中国芯片的短板与突围

日前，国内部分中高端汽车厂家，第一次因芯片短缺，遭遇停产风波。信号本身的意义，可能比实际产生的影响更大。长期以来，围绕芯片的关注点往往更聚焦在PC和手机端，意外进入视野的汽车行业，再次加速了断供危机之下，对中国各产业自研芯片进度的关注。基于这样的背景，我们推荐商汤这篇围绕芯片的中美科技竞争分析，以期更全面清晰地呈现当前全球不同领域芯片的发展进程、路径、格局以及中国芯片的发展前路在何处。

本文来自微信公众号：底层设计师（ID：Bottom-upDesigner），作者：田丰（商汤智能产业研究院院长）、郭俊翔、刘骏（商汤智能产业研究院助理研究员），题图来自：视觉中国

2010-2020年，中国移动互联网新商业蓬勃发展，从数字经济体量上看，中国已经超过美国，中美数字经济产值比值为1.35:1，而从“网络大国”到“网络强国”的关键环节是芯片。

芯片一直是中国进口金额最大的商品。根据海关公开数据，2019年，中国芯片进口额3040亿美元，超过原油、铁矿砂、粮食总和3016亿美元。

全球每产出3个芯片，就有1个芯片用于中国产业。而美国通过“芯片+OS”战略，控制全球科技产业链的发展命脉。中国则是美国芯片企业的最大客户，成为“芯片税”的主要买单方。

SIA数据显示，2019年美国在世界半导体行业的市场占有率为47%，尤其是在光刻机设备、EDA软件、CPU/GPU计算芯片方面占据领导地位。

而美国半导体企业在中国市场占有率达48%，高通、Microchip、美光、Qorvo等美企的在华收入占比超过50%，美国半导体毛利率达54%。

中国虽然在服务器、手机、PC、笔记本、可穿戴设备制造、应用开发上发展迅猛，却面临被美国芯片、操作系统“卡脖子”的窘境，每年向美国付出高昂的“芯片税”“OS税”。

伴随美国对中国头部企业的芯片销售禁令，未来3年将会导致美国半导体企业营收减少370亿~400亿美元，全球市场占有率从48%下降至40%。减少的市场份额将主要流向韩国（可能反超美国）、日本，同时中国半导体自给率提升至25%以上。

2019年美国主要半导体公司中国区收入占比

美国产业链拥有微处理器、EDA设计软件、光刻机三大领先优势，同时成为中国芯片企业必须翻过的“三座大山”：

• 微处理器：2019年美国市场占有率达98%，尤其是无线通讯芯片、模拟芯片、逻辑、MCU、存储器具有强竞争力，但可考虑用韩国、日本、欧洲的半导体部分替代美国产品。

  
  

• EDA软件：是集成电路的功能设计、综合、验证、物理设计等流程的软件工具集，Synopsys、Cadence两家美国EDA公司的全球市场占有率达54%以上，具有全流程设计方案、晶圆厂和IP公司的产业链融合优势。

  
  

• 光刻机：生产芯片的核心设备，采用类似照片冲印的技术，把掩膜版上的精细电路图通过激光曝光印制到硅片上。

2019年，全球光刻机市场的81%由荷兰ASML公司掌握，其后是日本尼康（5.9%）、佳能（11%），而ASML公司已经被美国控股，摩根士丹利资本国际公司、贝莱德集团是第一、二大股东。

另一方面，由5万个零件组成的ASML光刻机，核心组件的供应链被美国垄断。因其与美国能源部的协议，55%的精细零部件需使用美国本土企业供给，包括光罩、极紫外光源、激光器、微激光系统、机电设备等。

PC芯片：得“芯”者得天下

PC普及40年间，上半场“Windows+Intel”是主角，下半场“MacOS+ARM”新秀崛起。

全球TOP10芯片商排名

1981年，PC霸主IBM推出的第一代个人电脑选用了Intel 8088芯片，伴随IBM PC热销，Intel进入“财富500强”，开启摩尔定律高速发展之路。

而在1980年，IBM PC的操作系统开发选择了初创企业微软作为软件供应商，最终组成“Win-Tel联盟”称霸兼容机市场，颠覆IBM PC霸主地位。

PC时代的另一位霸主苹果，则在Mac机型上采用自研的Mac操作系统和主流厂商芯片，80年代采用Motorola CISC芯片，1994年采用Motorola和IBM联合研发的PowerPC芯片，2005-2015年采用Intel X86芯片，2020年MacBook开始采用ARM架构的苹果自研Silicon芯片（显卡、CPU），台积电代工5nm制程。最近10年苹果交付20亿个系统级芯片（SoC），和数十亿其他芯片。

得芯片者得OS，得OS者得应用，得应用（生态）者得天下。

X86指令集支撑的MacOS及电脑应用，与ARM指令集支撑的iOS和App移动应用，将苹果开发者割裂成两个板块，应用迁移需要重新编译。

而移动为王的时代，Mac在苹果阵营占比已经低于7%。所以2020年11月11日，苹果正式发布了新一代MacBook电脑，嵌入了基于ARM架构的自研M1芯片，以5nm工艺实现了CPU+GPU+Nerual Engine+T2的全新SoC集成（160亿个晶体管）。

从此，苹果系所有电脑、笔记本、平板、手机都将实现统一ARM指令集、iOS、应用生态，应用开发一遍全终端运行，这体现出苹果自研芯片的强大生命力。

鉴于iPad的芯片算力已经超过X86架构的Mac算力，未来苹果可穿戴设备（含AR眼镜）很可能会围绕iPad（或iPhone）构建“边缘智能中心”。

从另一个角度看，全球99%的手机、平板电脑都使用ARM架构，不论苹果、三星、华为，而未来将抢夺桌面电脑的市场份额。

“iOS+ARM”与“Windows+Intel”两大阵营，将在个人电脑、数据中心等领域开展竞争，如果英伟达成功收购ARM，在个人电脑端将称霸GPU与CPU市场。

手机芯片：“芯片+OS”变革

芯片产业发展是专业化分工持续深入的过程，移动互联网时代的“Fabless+Foundry模式”（芯片设计+代工厂），取代PC时代的”IDM模式“（Integrated Design and Manufacture整合元件制造），ARMdroid架构快速普及，而手机大厂自研芯片，提升技术壁垒与产品竞争力。

据Investopedia数据显示，2019年，全球超过95%的智能手机、平板电脑都采用ARM架构。

然而，与PC时代PC厂商衰落、芯片企业为王不同，移动互联网时代手机OS厂商主导自研芯片，甚至免费开源操作系统，“芯片+OS”生态发生变革。

早在2010年的3G功能机时代，装有Android操作系统的手机已经占有全球70%市场，ARMdroid架构（ARM+Android）成为市场主流。

由于ARM属于无工厂的Fabless模式，也不销售芯片，只提供半导体设计的IP授权，所以谷歌（Whitechapel）、苹果（A系列）、三星（Exynos）、华为（麒麟）拿到ARM架构指令集授权，将定制化需求融入芯片研发中，改造ARM架构，自研移动芯片、服务器芯片。

例如，苹果公司拿到指令集授权，在ARM架构上扩展swift、Typhoon、Twister等架构，形成全球性能领先的A系列芯片，用于iPhone、iPad、Mac等全线产品。

华为购买ARMv8指令集永久授权，研发海思芯片的达芬奇架构，用于高端手机机型。

高通基于ARM指令集授权，自研Scorpion、Krait、Kryo等架构。手机销量与该厂商自研芯片出货量正相关，高通、华为海思、联发科成为安卓手机TOP3芯片厂商。

自研全套芯片成为头部手机厂商的标配战略，苹果自研芯片进军5G，华为海思弥补短板。

截止2018年，苹果公司已经卖出20亿台iOS设备。2020年9月，iPhone活跃人数超过10亿，且年增量位2000-3000万名新用户。

所以，基于ARM架构的A系列芯片将高速增长，ARMpple架构（ARM+Apple）与ARMdroid架构（ARM+Android）正在激烈竞争生态资源，包括用户、开发者、应用市场、新市场（自动驾驶汽车、智能家电、可穿戴设备等）。

目前，苹果A系列计算芯片已经供给全部终端（Mac+移动端），而通信芯片还依赖高通，预计在2023-2025年将用自研5G基带芯片取代高通。

另一方面，荷兰ASML公司于2020年10月宣布大批量（700台）对华售卖DUV深紫外光光刻机，是上一代产品，能够生产10nm以上的芯片，对于最领先的EUV极紫外光光刻机（3~10nm芯片）依然对华禁售。

所以，中科院、华为等中国芯片企业在补足光刻机、EDA设计软件、生产工艺等短板环节，依然需要独自面对挑战破局前行。 

芯片设计成本（单位：百万美元）

ARM通过授权控制物联网生态底层架构，英伟达（Nvidia）从软银手中收购ARM，对全球芯片产业链影响巨大，美国的话语权显著提升，ARM可能成为美国制约（或结盟）欧洲、亚太国家的筹码。

ARM预计2035年，全球将有超过1万亿台智能电子设备互联，传感器、门禁卡、手机、可穿戴设备、智能家电、自动驾驶汽车、工业机械、通信基站、医疗器械、数据中心、云服务器等，芯片、AI驱动的5G物联网将成为每个国家、各行各业的基础设施与“产业生命线”。

ARM通过三大系列芯片满足物联网的特性需求：

• Cortex-A系列芯片（A: Application）：用于满足消费电子的无线娱乐需求，具有高计算、频交互（视频图像）、厚操作（系统）的特征，包括智能手机、汽车娱乐系统、智能电视等。

  
  

• Cortex-R系列芯片（R: Real-Time）：用于满足实时操作的应用场景，包括汽车动力系统、大容量存储控制器等嵌入式实时应用。

  
  

• Cortex-M系列（M: Microcontroller）：用于满足微控制器领域应用，具有低成本、低功耗的特征，包括人机接口设备、汽车与工业控制系统、智能家电、智能医疗器械等。

ARM通过授权控制全球芯片产业链。商汤智能产业研究院预测，2020年全球ARM授权芯片出货量将超过3400亿颗。

芯片设计属于产业链上游，而ARM为代表的IP授权方处于芯片设计环节的上游，所以ARM即对手机厂商授权控制，又对芯片代工厂授权，以便增强全产业链的控制力。

伴随摩尔定律发展，工艺制程不断下探到5nm、3nm，芯片IP设计成本快速上升，需要更大规模的全球产销量来分摊IP设计研发费用。

4G带来了消费互联网的标准化芯片需求，5G带来了海量产业互联网的定制化芯片需求，进而推升芯片IP使用数量呈几何级数上升，芯片产业链分工进一步细化。

另一方面，ARM虽然长期保持领先地位，但其全球IP市场份额已从50%下降到44%，为中国创新企业留出机会。

数据中心芯片：“全域芯片”控盘

全球芯片厂商进入“超级马太周期”，通过并购展开“全域芯片”竞赛，包括“云-端-车”三类芯片产品。

AMD是移动互联网的芯片领导者，英伟达是桌面电脑（显卡）、人工智能（GPU）的领导者，英特尔是CPU的领导者。三家纷纷通过并购向对方领域“入侵”，“超级马太效应”加速头部芯片厂商的强势扩张：

1. Nvidia（英伟达）公司：2019年，英伟达全资收购Mellanox公司，该公司是InfiniBand与以太网络通信（含虚拟网络）、轻量级人工智能芯片（NPU神经网络芯片、SoC）技术服务商。

2020年，英伟达400亿美元收购ARM的真实目的在于，通过ARM征服未来巨大的智能物联网（AIoT）市场，从笔记本与数据中心市场向自动驾驶与物联网市场发展，至此英伟达补齐了“GPU+NPU+CPU+Soc”的全域芯片家族。

2. AMD（超威）公司：为应对Nvidia+ARM的生态攻势。AMD计划斥资350亿美元收购赛灵思（Xilinx），即从现有的笔记本电脑和服务器（CPU+GPU）、游戏机（Xbox+PlayStation）芯片市场，向5G无线通信、数据中心、汽车航天、工业控制的FPGA/可编程Soc芯片领域拓展。

因为FPGA的半定制特性，非常适合AI深度学习与神经网络运算。从全球云计算中心的AI加速芯片市场来看，英伟达GPU占比86%，AMD GPU和Xilinx UltraScale共占比9%，英特尔Arria10占比4%，谷歌 TPU和亚马逊AWS Inerentia占比1%。

未来的自动驾驶汽车芯片消耗量与发展空间极大，所以目前的收并购案意图在明天。

3. Intel（英特尔）公司：2016年英特尔以167亿美元并购了Altera（全球第二的FPGA公司），2018年以153亿美元收购了Mobileye公司进入高级辅助驾驶汽车芯片市场。

4. 其他终端厂商：苹果、华为则基于ARM自研芯片向智能家居、可穿戴设备（含AR/VR眼镜）、数据中心（类GPU芯片）市场进军，华为在走向IDM芯片企业。

而阿里巴巴旗下的平头哥则基于RISC-V架构自研玄铁系列芯片、无剑SoC、含光800（AI芯片），遵循类似ARM的IP核设计授权模式。

X86芯片仍是全球服务器主流配置

全球芯片市场按照PC/笔记本、数据中心/云计算、手机/物联网/汽车的“三叠浪”依次发展，目前正处于第二浪到第三浪的交汇期。

英伟达（超过3000亿美元）、英特尔（逾2000亿美元）、AMD（约一千亿美元）三大生态圈，皆在抢占数据中心市场份额，并探索自动驾驶芯片蓝海市场。

全球服务器年出货量超过1100万台，行业规模超过700亿美元，英特尔控制下的X86服务器芯片占比全球市场的85%（Intel的X86服务器市场占比98.7%）。

受限于国际科技威胁、成本压力（处理器占服务器成本40%），华为、阿里云等中国云计算厂商纷纷自研ARM 架构、RSIC-V的服务器，这一趋势严重威胁Intel在服务器市场的垄断地位。

全球四大云计算数据中心采用英伟达 Tesla GPU

AI芯片成为数据中心、超算中心的蓝海市场。

数据中心正处于AI转型过程中，GPU市场呈现英伟达、AMD两强争霸，英伟达占比70%，全球TOP4云计算数据中心（亚马逊AWS、微软Azure、阿里云、谷歌云）都大量采用英伟达Tesla GPU。

根据麦肯锡、Allied Market Research、ABI Research数据分析，在2023年数据中心AI芯片（训练+推理）产业规模将达到140亿美元，英伟达几乎垄断训练市场，并向推理端不断渗透，与ASIC、FPGA竞合。

AI的基础是海量数据处理，而异构计算已经形成性能复杂性与成本开支挑战。

2020年10月，英伟达发布DPU(Data Processing Unit)芯片产品，将最多125块CPU芯片集成在一起（BlueField DPU），并计划在2021年将GPU添加进来（BlueField-2 DPU），而基于DPU+DOCA变成堆栈的程序开发生态，则需要中长期培育，未来三年是留给国产AI芯片企业有限的时间竞赛窗口。

中国芯片路在何方

面对复杂的国际科技竞合局势，中国芯片有三个突围方法：

开放结盟（换生态）：

短期来看，学习Intel联合美国整个芯片产业组成“极紫外联盟（EUV LLC）”，中国应与非敏感国家形成新一代芯片研发产业链。比如，借助RCEP自由贸易框架，与日韩等亚太国家产业链融合发展，形成堪比欧盟、北美的亚洲多边研发阵营，投入共摊、利益共享。

跳跃卡位（换战场）：

中期来看，智能手机产业已经发展至成熟阶段，而5G时代的智能网联汽车、AR眼镜、智能家居物联网、智能传感器正在兴起，所以瞄准下一代AIoT终端的“算法+芯片”需求进行研发，将获得“弯道超车”的时代红利。

例如，华为出售荣耀、开发全栈智能汽车技术，研发功耗容忍度更高的汽车芯片、智能家居芯片，将芯片竞赛拉至未来战场，是一招“腾笼换鸟”的妙棋，值得更多中国手机企业、新能源汽车企业、人工智能企业借鉴。

研发变轨（换技术）：

长期来看，近日台积电宣布2023年试产2nm芯片，并进行1nm工艺研发，硅基芯片离“天花板”越来越近。

选择新材料研发未来芯片将率先开展“终局竞争”，90nm的碳基芯片能达到28nm的硅基芯片水平，能够绕开精密仪器的限制。

2020年10月，中科院上海微系统所推出了国产9英寸石墨烯单晶晶元。另一方面，北大研发团队计划在2~3年内完成90nm碳基CMOS工艺研发，而真正跨越从理论到量产的鸿沟则面对新的挑战。例如，将碳纳米管的半导体纯度提升至6个9，解决芯片设计设备、生产流程管理等工程问题，这一重大升级换道过程可能需要十至数十年的时间。

本文来自微信公众号：底层设计师（ID：Bottom-upDesigner），作者：田丰、郭俊翔、刘骏