全球芯片设计业发展与热门AI应用产品分析2021.pdf

ITRI.工業技術研究院著作全球晶片設計業發展與熱門AI應用產品分析工研院產科國際所 分析師2021/06/29ITRI.工業技術研究院著作產業科技國際策略發展所 全球IC設計業趨勢發展 AI晶片朝向新興架構發展 朝向次系統發展以弭補出海口不足 ARM架構影響力擴及PC產業 結論與建議大綱1資料來源：工研院產科國際所ITRI.工業技術研究院著作產業科技國際策略發展所WSTS統計2020年全球半導體市場達 4,404 億美元(年成長 6.8%)預估2021年全球半導體市場達 5,272 億美元(年成長 19.7%)2WSTS資料來源：ITRI.工業技術研究院著作產業科技國際策略發展所晶片短缺現象，價格上漲，可能維持二年Gartner預估2021年全球半導體市場規模成長16.9%3Gartner資料來源：晶片缺貨現象價格上漲市場二位數成長ITRI.工業技術研究院著作產業科技國際策略發展所2021年全球半導體市場前五大應用1.資訊(運算)2.通訊(無線)3.消費性 4.工業 5.車用(占9.2%)其中車用半導體市場成長率最高(達28.9%)4Gartner資料來源：2021年市占率(%)2021年全球半導體市場5,451億美元成長16.9%29.5%29.0%10.8%10.2%9.2%6.9%4.4%車用半導體成長率最高達28.9%499億美元5,451億美元全球半導體市場前五大應用ITRI.工業技術研究院著作產業科技國際策略發展所20192023年全球半導體設計產業5資料來源：工研院產科國際所2020年全球半導體設計產業得益於宅經濟發威，加上5G/WiFi6/TWS更換需求，以及AI相關晶片陸續被開出，增加終端消費意願，加上晶片缺貨讓電子系統廠商下大單與長單增加安全庫存水位，進而拉高全球半導體設計業需求，產值增加至125,189百萬美元，年增加6.3%。各類終端裝置導入半導體的含量越來越高，5G產品依舊熱賣，加上眾多廠商開始佈局車用及智慧物聯網(AIoT)，疫情尚未能得到完全控制下，遠端工作/宅經濟等需求仍將持續存在，全球半導體設計業2021年度將持續成長，2021年全球半導體設計產業產值達140,020百萬美元，年成長11.8%。ITRI.工業技術研究院著作產業科技國際策略發展所2020年全球TOP10 IC設計廠商6資料來源：工研院產科國際所2020年排名2019年排名廠商名稱2020年營收2019年營收成長率(%)12高通(Qualcomm)19,35714,39135%21博通(Broadcom Ltd.)15,94115,5213%33輝達(Nvidia)14,65910,83535%44蘋果(Apple)11,4408,01543%55聯發科(MediaTek)10,9857,97238%67超微半導體(AMD)9,7636,73145%76海思半導體(HiSilicon)8,2807,42012%88賽靈思(Xilinx)3,0533,235-6%99邁威爾(Marvell)2,9422,7089%1011聯詠科技(Novatek)2,7232,08531%2020年全球IC設計業前十大廠商有一家廠商新加入，由於顯示器驅動IC需求不斷提升，因此，聯詠科技由2019年的第11名前進至2020年的第10名，營收年成長高達31%。由於5G換機需求，設計業龍頭寶座改由高通奪得，博通則掉到第二位，也因為5G換機需求，讓手機晶片業者在2020年的成長率都比其他廠商來的好，高通成長35%，蘋果成長43%，聯發科成長38%，僅有海思因為受到美國政府制裁，僅成長12%。單位：百萬美元ITRI.工業技術研究院著作產業科技國際策略發展所2021年Q1全球TOP6 IC設計廠商7資料來源：工研院產科國際所21Q120Q1廠商名稱21Q1營收20Q1營收成長率(%)12高通6,2814,05055%21博通4,3553,67319%33輝達4,6303,07451%45聯發科3,8492,02290%56超微半導體3,4451,78693%64蘋果3,0802,77011%2021年第一季全球TOP25半導體廠商，IC設計業佔了6家，IDM及晶圓代工廠則有19家。以營收成長率來看2021年Q1的TOP25 半導體廠商，其YoY成長率為20%。2021年Q1的TOP6 IC設計業廠商，其YoY成長率則高達48%。單位：百萬美元ITRI.工業技術研究院著作產業科技國際策略發展所20192023年台灣IC設計產業8資料來源：工研院產科國際所2020全年IC設計業，因疫情引發宅經濟效應，以及受益美中科技戰的轉單效益，加上聯發科在5G、智慧家庭及ASIC相關業務呈現大幅成長，加上真無線(TWS)藍牙耳機持續熱賣嘉惠到瑞昱，且加上聯詠受惠到手機全面屏窄邊框的滲透率大幅提升，TDDI產品出貨量也大幅成長，台灣IC設計業2020年產值為新臺幣8,529億元，較2019全年大幅成長23.1%。展望2021全年IC設計業，聯發科受惠於5G智慧型手機、WiFi6市佔率增加，各類消費性電子銷售量提升，如：Chromebook、物聯網與電視產品等，聯發科預估2021年的營收，將從40%成長率起跳，加上聯詠及瑞昱預計2021年度也有多樣新品推出，加上多家MCU訂單能見度已到2022年，都預告著2021年臺灣IC設計產業將有爆發性的成長。預計我國IC設計業2021年產值將首度突破兆元，產值為新臺幣11,133億元，較2020全年成長30.5%。ITRI.工業技術研究院著作產業科技國際策略發展所2020年台灣主要IC設計廠商9資料來源：工研院產科國際所2020年排名2019年排名公司名稱2020年營收2019年營收成長率(%)11聯發科3,2212,46230.8%22聯詠80064424.2%33瑞昱77860728.0%44群聯4854478.5%55奇景26220726.6%66慧榮15914112.8%79晶豪15312027.4%811義隆1519559.1%97瑞鼎1441393.5%108矽創1381380.0%單位：新臺幣億元國內手機基頻晶片大廠聯發科技仍是排名第一，積極拓展5G旗艦型手機晶片、及非智慧手持裝置晶片與平台，特別AIoT產品。尤其是在智慧手機上多次領先競爭對手發表新品，目前已獲成效，毛利率已回升至40%以上，2020年營收達3,221億新臺幣，年成長為30.8%，佔台灣IC設計業比重高達37.8%。第二至第五名廠商分別是聯詠科技、瑞昱半導體、群聯電子、奇景光電等，2020年營收分別為新臺幣800億元、新臺幣778億元、新臺幣485億元與新臺幣262億元。ITRI.工業技術研究院著作產業科技國際策略發展所2021年國際併購案仍持續頻傳10資料來源：工研院產科國際所億美元40021054.543.12.51.50.9400370320210190180176167148118億美元半導體最大併購案排序2020年半導體併購案 國際半導體業訂購併購頻傳，大廠藉由併購手段快速擴充技術。台灣半導體廠商由於規模與企業文化，並不擅長併購戰，應加強國際合作，強化競爭力。2021年半導體併購案1.AMD宣佈350億美元併賽靈思，強化伺服器競爭力2.Intel欲以20億美元併購SiFive，多角化布局CPU架構與晶圓代工事業3.瑞薩電子以49億歐元（約59億美元），併購Dialog佈局車用市場4.Skyworks以27.5億美元收購Silicon Labs基建和汽車部門5.高通斥資14億美元收購晶片新創Nuvia，投入手機、筆電市場6.意法半導體併購邊緣AI軟體專業研發公司Cartesiam，強化STM32Cube.AI工具ITRI.工業技術研究院著作產業科技國際策略發展所 全球IC設計業趨勢發展 AI晶片朝向新興架構發展 朝向次系統發展以弭補出海口不足 ARM架構影響力擴及PC產業 結論與建議大綱11資料來源：工研院產科國際所ITRI.工業技術研究院著作產業科技國際策略發展所12Gartner資料來源：2020年全球AI晶片市場達230億美元(占整體半導體4.9%)2025年全球AI晶片市場達711億美元(占整體半導體11.0%)20202025 CAGR達25.3%ITRI.工業技術研究院著作產業科技國際策略發展所13Gartner資料來源：最大的AI應用元件為：AP、MPU、GPU最大的AI應用市場為：通訊、資料電子、汽車2020年全球AI晶片市場達230億美元(占整體半導體4.9%)2025年全球AI晶片市場達711億美元(占整體半導體11.0%)ITRI.工業技術研究院著作產業科技國際策略發展所未來AI運算晶片將分流發展14GPUNeuromorphic ComputingCPU晶片單價高速度較慢最具彈性耗電較高適合雲端訓練開發生態最完善效率極差(傳統架構)速度最快，耗能最低 客製化程度最高 各家晶片細節不同，適用不同運算型態。介於馮紐曼與完全類腦架構之間。類腦神經類腦神經架構架構ASIC/SoC完全類腦架構推理速度最快功耗最低欠缺開發生態產業焦點產業焦點TrueNorthFPGA資料來源：工研院產科國際所ITRI.工業技術研究院著作產業科技國際策略發展所AI晶片新興運算定位15資料來源：工研院產科國際所新興架構1.近記憶體運算2.記憶體內運算3.軟體定義硬體運算4.仿腦運算ITRI.工業技術研究院著作產業科技國際策略發展所傳統馮、紐曼架構AI 晶片 國際競爭分析16資料來源：工研院產科國際所AI影像加速晶片Intel movidiusmyriad xARM Ethos-N78SynopsysEV7xKneronKL720核心種類DSPCNNCNN+DSPCNN銷售模式晶片模組IPSoft IP晶片、模組效能多樣性多個加速棒N系列產品選用EV系列選擇KL系列產品選用製造技術16 nm7 nm16nm28 nm效能(TOP/s)11 100.2 351.4能源效率(TOP/s/W)15 NA0.9ITRI.工業技術研究院著作產業科技國際策略發展所記憶體內運算AI晶片 國際競爭分析17資料來源：工研院產科國際所CIMMythic2020Syntiant2019MXIC2018(IEDM)MIT2018(ISSCC)TSMC2020(ISSCC)Technology40nm-65nm7nmMemory TypeFlashFlashFlashSRAMSRAMMemory SIZE113Mb-16Kb4KbSupply Voltage-1V0.65-1VInput/Weight/Output8b-7/1/44/4/4Energy Efficiency(TOPS/W)8-112052028.1351ITRI.工業技術研究院著作產業科技國際策略發展所雲端AI晶片、智慧系統與服務平台獨角獸開發“軟體定義硬體”技術的SambaNova Systems18 公司簡介這是由兩位Stanford教授及一位資深業界IC設計領導所創立的公司，產品針對Data Center。特色SambaNova一直專注研發電腦處理器和AI、數據分析軟體。透過AI演算法進行客製化晶片的優化設計，使晶片在運算力、功耗和尺寸方面都能超越GPU。產品簡介SambaNova AI雲平台數據流即服務 2021年4月市值超過50億美金 2021年4月14日最新宣佈D輪融資6.76億美元，由軟銀願景基金2領投 截至目前，SambaNova Systems累計融資已達11.32億美元資料來源：工研院產科國際所ITRI.工業技術研究院著作產業科技國際策略發展所SambaNova AI雲平台(SambaNova DataScale)19SambaNova並沒有採用市面上主流的Arm和x86架構，而是自主研發了晶片架構。SambaNova研發的可重構資料流程單元Cardinal SN10RDU包含400億電晶體，採用台積電7nm製程，由一系列可重構節點組成。其電路架構像是一種可程式設計邏輯器件，類似於現場可程式設計閘陣列（FPGA），可以借助諸如Spatial之類的智慧編譯器不斷改變其形狀，以對齊其區分程式的電路。SambaNova並不是單獨出售Cardinal，而是將其作為一種安裝在資料中心的解決方案。DataScale基於可重構資料流程架構（RDA），是一個完全集成的軟體和硬體平臺，可針對從演算法到晶片的資料流程進行優化，包含SambaFlow軟體棧和8個可重構資料流程單元CardinalSN10 RDU。資料來源：工研院產科國際所ITRI.工業技術研究院著作產業科技國際策略發展所SambaNova的數據流即服務20 客 戶 可 以 購 買 SambaNovaSystems DataScale硬體，也可以通過的數據流即服務產品租用它。借助完全託管的專業應用程式服務，可以節省12-18個月的時間並快速啟動並運行。主要提供在NLP、電腦視覺與推薦系統等相關領域應用。以往參與計畫 參與DARPA計畫，主要開發“軟體定義硬體”裝置。主要客戶 美國阿貢國家實驗室、美國能源部旗下國家核安全管理局（NNSA）、勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）、洛斯阿拉莫斯國家實驗室（LANL）等多個研究機構，均已部署DataScale平臺來加速研究中的AI計算。例如，LLNL正將DataScale用在其Corona超級電腦中，用於研發新冠肺炎藥物。資料來源：工研院產科國際所ITRI.工業技術研究院著作產業科技國際策略發展所北京清華大學軟體定義晶片-QNAP的規格21QNAP是軟體定義的智慧晶片，可以根據上層應用定義的CNN模型的層數、啟動函數類型、卷積核尺寸等，高效率地支援不同的CNN模型資料來源：工研院產科國際所ITRI.工業技術研究院著作產業科技國際策略發展所 全球IC設計業趨勢發展 AI晶片朝向新興架構發展 朝向次系統發展以弭補出海口不足 ARM架構影響力擴及PC產業 結論與建議大綱22資料來源：工研院產科國際所ITRI.工業技術研究院著作產業科技國際策略發展所四大AIoT新應用興起，帶動AIoT高速成長23資料來源：工研院產科國際所ITRI.工業技術研究院著作產業科技國際策略發展所AIoT新應用(1)智慧移動24資料來源：工研院產科國際所ITRI.工業技術研究院著作產業科技國際策略發展所AIoT新應用(2)智慧醫電25資料來源：工研院產科國際所ITRI.工業技術研究院著作產業科技國際策略發展所AIoT新應用(3)智慧製造26資料來源：工研院產科國際所ITRI.工業技術研究院著作產業科技國際策略發展所AIoT新應用(4)智慧生活27資料來源：工研院產科國際所ITRI.工業技術研究院著作產業科技國際策略發展所國內法人已發展的車電次系統28資料來源：工研院產科國際所整合國內元件模組，建構車用高性價比車電多感知融合次系統，達到國產ADAS替代目標車電次系統成果特色 異質感測融合硬體平台國產元件自給率達85%彈性客制化AI ADAS服務 並支援 Linux 快速開機4 秒 具備整車系統測試服務(建構LKA、AEB、ACC功能，提供S3 EV整車測試，達到固定路線自駕能力)車電次系統建構國內自主多感知融合先進駕駛輔助系統開發公板，國產元件自給率達85%，具備 ISO26262 服務，可大幅縮短產品開發之時程，並支援彈性客製化之AI ADAS服務，可協助國內車電廠商快速進入車用安全次系統市場。鏈結國內元件模組業者，包含旺宏、鈺創、明泰、申泰力、創科、美桀、裕中等業者，以系統搭載推廣模式，推動國產元件供應鏈。鏈結國內次系統業者，開發軟硬體自主化方案，提升產品競爭力，包含華創車電與鴻華先進等。華創車電：後方防追撞警示系統；鴻華先進：完成包含車電次系統之分散式感知架構，達到鴻華載具整車固定路線自駕功能之雛形，並協同鴻華開始進行場域測試。ITRI.工業技術研究院著作產業科技國際策略發展所健康次系統創新性與核心技術成果29資料來源：工研院產科國際所推動國內可彈性支援生理多樣感測、即時、多人、醫材訊號評估與訓練次系統健康次系統異質生理感測融合應用開發解決方案提供關鍵生理感測演算工具、快速原型產品設計、醫電整合專家系統開發服務，並協助進行人體實驗與法規認證，協同業者建立系統功能開發與驗證合作生態系。協助推動醫電物聯網次系統創新服務與產品，善用國內硬體產品及軟體加值，以及資料收集與分析專家系統平台服務。ITRI.工業技術研究院著作產業科技國際策略發展所數位化製造次系統創新性與核心技術成果30資料來源：工研院產科國際所促成次系統平台實現數位化製造次系統產品，推動數位化製造次系統共通的工業物聯網導入國產SoC 的AI晶片閘道器，達超高速影像擷取分析系統，建構自主AI應用服務平台。ITRI.工業技術研究院著作產業科技國際策略發展所 全球IC設計業趨勢發展 AI晶片朝向新興架構發展 朝向次系統發展以弭補出海口不足 ARM架構影響力擴及PC產業 結論與建議大綱31資料來源：工研院產科國際所ITRI.工業技術研究院著作產業科技國際策略發展所自製PC晶片：此股風潮日前已蔓延至PC產業，且晶片都採用ARM架構，扭轉以往僅在低耗電卻無法提供高效能的印象蘋果：2020年蘋果推出首批採用ARM架構的M1處理晶片（台積電5nm製程），使用在自家的Mac產品上。微軟：2020年微軟也宣布加入戰局，針對Azure伺服器、Surface系列產品打造自製ARM架構處理器。高通：高通早在2018年就推出基於ARM架構的驍龍8cx，預計2021年推出新款驍龍8cx ARM 架構筆電處理器三星：三星也有消息說2021年要推出ARM架構 Exynos系列筆電處理器聯發科：聯發科專為ChromeBook推出的MT8195 和MT8192 晶片組，分別採用台積電 6 奈米及 7 奈米製程生產超級電腦/伺服器：Fujitsu(富岳)：富岳（Supercomputer Fugaku）是全球首度奪冠的ARM架構超級電腦，2020年正式獲認證，以 415 PFLOPS 計算速度成為 TOP500 排名第一的超級電腦Ampere（安培運算）：安培開發基於台積7奈米製程的80核心處理器，用於雲端伺服器。亞馬遜網路服務公司（AWS）：也已宣布打造自家ARM架構處理器。自製晶片風潮從手機開始走向PC，Arm影響力持續擴大32資料來源：工研院產科國際所ITRI.工業技術研究院著作產業科技國際策略發展所相關產業的影響ARM很早就想進入PC領域：在2011年CES，微軟就與ARM合作，但ARM架構的PC始終推展不順。突破原因：矽智財IP：ARM持續改善其處理器IP，近年推出專為筆電推出的行動運算平台A78C系列以及為伺服器推出的高效能運算平台Neoverse N/V系列，製程：台積電在製程上已領先Intel，高通的驍龍8cx採7nm，蘋果的M1採用5nm 作 業 系 統：蘋 果 推 出 支 援 ARM 的 MacOS，微 軟 也 歷 經 多 次 改 版(WindowRTWindow 10 on ARM Window10 x，皆是支援ARM架構的作業系統)蘋果採用ARM正向的示範效果：雖然蘋果的PC在2020年市場占有率僅僅8.2%，推出自製的M1處理晶片，對整體PC市場的衝擊雖然有限，但是蘋果Macbook的採用，證明了ARM架構的處理器不僅僅有較低的耗電量，在運算效能上也足夠PC產品使用。安培的ARM架構處理器：用於緯穎代號為Mt.Jade（玉山）的雲端伺服器，目前已獲甲骨文採用。另一家與安培合作的台廠則為技嘉，其伺服器平台則以台灣第二高峰命名雪山（Mt.Snow）。ARM影響力擴大至PC來自設計業、晶圓代工、OS的助力33資料來源：工研院產科國際所ITRI.工業技術研究院著作產業科技國際策略發展所ARM影響力從手機擴展到PCApple大獲好評，高通與聯發科積極備戰34資料來源：工研院產科國際所ITRI.工業技術研究院著作產業科技國際策略發展所 高通以14億美金併購 CPU 設計新創 NUVIA，新筆電處理器 2022 年送樣 高通其子公司高通技術公司已經以 14 億美元（約新台幣 390 億元）完成收購 CPU設計新創公司 NUVIA。未來納入 NUVIA 技術，將使高通再強化 PC 領域處理器的競爭力。，將針對驍龍 8cx ARM 架構筆電處理器結構優化，預計2022年下半年推出新款驍龍 8cx ARM 架構筆電處理器。NUVIA 是一家基於 Arm 指令集進行 CPU 架構優化的新創公司，創辦人之一是蘋果首席晶片架構師，高通希望藉由收購 NUVIA 使其能夠獲得優於 Arm 標準 Cortex-A的效能。策略：併購加上拉攏微軟合作，正面對抗WinTel，主攻商用高性能超可攜式筆電 聯發科攜手Nvidia，開發一個以ARM為基礎的筆電參考平台 聯發科攜手Nvidia，要把Nvidia的RTX繪圖晶片帶入Chromebook筆電中。目前，聯發科的晶片已被用於驅動許多低階的Chromebook筆電，這類筆電因為疫情因素，受歡迎程度大增。雖然這種以Chrome為作業系統的筆電，被視為適合教育學習領域和基於瀏覽器的相關作業為主，但Google遊戲串流服務Stadia的來臨，已讓Chromebook這類筆電也能操作電玩遊戲。策略：秉持市場起飛才會快速切入，因此不會貿然投放大量資源。不過，藉著Chromebook，聯發科至少已拿下筆電的門票，為未來佈局做準備。高通與MTK的策略35資料來源：工研院產科國際所ITRI.工業技術研究院著作產業科技國際策略發展所 X86架構優點：高運算力，尤其在高階電腦及運行PC端大型遊戲，具豐富軟體生態。ARM架構優點：高連結力，具有低功耗優勢、與5G連結容易，適合用在長時聯網筆電。ARM的影響力Apple構建的基於ARM架構的統一軟硬體生態，將帶來多場景下的設備融合和體驗的一致性。帶給Android陣營的晶片廠商和PC作業系統霸主的微軟，巨大的刺激和激勵。證明了在萬物互聯、全新融合互動IoT時代，相比較於x86架構，ARM可能才是更好的選擇個人電腦生態系有機會重組甚至影響IoT生態圈36資料來源：工研院產科國際所ITRI.工業技術研究院著作產業科技國際策略發展所 全球IC設計業趨勢發展 AI晶片朝向新興架構發展 朝向次系統發展以弭補出海口不足 ARM架構影響力擴及PC產業 結論與建議大綱37資料來源：工研院產科國際所ITRI.工業技術研究院著作產業科技國際策略發展所 WSTS統計2020年全球半導體市場達 4,404 億美元，年長6.8%，預估2021年全球半導體市場達 5,272 億美元，年成長 19.7%。全球半導體設計產業發展趨勢：2021年預計成長11.8%，產值達140,020百萬美元。主要原因是終端需求持續成長，挹注全球半導體設計業年成長。台灣IC設計產業發展趨勢：2021年預計成長30.5%，將首度突破兆元，產值為新臺幣11,133億元。疫情延燒增加網通設備需求，5G與AI需求持續擴大，推升正成長。晶片缺貨問題，可能要延燒至2022年之後。結論38資料來源：工研院產科國際所ITRI.工業技術研究院著作產業科技國際策略發展所1.全球半導體併購案不斷，2020年出現新高金額，台灣半導體廠商宜依照本身特性，採聯盟合作亦或也採取併購手段尋找不錯標的。2.AI晶片朝向裝置端發展，找尋立基點就能立足3.改頭換面的AI晶片架構目前AI晶片的發展趨勢，是朝向非典型的馮紐曼計算機架構，但市場上並沒有確立何種形式為佳 記憶體內運算 軟體定義硬體運算 仿腦運算目前多數公司採取記憶體內運算的架構。但由於SambaNova的軟體定義硬體運算架構確實已有客戶採用，後續需要多關注其發展，並布局下一代AI晶片架構。建議39資料來源：工研院產科國際所關鍵創新角色在地創新價值跨域創新類型臺灣整體韌性