中美科技實力對比:決戰新一代信息技術

任澤平 原創 | 2019-08-28 15:41 | 收藏 | 投票 編輯推薦
關鍵字:信息技術 中美科技 

   導讀

  信息技術(ICT,Information and Communication Technology)是第三次工業革命的核心技術與重要引擎。2017年全球ICT產業總體規模預計突破52000億美元,其中ICT服務業達到34500億美元,ICT制造業突破18000億美元。作為通用性技術,信息技術對整體經濟增長具有明顯的輻射作用。

  從科技發展史來看,20世紀人類進入了信息與互聯網時代,而隨著人工智能技術的成熟,21世紀人類將步入智能時代。智能社會由三個戰略核心組成:一、芯片/半導體,即信息智能社會的心臟,負責信息的計算處理;二、軟件/操作系統,即信息智能社會的大腦,負責信息的規劃決策、資源的調度;三、通信,即信息智能社會的神經纖維和神經末梢,負責信息的傳輸與接收。

  ICT產業是智能社會的基石,也是未來各國科技競賽的制高點。本文旨在客觀評估中美在半導體集成電路、軟件互聯網云計算、通信和智能手機等ICT領域的地位。基本結論是:中國在通信和智能手機終端市場處于世界領先水平,半導體集成電路領域取得積極進展但仍難以撼動美國的壟斷地位,軟件互聯網云計算等領域最為薄弱。美國則是半導體集成電路、軟件互聯網云計算和高端智能手機市場的絕對霸主。而目前全球科技企業中能夠同時在這三個領域發起沖鋒的僅有華為。以“構建萬物互聯的智能世界”為使命,華為已經在通信、芯片設計等數個領域撕開了美國構筑的高科技壟斷壁壘。這才是華為讓美國政客真正感到恐懼并招致戰略打壓的本質原因。

  目錄

  1   半導體與集成電路

  1.1 全球半導體市場格局

  1.2 半導體設備與材料

  1.3 半導體設計

  1.4 半導體制造

  2   軟件與互聯網服務

  2.1 操作系統

  2.2 云計算

  3   通信

  4   智能手機

  4.1 應用處理器(AP)

  4.2 基帶處理器(BP)

  4.3 射頻芯片

  4.4 存儲芯片

  4.5 顯示屏

  4.6 攝像頭

  4.6.1 CMOS圖像傳感器

  4.6.2 光學鏡頭

  正文

  1   半導體與集成電路

  中國是全球最大的半導體與集成電路消費市場,但是90%依賴進口,自給比例僅10%左右,每年的進口金額超過2000億美元。中國在集成電路領域的資本與研發投入方面都與美國存在較大差距。細分領域來看,中國在半導體關鍵設備與材料方面最為欠缺;在IC設計領域華為海思、紫光展訊等近年來進步較大,但差距仍大;在制造領域,臺積電實力強大,中芯國際與國際最先進制程差了兩代工藝水平。

  1.1 全球半導體市場格局

  全球半導體產業市場規模已經從1996年1320億美元增長至2017年4122億美元。根據美國半導體行業協會(SIA)的統計,按照半導體企業總部所在地分類,2017年美國公司占到全球半導體市場份額的46%,其次為韓國、日本,中國目前市場份額在5%左右。

  半導體可以分為分立器件、光電子、傳感器、集成電路,其中集成電路占比最高,占到2016年全球半導體銷售金額的81.6%。中國目前已經成為全球最大的半導體與集成電路消費市場,但是自給比例僅10%左右,每年的進口金額超過2000億美元。

  在諸多核心集成電路如服務器MPU、個人電腦MPU、FPGA、DSP等領域,我國都尚無法實現芯片自給。此次中興事件,正是由于中興在高端光通信芯片、路由器芯片等方面依賴博通等供應商,以至于一旦被美國制裁就將面臨破產風險。對外依賴只是中國在核心芯片領域相當薄弱的外在表現,其實質是在集成電路的各核心產業鏈環節缺少足夠的、長期的資本投入、研發投入與積累。2017年美國芯片巨頭英特爾研發支出達到130億美元、資本支出預計達到120億美元,僅研發支出就已接近中國全部半導體企業全年的收入之和;高通、博通、英偉達等芯片設計廠商更是將20%左右的銷售收入投入用于研發。國內集成電路制造領軍企業中芯國際2016年資本開支26.3億美元、研發投入僅3.18億美元,如此懸殊的投入對比下,中美半導體領域的產出差距可想而知。

  1.2 半導體設備與材料

  作為現代精密制造業的代表,一顆小小的微處理器上集成了數十億個晶體管、需要經歷數百步工藝過程,這決定了芯片領域的“短板效應”——任何一個零件或環節出錯,都會導致無法達到量產的良率要求;任何一個步驟都需要經過漫長的研發、嘗試與積累,絕非一朝一夕。這個過程不僅需要擁有大量專業人才,更需要在關鍵設備與原材料領域供應率先實現突破。

  2016年全球前十名半導體設備供應商中,除了荷蘭的ASML、新加坡的ASM Pacific,其余四家位于美國、四家位于日本,其中美國的應用材料公司(AMAT)排名第一、2016年銷售額達100億美元。四家美國公司已經占到全球市場份額的50%,即使第二名荷蘭光刻巨頭ASML股東中也有著英特爾的身影。而在此領域國內尚無企業上榜,2016年中國半導體設備銷售僅57.33億元,其中中電科電子裝備集團排名第一,但銷售金額也僅9.08億,中國前十強占全球半導體設備市場份額僅2%。長年占據全球半導體設備榜首的美國AMAT產品幾乎橫跨CVD、PVD、刻蝕、CMP等除了光刻機外的所有半導體設備,公司的30%員工為研發人員,擁有12000項專利,每年研發投入超過15億美元,而國內半導體設備龍頭北方華創研發支出不到1億美元。

  1.3 半導體設計

  站在產業鏈的角度,集成電路可以分為設計、制造與封裝測試三個環節,其中垂直一體化模式稱之為IDM(Integrated Device Manufacture),以英特爾、三星為代表;專業化分工則可以分為Fabless(IC設計)、Foundry(晶圓代工)、封測,Fabless的核心是IP,以高通為代表;Foundry的核心是制程與工藝的先進性與穩定性,以臺積電為代表;封測相對來說對技術的要求不如前兩者。

  IC設計領域,從地區分布來看,2018年美國在全球芯片設計領域擁有68%的市場占有率,是芯片設計領域的絕對王者;中國臺灣地區市場占有率約16%,居全球第二;中國大陸則擁有13%的市場占有率,位居世界第三。

  2018年全球前十大Fabless廠商中,美國公司占據6家、中國臺灣3家、中國大陸僅上榜華為海思一家,排名第五,市場份額約7%。2018年華為海思營收達到75.7億美元,同比增長34.2%,增速位居前十大芯片設計公司之首。

  中國近年來在IC設計領域的進步不小。2010年全球前十大Fabless廠商中尚無一家大陸企業入圍,除了臺灣地區的聯發科排名第五,其余九家均為美國企業。而經過近10年的發展,大陸企業在IC設計領域的全球市場份額由2010年5%左右提升至約13%。盡管短期之內美國在IC設計領域的霸主地位難以撼動,但相對實力正在此消彼長。

  1.4 半導體制造

  晶圓代工領域,全球前十大晶圓代工廠中,中國占據兩席,中芯國際排名第五、華虹排名第八,總共市場份額達到7%;美國Global Foundries排名第二,市場份額10%。臺積電為純晶圓代工領域絕對龍頭,市場份額達到52%。除了銷售收入的差距,華虹最高水平制程只有90nm,主要產品都是為電源管理IC、射頻器件芯片代工。中芯國際量產的14nm制程已經量產但仍處于客戶導入階段,而臺積電已經導入7nm制程為蘋果華為代工,并且計劃在2019年至2020年將量產5nm制程。從“28nm-20nm-14nm-10nm-7nm”的工藝升級路徑來看,中芯國際與臺積電的技術工藝水平差了兩代。

  2 軟件與互聯網服務

  中國在軟件領域相當薄弱,尤其在系統軟件和支撐軟件領域,在互聯網服務領域BAT尚能與亞馬遜、谷歌、Facebook一較高下,但在研發投入方面遠不及美國同行。在云計算領域,阿里云發展很快,但體量僅為亞馬遜AWS的1/10。

  以功能分類,軟件可以分為系統軟件、支撐軟件和應用軟件,其中系統軟件負責管理和調度各種硬件資源和程序;應用軟件負責面向特定領域實現特定功能;支撐軟件位于兩者之間,負責支持其他軟件的編寫與維護,如編程軟件、數據庫管理軟件等。目前的多數互聯網服務,實際上也是應用軟件。

  根據普華永道思略特發布的“2017全球創新企業1000強榜單”,其中軟件與互聯網服務公司按照研發投入排名的創新十強榜單中,中國憑借BAT占據第7、第8及第10名,前五名清一色為美國企業——亞馬遜、谷歌、微軟、甲骨文、Facebook。美國前三強軟件與互聯網服務公司亞馬遜、谷歌、微軟的研發支出均超過百億美元,相比BAT中最高的阿里巴巴也僅達到25億美元。

  如果不包含互聯網服務公司,在軟件領域創新十強榜單中除了德國的SAP外其余均為美國公司,中國公司無一上榜。軟件領域中國創新排名最靠前的是金山軟件,2017年研發投入達2.6億美元,而第一名的微軟達到119.9億美元。

  2.1 操作系統

  在系統軟件領域,當前PC操作系統基本上被Windows壟斷,Windows裝機量接近整體市場的88%,Windows與Mac OS合計超過97%;手機操作系統則被IOS與Android兩家瓜分,兩家合計超過98%。數據庫系統則是甲骨文獨占鰲頭。基礎軟件與底層系統領域,中國目前仍是空白。

  操作系統開發是一件系統工程,Windows 7開發大約有23個小組超千人團隊,需要代碼量5千萬行,缺乏頂層設計的研發注定缺乏效率。中國當前的操作系統研發大多是基于Linux開源內核進行二次開發,如果以兩彈一星模式、傾舉國之力進行攻關,相信技術難題可解,政用、軍用的自主可控需求也可以得到滿足,但短期商用的可能性微乎其微,根本原因在于操作系統開發并不符合商業的投入產出比邏輯。

  Windows、IOS、Android等底層操作系統相當于大廈地基,在此之上已經形成了應用程序庫與開發者社區相互影響、相互促進、相互依賴的成熟生態。如果沒有革命性的體驗變革,從頭開始研發相當于把大廈推倒重建,投入產出不成正比,因此商業公司鮮有涉足,而更適合大學與科研機構作為學術課題進行研發。

  2.2 云計算

  云計算實際上是對互聯網上的計算、存儲和網絡三類資源和應用進行系統管理與調配。按照服務形式,云計算主要可以分為三類——基礎設施即服務(IaaS,Infrastructure-as-a-Service),平臺即服務(PaaS,Platform-as-a-Service),軟件即服務(Software-as-a-Service)。其中IaaS和PaaS管理的是最底層的硬件資源和基礎應用(如數據庫),因此也被視作下一代信息社會的基礎設施。

  根據美國市場研究機構Synergy Research統計,目前全球基礎設施云服務(IaaS+PaaS+托管私有云)市場中,亞馬遜AWS市場占有率接近35%,其余為微軟Azure、IBM、谷歌,阿里云排名第五,全球市場份額不到5%。

  在SaaS領域,微軟收購LinkedIn后超越Salesforce成為第一,其余排名靠前的Adobe、Oracle、SAP均是傳統軟件領域的領先企業。由于中國在傳統軟件領域的薄弱,在SaaS領域沒有代表性的頭部企業出現。

  3 通信

  通信是信息社會的“神經網絡”。當前全球四大通信設備巨頭華為、愛立信、諾基亞、中興,中國占據其二。華為2018年銷售額1052億美元,研發投入148億美元,大幅超越傳統通信設備巨頭愛立信與諾基亞。與美國無線通信巨頭高通相比,華為的收入與研發投入體量同樣領先。在過去十年內,華為在研發領域累計投入近4800億人民幣,目前擁有8.78萬份專利(超過90%是發明專利)。

  從代理交換機起家、2004年建立海思半導體進行集成電路的自主研發,華為通過30年的積累成為全球通信設備第一,并在此基礎上進入企業級核心路由器與移動終端市場。根據市場研究機構IDC數據,目前2018第一季度華為的以太網交換機市場份額達到8.1%、企業級路由器市場份額達到25.1%,僅次于思科。

  在下一代通信技術(5G)領域,中國已經進入第一方陣。德國專利數據公司IPlytics指出,截至2019年4月中國企業申請的5G通訊系統SEPs(Standards-Essential Patents,標準關鍵專利)件數占全球34%,居全球第一,其中華為擁有15%的SEPs,位居企業榜首。

  在5G標準制定上,以華為為代表的中國企業也開始嶄露頭角。3GPP定義了5G的三大應用場景——eMBB(3D/超高清視頻等大流量移動寬帶業務)、mMTC(大規模物聯網業務)、URLLC(無人駕駛和工業自動化等超高可靠超低時延通信業務)。在2017年11月美國Reno舉行的3GPP RAN1#87會議中,華為主導的Polar碼成為eMBB場景下控制信道編碼最終方案,而高通主導的LDPC碼成為數字信道編碼方案,中美平分秋色。這也是作為通信物理層技術的信道編碼標準制定以來第一次由中國公司推動,顯示出中國在全球通信領域話語權的提高。

  5G芯片方面,2018年2月華為在2018世界移動通信大會(MWC)上發布了全球首款3GPP標準的5G商用基帶芯片巴龍5G01,可以提供2.3Gbps的傳輸速度,支持高低頻、也支持獨立或非獨立方式組網。華為也成為首個具備“5G芯片-終端-網絡能力”的5G解決方案提供商。在國家5G測試項目中,華為在第二階段領先愛立信、諾基亞貝爾等廠商率先完成全部測試項目,并且在小區容量、網絡時延等性能指標上處于領先。

  盡管已經成為全球通信行業第一,華為對過去的發展卻有著比常人更清醒的認識。華為創始人任正非在2016年全國科技創新大會上談到,隨著通信行業逼近香農定理、摩爾定律的極限,華為正在本行業攻入無人區,過去跟著人跑的“機會主義”高速度將逐漸減緩。如何從工程數學、物理算法等工程科學層面的創新過渡到重大基礎理論創新,如何從跟隨者成為引領者,任正非之問的答案可能并不在華為公司層面。要保證科技領域的長期競爭力與領導力,教育體制、科技體制、創新環境等軟實力同樣重要。

  4 智能手機

  手機整機市場中,中國品牌市場份額已經成為全球第一,但產品以中低端為主,高端市場仍難撼動蘋果和三星地位。2018年第四季度,華米OV四家中國手機品牌合計已經占到全球市場份額的40%和中國市場份額的近80%。三星和蘋果的全球份額分別為19%和18%,但中國市場份額僅1%和12%。從單機均價(ASP)來看,蘋果、三星、華為、其他品牌ASP分別為794、255、205、149美元。蘋果雖然市場份額不到20%,卻以超高的品牌溢價占據全球手機市場50%的收入和80%的利潤。

  按照功能分類,智能手機由芯片、顯示屏、攝像頭、功能件、結構件、被動元件和其他部分組成。其中芯片(35%-50%)、顯示屏(10%-20%)、攝像頭(10%-13%)三類零部件成本占比最大,對手機整體性能影響也最深。相對于整機市場,在這些產業鏈上游領域美日韓領先優勢更大,中國的短板更明顯。但以華為海思、京東方、舜宇光學為代表,中國企業近年來在芯片、顯示面板、光學鏡頭等部分手機核心技術領域實現了從無到有的突破,逐步具備了與美日韓競爭的實力。

  4.1 應用處理器(AP)

  高通是全球手機應用處理器市場霸主。2018年Q1,高通在AP市場的占有率達到45%,其次為蘋果(17%)、三星LSI(14%)、聯發科(14%),華為海思市場份額預計在9%左右。其中蘋果、三星、華為芯片均只配套自家品牌的手機,高通則是小米OV的主要芯片供應商,聯發科主要側重于中低端市場。

  手機應用處理器是一個高度壟斷的市場,能夠參與其中的玩家僅5家, 其中美國高通和蘋果兩家合計就占據了62%的份額。對于小米、OPPO、Vivo等整機廠來說,芯片的研發成本高、周期長、風險大,目前還沒有足夠的研發實力。

  以小米為例,小米為了第一代松果芯片砸了幾十億,并把唯一一款搭載澎湃S1的小米5C作為重磅產品推向市場。雖然澎拜S1在CPU和GPU參數上和高通驍龍、海思麒麟并無多大差異,但由于處理器制程上明顯有落后,使得小米5C的續航和散熱能力受到詬病,最終也沒能如預期那般成為爆款。因此小米在2017年2月發布松果澎湃S1處理器后,到現在也未傳出S2處理器的消息。

  目前中國手機芯片設計廠商僅有海思憑借華為在終端市場的表現維持約10%左右的份額,同時麒麟芯片的良好性能也增加了整機的口碑和品牌溢價。采用麒麟芯片后,2017年華為手機在價格300至400美金區間的銷量增幅高達150%。

  4.2 基帶處理器(BP)

  手機基帶處理器同樣是一個高度壟斷的市場,全球主要玩家只有高通、聯發科、三星LSI、海思、展訊和英特爾。2018年Q1,高通市場份額達到52%,其次為三星LSI(14%)、聯發科(13%)、海思(10%)。其中聯發科和紫光展銳(原展訊)均是側重中低端市場。

  蘋果此前一直外掛高通的基帶處理器,盡管與高通發生糾紛后使得高通在BP市場份額有所下滑,但是英特爾則借機進入BP市場,一度成為蘋果的基帶芯片供應商。但鑒于基帶芯片研發難度之大,英特爾已經及時止損退出了這一市場,蘋果也與高通達成和解。

  國內廠商僅有海思和紫光展銳能夠參與BP市場。海思目前維持10%左右的市場份額,但展銳由于在4G領域的技術積累不夠、2G與3G手機出貨量下降,目前的市場份額面臨下滑趨勢。

  4.3 射頻芯片

  基帶處理器中射頻芯片占到整個線路板面積的30%-40%,一款4G手機中前段射頻器件包括2-3顆功率放大器、2-4顆開關、6-10顆濾波器,成本達到8-10美元,而且隨著5G時代到來,未來射頻芯片的重要性還將進一步上升。

  4G時代旗艦手機的射頻系統市場份額基本Skyworks、Avago(博通)、Murata、Qorvo、TDK五家美國和日本公司把持,中國在這個領域基本還處于空白。

  4.4 存儲芯片

  韓國在存儲芯片領域優勢突出并壟斷過半市場,中國短板明顯。存儲芯片可以分為DRAM和NAND閃存,DRAM市場由三星、海力士和鎂光壟斷,NAND市場由三星、東芝、西部數據、鎂光、海力士、英特爾壟斷。

  我們曾在《全球半導體產業轉移啟示錄》分析過韓國半導體發展歷史,韓國在發展半導體初期將DRAM作為切入點,利用技術引進、收購、自主研發和反周期投資等多種手段建立技術、規模和成本優勢,連續多年市場份額超過80%,成為存儲芯片第一強國。之后韓國將技術與市場優勢擴大到NAND閃存市場,2018年第一季度NAND市場份額也超過50%。

  由于韓國在DRAM的絕對領導地位,除了美國鎂光仍占超過10%的份額,其他競爭對手的市場份額基本在1%左右,無法形成威脅。華為海思雖然能夠自研應用和基帶處理器,但存儲芯片仍需依賴外部供應商。

  我國在存儲芯片領域競爭力不足,兩個市場份額總額不超過1%。福建晉華曾希望與臺灣聯華電子合作開發DRAM,但由于聯華電子目前面臨鎂光盜竊技術產權的指控并遭到起訴,使得福建晉華與聯華電子的合作面臨不確定性,晉華本身也可能受到美國半導體設備和材料的禁運,DRAM開發進展可能受阻。

  4.5 顯示屏

  顯示屏領域中國大陸和韓國位于第一梯隊,中國臺灣和日本逐漸掉隊。雖然面板技術發源地為歐美,但目前生產與技術研發多集中在東亞,主要參與者為中國大陸、韓國、中國臺灣和日本。

  從地區出貨量來看,中國大陸多年保持第一。與2016年對比,2018年上半年韓國、中國臺灣和日本的份額占比均有不同程度下滑,其中韓國份額下滑約5個百分點,而同期中國大陸份額則增長近8個百分點。

  從參與公司來看,除了三星與京東方依舊保持排名前二,其余排名均有較大變化。此外,2018年上半年智能手機面板出貨量排名前五中京東方、天馬、深超光電均為大陸企業,合計份額達到35%。

  在AMOLED市場,三星目前維持壟斷地位,國內廠商正在追趕。從技術分類來看,顯示面板可以分為LCD(液晶顯示)和AMOLED(有機電激光顯示即柔性顯示)兩大類。LCD又包括α-Si(非晶硅)、LTPS(低溫多晶硅)與Oxide(氧化物半導體)。對比傳統的LCD技術,AMOLED屏幕具有廣色域、高色彩度、輕薄、省電等特性,被稱為下一代顯示技術,因此自2012年開始由三星主導在高端機型中用AMOLED逐漸替代LCD。2018年上半年,α-Si出貨占比降至42.9%,AMOLED份額不斷提升至20.4%。

  據UBI Research數據統計,2018上半年三星的AMOLED面板出貨量占整體93.4%(1.6億片),雖然略低于去年同期的99%,但遠高于其他競爭對手。

  2017年10月,京東方成都第6代柔性AMOLED生產線正式量產,這也是中國首條、全球第二條量產的第6代柔性AMOLED生產線。華為發布的mate 20 pro旗艦手機就將采用京東方提供的OLED面板。

  4.6 攝像頭

  手機攝像頭由CMOS圖像傳感器、光學鏡頭、音圈馬達、紅外濾光片、支架等組成。其中CMOS圖像傳感器成本占比最高,其次為光學鏡頭、模組整裝、音圈馬達與紅外濾光片。

  目前手機攝像頭產業集中在東亞,日韓臺是CMOS圖像傳感器與光學鏡頭的主要生產研發地區。大陸企業主要集中在紅外濾光片與模組組裝。

  相比芯片的高技術門檻、高研發投入,攝像頭技術相對來說突破快、對整機效益貢獻明顯。近年來攝像頭領域創新包括雙攝、3D拍照、人工智能攝像等,其中雙攝滲透率超20%,成為當下整機的主要賣點之一。在雙攝領域,國內廠商推動力度較大,三星相對進度較慢。

  4.6.1 CMOS圖像傳感器

  日韓企業壟斷高端CMOS圖像傳感器(CIS,CMOS Image Sensor)市場,中國企業正在進軍中高端市場。CMOS圖像傳感器是攝像頭成本占比最高的部件,據IC Insights數據統計顯示,2017年CMOS圖像傳感器銷售額125億美元,同比增長19%。

  CIS行業市占率前三廠商分別為索尼、三星和豪威科技。索尼深耕攝像領域多年,一直是蘋果和華為旗艦手機的首要供應商,2017年市場份額高達42%,幾乎壟斷了CIS高端市場。三星技術實力較強,但以自產自銷為主,2017年市場份額達到20%。排名第三的豪威科技原先是納斯達克上市公司,2016年初被中國企業私有化退市后目前主攻中高端市場,是蘋果CIS的供應商之一,也是唯一能夠進入蘋果供應鏈的中國半導體企業。

  4.6.2 光學鏡頭

  光學鏡頭一直是中國臺灣的優勢產業,中國臺灣多年保持50%以上市場份額,其中大立光排名第一,2017年市場份額達到38%。

  早期大陸廠商主要集中在中低端鏡頭市場,但在大陸終端品牌對雙攝和高像素等需求的帶動下,大陸廠商技術進步加快、產業正逐漸向大陸轉移。目前可以生產1000萬以上像素的僅臺灣大立光、日本關東辰美、Sekonix、韓國三星和中國大陸舜宇光學。舜宇光學近年來增長較快,市占率由2014年4.2%提升至2017年17%,排名由第7升至第2。

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