金准产业研究 2019年全球半导体市场研究报告

  • 1周前发布
  • 发布人:行业研究

前言

当今科技创新迅猛发展,半导体行业有望持续增长。对半导体行业来说,2019年会相对疲软,但金准产业研究团队预计预计其将在2020年实现复苏并保持繁荣。2018年半导体行业销售总额为4,810亿美元。今后四年,即到2022年底,金准产业研究团队预计销售额将保持较慢但稳健的增长,复合年均增长率(CAGR)约为4.6%,达到5,750亿美元。

半导体行业由七类元件组成,即内存、逻辑元件、微型元件、模拟元件、光电元件、传感器和分离元件(OSD)。其中,内存产品销售额仍将是半导体收入的最大份额。然而,三星集团在2017至2018年对其半导体部门的巨额投入将使内存市场产能过剩,从而导致内存产品(尤其是3D NAND闪存产品)在2019年销量下滑,但该市场有望在2020年开始复苏。

此外,人工智能(AI)应用的快速增长带来的芯片需求,将极大促进该行业的整体增长。大部分需求来自汽车和工业市场,这两个领域增长最快。

由于电动汽车和混合动力汽车的普及率不断提高,再加上自动驾驶汽车的市场潜力巨大,汽车市场将是增长最快的市场。到2022年,其复合年均增长率将达到11.9%。与此同时,传统汽车芯片的需求依然强劲。工业市场继续受到安全和医疗领域对人工智能芯片及其实力的需求的推动。在此期间,整个工业市场的复合年均增长率预计将达到10.8%。

由于智能手机的更新换代、5G技术的引入以及新兴市场的增长,通信市场的复合年均增长率将达到2.2%。与此同时,到2022年底,消费类电子产品市场约有50%的收入将来自电视、视频游戏机、手持设备和数字机顶盒。

2022年,消费类电子产品市场的复合年均增长率将达到6.0%。预计可穿戴设备的复合年均增长率高达21.0%,但仅占通信市场份额的10%左右。

数据处理市场的复合年均增长率为2.1%,主要来自服务器和存储设备销售。虽然预计销售额会在2019年同比下降2.8%,但从2020年开始有望回升。尽管金准产业研究团队预计个人电脑市场份额会下降,到2022年的复合年率下降5.2%,但这一降幅将被物联网(IoT)、机器学习以及服务器和数据中心领域其他形式人工智能的增长所抵消。

一、半导体行业市场情况

在半导体行业生产的七类元件中,内存芯片元件的市场份额在2022年前将继续占据首位;不过,如前所述,其增长可能在2019年转为负值,然后在2020年实现回升。在整个预测期内,逻辑和微型元件芯片的销售额将持续占据半导体行业总收入的第二大份额(见图1)。

1 各类元件的市场增长

 

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内存。这一领域的很大一部分增长将由持续的技术进步推动,如云计算技术和智能手机等终端设备上的虚拟现实技术。动态随机存储器(DRAM)和NAND闪存芯片的平均销售价格大幅提高,也在推动收入增长方面发挥显著作用。一般而言,闪存和DRAM的新产能将会抵消预期内的价格下跌,从而更好地实现这类设备的供需平衡,以支持企业固态驱动器(SSD)、增强和虚拟现实、图形、人工智能和其他复杂的实时工作负载功能等新应用。然而,三星在2017至2018年对半导体部门的巨额资本投入将使内存市场产能过剩,尤其是3D NAND闪存市场。

产能过剩将导致市场供应过剩,进而拉低内存元件的市场价格。因此,这类芯片产生的收入将在2019年下降,并对整个半导体市场产生不利影响。

逻辑元件。通信、数据处理和消费类电子产品行业的需求将在很大程度上推动这一市场发展。在预测期内,特殊用途专用集成电路(ASIC)和专用信号处理器(ASSP)逻辑芯片将占据绝大部分市场。

微型元件。这类芯片是所有电子设备的关键组成部分,市场增长将与这些设备的销量成正比。由于标准台式机、笔记本电脑和平板电脑的出货量疲软,微型元件在2019年的增长将停滞不前。

模拟元件。金准产业研究团队预计模拟元件的强劲增长主要受到通信行业的需求推动,尤其是汽车行业。产生需求增长的用例包括电源管理(延长手机电池寿命)、信号转换(用于数据转换器、混合信号设备等)和汽车专用模拟应用(自动驾驶汽车、电动汽车及电子系统)。

光电元件、传感器和分离元件(OCD)。这三类元件与集成电路相邻。目前大量投产的新兴技术设备将推动这些芯片的需求增长。其中包括固态照明、机器视觉、图像识别、智能电网能源、物联网和智能便携式系统中的“融合”多传感器。

由于光电芯片在嵌入式摄像机的互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器、汽车安全、固态照明应用的视觉自动化和更高性能的LED中使用越来越广泛,预计其将继续保持强劲的增长势头。总体而言,LED照明解决方案正在迅速改变各种住宅、商业和工业应用的市场。推动其增长的因素包括:采用更节能的照明解决方案、LED价格不断降低、基础设施的现代化改造和新发展。就能效、寿命、多功能性、色彩质量和成本而言,LED照明具备很多超越传统照明技术的优势。

金准产业研究团队预计传感器市场也将实现快速增长。虽然近年来,由于新型自动化控制和物联网应用的单位出货量增加,传感器价格有所下降。随着功率晶体管和其他设备需求的稳定增多,分离元件市场有望得到增长。

二、半导体应用市场的增长

经济增长预期表明,以汽车和数据处理市场为主导的应用市场将持续扩大(见图2)。

2 各类应用市场的增长

 

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汽车。金准产业研究团队预计在所有市场中,汽车市场增长最快,复合年均增长率将达到11.9%。主要原因是:电动汽车和混合动力汽车的普及率不断提高,其半导体需求量大约为传统汽车的两倍;此外,自动驾驶汽车有着巨大的市场潜力。随着汽车变得更加自动化,每辆汽车对半导体的需求量增加,先进驾驶辅助系统(ADAS)、光探测和测距(LiDAR)、信息娱乐系统以及安全和便利功能由此受到越来越多的关注。据IC Insights统计,每辆全自动驾驶汽车的半导体需求量将是驾驶辅助系统汽车的5倍。然而,传统汽车仍然是半导体销量的重要催化剂。2018年,传统汽车销量占汽车市场总收入近95%。

通信。通信市场对半导体近80%的需求量由手机驱动。虽然目前手机市场高度饱和,但5G的引入、智能手机持续的高更新率以及新兴市场对手机的需求增加,通信市场的复合年均增长率将保持在2.2%。尽管预计高端手机需求会下降,但普通手机的强劲增长将抵消这种影响。

消费类电子产品。得益于智能电视、4K超高清电视、3D编程、视频点播、对大屏显示器的偏爱以及曲面OLED的日益普及,电视设备将促进消费类电子产品应用的半导体收入增长。游戏技术和机顶盒也将成为收入的强力助推器。因此,该市场的复合年均增长率将达到2.2%。尽管可穿戴设备市场仍然相对较小,但其在消费类电子产品应用中增长最快,复合年均增长率将达到6.0%。然而,随着美国Netflix和Amazon Prime等更具吸引力的替代品的流行,数字播放器芯片的收入正在下降,复合年均增长率为2.3%。此外,越来越多的消费者开始转向手机游戏,导致游戏机市场在2018年达到饱和。

数据处理。到2022年,数据处理市场(包括个人电脑、超便携设备、平板电脑、服务器和存储设备)中的半导体销售额将达到2.1%的复合年均增长率。由于终端设备智能功能需要更多的半导体,来自存储设备的市场增长预计非常可观,复合年均增长率为12.3%。这一增长很大程度上来自新兴的固态驱动器技术,该技术克服了传统数据驱动器的长周转期、易过热和高能耗等缺点。智能手机和其他连接设备的强劲销售会加速对存储卡和存储设备的需求。由于该市场也存在优化服务器性能的压力,每台设备的半导体需求量将会增加。

工业。仅次于汽车,工业市场将是所有应用类型中增长最快的市场,预计到2022年其复合年均增长率将达到10.8%。这一增长的最大份额将来自对安全、自动化、固态照明和运输的需求。

三、半导体行业在各地区的增长

在预测期内,金准产业研究团队预计在所有全球市场中,半导体市场将持续快速增长(见图3)。

亚太地区。该市场将继续是半导体行业收入的主要贡献者,到2022年,复合年均增长率可达到4.8%。电子系统生产将继续以中国为中心。由于中国的制造能力,尤其是消费类电子产品的制造能力出众,因此对半导体的需求日益增长,并成为全球最大的芯片购买国和进口国。发展和增强该行业实力是中国政府的头等大事,因为许多新兴公司正处于初创阶段。

3 各地区的半导体行业收入

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“在人工智能的背景下,我们需要考虑安全性。一般来说,欧洲企业处于有利地位:一方面包括安全要素,另一方面包括处理环境条件和安全层,就像车辆领域的情况一样。这两个方面都可以有成本合理的认证程序。”

——Maurice Geraets,恩智浦(NXP)半导体董事会成员

欧洲、中东和非洲。在预测期内,该地区的复合年均增长率将达到3.5%。数据处理一直是欧洲最大的终端用途类别,但金准产业研究团队预计未来两年内将被汽车行业超越。半导体对于许多行业和应用至关重要。欧洲企业在汽车、出行(铁路、航空)和工程等多个领域都处在领先地位。为确保在这些行业的领先局面,并促进人工智能等新应用的发展,欧盟应推广并保护其半导体行业。这包括研发设计、制造以及欧盟创业生态系统。

美洲。在预测期内,该地区的复合年均增长率位居第二,达到4.3%,主要由NAND闪存芯片市场的预期收益推动。在该地区,美国是许多领先半导体公司的所在地,拥有强大的创业生态系统。风险投资是该行业的有力支持因素。然而,美国政府最近否决了若干来自非美国公司的收购计划。

3.1学习机器的崛起

半导体行业的需求通常来自颠覆性的新技术推动。在1997年至2007年间,个人电脑的迅速普及推动了对CPU和存储芯片的需求,而互联网的广泛渗透推动了对以太网设备、网络处理器和专用集成电路的需求。智能手机时代始于2007年苹果手机的推出,这增加了对移动处理器的需求,而云计算的采用则推动了服务器CPU和存储的增长。

现在,人工智能很可能成为半导体行业又一个十年增长周期的催化剂。尽管人工智能许多引人注目的新用例将依赖于通过软件而非芯片实现的算法,但对即时计算、连接和传感的需求将会推动未来十年对人工智能定制半导体的巨大需求。

3.2人工智能与半导体带来的机遇

人工智能是计算机基于对数据集和预定义规则集的复杂分析来模拟智慧人类行为并作出决策或建议的能力。半导体有助于开发和加速人工智能的机会,从而成为推动该领域创新和人工智能增长潜力的关键因素。

人工智能的使用通常取决于三种算法:

机器学习(ML):使用算法分析数据,从中学习,然后对特定情况作出决定或预测。

深度学习(DL):一种基于分析和从特定数据集中学习的机器学习,与特定任务的算法不同。

自然语言处理(NLP):一种分析人机交互的方法,侧重于给计算机编订程序处理和分析大量自然语言数据的方式。

人工智能用例也可按照两种主要的实施类型进行分类:

培训系统:利用大量的数据集来学习如何开展特定活动,并不断进化学习算法本身。

推理系统:使用预定义的模型进行实时决策。

人工智能适用于几乎所有行业的垂直领域,对云和边缘计算所需芯片数量具有超强预测能力,并且对加速新算法的专业计算需求在不断增长,因而为半导体厂商创造了前所未有的机遇。

3.3人工智能驱动的行业增长预测

金准产业研究团队预计到2022年,人工智能相关的半导体市场收入将从目前的60亿美元增至300亿美元以上,复合年均增长率接近50.0%。虽然人工智能驱动的用例会随着时间的推移逐步渗透到每个行业领域,但人工智能的使用将取决于技术投资的规模、技术开发的速度以及实现其效益的速度。

为推理系统提供动力的半导体市场可能仍然是分散的,因为每一个广泛变化的潜在用例,例如面部识别、机器人、工厂自动化、自动驾驶和监控等均需要定制解决方案。相比之下,培训系统将主要基于传统CPU、GPU和现场可编程门阵列(FPGA)基础设施及ASIC。

汽车。仍是市场潜力最大的一个细分市场。金准产业研究团队预计在2022年,ADAS和自动驾驶辅助用例将会带来40亿至47亿美元的收入(见图4)。这其中包括基于推理的系统,用于汽车和边缘计算的自动驾驶和安全辅助;以及基于训练的系统,用于交通规避导航。两者的相对规模将决定需求增长最快的半导体类型——用于边缘计算的GPU和ASIC,以及用于云计算的GPU和FPGA。

金融服务。我们相信,此细分市场将会带来40亿至45亿美元的收入,主要来自交易身份认证和智能投资组合管理的用例。与汽车行业一样,金融服务可能会根据用例实施推理和培训系统。基于认证的用例将在很大程度上依赖于边缘计算的基于推理的人工智能,主要用于智能手机上的面部识别和通过移动CPU或专用人工智能半导体的指纹检测。基于培训的人工智能将主要用于分析海量数据集,以识别智能投资和投资组合管理的趋势;这些活动通常驻留于云端,因为需要基于CPU或GPU基础设施的大量计算。

工业。可能是所有行业中机遇最小的,介于15亿至20亿美元之间,主要来自制造业优化和主动式故障检测。这是因为这些应用非常重视能否利用现有基础架构的培训系统,因此不太可能需要业内最佳的计算能力和更低的延迟。此外,由于工业部署和客户更新周期更长,因此该领域从人工智能获得的收益可能需要比其他行业更长的时间。

3.4汽车行业中的人工智能

汽车行业在电子元件上的开支可谓庞大,在如何利用人工智能加速创新方面进展迅速。到2022年,全球679亿美元的汽车电子元件市场中,人工智能在信息娱乐领域的影响将最为明显,达到85亿美元,ADAS为129亿美元,安全应用57亿美元。

信息娱乐系统将会用于个人辅助、导航和娱乐。苹果的Car-Play和谷歌的安卓汽车平台已在市场上脱颖而出。

ADAS和安全应用将聚焦驾驶员辅助和自动驾驶,主要通过汽车制造商的专有解决方案(如通用汽车巡航自动化解决方案)或广泛可用的平台(如英特尔的Mobileye和辉达驱动)。到2022年,这些人工智能应用的组件将会集中于传感(光电子学和非光学传感器)、计算(ASIC、ASSP、通用逻辑和微组件)及存储(存储器)领域,可用市场达到208亿美元。模拟和分离组件将是整体解决方案的一部分,但并非人工智能应用的主导因素。

在这些组件中,人工智能注入的逻辑元件将设计用于ASSP、ASIC和微组件,而存储器、光电子和非光学传感器将作为辅助组件来支持整个子系统的设计。到2022年,ADAS、安全和信息娱乐中人工智能芯片的市场预计达到40亿至47亿美元,约占这些应用领域总市场的19.2%-22.6%。

人工智能在自动驾驶汽车中的使用将取决于汽车的自动驾驶能力,根据正常操作所需的人工干预量,通常分为五个级别。

0级不涉及自动化。在1级和2级,ADAS提供自动刹车、稳定性控制和巡航控制。3级在某些情况下包括自动驾驶,而在4级和5级,驾驶是完全自动的。

4级和5级,自动驾驶子系统必须利用其所有组件在通常情况和特殊情况下提供帮助,完全消除对驾驶员甚至方向盘的需求。摄像、雷达和激光雷达传感器必须能够探测并避开物体。信息娱乐模块充当导航、传感器控制和语音命令的主要数据传输源。最后,核心自主平台发挥人工智能推理系统的作用,用于实时计算和作出关键的安全和导航决策。

对于依赖于学习系统的任务,包括实时路线导航、个性化信息娱乐推荐和数字语音辅助,车载连接功能会将请求发送至云端。人工智能定制化的云基础设施将运用人工智能算法优化这些用例,通常由公共云供应商、或由汽车制造商或服务提供商管理的数据中心掌管。

3.5人工智能解决方案堆栈

新型创新型人工智能产品或服务将会改变已知世界。虚拟助理能发起拟人电话呼叫并在餐馆订座,人们已经对此醉心不已。但为了更好地理解人工智能机遇能够一展拳脚的领域,我们必须更深入地研究人工智能技术堆栈的底层组件,即构建应用程序的脚手架。

在金准产业研究团队预计看来,人工智能技术堆栈由五个元素或层组成:硬件、库、框架和工具、平台及应用与服务(见图5)。由于对人工智能的大部分注意力集中于人工智能带来的客户体验上,所以从应用程序和服务开始讲起是合乎逻辑的。这是解决方案堆栈的最顶层。此处,最可感知的人工智能功能,在应用级别集合在一起,例如亚马逊的Alexa虚拟助理和苹果的人脸识别。其中部分功能也作为服务提供,例如嵌入软件的推荐引擎。

有一点正变得日益清晰:硬件层可以说是这种人工智能解决方案堆栈中最有趣的部分。关键原因有两个:首先,人们日益认识到人工智能要求其深层硬件具备独特的处理能力,这导致了选择最佳处理架构的新一轮竞赛——哪种架构将会胜出,是GPU、数字信号处理器(DSP)、FPGA还是定制ASIC,仍有待观察;其次,开发人工智能硬件的参与者数量日益增加,超过了传统芯片制造商以往的名单,这可能会威胁到老牌供应商,并显著改变其市场地位。

6 对人工智能机遇的高度期望反映在一系列产品中

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四、人工智能芯片的新兴战场

人们对人工智能领域半导体市场机遇抱有很高期望的一个明确标志是,每个主要供应商均在提供人工智能硅。最常见的目标应用是ADAS、无人机、监测和计算机视觉。

这些应用架构在选择上差异巨大,包括一般用途CPU、DSP、GPU、FPGA和定制的ASIC等(见图6)。不出所料,大多数供应商对人工智能硅架构的选择与其核心能力或优势领域密切相关。例如,赛灵思的Zynq MPSoC是其FPGA产品的可定制变体,辉达的大多数产品也均基于其核心GP-GPU架构。

另一方面,供应商(如恩智浦和意法半导体)大多提供人工智能特定加速和扩展,以增强其现有产品组合而非人工智能特定芯片的能力。

另一个差异是,IP许可供应商安谋和益华(Cadence)提供软CPU和DSPIP核心,前提是未来人工智能处理器将嵌入至ASIC中,而非由专门用于人工智能工作负载的独立运行芯片处理。软CPU和DSP IP核心的模型使硅供应商获得人工智能软核心的许可,得以开发针对其人工智能应用的芯片。与此同时,财力雄厚的供应商(如英特尔)正在对各种不同的架构(CPU、FPGA和定制ASIC)进行广泛投资,旨在满足不同的处理需求。

4.1定制方案

在这一系列的创新中,一些公司可能会尝试开发定制芯片来传递人工智能“圣杯”,即性能卓越,功耗和成本低于第一代引入的任何标准架构。这场架构之战可能会延续到可以预见的未来,我们认为现在宣布赢家还为时过早。定制芯片的整体性能可能是最佳的,但如果只能处理非常有限的应用程序集和用例,则可能无法实现其经济价值,因为由此导致的较低产量可能无法证明前期开发所付出的成本是必要的。

鉴于公有云供应商和产品公司纷纷开发自己的定制硅,用于优化自身应用程序和用例,争夺人工智能优势地位竞赛中出现的重大转变必然会威胁到传统芯片制造商(如英特尔、辉达和赛灵思)的市场地位,并有可能颠覆其传统商业模型。尽管 有定制活动,我们预期GPU和FPGA将继续在云端共存,以加速人工智能工作负载。近期,鉴于开发新型硅设计需要大量投资和资源,且这种方式要实现盈利需要达到高销量,大多数应用程序将通过商用硅产品提供服务。

4.2人工智能初创企业的前景

半导体制造商必须抗衡的另一个趋势是庞大的初创企业队伍,这些初创企业正在开发针对人工智能优化的革命性新型芯片架构并将其商业化。关键问题是,这些年轻的公司是否会对现有企业构成威胁,抑或甚至能够把握机遇超越其他竞争对手并在人工智能领域胜出?

利用人工智能前景的热潮正在引发解决方案堆栈领域的大量创新。近年来,对人工智能初创企业的风投基金大幅增加,2017年对人工智能和机器学习公司的投资达到创纪录的110亿美元。不出所料,这种行动有很大一部分发生在堆栈上层的软件和算法领域。初创企业在该领域构建专注于特定人工智能用例的可扩展平台,并寻求开发能够集成到现有应用程序中的人工智能软件,以使其更智能化。

堆栈底层同样能引起人们巨大的兴趣和兴奋之情,越来越多的初创企业在瞄准新型硅架构,将其优化来满足人工智能工作负载带来的独特处理需求。我们对风投基金的分析显示,人们对半导体初创企业的兴趣有所回升,2017年,半导体初创企业吸引了近7.5亿美元的风投资金,是前两年所获资金总和的三倍多,也是2015年前所有投入人工智能芯片初创企业的资金的12倍。

7 加入人工智能竞赛的其他参与者

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值得注意的是,其中只有少数公司拥有战略投资者,最活跃的战略投资者为英特尔和三星。事实上,英特尔已收购Movidius和Nervana,并已开始将这两家公司的产品集成到自己的人工智能布局图中。值得注意的是,辉达缺席战略投资者名单,该公司反而在堆栈上层利用风险部门向正在构建平台和应用程序的公司进行进一步投资。

据迄今为止的分析,我们相信制造最好的人工智能硅材料的竞赛才刚刚开始,竞争将十分激烈,难以预料未来会对现有企业造成什么样的影响。每一家希望在这一竞争激烈的领域大展身手的半导体公司都必须从现在开始着手准备,然而只有时间才能告诉我们谁是最后的赢家。

4.4抓住人工智能机遇

历史表明,尽管半导体公司从颠覆性增长周期中获利颇丰,但无论是将超出芯片本身的新技术货币化,还是对这些技术支持的新商业模式进行扩张,它们仍有很多次未能获得每个周期全部价值的应得份额。

战略和商业模式。制定公司的人工智能愿景,然后利用这一愿景更好地理解需要关注的核心领域,至少在竞赛的早期阶段应当如此。这主要包括探索新的方法将公司资产和专业领域货币化。

4.5行业数字化

半导体行业自问世以来一直是数字化的先驱,提供数字化服务并追求新的数字商业模式。例如,在上世纪70年代,英特尔出售芯片测试设备的收入即超过其出售芯片本身的收入。上世纪80年代,随着数字设计和仿真工具以及通信技术的普及,无晶圆厂和铸造模型涌现出来并颠覆了当时盛行的整合元件制造商(IDM)模式。后来出现了纯粹的知识产权竞争,高通、安谋等公司纷纷效仿,进一步侵蚀了半导体价值链。

半导体公司如果希望受益于进一步的数字化和人工智能发展机遇,就应通过以下经过深思熟虑的步骤有系统地前进:第一步,探索和学习。公司必须选择合适的机会,通过试点项目进一步理解和开发新的用例和产品。第二步,建立能力。公司应识别现有和所需要的能力,然后建立缺失的能力。随后需设计并推出数字转型计划,以实现新的能力。第三步,扩大规模,进一步发现数字机会和相关用例。这之后,公司必须确定将这些机会融入到新数字组织的路线图。企业也必须利用新的功能集和组织来确保新产品开发和引进的顺利实施。 

4.6产品和服务的数字化

数据货币化——人工智能辅助的集成电路设计服务

产品定制——按需芯片

数据货币化——处理服务

增强型产品——人工智能辅助的集成电路集成服务

增强型产品——物联网平台集成

增强型产品——设备运行

总结

显然,未来几年甚至几十年,半导体公司获利概率仍然较高。在截止到2022年的预测期内,金准产业研究团队预计在全球所有市场中,半导体市场将持续快速增长,达到5,750亿美元。

2022年,七类元件中的内存芯片将继续占据最大的市场份额,大部分增长由云计算和智能手机等终端设备的虚拟现实所推动。

此外,全球经济的乐观前景表明,到2022年,以汽车和数据处理市场为主导的应用市场或将继续增长。带动这些细分市场的将是人工智能相关芯片的需求。能够最大限度利用这一增长并充分实现其市场潜力的半导体公司很可能会是那些能够把握人工智能机遇的公司。随着新兴初创公司和科技界其他领域参与者加入竞争,争夺市场的竞争只会日益激烈。除了提供芯片之外,半导体公司还必须找到合适的方法,实现新技术的货币化以超越实际芯片本身,或者拓展由这些技术支持的新商业模式。采取此类行动的公司将会繁荣发展,反之则会被更敏捷的竞争对手超越。