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军工芯片产业链:设计为主导,先发优势明显

来源:中工云网   2019-02-28 08:32   浏览:8968

美国商务部透露,美国企业被禁在未来7年内向中兴通讯销售元器件,我国关键电子元器件长期无法自主可控问题又成为国人之痛,军用芯片由于其在国防安全的重要地位和供应体系相对封闭的特点,其国产替代和自主可控有望迎来快速发展。

芯片是半导体元件产品的统称,是集成电路(IC,integratedcircuit)的载体,由晶圆分割而成。

而集成电路,是集合多种电子元器件实现某种特定功能的电路模块,承担着运算和存储等多种功能。集成电路应用涵盖了军工、民用的几乎所有的电子设备。

▌军用集成电路分为芯片和模块两层级军工电子产业链大致可分为:整机厂、分系统承包商、核心模块和元器件供应商这三类,相互之间的业务层级明确,从上而下依次传递产品需求,从下至上依次交付合格产品。军工电子产品,尤其是应用于现代化武器作战平台上的核心电子组件和小型系统级产品,一般为定制化军用大规模集成电路,绝大多数军用集成电路属于专用集成电路的范畴分类。据统计,在美国国防部研制的新型电子系统(包括导弹制导装置、雷达、战斗机载电子设备等)中,将近80%的非存储器电路都是专用集成电路。

军用集成电路:指的是在军用领域实现特定功能的电路,可以分为两个层级:第一,芯片/元器件,如CPU(中央处理器)、GPU(图形处理器)、DSP(数字信号处理器)、MCU(微处理器)和FPGA(现场可编程门阵列)等;第二,模块层级,通常属于混合集成电路,以军用芯片为核心和外围元件的二次集成,即在同一基片上将分立的半导体芯片、单片集成电路或微型元件通过膜工艺进行混合组装,这些模块可直接安装于不同的设备和系统中,可独立或协同完成系统所规定的总体工作目标。

▌军工芯片现状:国产化率不足

模块层级基本具备集成能力,瓶颈在元器件层级的高端军用芯片。在军用集成电路中,模块层级的混合集成电路,采用膜工艺(薄膜或厚膜工艺)以及更高密度集成的MCM和SIP封装技术实现。由于军事电子装备高性能、多功能、小型化、高可靠的迫切要求,随着微组装、封装和材料等技术的进步,混合集成电路技术发展很快。我国在混合集成电路领域起步较早,80年代引进了一批膜集成工艺和设备,在军用混合集成电路领域应用广泛,基本具备集成能力。因此,我国军用集成电路的瓶颈仍在军工元器件层级的高端军用芯片。

我国半导体芯片近5年来每年进口高达2000亿美元,我国每年进口半导体芯片金额很大,自2013年起,每年用于进口芯片的外汇高达2000多亿美元。2017年我国进口集成电路3770亿块,同比增长10.1%;进口金额2601亿美元,同比增长14.6%。

军工元器件芯片也面临着国产化率不足的问题由于军用芯片的特殊地位,世界各国均将其作为国家重点战略产业发展,采用国产自主研发芯片已成为各国共识。从上世纪70年代开始,美国、欧洲、日本等发达国家相继通过大量研发投入掌握了行业内最先进的工艺和技术,而韩国、新加坡和我国台湾地区则从上世纪90年代起通过“民转军用”、联合开发、技术转让等方式,在军用芯片设计、芯片制造工艺、专用集成电路解决方案等方面取得了飞速发展。我国军用芯片的研究整体起步较晚、由于缺乏高端人才,在核心元器件设计、制造设备、制造工艺水平等方面较落后,在高端元器件领域大多仍依赖进口。

逆向+自主双管齐下,军工芯片逐款逐系列替代进口芯片可得性不断降低,模块供应商切入元器件核心领域。军用模块供应商过去通常通过采购国外商用芯片或已淘汰军用芯片的方式获得核心元器件,并以此为基础进行二次开发和集成,设计完成实现特定功能的子模块。由于国外芯片的可得性不断降低以及军方整机厂对于核心元器件国产化率要求的不断提高,已有一些模块供应商切入元器件核心领域,投入到核心芯片的研发设计。过去较长的一段时间里,我国军用芯片的研制,往往只能在参照国外产品功能及接口的基础上,采取逆向设计的方法实现功能仿制,产品的各种性能参数等技术指标基本不可能完全一致。对于产品设计时就已经选用了进口器件,因停产禁运等原因需用国产器件替代的,往往由于存在差异或未有使用经历,导致很多国产军用芯片替代较为困难。《电子元器件国产化替代工作探讨》一文曾就电子元器件国产化替代采纳情况进行了统计分析,仅有35%可采纳国产替代,其余的国产件由于封装体积差异、关键性能指标差异、没有使用经历、质量可靠性达不到等原因未能替代使用。与此同时,国内科研机构在一些重点领域取得一些突破,如军用CPU、自主可控DSP、军用GPU等。

▌军工芯片产业链:设计为主导,先发优势明显

军工芯片产业链三环节垂直分工,IC设计为主导芯片作为一项相对来说军民通用的电子器件,产业链在军用和民用领域没有显著的差异。军工芯片产业链也分为芯片设计、芯片制造和封装测试三个环节,上游的设计公司按照客户要求设计出电路和版图,然后由中游的加工制造厂将其建造在硅片上,硅片再送往下游的后工序厂进行封装测试,最后制成客户所需要的产品。

市场化程度低,先发优势明显军工芯片产业链市场化程度不高,先发优势明显。军工电子产业链大致可分为整机厂、分系统商、核心模块和元器件供应商,相互之间的业务层级明确,从上而下依次传递产品需求,从下至上依次交付合格产品。军工电子产品,尤其是应用于现代化武器作战平台上的核心电子组件和小型系统级产品,一般为定制化产品,客户明确且高度集中。整个军工电子产业链中,各大军工集团及下属单位过去通常采用“元器件-模块-子系统-整机”全包式的研制生产体系。随着军民融合的深入,一些民营企业逐渐参与到军工元器件和模块的研发和生产,为军工集团和下属单位进行配套生产。

▌长期驱动力:信息化是我军军队装备建设的重点

在人类战争的形态不断演进。信息技术使得多军种联合一体化作战、武器装备的精确性和攻防能力倍增、内部信息互联互通更加快速,对战争形态产生了深远的影响。战争形态逐渐从机械化向信息化转变,作战双方从争夺制空权和制海权到争夺“制信息权”,信息化进程从单项武器装备信息化向一体化作战系统信息化渗透。战争逐渐表现出多维度一体化特征,武器装备的信息化程度以及信息化指挥系统能否发挥部队间的协同效应将成为能否打胜仗的关键。

纵向观史:信息化在战争中所起的作用越来越大,信息化优势左右战争进程。自二战雷达应用于战场以来,信息技术在战争的应用越来越多,所起作用越来越大。信息技术提升了战场感知力,加快了战场反应速度,增强了精确打击能力,延伸了作战事件和空间,提高了战场效能。信息化战争经历了孕育期、萌芽期、发展期,信息化的巨大威力一步一步在实战中获得检验。以发展期的伊拉克战争为例,伊拉克战争被认为21世纪第一场真正意义上的信息化战争。以情报和信息为主导,数十万美军部队陆海空立体协同作战,空中、地面多种侦察手段综合运用,实现了实时高效的战场监控。在战争中,美英联军使用有人侦察机、无人侦察机、预警侦察机和侦察通信卫星能够24小时不间断地发送实时的战场态势图像和情报信息。

美军每次轰炸,尤其是两次“斩首行动”,都进行了精心的情报准备,从而大大提高了空袭的针对性和精度。

信息化建设是我军军队建设的重中之重发布新版国防军事发展战略,将信息化军队建设作为军事力量建设的重中之重。中国政府2015年5月26日发表《中国的军事战略》白皮书,强调贯彻新形势下积极防御军事战略方针,加快推进国防和军队现代化。在武器装备建设层面,把军事斗争准备的基点放在打赢信息化局部战争上,把制信息权放在夺取战场综合控制权的核心地位,着眼破敌作战体系进行精确打击,并强调运用诸军兵种一体化作战力量,实施信息主导、精打要害、联合制胜的体系作战。

▌长期驱动力:信息化建设初期,军工芯片率先突围

信息化建设初期,以技术革命为主导、电子化为先锋我国的军队信息化程度较低,正处于从机械化向信息化迈进的阶段,与美国等西方国家相比差距较大。按照国防和军队现代化建设“三步走”战略构想,我军正在加紧完成机械化和信息化建设的双重历史任务,力争到2020年基本实现机械化,信息化建设取得重大进展,2050年基本实现信息化建设。我国的信息化武器装备刚刚起步,大部分武器装备依然是机械化、半机械化装备,信息化武器装备水平和占比均较低,与西方发达国家有不小的差距。自从20世纪80年代以来,西方发达国家军队武器装备的信息技术含量迅速提高。2010年,西方国家各类武器系统的信息技术含量平均上升至60%以上。据美国电子协会测算,到上个世纪末,武器装备的电子信息技术含量已升至:作战舰艇为25-30%,导弹接近50%,一般作战飞机在50%以上,战略轰炸机和隐形飞机为60%,空间武器系统是75%,军事信息系统则高达88%。

▌基于现状:核心元器件国产化刻不容缓

国产化需求是现阶段主要驱动力,军工芯片正逐步实现国产替代。由于军工芯片的核心战略地位和 国防安全的考虑,采用自主研发的国产芯片已成各国共识。

受限于半导体技术和工艺,我国军工芯 片自给率较低,加之国外芯片封和在役在研芯片停产断档,军工芯片国产化刻不容缓。

国防安全需要+国外封锁,核心元器件国产化刻不容缓

保障国防安全,军工芯片自主可控志在必得

从软件到硬件,保障信息安全逐渐切入到核心-芯片国产化。近年来,国家对于信息安全问题重视 程度空前,软件层面“去 ioe”的浪潮此起彼伏。

同时,随着各种信息源互联渗透和融合,我国以 往采取的限制、隔离等简单安全策略已经难以保障信息安全,硬件层面的芯片国产化等治本性措施 将成为主流。

芯片作为信息技术的硬件基础,保障芯片的自主可控是我国信息安全的必经之路。芯 片的国产化将彻底扼住美国挖掘我国情报的最重要渠道,无论从国家信息安全还是市场空间角度, 集成电路的国产化都将是国家重点投入推广的方向。

检验是否自主可控,有一条基本的标准——信 息安全不受制于人,产业发展不受制于人。这就必须做到知识产权自主可控、能力水平自主可控、 发展自主可控、供应链自主可控、具备“国产”资质、利润不受制于人。

保障国防信息安全,我国使用国产军工芯片的重要性不言而喻。

我国芯片大量从国外进口,给信息 安全带来了重大威胁。军用芯片关乎国防安全,国产替代亟不可待。

国外的军用芯片安全性无法保 障,国外芯片制造商一旦通过在芯片面板某一程序上植入木马,就可以窃取数据或机密,也可以通过病毒、恶意软件来操控控制系统,引发信息安全的重大事故。从国外进口的军用芯片无疑是我国 国防安全的危险后门,给我国的国防信息安全埋下了巨大隐患。

国外封锁,军工芯片国产问题迫切

美日韩等发达国家半导体技术领先,全球前 20 大半导体公司中,美国 8 家,日本 3 家,韩国 2 家。 以美国为首的西方国家,一直对我国实行严格的军用级芯片材料禁运措施。

2015 年 4 月 9 日,美 国商务部决定对以中国超级计算机“天河”为业务主机的三家超级计算中心和“天河”的研制者国 防科大采取限售措施,限售的产品则直指已在“天河二号”上装配近 10 万的英特尔“至强”CPU。

从上世纪 90 年代末至今,美国国会通过了一系列法案,禁止对华出口航天技术以及用于航天等军 事用途的元器件,美国商务部列出了控制对华出口清单,同时,通过施加压力等多种手段,干预其 它国家对华军事及配套出口。

欧洲对华出口限制也已长达半个多世纪,先后有“巴黎统筹委员会议 案”和“瓦森纳协议”,多种元器件物资被纳入华战略禁运的特别清单上。另外已用军用芯片停产断 档,也使得军工芯片国产化问题更为迫切。

政策引导,资金推进,助力芯片国产化进程

扶持集成电路政策力度空前,军工芯片将获益。

我国一直很重视核心电子器件和芯片的技术和产业 发展,曾在 2006 年将“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品”列为 16 个重大科技专项。

近年来,我国对集成电路产业政策支持力度空前,力图增强集成电路的技术实力、缩小与国际先进 水平的差距、培育一批富有创新活力、具备一定国际竞争力的骨干企业。整个集成电路产业的发展 和技术工艺的进步,将对高端军工芯片带来强有力的促进作用。

“大基金”成立,资本驱动产业升级。集成电路产业,特别是制造环节,工艺的提升、产量的扩大 等都离不开长期的大量资金支持。

2014 年 9 月份正式成立国家集成电路产业投资基金,基金总 规模达到 1387.2 亿元。截止目前,大基金已参与投资了近 600 亿的相关产业项目,包括 IC 设计、 制造、封测、设备四大领域的四大龙头紫光集团、中芯国际、长电科技、中微半导体以及艾派克和 格科微两大具备特色的公司。

在军民两用芯片领域,“大基金”也参与了 GPU 龙头景嘉微、MEMS制造龙头耐威科技等龙头公司的定增。“大基金”的投资,将启动资本驱动产业升级的进程,制造 等环节的提升将大大促进军工芯片产业的进一步发展。

▌新变化:军民两用,军民融合助力芯片产业发展

军民融合上升为国家战略

近年来,政府高层高度重视,政策支持不断加强,军民融合已经成为国家战略。

习近平主席多次提 出要推进军民融合的深度发展,总装备部、工信部等也相继出台了相关政策进一步降低民营企业进 入军工行业的门槛,引导并鼓励民营资本参与军工科研和生产。我国的军民融合逐渐从”初步融合 “向”深度融合“过渡。

军民融合政策对于民参军从“限制”到“鼓励”,并且越发宽松。2016年 7 月 21 日,中共中央、国务院、中央军委印发了《关于经济建设和国防建设融合发展的意见》。

《意见》提到加强产业领域统筹,建设中国特色先进国防科技工业体系。“推进军工企业专业化重 组,扩大引入社会资本”,“加快引导优势民营企业进入武器装备科研生产和维修领域”,鼓励民 营企业参与国防建设。

民用市场发展较快,“民技军用”成为可能

军民两用技术:芯片

半导体芯片,作为实现某特定功能的模块,军用芯片和民用芯片本质上没有不同,由于军用芯片应 用在武器装备上,应用环境比较特殊和复杂,对于芯片的可靠性、安全性、低功耗和特殊性能(如: 抗震、抗辐射、耐腐蚀、耐高温)有着更高的要求,对计算性能要求相对低一些。

民用电子发展较快,使用、检验和验证的机会多,“民技军用”成为可能。

近年来,我国民用高技 术特别是电子信息技术已获得长足发展,已有很高的水平,具备了为军队信息化建设服务的条件。 在整个芯片市场上,民用市场占比很高,远远高于军用市场。民用信息技术产品市场广阔,竞争激 烈,需要量大,使用、检验和验证的机会多,因而发展很快。

2017 年全球前十的 IC 设计公司,我 国有两家企业上榜:海思第七、紫光第十。

这些民营高科技企业,利用灵活、简捷、高效、低耗的 运行机制和充满活力创新体制,加大科研投入,开发核心技术,使新产品的水平与国际接轨,大大 提高了新产品的研究起点,增强了创新能力。

特别是,华为海思等一些企业在商用消费领域,通过 架构授权方式自主开发的 SoC 技术已经达到世界一流水平,性能优越。总的来看,我国民营科技 企业正在逐渐做大做强,高科技产业已初具规模,已经有条件、有实力支援军队信息化建设。

军工芯片或可称为自主可控芯片突破口

尽管我国民用集成电路设计业经过发展已取得了不俗的成绩,但在微处理器(MPU)、半导体存 储器、可编程逻辑阵列器件(FPGA)和数字信号处理器(DSP)等大宗战略产品上,产品尚未进 入主流市场,产品性能和国际先进水平的差距依然十分巨大。 在核心元器件层面,军工芯片或可成为芯片国产化的突破口。

现阶段,不论军用民用在元器件层面 都处于吸收和模仿阶段,逐渐实现国产化替代。

由于军工芯片技术开发难度较低、看重自主可控对 价格相对不敏感等特点,认为芯片国产化将从军工领域率先突破。 性能弱于民用,发展军工芯片技术难度降低。

半导体电子产业发展迅速,根据“摩尔定律“:当价 格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔 18-24 个月便会增加一倍,性能也将提升 一倍。民用电子器件的发展迅猛,更新换代的速度很快。与民用电子器件相比,军用芯片在计算速 度等指标上相对较弱。

▌军工芯片进口替代百亿空间,将快速发展

军工芯片每年进口替代空间 200 亿以上

军工芯片国产化率低,每年进口额预计 300 亿以上。

2017 年,我国集成电路市场需求达到 2601亿美元,增长率为 14.6%,是世界最大的集成电路需求市场。

2015 年我国计算机、网络通信和消 费电子仍然是集成电路产品最主要的应用市场,三者销售额合计共占集成电路市场 80.7%的份额。

相比较而言,我国军工芯片的市场较小。据统计,在过去进口的 2000 多亿美元的芯片中,航天芯 片约 1%,即 20 亿美元左右。由于我国航天技术相对发达,国产化程度较高,相比军工其他方面 应用,航天芯片的体量较小,考虑到相对空间较大的航空领域以及加速装备信息化的陆海军装备, 粗略估计我国军工芯片的国产替代空间在每年 200 亿以上。

受益于我军信息化建设,国产军工芯片将迎快速发展

信息化武器装备造价较高。由于信息化武器装备的造价要大大高于机械化装备,且信息化程度越高 造价越高,推行军队信息化建设,发展信息化武器装备,是一项需要耗费巨资的大工程。

二战时, 美国一艘航母造价 5500 万美元,一架作战飞机为 50 万美元;80 年代,一艘核动力航母为 40 亿 美元,一架 F-22“猛禽”战斗机为 1.3 亿美元,一架 B-2 隐形轰炸机为 21.6 亿美元,美国主导、 多国参与开发的第五代战机——“F-35”的总研制、生产与采购费高达 2450 亿美元, 纵览外军经验,武器装备信息化时期,我军信息化装备的采购支出未来将有明显的提升。

从美军、 俄军的信息化建设经验看,在信息化建设初期,武器装备信息化迅速提升,通常伴随着采购费用的 迅速增长。上世纪 90 年代以后,各国为加快军队信息化建设,加紧发展以信息技术为主导的高新 技术武器装备,采购费用迅速攀升。

美军从 1998 年到 2008 年,装备采购费增长超过3倍,达到1647 亿美元的峰值,年复合增长率高达 11.6%。俄军 2012 年装备采购支出 243 亿美元,占军费 预算的 40.6%,十年累计增长 10 倍。

同样地,我军的信息化武器装备的采购费用也将随着信息化 武器装备率的提升而快速增长。

当前我国军费支出中,人员、装备和训练各占 1/3,预计 2021 年 我军武器装备的采购支出在军费的比例会上升到 35%。其中,信息化武器装备 2016 年约为 30%, 预计每年增长 1%。以我国未来 5 年军费预算以 7%的增速增长计算,预计 2021 年我国信息化装 备的采购支出将达到 1656 亿,年复合增长率为 11.6%。

基于军工芯片低国产化率现状,未来国产军工芯片市场将迎 20%左右的高速发展。随着我军信息 化武器装备率的提升,未来对军工芯片的需求也将快速增长。特别是,鉴于军工芯片在信息化武器 装备和核心作用和目前国产化率低的现状,国产芯片需求非常强烈。

随着军工芯片研发制造的进一 步突破,国产军工芯片市场将以高于其他信息化建设装备和器件的速度得以高速发展,预计未来 5年年复合增长率将在 20%左右。

▌军工芯片技术趋势和未来突破方向

随着半导体技术的不断发展,军工芯片也在不断进行发展和突破。在模块层级,看好将完整系统集 成在一块芯片的 SoC 技术和将多个芯片及器件封装在一起的 SIP 技术;在元器件层级,应用广泛、 国产化难度很大的 FPGA 是未来急需突破的主要方向。

 

原文标题:国产自主可控芯片重要突破口,军工芯片将迎快速发展

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