高端全靠进口,国产光芯片如何崛起?|半导体行业观察

高端全靠进口,国产光芯片如何崛起?|半导体行业观察

来源:内容来自工信部,谢谢。


光电子技术是电子信息技术的一个分支,也是半导体技术、微电子技术、材料技术、光学、通信、计算机等多学科交叉产生的新技术。从产业链角度看,包括光辐射(激光器)、光探测、光传输、光处理、光显示、光存储、光集成以及光转换(光伏)等多个领域。20 世纪 80 年代起,由于光电子产品市场规模不断扩大,应用日益广泛,形成了光电子产业的概念,并成为各发达国家竞相发展的热点。光电子器件是光电子技术的核心和关键,进入新世纪以来,随着光电子产业的迅猛发展,全球光电子器件的市场规模逐年攀升。

但不容忽视的是,我国光电子产业的核心基础能力依然薄弱,与发达国家相比,总体呈现出“应用强、技术弱、市场厚、利润薄”的结构,整个产业链发展不均衡。核心、高端光电子器件的相对落后,已成为制约我国光电子产业乃至整个信息产业发展的瓶颈,甚至严重影响国家信息安全。

光通信器件产业概述

通信器件按其功能和产品形态可细分为多种器件类型,但按照其在信息流中的不同作用基本可分为五大类,即:光信号产生、光信号调制、光信号传输、光信号处理、光信号探测。举例来说,光收发模块起着光电转化的作用,在信息流中对应着光信号产生、调制与探测;而光分

光通信产业链主要包含光通信器件、光通信系统、光通信应用三部分,上游还包括光学、半导体、装备、测试仪器仪表等配套行业。

光通信器件按照其物理形态的不同,可分为:芯片、光有源器件、光无源器件、光模块与子系统这四大类,其中配套 IC 归类于芯片。每大类光通信器件包含的典型产品见下表所示。

光通信器件分类

其中,有源光收发模块的产值在光通信器件中占据最大份额,约为 65%。不仅规模占据重要位置,光收发模块的性能也主导着光通信网络的升级换代,在接入端、传输端等不同细分市场上均发挥着至关重要的作用。

光通信器件产业发展现状

根据咨询机构 Ovum 数据,2015-2021 年,全球光通信器件市场规模总体呈增长趋势。2016 年,全球光通信器件市场规模达到 96 亿美金,并始终保持快速增长,预期 2020 年收入规模将达到 166 亿美元。其中,电信市场和数据通信市场对光通信器件的需求保持稳定的增长,而接入网市场需求趋于平稳。

与设备、光纤光缆市场相比,光通信器件领域还处在充分竞争时代,由于很多光通信器件企业都是在某一细分领域精耕细作,造成了厂商众多,集中度低的市场格局,市场份额也相对比较分散。2016 年,全球市场份额排名前 10 位的厂商中,美日公司占据 9 席位。

从产品技术看,全球主要光器件厂家均积极布局有源光芯片、器件与光模块产品,并达到 100Gb/s 速率及以上的水平。国内企业在无源器件、低速光收发模块等中低端细分市场较强,但在高端有源器件、光模块方面的提升空间还很大。此外,数据中心市场拓展成为众多光器件厂商的共同选择。

从盈利能力看,光通信器件行业本身在整个产业链中的盈利能力是最低的, 再加上国内企业集中在中低端产品,盈利水平更是微薄。使得国内大部分厂家无法投入更多资金用于高端产品的技术研发,难以实现健康可持续发展。

国光通信器件市场规模在近几年与全球保持相同的增长趋势,中国光通信器件市场约占全球 25%-30%左右的市场份额。然而,尽管我国拥有全球最大的光通信市场、优质系统设备商,但是我国光通信器件行业在全球所占份额与现有资源并不相匹配。

相对于光通信系统设备领域中国企业如华为、中兴、烽火已经成长为产业引领者,我国光通信器件厂商则是以民营中小企业为主,大多没有其他业务支撑, 规模普遍较小,企业群体不够强壮,在自主技术研发和投入实力方面相对较弱, 主要集中在中低端产品的研发、制造上,核心基础光通信器件能力薄弱。


光通信产业领域的竞争力

从市场占比分析,中国企业实力偏弱,全球光通信器件市场占有率前十名企业中仅有一家中国企业。国内少数企业虽然依靠器件封装优势,在中低端市场已经形成较强影响力,但在高端产品领域仍有较大不足。

下图是根据咨询机构以及行业供给情况给出的光收发模块、光芯片、电芯片国产化率测算数据。10Gb/s 速率的光芯片国产化率接近 50%,25Gb/s 及以上速率的国产化率远远低于 10Gb/s 速率,国内供应商可以提供少量的 25Gb/s PIN 器件/APD 器件外,25Gb/s DFB 激光器芯片刚刚完成研发。25Gb/s 速率模块使用电芯片基本依赖进口。

从产品技术分析,国外的竞争对手在高端光通信器件方面都具备了相关产品的开发和生产能力,国内光电子企业目前还处在追赶阶段,与国外竞争对手有着较大的差距。当前全球信息光通信行业的高端器件产品几乎全部由美国、日本厂商主导,且出现供不应求的局面,而国内基本属于空白,或者处于研发阶段。

从核心芯片能力分析,国内企业目前只掌握了 10Gb/s 速率及以下的激光器、探测器、调制器芯片,以及 PLC/AWG 芯片的制造工艺以及配套 IC 的设计、封测能力,整体水平与国际标杆企业还有较大差距,尤其是高端芯片能力比美日发达国家落后 1-2 代以上。而且,我国光电子芯片流片加工严重依赖美国、新加坡、加拿大、中国台湾、德国、荷兰等国家和地区,使得我国在国家各级研发计划支持下发展的关键技术大量流失。由于缺乏完整、稳定的光电子芯片、器件加工工艺平台以及工艺人才队伍,国内还难以形成完备的标准化光通信器件研发体系, 导致芯片研发周期长、效率低,造成我国光通信器件技术与国外差距逐渐扩大。

从知识产权能力分析,根据国家识产权局提供的截止到 2015 年 8 月底的涉及通信光器件、光纤光缆与光传输设备的原创专利申请在全球主要国家及地区的区域布局情况,日本和美国是原创专利申请最多的两个国家,分别为 14984和 11178 件。中国位列第三,申请量为 5298 件,其中包括了外国公司在中国组织的研发和专利申请。体现出中国在该领域中也有一定的研发能力,但是在核心专利和基础性专利的申请方面仍然缺乏竞争力。

存在问题与挑战

1)国内光通信器件供应商以中低端产品为主,同质化竞争严重,产业环境有待改善通过近些年发展,国内厂家在封装技术上取得长足进步,但是国内光器件厂家多集中在技术成熟、进入门槛不高的中低端产品,以组装代工为主,产品附加值不高,同质化严重,主要依靠扩大产能和降低劳动力成本在市场竞争中取得优势。即使目前国内厂家能够在中低端产品市场占据主导地位,产能满足国内市场需求并达到出口,但是低价薄利使大部分厂家更加注重企业的短期盈利,无法投入更多资金用于研发周期长、回报慢的高端产品技术研发。

虽然国家重视宽带基础设施建设,但国家层面的“降费”要求,叠加于运营商的转型困难期,客观导致包括光通信在内的整个通信产业链利润微薄,企业陷入低价竞争局面。另外,国内运营商采用集采招标模式,以价格为主要导向,设备、纤缆企业为了抢占份额展开低价恶性竞争,并且价格压力传导至上游器件环节,整个产业链盈利艰难,也直接制约新技术研发。

2)高端芯片器件自给能力有限,已成为中国系统设备厂商的瓶颈,国内核心技术能力亟待突破

目前高端光通信芯片基本被国外厂商垄断,国外大厂占据了国内高端光芯片、电芯片领域市场的 90%以上份额。以近年来网络中大规模进行部署的高端 100G 光通信系统为例,其中的可调窄线宽激光器、相干光发射/接收芯片、电跨阻放 大芯片、高速模数/数模转化芯片、DSP 芯片均依赖进口。

光通信器件的核心是芯片,但芯片一直是整个中国制造的短板。以硅光子为例,中国在其发展中几乎没有声音。在硅光子进入集成应用阶段(2008-至今),西方公司不断推出商用级硅光子集成产品。光通信器件用电芯片,在半导体集成电路领域内属于市场规模非常小、但技术要求又特别高的门类,与光芯片比投资更大,研发和生产周期更长。目前,国内只有少数供应商涉足 10Gb/s 及以下速率的产品,25Gb/s 产品上还处在送样阶段等。在高速模数/数模转化芯片、相干通信 DSP 芯片、以及 5G 移动通信前传光模块需要的 50Gb/s PAM-4 芯片上,还没有国内厂家能够提供解决方案。

3)产业链加速整合,国内厂商垂直整合能力较弱

光通信属于全球化竞争异常激烈的产业,光纤光缆和系统设备两个领域已进 入寡头竞争阶段,光通信器件领域则还处在完全竞争时代,市场份额分散。巨大 的成本压力以及充满挑战的市场环境使光通信器件行业的厂商加速重组整合,国 外厂商通过收购与兼并等方式不断进行产业链拓展,成功地完成技术与业务转型, 使其产品覆盖光器件、光模块领域的几乎所有环节,从无源到有源,从芯片到模 块,把握产业链条的每一个环节,牢牢占据产业链的高端。

尽管近年来国內大型光模块企业也有不少并购动作,但更多的中小规模厂商仍然欠缺资本运营能力与人才引进力度,导致创新能力不足,在产品系列的完备和高端产品的开发能力等方面尤为欠缺。要改善这种境况,一是需要企业加大创新投入、改善人才引进与激励机制,二是也需要地方政府和国家相关政策的支持。

4)标准、专利等软实力建设意识、能力不足,亟待提升原创能力与国际话语权参与新标准的制定,也意味着跟进行业发展潮流,甚至左右行业发展的方向。在光通信器件与模块的国际标准制定中,一直以来很少见到中国企业的身影。国内标准普遍参照国际标准执行。这导致了国内企业话语权的缺失,使得标准和行业发展以众多国外大企业的意志为走向,这对国内企业十分不利。比如,当下网络正进行革命性的架构重构,其技术基础是云、SDN、NFV,但它们无一源自国内,话语权被欧美牢牢掌握。

近两年国内企业也逐步意识到参与国际标准制定的重要性,逐渐能够在最新标准中见到国内企业的参与,这是一个很好的开端。但从参与者到制定者,还有很长的路要走。需要在国家、行业协会的指导下,加强中国光通信器件厂家的基础研究、技术预研,通过原创性、基础性技术的突破来进一步提升产业影响力与标准话语权。

5)光通信器件产业依赖的配套行业基础薄弱,需要国家支持

光通信器件产业发展严重依赖于先进测试仪表、制造装备等基础性行业能力。国内仪表装备厂商基本从事低端设备的开发,精度高、自动化程度高的设备大都 严重依赖进口,光通信器件企业固定资产投资负担重。而且产业安全也存在问题。政府和企业均应提高对自主研发的光通信器件制造与测试装备的重视程度,比如 全自动高精度贴片机、全自动打线机、高速率光电信号测试仪表、甚至 MOCVD 等光电子芯片工艺制备装备。

光通信器件产业发展思路、发展目标

1)目前,光通信器件产业在整个通信产业链中处于相对弱势地位,产业生态环境欠佳,影响企业自身造血能力, 不利于前沿技术研究,不利于产业可持续发展。需要继续加强信息基础设施建设投入,并统筹产业布局,优化产品结构。

2)攻关高端芯片/器件,保障供应链安全。目前,高端光芯片、模块、器件严重依赖进口,发展受到制约。国内的产学研没有形成面对产业需求的创新合力, 高校和研究所偏离产业的现实需求。应健全以企业为主体、市场为导向、政产学研用相结合的产业技术创新体系,着力突破重点领域共性关键技术,加速科技成果转化为现实生产力。

3)加强国际市场,推动产业国际化发展。目前,光通信器件产业对国内市场的依赖较大,国际化空间有待拓展,而且面临贸易、安全、专利等多重挑战。需借助国家 “一带一路”战略,积极培育亚洲、非洲的光通信市场,促使其加强网络建设投入,并且通过国外建厂实现国际化生产,通过国外建设研究中心实现国际化研发。

4)重视发展趋势,着眼长远发展,超前规划布局。

遵循科技创新与市场发展规律,着眼长远发展,超前规划布局。重视基础研究,通过原创性、基础性、先导性技术的突破,加大投资保障力度。核心技术是产业“命门”。光通信器件产业核心技术必须掌握在中国手中,“大产业”才可能变成“强产业”。

进行产业结构调整布局,加强对创新技术与产品的优化与引导,并适当引入国际化运营经验,增强行业的综合实力。

1)产品由低端走向高端——以市场为导向,优化产品结构

我国光通信器件企业在接入网领域无论是产业规模还是技术上均处于世界领先地位,但是接入网产品属于中低端产品。在传输和数据通信领域,我国企业的产品技术水平仍处于较落后状态。依据未来市场发展趋势,我国光通信器件企业应重点加强 100Gb/s 光收发模块、ROADM 产品、高端光纤连接器、10Gb/s 与25Gb/s 激光器、配套集成电路芯片的研发投入与市场突破,并争取尽快扩大产业规模、早日摆脱对国外供应商的依赖。并且在下一代 400Gb/s 光收发模块产品、硅光集成领域加大投入、加快研发进度,争取跟国际一流厂商处于并跑状态。

2)技术由组装走向核心芯片——补齐上游短板,夯实产业基础

光收发模块的核心技术在于光电子芯片。我国大多数光通信器件和模块企业依靠中国较为低廉的人工和进入门槛较低的封装技术在市场上生存。随着中国人工费用的上升和国外智能制造技术的发展,若使国内光器件企业拥有长远发展能力,必须建立自己的光电子芯片研发和制造能力,包括激光器芯片、光探测器芯片、集成电路芯片、光子集成芯片。

光电子芯片产业是整个信息产业的核心部件与基石,芯片行业进入壁垒高, 投入大、研发周期长,难度大,尤其是芯片的材料生长、芯片设计、芯片工艺经验积累,迫切需要国家整合国内的产学研融资源,解决行业共性技术、关键技术瓶颈,确保在 2022 年中低端光电子芯片的国产化率超过 60%,高端光电子芯片的国产化率突破 20%。

3) 市场从国内走向国际——发挥产业链下游优势,拓展新兴市场

充分利用低成本和集成能力,发挥我国在产业链下游系统设备、运营商环节已有的优势,积极向新兴市场拓展,持续扩大产业规模。积极培育亚洲、非洲的光通信市场,在“一带一路”战略中更重视信息基础设施建设,促使其加强网络建设投入,带动光通信器件市场需求。并与政府形成合力,冲破西方从贸易、安全、知识产权等多方面所设置的针对中国的竞争壁垒,促进国产系统设备进入发达国家市场。

4)培育龙头领军企业和新兴中小企业——壮大薄弱环节产业群体

培育龙头领军企业,在核心技术开发、标准制定等多方面带动产业做大做强。培育具有原创核心技术和自主知识产权的新兴中小企业。在政策、资金等资源上予以倾斜,强调比较优势和差异化竞争。强化全球资源整合能力,支持企业在供应链、战略方向与资源布局合作,有效利用全球各地区的资源。争取 2020 年有2-3 家企业进入全球光通信器件前十强,并且在核心技术能力上接近、部分领域超过行业标杆企业。2022 年国内企业占据全球光通信器件市场份额的 30%以上, 有 1 家企业进入全球前 3 名。

5)推动上下游产业链互联互通——规范产业环境,构建产业生态

传统封闭的产业生态体系限制了创新,融合变革形式下,竞争日益需要综合性资源与能力,构建涵盖开放的产业生态系统。我国光通信器件产业更应加强上下游联动,一方面,推动国内系统设备厂家优先选用国产光器件,充分发挥国内市场、优质设备商的带动作用;另一方面,产业链上下游可以共同开展技术研发,

建立测试平台,共同培育应用生态,参与国际标准制定,从而共同提升主导能力。

我国的半导体激光器产业化水平是光通信产业链中最薄弱的环节,高端激光器芯片(主要指 25Gb/s 以上)几乎全部依赖进口。25Gb/s 激光器芯片、硅基100Gb/s/200Gb/s 相干光收芯片、WSS 芯片以及配套的半导体集成电路(IC)研发所需要的,可工程化的Ⅲ-Ⅴ族材料工艺、硅基光电子工艺平台能力,是制约国内企业与研究机构在核心芯片上快速创新的瓶颈,也是制约国产芯片大规模应用的主要瓶颈。需要通过搭建共性技术研发平台、加大人才的储备、引进海外高端人才的方式加快补齐短板。

绕宽带中国、中国制造 2025 以及 5G 移动通信项目,重点攻关高密、高速、可调等高端光电子器件产品的封装工艺技术,解决异质材料光波导间的阵列耦合设计与工艺技术、异质材料间的高速电信号匹配与高速封装工艺技术、III-V 族器件与硅基器件的高性能集成、光波导间低损耗、低回损耦合技术等封装技术问题。以优势企业为主体尽快推出光传输网络用的 100Gb/s/200Gb/s 相干光收发模块和 ROADM 产品,数据中心用 200Gb/s/400Gb/s 光收发模块,以及 5G 移动通信用的工温 25Gb/s 光收发模块等,并形成规模化量产,支持国家重大工程的实施。

建立完善的光通信系统及光通信器件标准体系,鼓励科研院所、企业积极参与提交国际和国内技术标准标准草案,深入参与国际标准化工作、加强行业协会的团体标准建设,推动自主知识产权成果转化为国际标准。加强光通信器件专利申报,确保专利申报数量与美、日差距缩小,并与专利质量提升,建立国内专利池,在国际竞争力形成合力。

光通信器件产业重点发展产品

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编辑于 2018-01-08

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