安防芯片「国产化」自卫战

距离海康威视等安防公司被列入美国实体清单已经过去接近一个月了。风波落幕之后,让我们探寻现象背后,看清安防产业的「阿基里斯之踵」并挖掘它背后的「国产化」艰辛道路。

撰文 | 晏清

编辑 | 四月

海康威视在 10 月贸易风波中经历的采购问题,引出了一个中国安防企业共同面对的发展关键——芯片。

以海康威视为例,分析其芯片采购构成会发现:高端 CPU、GPU 等通用器件主要来源于安霸、英伟达、英特尔等美国企业;余下的中端甚至是低端元件来自于海思等国内企业,但值得一提的是 SoC 芯片等元件已实现非美国供应。

面对如此的飞来横祸,海康威视在电话会议上回应,在高端元件方面事先备好的 1-2 年存货和正在进行的供应链及产品方案的替代处理,缓和了此次风波中经历的风险和压力。

但所有人都悉知这并非长远之计。,海康威视高级副总经理、董秘黄方红明确表示「如果有需要我们自己设计芯片」,「自研一款芯片并不是很复杂的事情,但大家需要关注的是中国芯片产业链整体的进展」。

国内安防市场如今面临了一个希腊半神英雄阿基里斯一样的困境。

国内安防产业体量巨大,但与此同时,高端芯片过度依赖进口的现状却反映出国内安防芯片领域发展的不良于行。安防芯片就是这个英雄脆弱的脚踵,被击中后不仅步履维艰,更有就此轰然倒下的危机。

这在这个特殊的外交历史时期尤为引发思考和关注。

一、追根溯源

国产芯片问题的关键在哪里?

这就需要对近期安防产业链条中的关键芯片元件的市场,以及芯片设计 EDA 行业进行集中整理和分析,才能较为全面地认识到其中的问题。

1.CPU

CPU 是芯片领域技术追赶难度最大的存在,同样也是安防领域数据中心端最重要的存在。

一方面,英特尔几乎垄断了整个 CPU 市场,国内敢于挑战 CPU 内核的企业团队数量非常有限。虽然有龙芯这样具有研发能力的厂商,但产品大都没有实现商业量产。因此维持生存和运营仍需要申请科研项目和政府的补贴。

另一方面,由于缺乏完善的产业生态支持,尽管做出的产品在单一或部分指标上能够超越国外 CPU,但还是不足以与市场主导产品形成竞争。

但有希望的是,从龙芯(MIPS)架构,海光和兆芯(X86 架构,从 AMD 和 VIA 获得授权,申威(购买 DEC alpha 架构),再加上一些交换芯片,arm 架构的处理器,中国基本能实现整个计算机和网络设备的全自主。

同时,RISC-V 开源架构的普及有望吸引到更多的挑战者。

1)龙芯,源于中科院,是国内 PC 级 CPU 销量最大的公司,打破了国内部分专家和从业人士并不看好 CPU 国内自主路线的发展的落后观念。

最新一代龙芯 3A4000 处理器,采用 28nm 工艺,频率从龙芯 3A3000 的 1.5GHz 提升到了 2.0GHz,架构升级为 GS464V,搭配的芯片组也升级到了龙芯 7A2000,28nm 工艺。目前亮相的只是样机量产向客户供货要等到明年。

另一波代表产品,龙芯 3A/B3000 处理器出货量达 30 万片以上。据称更换到 14 纳米工艺后,就能达到 AMD 公司 Zen 系列处理器的水平。

2)兆芯,成立于 2013 年,是 VIA 威盛与上海政府基金成立的合资公司,获得了 X86 授权,是国内发展高性能 X86 处理器的中坚力量。

兆芯和安钛克合作发布国产化自主可控网络安全平台,也与龙芯、飞腾有合作,推出龙芯 3A3000/3A4000,兆芯 C4600、飞腾 FT1500A/2000 系列。

在 x86 处理器领域,如果说状元和榜眼分别是英特尔 (intel) 和 AMD,那么探花则是 2013 年成立的上海兆芯集成电路公司。

今年 6 月份发布的兆芯 KX-6000、KH-30000 系列,将工艺升级到 16nm 工艺,成为国内第一款主频达到 3.0G 赫兹的通用 CPU,有 4 核及 8 核两种规格,还支持 PCIe 4.0、双通道 DDR4 内存,搭配的芯片组升级到了 KH-3000 系列。

3)今年初,华为推出鲲鹏 920,成为业界首颗兼容 ARM 架构的 64 核数据中心处理器。

性能上,四核版相当于酷睿 i5 6300H,八核版相当于酷睿 i5 8300H。采用 7nm 工艺制造,该处理器基于 ARMv8 架构,拥有 64 个 2.6GHz 核心,支持 8 通道 DDR4、PCIe 4.0 和 CCIX 互联芯片。

9 月,华为已经率先在深圳电力行业部署鲲鹏国产 CPU 生态体系,逐渐取代英特尔 CPU。

4)飞腾,是国产 CPU 企业中能够覆盖高性能计算芯片 (大) 到桌面、嵌入式芯片 (小) 均能提供产品的企业,是国产芯片的主流代表之一。

截至 2019 年 8 月,已联合 500 余家软硬件合作伙伴,研制了 6 大类 300 余种整机产品,移植、优化了 1000 余种软件。

2019 年 8 月 26 日,国内自主安全领域领军企业中国长城完成对天津飞腾 35% 的股权收购,成为天津飞腾的第一大股东。

2.GPU 芯片:

GPU 方面,产值小、门槛高使市场内几乎只剩下两家可以研发高性能 GPU 的公司:AMD 和英伟达。英伟达是全球最大的独立 GPU 供应商,GPU 芯片销售收入占到了总收入的 81%。

而在移动 GPU 端,主流架构主要包括 ARM 开发的 Mali、Imagination 开发的 PowerVR,以及高通开发的 Adreno。

在被苹果抛弃前,Imagination 曾是业内最大的研发商,濒临倒闭,2017 年被中国私募投资基金——凯桥(Canyon Bridge)斥资 5.5 亿英镑(约合 49 亿元人民币)收购。目前全球采用 Imagination 技术的芯片出货已经超过了 110 亿颗。

技术、人才、专利,这三样成为了其他公司与之同场竞技时不得不面对的重要障碍,国内 GPU 厂商更是难以摸到彼此之间的巨大差距。景嘉微成为了目前国内唯一量产 GPU 的行业龙头。

1)景嘉微,国内 GPU 行业龙头,A 股唯一 GPU 芯片设计公司,成立于 2006 年 4 月。

研发背靠国防科大,并积极与国内外算法公司展开新技术合作。首款具备自主知识产权的图形处理芯片 JM5400 已经开始应用,下一代 GPU JM7200 流片、封装、测试、适配顺利, 今年 3 月份获得首批订单,明年有望放量。JM9231 GPU 性能可达到 2016 年中低端产品水平,这对于起步较晚的国内显示芯片行业而言应该说意义还是非常重大的。

2)西邮微电,嵌入式图形处理器(GPU)芯片-萤火虫 1 号,嵌入式 GPU 芯片,该项目填补了国内空白,总体技术达到国内领先水平。

3)中科曙光,代表的 Xmachine GPU 服务器和 Sothis AI 人工智能平台,面向金融人工智能应用,提供定制化开发产品及服务。从芯片、板卡、整机、平台、开发架构上,全面支撑金融机构的人工智能应用,提高金融服务器性能,控制金融风险。

4)英特尔,明年即将推出 Xe GPU,半路进军已经十分成熟的 GPU 市场,势必会做出差异化产品。据称,GPU 将成为英特尔公司未来第二重要的产品。

5)Vivante 被芯原微电子收购,主流的嵌入式 GPU 技术供应商,ARM、Imagination、Qualcomm、Vivante 和 NVIDIA 五强基本垄断市场。

3. ASIC 芯片/AI 芯片:

专用芯片 ASIC(多为 AI 芯片)的高研发时间成本和高技术商业化风险成了未来推广之路的一大障碍。但其场景定制化的优点备受安防厂商青睐,目前国内已有成熟安防芯片产品,如比特大陆、寒武纪、地平线、依图等。

由于尚未形成一定的技术壁垒,国内芯片厂商纷纷抓住此次机会想要一展头角:中科寒武纪推出了 NPU 芯片,地平线推出了 BPU 芯片等等以响应市场的号召。国内芯片厂商在这一领域的发展值得期待。

中星微是第一家中国自主研发制造的芯片的企业,在 2001 年成功研发出了具有自主知识产权的芯片,2003 年占有全球 60% 的市场,同时也是第一家 2005 年成功在纳斯达克上市的国产芯片企业。Vimicro AI 代表产品,星光智能 SoC 芯片——「星光 1-5 号」,最新代表第二代神经网络处理器芯片「星光智能二号」。

阿里在 2018 年收购中天微后,在今年推出首款云端 AI 加速芯片含光 800,号称目前业界性能最强的 RISC-V 架构芯片之一。但和华为鲲鹏类似,主要为自产自用状态。

寒武纪借「华为麒麟」出道,目前已经完成终端:寒武纪 1A、1H、1M 处理器 IP;边缘端:思元 220 芯片;云端:思元 100、思元 270 芯片三条产品线布局。

地平线则在今年安博会上发布安防产品线的「旭日二代」,同时推出 Horizon Hero 一站式全场景边缘 AI 芯片解决方案。

4.CMOS 芯片:

作为图像传感器常见于安防领域。随着工艺与技术的不断提升,高端 CMOS 的价格也随之下降,这直接影响到领域内高清摄像机的未来发展。

从区域来看,传感器领域一直是日本企业的强势主场,索尼就是其中的重要代表。

索尼 2018 年的份额为 50.1%,虽然比 2017 年有所减少,但仍掌握过半市场。排在第 2 位的韩国三星电子(20.5%)与其差距依然巨大,美国的豪威科技占比 11.5% 位居第三。

索尼和三星、豪威,作为世界 CMOS 市场的三巨头,把持着电子消费品各应用领域的主要份额。他们同样是安防市场购买图像传感器时优先考虑的第一梯队。

第四五名分别是美国的安森美半导体和韩国的 SK 海力士,占比都不超过 10%。

与这三家分晋的强势地位相比,国内本土 CIS 厂商在技术和规模上相去甚远,产品还只能主要存在于中低端电子消费领域。

5. 存储芯片:

数据信息量最大、数据层次最丰富的安防行业特点对存储芯片的性能提出了重大的要求。

据销售统计,存储芯片三类主要产品的排位分别是:DRAM、NAND Flash、Nor Flash。

在市场方面:IDM 厂韩国三星和海力士在内存和闪存两个方面拥有绝对优势,2017 年曾分别在两个领域内合计取得超过四分之三和二分之一的市场份额;中国厂商在竞争力极为有限的情况下,目前占据世界市场 1% 的份额。

在技术方面:差距显著。三星、英特尔等龙头企业已经开始陆续量产 64 层闪存产品,而武汉长江存储还在试图发展 3D NAND Flash(闪存)的技术,但目前仅处于 32 层闪存样品阶段。

但可喜的是在 Nor Flash 这个约为三四十亿美元的小市场中,兆易创新却是世界主要参与厂商之一。其他主流供应厂商为台湾旺宏,美国 Cypress,美国镁光,台湾华邦。

6.FPGA 芯片:

尽管预计「万能芯片」的配置将会成为市场的一个重要选择,国内企业仍没有因此而加速在公司层面的缓慢发展。这种糟糕的局面,随着大厂商英特尔、赛灵思相继推出重磅产品后受到震动。国内厂商的技术追赶压力进一步加大。

国产 FPGA 还集中在解决基础 EDA 软工具和丰富产品线这两方面时,国外厂商已经在加大系统整合和软甲部署能力了。

目前已知在这一领域进行布局的国内芯片厂商有:紫光国微、安陆信息、复旦微电子、西安智多晶微电子等。

7.MCU 芯片:

MCU,即微控制单元(Microcontroller Unit),18 位常见于摄像机等电子产品中,而在安防领域更多的是使用 32 位。总体看来,不论是技术先进性还是市场份额,国内厂商都无法与国外厂商媲美。

就市场而言,目前中国企业整体占据世界市场份额的 6%。

就中国企业的产品来看,占据主流的 MCU 产品还停留在 8 位,多存在于低端电子消费品中,市场占比为 50%;16 位和 32 位分别占据市场内 20% 左右的份额。

中高端领域仍然把持在国外如恩智浦、瑞萨等老牌大厂商手中。

8.DSP 芯片:

DSP,即信号处理芯片,用来更好地实现大量数字信号的处理。

作为通信、计算机、消费类电子产品的基础元件,DSP 的重要性毋庸置疑,但国内生产厂商在这个领域却屈指可数,可以明确点出国瑞科技、四创电子这两家公司。

面对如德州仪器、摩托罗拉、ADI 等世界范围内具有代表性的企业,中国企业在世界市场内还不构成任何影响力,全球市场占比几乎为零。

9. 视频监控:

抛开富瀚微、中星微等老厂家不提,后起之秀华为海思已成功挤下了德州仪器和安霸的市场宝座,成为了视频监控芯片行业名副其实的寡头。单从国内市场来看,未来视频监控产业规模仍将保持 12%—15% 左右的增速,网络监控设备的市场份额增长尤盛,未来视觉芯片的需求增长分外可观。中国企业已经在视频监控领域形成了强势地位,未来将持续保持高速发展。

10.EDA 行业分析:

EDA 行业存在高度垄断,Synopsys、Cadence、Mentor 垄断了国内芯片设计市场 95% 以上的份额。他们可以为客户提供完整的前后端技术解决方案,而国产 EDA 厂商在这个过程中的贡献几乎为零。

国产 EDA 与国外 EDA 软件在设计原理上并无差异,但由于先进技术和工艺的支持不足,导致了软件性能之间存在不小的差距。

在国家和地方政府大力扶持集成电路发展的前提下,目前国内的九家公司大部分以点工具为主,缺乏全面支撑产业发展的能力,存在产品不够全面,与先进技术结合不足、人才等缺点,有待由点到线,再到面的发展。

二、「国有化」迫在眉睫

目前,中国芯片企业在世界芯片市场里难以讨论竞争力这个问题,在整个芯片市场内的发展并不乐观,核心领域严重缺席,但也不乏亮点存在。

显而易见的是,中国芯片企业在芯片市场内分布不均,布局严重不足。虽然有 MCU 领域内中国企业蜂拥而至的现状,但更多的是像 GPU、DSP 等领域内中国企业寥寥无几,难以为继的悲惨场景。

归根结底,技术成为了中国企业止步于开拓部分领域的重要原因。尽管从表面上看会有像 CPU 领域的市场垄断,成为某些企业放弃争夺的重要影响因素,但是追本溯源会发现,霸占市场的关键还是在于技术的快速发展,不断更新的技术将反作用于市场的快速占领。

目前,众国产芯片厂商如同勇攀高峰的一组登山队,海思、龙芯等企业率先成为敢于尝试打破技术壁垒的先头部队。但由于起步晚,部分领域技术差距悬殊,行业命脉仍被把控在如德州仪器、安霸等老牌芯片设计公司的手中。因此安防芯片产业国有化要努力攻克的就是芯片产业的高端领域。

安防市场国有化的痛点在于,中低端芯片企业在中国是更为庞大的群体,尽管他们对市场需求反应灵活,但是更多的中低端企业能提供的技术不足以满足市场越来越复杂的高端需求。

安防领域的技术重点已从简单传统的图像数据的收集和存储,转入对图像数据的有效信息挖掘和分析。要想将「中国制造」转变为「中国智造」,就需要鼓励越来越多的中游企业加入高端布局,跟紧先进技术的不断更迭,并开始着眼于自主研发,以期未来具有良好的研发实力,从而在世界市场中更具有竞争力。

三、建议与展望

关于安防芯片和安防产业国产化,如下几个建议:

1. 正视技术差距,重新对芯片产业布局

关注到芯片产业发展的不均,就应积极出台政策鼓励资金和技术发展成熟的企业加入那些中国企业弱势的领域;同时给予那些弱势企业相应的帮助。为鼓励企业持续增大对技术的投入,提出相应的补贴,长此以往的发展有助于国内技术的进步,缩小和国际顶尖技术间的追赶,这才是解决芯国有化困难的实质。

2. 把握 AI 热潮发展前沿技术,积极发展技术

自 2017 年起国内安防产业已全面进入 AI 时代,但是 AI 占据安防主流市场,保守估计仍需要 5-10 年的时间。在这段时间内,传统安防芯片企业需要认清自己的技术发展劣势,跟紧前沿技术的步伐,积极用 AI 为自己赋能。并凭借自身对安防行业的深度理解和渠道资源,快速推出垂直行业的智能化解决方案。而新兴人工智能创业企业,则需要巧用技术优势,抓住 ASIC、FPGA 等新的技术优势,快速占领市场,并且在保持技术优势的同时,落实产品落地、工程交付等产品和服务实质。

3. 积极布局智慧社区产业,抢占产业先手

2018 年我国智慧社区产业规模达到 3920 亿元,智慧社区视频监控设备产业规模为 438 亿元,规模占比为 11.17%。新兴智慧社区的建设为安防产业的民用发展带来巨大商机,更遑论是老旧小区的未来改造。社区将是「万物互联」的关键一环,对于安防产业来说这将是一个亿万级的市场,凭借着设备和平台的独有优势,安防企业在这一领域将具有独特的竞争优势。期望新的市场可以促进产业链的不断发展,刺激到芯片企业新的发展决心和市场野心。

国产安防芯片产业的发展还要有赖于国家政策的扶持和重视。正视技术上的巨大差异,努力鞭策行业和企业本身,不断革新,探索高精尖的人工智能技术并以此为核心。努力打破高端芯片领域中国企业少数派的现状,从而促使整个行业技术成本的降低。伴随着整个行业成本门槛的降低,有助于更多的中下游企业加入游戏,使全面国有化落实的更彻底。

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