時(shí)鐘芯片：電子系統(tǒng)脈搏的國產(chǎn)化挑戰(zhàn)與機(jī)遇
行業(yè)新聞 | 2024-06-26時(shí)鐘芯片存在于幾乎所有電子系統(tǒng)當(dāng)中，承擔(dān)著整個(gè)電子系統(tǒng)“脈搏”的重要角色，目前國產(chǎn)化率仍較低，且替代門檻極高。本文分享了時(shí)鐘芯片的主要功能、下游應(yīng)用及未來發(fā)展機(jī)遇，期待時(shí)鐘芯片在政策支持和AI浪潮下國產(chǎn)化進(jìn)程不斷加速，早日實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈全國產(chǎn)化的目標(biāo)。
01、時(shí)鐘芯片承擔(dān)著整個(gè)電子系統(tǒng)“脈搏”的重要角色
在電子系統(tǒng)中，時(shí)鐘芯片為不同的芯片和功能模組提供一個(gè)統(tǒng)一的節(jié)拍，發(fā)揮“脈搏”的重要作用，保障系統(tǒng)協(xié)調(diào)、穩(wěn)定運(yùn)行，存在于幾乎所有電子系統(tǒng)當(dāng)中。在同一設(shè)備的內(nèi)部，時(shí)鐘信號(hào)是各個(gè)芯片的協(xié)同工作的基礎(chǔ)；在整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部，時(shí)鐘信號(hào)是各個(gè)設(shè)備之間的協(xié)同工作的基礎(chǔ)。時(shí)鐘信號(hào)的質(zhì)量直接影響到數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?br />
廣義上的時(shí)鐘產(chǎn)品包括振蕩器（Oscillators）、實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）、時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器（Clock Buffer)、時(shí)鐘發(fā)生器（Clock Generator)、去抖時(shí)鐘(Jitter Attenuation)、時(shí)頻同步芯片（Network Synchronization PLL）等。狹義上的時(shí)鐘芯片僅包括時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器、時(shí)鐘發(fā)生器、去抖時(shí)鐘和時(shí)頻同步芯片。
從技術(shù)難度和性能要求上來看，振蕩器和實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC的技術(shù)門檻相對(duì)較低，時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器、時(shí)鐘發(fā)生器次之，去抖時(shí)鐘及時(shí)頻同步芯片難度最高。因此，去抖時(shí)鐘及時(shí)頻同步芯片被行業(yè)內(nèi)公認(rèn)為高端時(shí)鐘芯片。
圖：時(shí)鐘芯片分類及功能
02、時(shí)鐘芯片發(fā)揮著多路分發(fā)、改變頻率、去除抖動(dòng)、時(shí)間同步等重要用途
在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，可以先由時(shí)鐘振蕩器提供一個(gè)固定的、較低頻率的時(shí)鐘信號(hào)，由時(shí)鐘發(fā)生器將該信號(hào)調(diào)整至各芯片所需的不同頻率并進(jìn)行輸出。
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圖：時(shí)鐘發(fā)生器功能示意
若需要多路同頻率的時(shí)鐘信號(hào)，則可以用時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器增加該頻率時(shí)鐘信號(hào)的輸出路數(shù)。
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圖：時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器功能示意
某些設(shè)備需要使用外部輸入的時(shí)鐘信號(hào)，而外部輸入的時(shí)鐘信號(hào)易被干擾，因此需要時(shí)鐘芯片除了具備將輸入時(shí)鐘頻率變換為需要的各種頻率之外，還需要有能力消除外部輸入的時(shí)鐘信號(hào)上攜帶的干擾，將輸出優(yōu)化為滿足后級(jí)需求的高性能時(shí)鐘信號(hào)。去抖時(shí)鐘可以在實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘優(yōu)化的基礎(chǔ)上替代時(shí)鐘發(fā)生器和時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器的功能，因此技術(shù)門檻極高，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定量產(chǎn)的供應(yīng)商極少，是時(shí)鐘芯片廠商主要競(jìng)爭(zhēng)的領(lǐng)域。
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圖：去抖時(shí)鐘功能示意
去抖時(shí)鐘的性能需求與數(shù)據(jù)傳輸速率高度相關(guān)。比如當(dāng)SerDes接口傳輸速率為10Gbps時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)的抖動(dòng)只需要達(dá)到500fs-1000fs；當(dāng)傳輸速率增加到112Gbps時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)要求提升至100fs。在5G通信基站、AI數(shù)據(jù)中心等通信基礎(chǔ)設(shè)施，都需要去抖時(shí)鐘保障符合5G等高速通信要求。不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)時(shí)鐘輸出抖動(dòng)要求也有所不同，消費(fèi)類產(chǎn)品只要求達(dá)到3ps，而基站則需達(dá)到100fs，要求最高，因此芯片設(shè)計(jì)難度也最高。
圖：SerDes接口對(duì)時(shí)鐘芯片的要求
若需要與上游設(shè)備信號(hào)進(jìn)行同步，則需要時(shí)頻同步芯片按照國際通用的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，處理不同設(shè)備間的時(shí)間同步信息，保障系統(tǒng)時(shí)間精度。與去抖時(shí)鐘一樣，時(shí)頻同步芯片技術(shù)門檻極高，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定量產(chǎn)的供應(yīng)商極少。
03、時(shí)鐘芯片全球市場(chǎng)規(guī)模超百億
根據(jù)Market Data Forecast的數(shù)據(jù)，2022年時(shí)鐘發(fā)生器、時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器和去抖時(shí)鐘三類時(shí)鐘芯片（不含振蕩器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC等）的市場(chǎng)規(guī)模合計(jì)為20.3億美元，預(yù)計(jì)到2027年可達(dá)到30.2億美元。
數(shù)據(jù)來源：Market Data Forecast
04、基站等通信設(shè)備為時(shí)鐘芯片下游應(yīng)用*市場(chǎng)，AI浪潮拉動(dòng)數(shù)據(jù)中心應(yīng)用快速增長
時(shí)鐘系統(tǒng)通常有兩種存在方式，對(duì)于系統(tǒng)集成度要求較高、但數(shù)據(jù)處理速率與準(zhǔn)確度需求較低的應(yīng)用場(chǎng)景，時(shí)鐘系統(tǒng)通常以集成的方式設(shè)計(jì)或封裝入SoC芯片中，如手機(jī)、智能手環(huán)等消費(fèi)電子。而對(duì)于數(shù)據(jù)處理速率與準(zhǔn)確度需求較高的應(yīng)用場(chǎng)景，往往需要時(shí)鐘系統(tǒng)以獨(dú)立芯片或模塊的形式存在，如基站、數(shù)據(jù)中心（服務(wù)器、交換機(jī)等）、汽車等。
高端通信設(shè)備（難度最高、國產(chǎn)替代需求最迫切）
基站等通信設(shè)備是時(shí)鐘芯片需求量*、性能要求最高的下游應(yīng)用。在宏基站設(shè)備中，一般會(huì)用到30顆以上的時(shí)鐘芯片。
截止2023年底，全球5G基站部署總量超過517萬個(gè)，其中中國5G基站總數(shù)達(dá)337.7萬個(gè)。在2024年達(dá)沃斯論壇期間，愛立信CEO表示“電信行業(yè)仍處于開發(fā)5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的‘非常、非常、非常早期’的階段”。
2024年2月華為正式發(fā)布了5.5G智能核心網(wǎng)解決方案，中國移動(dòng)將從今年開始完善5.5G基礎(chǔ)設(shè)施，預(yù)計(jì)2026年底實(shí)現(xiàn)5.5G的全量商用。行業(yè)形成共識(shí)“2024年將成為5.5G商用元年”，5.5G應(yīng)用成為時(shí)鐘芯片基站市場(chǎng)新的增量需求。
據(jù)Omdia的最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，盡管面臨歐洲市場(chǎng)退出的壓力，華為以31.3%的市場(chǎng)份額再次蟬聯(lián)2023年全球通信設(shè)備市場(chǎng)的冠軍。緊隨其后的是愛立信，市場(chǎng)份額為24.3%，中興通訊以13.9%的市場(chǎng)份額位列全球第四。此外，烽火通信2022年通信系統(tǒng)設(shè)備收入209億元，為中國市場(chǎng)第三大供應(yīng)商。
在新的時(shí)代背景下，中國通信設(shè)備供應(yīng)商兼具價(jià)格、技術(shù)、產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢(shì)，出海業(yè)務(wù)拓展取得顯著成效。華為是全球化布局最早的中國通信設(shè)備企業(yè)之一，出海收入規(guī)模遙遙*，近年美洲地區(qū)出海成果顯著提升。2019年至今，中興通訊逐步擺脫制裁影響，公司海外營收規(guī)模逐漸上升，其中歐美及大洋洲、亞洲地區(qū)的出海收入規(guī)模已達(dá)百億級(jí)。烽火通信2019至2022年，公司海外營收規(guī)模和占比逐年提升。隨著國產(chǎn)通信設(shè)備供應(yīng)商出海進(jìn)程深化，通信設(shè)備核心器件—國產(chǎn)時(shí)鐘芯片也隨之開啟出海時(shí)代。
數(shù)據(jù)來源：Choice
數(shù)據(jù)中心服務(wù)器
服務(wù)器一般需要獨(dú)立的時(shí)鐘芯片產(chǎn)品，單臺(tái)服務(wù)器一般需要10顆左右時(shí)鐘芯片。
據(jù)IDC數(shù)據(jù)顯示，2022年全球服務(wù)器出貨量突破1516萬臺(tái)，同比增長12%，2022年中國服務(wù)器出貨量約為448萬臺(tái)。
根據(jù)IDC數(shù)據(jù)，2022年浪潮服務(wù)器市場(chǎng)份額達(dá)到28.1%，新華三市場(chǎng)份額17.2%，超聚變（原華為X86服務(wù)器業(yè)務(wù)，2021年從華為剝離出來獨(dú)立運(yùn)營）市場(chǎng)份額為10.1%。據(jù)公開披露信息，浪潮、超聚變等頭部廠商都已開始批量使用國產(chǎn)時(shí)鐘芯片方案。
數(shù)據(jù)來源：IDC咨詢
值得一提的是，根據(jù)機(jī)構(gòu)調(diào)研預(yù)計(jì)2023年華為鯤鵬服務(wù)器（基于ARM CPU）出貨金額200億元以上，華為昇騰服務(wù)器（基于AI算力芯片）約100億元。預(yù)計(jì)2024年鯤鵬服務(wù)器營收將實(shí)現(xiàn)高速增長，華為昇騰將保持幾倍增長，并超過AMD成為全球第二大AI芯片供應(yīng)商。
2023年第三季度，為滿足爆發(fā)的生成式人工智能應(yīng)用需求，全球超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心和企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)中心采購預(yù)算優(yōu)先轉(zhuǎn)向更高價(jià)位的AI服務(wù)器。根據(jù)MIC及Trendforce測(cè)算，2023年全球AI服務(wù)器出貨量逾125萬臺(tái)，同比增長超過47%，2024年將增長至194萬臺(tái)。IDC預(yù)測(cè)，到2027年中國AI服務(wù)器市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到164億美元。2024年，隨著AIGC逐漸走向應(yīng)用，以及各個(gè)產(chǎn)業(yè)數(shù)智化的持續(xù)加深，越來越多的用戶將增加通用服務(wù)器和人工智能服務(wù)器的采購需求，全球服務(wù)器市場(chǎng)需求將全面上升。
數(shù)據(jù)中心交換機(jī)
在數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景中，時(shí)鐘芯片也廣泛應(yīng)用于交換機(jī)。
IDC數(shù)據(jù)顯示，中國交換機(jī)市場(chǎng)2023年同比增長0.7%，其中數(shù)據(jù)中心交換機(jī)同比增長2.2%。企業(yè)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心交換機(jī)主要由于互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)近兩年持續(xù)的頹勢(shì)影響投資，運(yùn)營商數(shù)據(jù)中心交換機(jī)自2022年以來保持建設(shè)高漲。ChatGPT爆火之后，數(shù)據(jù)中心超大規(guī)模組網(wǎng)需求隨之而來。
從市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局來看，交換機(jī)行業(yè)集中度較高，思科、華為、新華三等少數(shù)幾家企業(yè)占據(jù)著絕大部分的市場(chǎng)份額。國內(nèi)市場(chǎng)，華為和新華三占比合計(jì)超過70%，其次為銳捷網(wǎng)絡(luò)。從下游客戶反饋來看，今年也將大規(guī)模實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘芯片國產(chǎn)化。
數(shù)據(jù)來源：IDC咨詢
05、時(shí)鐘芯片國產(chǎn)替代加速
TI、瑞薩電子（收購IDT）、Skyworks（收購Silicon Labs）、ADI等國際大型模擬芯片公司是時(shí)鐘芯片行業(yè)的龍頭企業(yè)，憑借深厚的技術(shù)積累及產(chǎn)品性能優(yōu)勢(shì)，占據(jù)著全球大部分的市場(chǎng)份額。目前國內(nèi)還沒有跑出一家時(shí)鐘芯片上市公司，作為一個(gè)百億級(jí)規(guī)模且強(qiáng)國產(chǎn)替代需求的市場(chǎng)，有機(jī)會(huì)培育出一家至少百億級(jí)市值的芯片公司。國內(nèi)相關(guān)創(chuàng)業(yè)標(biāo)的包括奧拉半導(dǎo)體、新港海岸（獲哈勃投資、烽火通信、華勤技術(shù)等戰(zhàn)略投資）等。據(jù)了解，除上述國際模擬芯片龍頭企業(yè)外，僅奧拉半導(dǎo)體和新港海岸兩家已實(shí)現(xiàn)去抖時(shí)鐘等高端時(shí)鐘芯片批量供貨國內(nèi)通信行業(yè)前三大客戶。
過去，時(shí)鐘芯片的國產(chǎn)化率幾乎為零，由于其技術(shù)含量較高且時(shí)鐘芯片是系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要保障，因此客戶傾向于使用國際大廠的成熟方案。后由于中興通訊、華為等廠商陸續(xù)被列入出口管制“實(shí)體名單”，通信設(shè)備上游零部件供應(yīng)出現(xiàn)缺口，為保障供應(yīng)鏈安全和穩(wěn)定，時(shí)鐘芯片廠商奧拉半導(dǎo)體及國內(nèi)的新港海岸被迅速扶持。
時(shí)鐘芯片國產(chǎn)化替代門檻極高，首先，需要業(yè)界稀缺的高速數(shù)?；旌先瞬艌F(tuán)隊(duì)；其次，可靠性、適配性要求極高，需要供應(yīng)商和客戶雙方配合耗費(fèi)數(shù)萬人時(shí)進(jìn)行研發(fā)驗(yàn)證測(cè)試、系統(tǒng)性驗(yàn)證和抗老化測(cè)試，通常時(shí)鐘芯片從客戶送樣到正式導(dǎo)入量產(chǎn)需要2-3年，一旦進(jìn)入供應(yīng)鏈很難被替換；再次，客戶相對(duì)集中，前期需與頭部客戶進(jìn)行深度預(yù)研以保證大規(guī)模量產(chǎn)；此外，時(shí)鐘芯片下游通信設(shè)備、數(shù)據(jù)中心客戶都有國產(chǎn)化要求，代工供應(yīng)鏈?zhǔn)欠駠a(chǎn)也是重要關(guān)注因素之一，基于國產(chǎn)工藝量產(chǎn)出與海外廠商齊平的產(chǎn)品性能和可靠質(zhì)量，也成為國內(nèi)時(shí)鐘芯片企業(yè)的重大挑戰(zhàn)。