中興解禁，但通信設備國產化率到底幾何？——晶元篇

中興部分解禁，但中興事件仍然引起了我們對通信設備能夠完全國產的擔憂。

本文將以基站為例，探究基站內部晶元的國產化率到底達到了什麼程度。

目前基站主要包括BBU和RRU兩部分，其中BBU負責基帶處理功能，RRU負責射頻部分。BBU內部主要由CPU、FPGA/ASIC/DSP和光模塊等器件組成。RRU主要由FPGA/ASIC/DSP、DAC/ADC、PA、濾波器、天線和光模塊構成。

基站內部晶元主要是指FPGA、DSP和ASIC。

本文討論的話題是基站內部晶元的國產化率，也就是說，探討國內基站內部晶元產業鏈完整程度。這些器件的生產需要依託半導體行業和通信行業進行。

FPGA/ASIC/DSP設計

FPGA為現場可編程門陣列，可通過軟體修改內在邏輯方便技術人員進行多次開發，實現不同功能。ASIC為專用集成電路，為特定需求可進行訂製開發。DSP為數字信號處理器，主要應用於信號處理中的相關計算。

FPGA在基站中主要實現不同晶元之間的介面邏輯，粘合不同晶元的功能。ASIC在基站中主要實現各種控制功能和網路功能。DSP主要實現基站中所需要的數學計算，例如濾波、空間變換、FFT/IFFT、調製解調等。

FPGA/ASIC/DSP都屬於半導體器件，在製造模式上有一定的相似性。整個製造產業鏈可以分為：晶圓供應商-代工廠-設計公司。FPGA/ASIC/DSP的代工廠和晶圓供應商上較為相似，在設計公司上有所區別。

在下面我們將分別闡釋以上三種器件的海外依賴程度。

FPGA：國內設計公司有較大差距，但已經起步

全球FPGA市場龍頭包括Xilinx賽靈思、Altera阿爾特拉、Lattice萊迪思和Microsemi美高森美，其中Altera在2015年被Intel以167億美元收購。根據IHS，2015年Xilinx與Altera這兩家公司佔據了全球絕大多數市場份額。

Xilinx在2018財經年度內的營收為25.4億美元，高端產品營收13.83億美元，核心產品11.56億美元。Intel財報內Altera公司為PSG部門，2017年營收為19億美元。2018年，兩家公司仍然保持著絕對的領先地位。

外公司在市場上的強勢地位來源於其在技術上的領先，而技術上的領先可以與工藝上的領先有密切關係。

首先需要說明一個FPGA的背景知識。1、FPGA晶元是生長在晶圓之上的，晶圓可以理解為一個晶元的襯底材料；2、FPGA的性能與邏輯單元數量正相關，邏輯單元數量越多，FPGA性能越強。3、工藝的nm級別越低，單位面積晶圓所能容納的邏輯單元數量越多，單個邏輯單元成本越低。

綜上所述，工藝nm級別越低，相同面積的晶圓，即近似相同成本，所能構造的邏輯單元數量越多，性能越強。

也就是說，工藝nm級別越低，製造出來的東西就越會「物美價廉」。

從FPGA工藝上，我們可以感知一下國內和海外的差距：

Xilinx的高端產品系列UltraScale+, UltraScale 和7-series，工藝已經達到了16nm。Altera的Stratix 10系列工藝達到了14nm。

國內公司中，國微電子，即紫光國芯的全資子公司，目前擁有28nm以上晶元設計能力。廣東高雲半導體科技股份有限公司目前具備55nm的FPGA晶元設計能力。紫光同創Titan系列具備完全自主知識產權，採用40nm工藝。

差距到底有多大呢？

Xilinx在2012年即推出了28nm的Kintex-7系列FGPA，在2006年採用65nm。國內最先進的FPGA工藝，與國外廠商差距為6年。

直觀感覺上，好像差距不是很大啊。

請注意，根據摩爾定律，集成電路每隔18~24個月，可容納元器件數量會增加一倍，性能也會提升一倍。6年為72個月，按18個月性能提升一倍算，國內外性能差距達到了16倍。

在這裡，我們為了簡化討論，不去探究FPGA具體設計上導致的性能差距，僅從元器件數量上進行直觀感受。

因此，雖然國內公司在FPGA設計上與海外廠商仍有較大差距，但已經開始了相關布局。從海外製裁角度來看，國內在設計層面已有自力更生的能力。

海外廠商壟斷DSP市場，國內短期內仍需依賴

DSP主要負責進行數學計算，例如在LTE標準下，OFDM的應用使得FFT/IFFT的計算量大幅提升，DSP的作用邊際作用增強。目前市場上基站用DSP主要由TI和飛思卡爾提供。

晶元的研發可以分為設計和製程兩個部分，設計是理論上、模擬上的，而製程對應實際生產，就是大家耳熟能詳的16nm、28nm等等，晶圓代工廠主要做製程研發，像TI這種行業巨頭，設計研發和製程研發都是自己做，把握了核心技術。

對於公司實力相對有限，沒有足夠財力和人才儲備兼顧二者的公司，會將設計研發作為重點，將製造外包給晶圓代工廠。

更主要的原因是，公司晶元的出貨量，能否支撐的起製程研發的大資金消耗。製程研發資金消耗量是巨大的、彈性較小的，晶元需長期保持高出貨量才能維持現金流。而通信技術迭代頻繁，沒有一家公司能夠再每次迭代中都胸有成熟的立於不敗之地。

更重要的是，製程研發日趨成熟，代工模式對大包大攬的晶元研發衝擊日趨嚴重。這種趨勢也衝擊到了DSP晶元領域。

有一個悶聲發大財的公司，CEVA，將ARM模式引入到了DSP領域，正在逐漸成為DSP晶元中的ARM。它的商業模式是將DSP IP內核授權給客戶，客戶在此基礎上研發，最終找代工廠生產。

高度分工帶來高效，在此模式衝擊下，飛思卡爾率先挺不住了。CEVA已經宣布，飛思卡爾已獲授權將CEVA的SATA (Serial ATA) 知識產權 (IP) 部署在其產品線中。

放眼國內，我們既缺少一個能夠大包大攬的」TI「，也缺少能夠設計DSP的公司。

但是，最近的發展還是讓我們看到了希望。2018年4月23日，中國電科38所發布了「魂芯二號A」DSP，能夠在一秒鐘內能完成千億次浮點操作。雖然距離大規模量產商用仍有距離，滲透到行業應用、消費應用更是困難重重，但我們對DSP的持續投入已經收到了成果。

插一句題外話，筆者見到的最大的學術造假事件正是來自DSP晶元，沒錯，就是 「漢芯」。

國內廠商基站ASIC可進行自主設計

ASIC全稱為專用集成電路，在基站中主要起到實現通信協議和各種控制的作用。一塊IC晶元的生產需要400到500道工序，極為複雜。但在ASIC設計方面，我國廠商具有極高的自主權。

為什麼這麼說？說白了，產品怎麼做，就是基站怎麼做，就是集成電路怎麼做，作為設備商你是要自己設計吧。而我們國家擁有的全球通信設備商龍頭：華為和中興。

FPGA/ASIC/DSP生產

FPGA/ASIC/DSP都是半導體器件，國內若要擺脫國外控制，需要全產業鏈的布局。我們有必要詳細介紹下半導體器件的製作過程。

舉個形象但不非常恰當的例子，半導體器件的其製作過程可以近似看為「畫大餅+切大餅」。量產1000塊晶元變成了讓廚師製作出1000塊方方正正寫有「大」字的餅。這1000塊餅上都要寫一個「大」字餅，但字體大小不限。

對於廚師而言，做1塊餅需要和面、調水、擀麵等各種操作，1塊1塊地做，到最終做到1000塊餅太辛苦了。不如一下子擀一張大餅，然後切成1000小塊，這樣製作的效率更高，省掉了多次和面和調水的時間。

於是，製作1000塊方正「大」餅的任務可以分為以下三步：烙1張大餅、切成1000小塊、在每個小塊上面寫「大」字。

整個晶元的製作流程就講完了。

一開始做的大餅對應的就是晶圓，切開對應的就是切割，寫「大」字對應的就是光刻和刻蝕。

下面有幾個延伸的問題。

怎麼才能把餅做的更加省錢？雖說每塊「大」字餅的大小不限，但要為了節省成本，要是能把「大」字寫得越小，每塊方正餅的面積也就越小了。這就要求寫字用的筆精細程度要很高。字體的大小對應的就是經常見到的xx nm製程。製程的納米數越小，精度越高，單位面積晶圓上容納的元件也就越多，性能越強。換句話說，相同面積的晶圓，成本相同，所能提供的性能提升了。

為什麼是寫「大」字而不是寫「小」字呢？餅上的書寫內容對應的就是晶元內部電路，是由晶元設計公司來完成的，晶元設計公司決定了物理電路。

「大」字餅製作完成之後，如何要包裝一下賣出去？餅如果不包裝，味道和質量無法保證。同樣，晶元需要對切割好的晶圓進行封裝和測試，確保質量和可用性，才可以投入到實際的使用中。

綜上來看，整個半導體器件的產業鏈也就呼之欲出了，硅晶圓供應商-設計公司-晶圓代工廠-下游公司。

硅晶圓供應商就是造餅的，設計公司就是決定寫什麼字的，晶圓代工廠就是寫字切餅的，下游公司就是買餅吃的。

晶元的生產流程就是：晶元設計公司設計晶元、晶圓代工廠購買晶圓後生產晶元、封裝廠進行封裝測試、下遊客戶採購進行進一步開發。

硅晶圓供應商：國內已經起步，專利成為最大壁壘

全球矽片生產廠商包括日本信越、日本勝高、台灣環球晶圓、德國Silitronic、韓國LG Siltron、法國Soitec、台灣合晶、芬蘭Okmetic、台灣嘉晶。全球約90%的硅晶圓產能被五大供應商壟斷，分別為信越(27%)、勝高(26%)、環球晶圓(17%)、Silitronic(13%)、LG(9%)。

目前國內已經開始矽片項目，包括上海新昇、重慶超硅、寧夏銀和、浙江金瑞泓、鄭州合晶、西安高新區項目等。

新昇半導體是全球領先的12寸大矽片製造商之一，專註於300mm矽片的製造。2017年新昇開始試生產，向各類客戶提供測試片。目前正在進行第一階段每月10萬矽片產能的建設，預計今年內完成，並在今年下半年開始下一階段每月20萬矽片產能的建設，預計將在2019年完成。

上海新昇300mm大矽片項目從2017年第二季度已經開始向中芯國際等晶元代工企 業提供正片進行認證，2017年實現了擋片、陪片、測試片等產品的銷售。上海新昇矽片的認證工作一切順利，已實現部分產品銷售。

矽片的生產從製造技術上來說難度並不高，但主要護城河在於專利保護。海外晶圓供應商對其矽片製造工藝申請了大量的專利，國內廠商作為在後續製造的過程中，或取得海外廠商授權，或繞過其專利壁壘。

晶圓代工廠：國內廠商急速擴張，但受制國外

中國近年來晶圓廠商的正在急速擴張，台灣地區有台積電，大陸本土廠商有12寸廠的中芯國際和華力微，整體實體較強，這裡就不再贅述了。

但需要說明的是，晶圓代工廠所需的核心製造設備，仍然受制於國外。晶圓代工廠的設備，部分仍然需要採購。這就不得不提到晶圓代工廠的上游，半導體設備商。

全球半導體設備市場被美國、日本和荷蘭佔據。美國的AMAT和荷蘭的ASML牢牢把控著光刻機、刻蝕機和沉積設備。

換句話說，在餅上怎麼寫字的筆，都被別人握在手裡。

小結：留給中國隊的時間不多了

5G時期網路整體性能將有極大的飛躍，對核心器件的性能的要求又將提升。似乎理想與現實之間總有一條不可逾越的鴻溝，大有道高一尺魔高一丈之勢。我們研發突破了一點，要求又提升了一點。

5G網路商用近在咫尺，5G之後又有長時間再換新篇？

筆者一直期望商用可以反哺研發，但5G這波錢投完，下一波又在哪裡呢？行業已有共識，5G投資量相較4G肯定大幅提升，或許我們可以見證到自通信技術應用以來，人類投資最多、資金密度最高的一張通信網路。

留給國內通信產業的時間不多了，希望我們，一定趕上這一波。

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