光子目前有兩條產(chǎn)品線(xiàn)：一是硅光子倍增管(SiPM)，主要面向激光雷達(dá)客戶(hù)，旨在取代目前在各種激光雷達(dá)上廣泛采用的雪崩光電二極管(APD);二是單光子圖像傳感器(SPADIS)，主要面向消費(fèi)電子客戶(hù)，也就是業(yè)界俗稱(chēng)的“dToF”芯片，未來(lái)會(huì)逐漸替代現(xiàn)在已經(jīng)普及的“iToF”芯片。

靈眀光子已經(jīng)有成熟的量產(chǎn)型SiPM產(chǎn)品，包括了單點(diǎn)和線(xiàn)陣等不同形態(tài)，同時(shí)主要參數(shù)已經(jīng)達(dá)到了業(yè)界領(lǐng)先水平，目前已有多家激光雷達(dá)客戶(hù)正在采購(gòu)或評(píng)測(cè)。SPADIS已經(jīng)小范圍開(kāi)放demo(演示)，并向主要客戶(hù)開(kāi)始供樣，當(dāng)前主要滿(mǎn)足客戶(hù)的dToF技術(shù)驗(yàn)證需要，將結(jié)合客戶(hù)需求在2021年推出量產(chǎn)型產(chǎn)品。

賈捷陽(yáng)強(qiáng)調(diào)，SiPM可適用于各種不同形態(tài)的激光雷達(dá)，并不僅局限于車(chē)載應(yīng)用。靈眀光子SiPM同樣可以滿(mǎn)足包括用于掃地機(jī)器人在內(nèi)的各種非車(chē)載激光雷達(dá)的需求，并且有多家非車(chē)載客戶(hù)正在積極評(píng)測(cè)。