从全球视角看我国移动芯片发展

周 兰，李 莹，乔亲旺，金 桦

（1.中国信息通信研究院，北京100191；2.思科系统中国网络技术有限公司，北京100022）

我国集成电路产业起步于20世纪60年代，虽在国家的大量投资、技术引进和产业的积极努力之下，初步形成了较为完备的产业体系和市场基础，但发展规模、技术实力等远落后于欧美日韩台等地区。2000年后，我国集成电路产业紧抓移动化浪潮，涌现出了展讯、海思、联芯等一批移动芯片相关企业，成为促进我国集成电路产业发展的重要推动力。尤其是在2007年后，移动互联网的快速兴起带动了智能终端出货量的大幅快增，移动芯片更是成为推动全球集成电路技术创新、模式创新、产业转型升级的关键所在。我国目前在移动芯片领域已取得较好成绩，在全球的影响力也在不断攀升，但随着技术的加速迭代和产业的加速竞合，未来技术和产业升级仍然面临着严峻挑战[1-3]。

2014年国务院发布《国家集成电路产业发展推进纲要》并成立了集成电路产业专项基金，意味着“十三五”期间我国集成电路将迎来自“九五”之后的又一利好发展环境。我国移动芯片已具备较好的产业基础，应紧抓本次机遇，重点突破关键技术、大胆尝试创新模式、着重弥补基础短板，进而实现产业规模、技术实力、企业竞争力等的再次升级。

1 移动芯片产业构成及关键要素

1.1 形成较为清晰完备的体系架构

从产业角度来看，移动芯片隶属于集成电路，其产业结构顺应集成电路产业不断分化的基本规律，在设计、制造、封测三大环节的基础之上，形成了各位细致的体系架构，各环节分工明确且合作紧密，具体如图1所示。

1.2 设计和制造依然是关键要素所在

于整个产业而言，各环节都不可或缺，并且都已具有相对稳定的企业参与，但从重要性而言，设计和制造环节依然是发展的关键。

图1 移动芯片产业链构成

移动芯片设计环节有别于PC或其他传统集成电路应用领域，具有更为复杂的内容，其指的是基于ARM等基本IP核提供的基础架构，围绕所涉及到的多种功能需求，进行的芯片设计过程。除此之外，此环节还包括基于成品芯片和其他外围元器件并整合操作系统所实现的以移动芯片为核心的整机参考设计及turnkey方案提供等。

移动芯片制造环节主要指的是与工艺制程紧密相关的部分，其技术发展路径基本遵循摩尔定律，技术进步与特殊材料、大型关键装备的发展紧密相关，除此之外，还会针对移动芯片特有的产品需求，如低功耗等进行个性化的技术发展。

2 全球移动芯片发展趋势和格局

全球移动芯片发展主要有以下趋势：

1）设计技术创新围绕智能终端，并加速外延变革传统领域

简单说来，移动芯片是移动通信终端中所涉及芯片的统称，具体包括实现终端通信功能的基带芯片和射频芯片、承载终端操作系统和丰富移动互联网应用的应用处理芯片、实现终端能力感知的传感器芯片以及GPS、蓝牙、WiFi等外围芯片等。其中，基带芯片和应用处理芯片是智能终端核心功能的保证，也成为目前移动芯片发展的关键。另一方面，随着智能终端对计算机、电视、服务器等更多其他终端设备的不断再造，移动芯片的应用范畴也在不断延展，就目前发展来看，智能手机/平台PC中所涉及的基带芯片、应用处理芯片和可穿戴芯片是发展的热点所在。

基带芯片与移动通信制式的升级紧密相关，目前多模多频是创新的关键。2014年全球基带芯片市场规模达到221亿美元（数据源自Strategy Analytics），同比增长3.6%。其中，高通以26%的份额占据主导地位，MTK与展讯分别以26%和18%的份额紧随其后。4G时代下，2G/3G/LTE等多制式网络长期共存的状况使得多频多模成为技术发展的核心需求。高通在此方面始终保持领先，早在2012年就已发布六模基带芯片，并同步提供射频芯片和射频前端整合等，率先在全球实现“全网通”手机，并成为全球LTE芯片的绝对垄断者，2014年其市场份额超过80%。但随着MTK、海思、展讯等多家企业相继推出LTE芯片，其垄断局面将被扭转。尤其进入2015年，多家企业密集发布多款LTE芯片平台，MTK也已具备提供“全网通”平台能力，对高通将造成一定的冲击。继LTE之后，LTE-A正成为移动通信技术下阶段演进的主要方向，这将推动基带芯片设计技术的进一步升级，目前高通和海思均已发布上行2载波CA的LTE-A芯片，领先其他芯片企业接近一年的时间，并开始布局上行3载波/下行2载波的LTE-A芯片，预计2016年即可实现。

应用处理芯片以计算能力为中心实现快速升级，装备竞赛仍在继续。移动终端智能化直接带动应用处理芯片成为核心之一，2014年智能手机应用处理芯片市场规模约为200亿美元，其中包含独立应用处理器和集成SoC芯片中的应用处理器部分。为满足移动应用创新对计算能力升级的需求，应用处理芯片始终围绕多核复用及架构升级进行着快速的能力升级。2012年四核已成市场主流，2013年八核和64位两条升级路径并行，2014年市场对于计算升级的接纳使得应用处理芯片的能力升级再攀高峰，基于64位的八核甚至十核并行调度芯片开始进入公众视野。自2007年iPhone推出之后，移动芯片5年间在计算能力方面就走过了PC10年的发展历程，目前来看这种计算升级的速度依然在继续。业界在四核出现时就已经开始探讨这种装备竞赛下是否已导致了能力过剩，高通也曾一度呼吁完全没有必要如此之快地进行升级，但数年之后，升级的速度不仅没有放缓，反而持续在加速。除应用处理芯片本身在设计技术方面的提升之外，移动操作系统、开放API接口、应用开发等多方面亦需同步实现优化，对企业的研发提出了更高的挑战。

移动芯片仍在加速向可穿戴等更多领域渗透，影响未来格局。对可穿戴设备而言，低功耗和高集成是基本需求。根据所实现功能的差异性，目前已有的可穿戴产品大致可分为三类（见图2）：一是以手环、腕带为代表的非智能化可穿戴产品，主要由传感和通信模块所组成，附带简单的嵌入式操作系统，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为代表的简单智能化可穿戴产品，由传感、通信、显示、应用处理等四大模块组成，并配有简单的智能操作系统，能够实现简单的移动应用；三是以智能眼镜等为代表的复杂智能化可穿戴产品，与前者相比，其配备的应用处理模块和操作系统拥有更强的处理性能，能够实现应用的自定义安装和使用。可穿戴芯片涉及种类繁多，当前仍处于起步阶段，可用于复杂智能化可穿戴产品的应用处理芯片与上层操作系统匹配，和应用生态构建紧密相关，成为目前竞争的焦点所在，多家企业积极布局，如高通的骁龙400、Intel的Curie、MTK的MT2601和MT2502等。

图2 可穿戴设备硬件平台架构分类

2）集成电路制造快速升级，助力能力加速升级

移动芯片促进集成电路制造技术快速升级，并深刻影响着技术升级的方向。台积电自2007年以来，就加大了技术升级的步伐，由原来的3年一代缩短为近期的2年一代。2012年台积电实现28 nm量产，2014年其最先进的工艺将进入到20 nm量产，计划2015年进入16/14 nm量产；英特尔2011年就已开始进入22 nm量产，目前正在导入14 nm工艺。移动芯片工艺的快速升级，也使得其与CPU工艺间的差距快速缩小，已由2009年的3年缩小至1年左右（见图3）。

图3 近年来工艺技术升级路线图

在向更高工艺升级方面，资本、技术双壁垒决定了工艺升级的挑战不断增大，升级之路也愈发狭窄。目前台积电和三星是主要推动力量，二者路径迥异，台积电依赖苹果订单，在升级至20 nm之后持续微缩演进至16 nm的路径，而三星则由28 nm直接跨入14 nm市场，意图弯道超车，酝酿代工变革。代工市场需考虑良品率、产能、代工服务先进性等诸多要素，二者目前在技术升级方面仍处于较为初期的阶段，未来路径演进的差异性会不会诱发市场格局变化仍需时间检验。

3）产业加快竞合，生态格局逐步明晰

移动芯片产业在集成电路分工细化的基础之上，近年来始终处于一个不断盘整的过程，尤其是移动芯片设计行业的横向整合态势在加剧。有通过收购、合并来实现市场进入，如2010年Intel收购英飞凌无线业务进入基带芯片市场、2011年Nvidia收购Icera提升自身通信能力，也有逐步转型并逐渐退出，如2012年TI将投入重点转向嵌入式应用领域，2013年意法爱立信解体退出移动芯片市场，2014年博通退出基带芯片市场等。大浪淘沙，强者愈强。虽然整个行业分工细化及各种开发的授权模式降低了进入的门槛，但实际上存活并实现持续发展的难度越来越高，移动芯片产业的集中化态势明显，技术覆盖面越广的企业竞争实力越强，提供完整解决方案成为企业的一致目标。

移动芯片产业生态格局初步明晰。从移动芯片架构来看，ARM成为移动芯片基础架构的绝对垄断者，并以内核和架构两种授权模式构建了庞大的生态圈。至2014年ARM架构在移动计算市场的占有率超过85%；X86凭借英特尔进入移动芯片，但市场份额不足10%；MIPS也存有少量终端芯片产品。从移动芯片设计来看，初步呈现“三梯队”分布的态势。高通、三星、苹果领衔第一梯队，占据全球超过60%的市场份额，也始终是移动芯片设计技术的引领者；第二梯队以联发科、marvell、Intel等为代表，占有约30%的市场份额，设计技术至少落后第一梯队半代以上，国内企业展讯和海思目前也位列其中；余下的百余家企业组成了第三梯队，合计市场份额只有10%左右。中国展讯和海思在芯片设计技术已取得一定进步，在国际舞台初露头角。从移动芯片制造看，“1+3+1”格局稳固，2014年台积电以53.7%的市场占有率再次排名全球第1；台联电、Global Foundries以及三星位居第2，3，4；中芯国际全球排名第5。先进的高端工艺集中态势日渐增强，台积电目前在高端工艺市场已形成绝对垄断，其28 nm的平均占有率约为80%，其产能约为Global Foundries的3倍，成品率达到90%，也远超70%的平均水平。

3 我国移动芯片产业基础与挑战

3.1 已初步实现技术和市场的双重突破

我国移动芯片取得长足发展，全球影响力逐步攀升。2014年海思、展讯销售额同比增长均超过10%，海思更成为我国首家百亿级芯片企业。2009年，我国正式启动自有标准TD-SCDMA的商用进程，凭借对标准及相关芯片技术的前期布局，我国移动芯片在3G时代不仅扭转了2G时代几乎全部依赖进口的现状，实现从“无芯”到“有芯”的跨越，在全球的影响力也不断攀升，目前移动芯片国产化率超过10%，其中展讯（联合RDA）3年复合增长率达到13.5%（中国信息研究院统计数据），增长速度仅次于高通位列第2，在全球通信基带芯片出货量中排名第3、在TD-SCDMA出货量中排名第1，中芯国际在全球晶圆代工市场中排名第3，海思凭借LTE芯片近3年复合增长率超过70%，并成为全球关键LTE芯片厂商之一。

移动芯片关键技术紧跟全球发展趋势，并形成自身创新技术特色。在LTE芯片方面已基本跟上国际水平，海思、展讯等均有LTE多模产品发布，海思已发布2载波CA的LTE-A芯片，与全球先进水平高通相当，领先其他芯片企业0.5～1年。在应用处理芯片方面也不断提升，展讯、海思等均已发布主流四核芯片产品，海思八核产品也于2015年推出，并已开始布局未来更为主流的64位架构；在制造工艺方面全面追赶，中芯国际28 nm工艺已开始提供代工服务，国内芯片企业也已具备28 nm设计能力，全面开始布局20 nm/14 nm等更高工艺。在兼容全球移动芯片技术发展路径的同时，我国企业也不断开拓创新，形成自身创新技术特色。展讯、海思、联芯等以集成单芯片的模式外加整合操作系统形成一站式终端硬件平台，极大地缩短了终端研发进程；瑞芯微、全志针对细分平板电脑市场，充分考量个性需求，为中低端平板提供独立应用处理芯片，并全面提升多媒体能力，两家市场份额共计超过50%；君正依托MIPS架构及自研内核定位智能手表，已拥有数十款手表产品。

3.2 制约未来升级的短板依然存在

但基于目前的基础，若要实现进一步的突破升级，在拓展市场、提升技术、产业合作等方面依然面临巨大挑战，具体表现在：

核心技术依然掌握不足，制造尤其突出。一方面，国产移动芯片企业普遍体量较小，海思、展讯、联芯等国内移动芯片企业年销售额之和尚不足高通一家，且多数企业在技术升级方面采用“跟随”的发展策略，并大多面向中低端市场，利润率低，直接影响企业研发的持续投入，长期以来技术积累不足，新技术导入慢，未来随着摩尔定律加速演进及工艺技术升级的难度加大，面临着再次掉队的风险。另一方面，制造工艺落后的局面始终未曾扭转，虽近年来与台积电等领先企业的差距似乎在缩小，但随着工艺升级的技术和资金要求越来越高，单纯依靠中芯国际自身循环短期内尚不具备工艺升级的能力，实际上与国家领先的差距反而在逐渐拉大。

核心技术存在短板，关键IP核掌握不足。一是，国内目前在LTE多模多频芯片方面刚刚起步，海思虽较为领先，但受限于自身业务发展特性并不对外提供，国产4G终端多侧重MTK、高通平台实现，国内仍需加大发展力度。此外，在面向未来的技术升级方面，国内仍多处于跟踪状态，滞后领先企业进度。二是，对关键的通用型IP核的开发和掌握依然不足。我国芯片设计企业对基本IP核的开发和积累始终不足，芯片设计自主性不高，为持续发展埋下隐患。制造企业在工艺IP的积累方面严重不足，国内也缺乏专注于IP核研发的企业进行辅助，不仅阻碍新工艺产线的快速商用，也影响所生产的芯片产品的性能表现。

国内芯片设计与制造产业间的协同互动仍需加强。从中芯国际收入构成来看，国内客户贡献收入占比超过三成，5年内实现翻番，2013年1、2季度国内芯片企业贡献同比增长均超过50%。在存储、MEMS、模拟芯片等需特殊工艺技术的产品研发中，中芯国际与设计企业的通力合作也间接带动了一批国内企业。但移动芯片设计与国内自主的集成电路制造间依然具有较大的互动空间，如目前中芯国际28 nm在小规模量产阶段，高通为重要合作伙伴，国内企业等仍然缺席，协同互动仍需加强。未来高工艺研发更需要制造和设计的深度捆绑，各自为战的现状必将影响芯片制造业提升工艺的进度和水平。

4 对后续发展的几点建议

基于以上分析，建议抓住信息通信产业转换期的重大机遇，充分利用市场优势，以移动芯片为重要突破口，重点突破关键技术，大胆尝试创新模式，着重弥补基础短板，推动移动芯片产业的快速升级。

1）推进移动芯片相应关键技术的突破。一是继续支持移动通信技术的增强演进，进一步推动通信基带芯片多模多频的研发和产业化。二是推动应用处理器基于不同市场需求的差异性发展，针对智能手机、平板电脑等细分领域的应用需求，提升主频、工艺、架构、核数、GPU等关键指标能力。三是增强对先进工艺技术的掌握，加大对20 nm及更高工艺技术的支持，同步突破设备、原材料等基础环节。

2）探索终端整机、芯片设计、芯片制造企业的新型联动机制。一是鼓励终端企业和芯片设计企业加强合作，根据市场需求有针对性地研发和设计产品，实现资源整合，抢占发展先机。二是促进芯片设计与制造之间“正向激励、良性循环”机制的完善，在20 nm及14 nm等更高工艺的基础技术研发方面，增强芯片设计及制造企业间的合作，实现优势互补，共同促进工艺产线的快速应用投产。三是着力推动产业水平分工下的虚拟集中机制的建立，形成更加开放的“虚拟IDM”生态系统，促进整机、设计、制造、基础IP及相应工具等各个环节参与主体间的资源协调与紧密合作。

3）坚持实现关键的通用基础型IP核的自主研发和应用。对不可或缺的关键IP核，如DSP、USB、HDMI接口等，引导国内企业加大自主研发力度；探索国内设计企业和第三方IP提供企业间的交叉授权等合作模式；注重与工艺紧密关联的核心IP库等的储备；加强芯片设计企业和国内代工企业在28 nm及后续工艺的IP验证互动和设计支撑。

[1] 魏少军.乘《纲要》东风，推动设计业发展更上一层楼[J].中国集成电路，2015（Z1）：13-18.

[2] 黄伟.新形势下我国移动芯片技术产业发展研究[J].现代电信科技，2014（6）：15-19.

[3]胡启立.“芯”路历程—“909”超大规模集成电路工程纪实[M].北京：电子工业出版社，2006.■