時鐘芯片：電子系統(tǒng)脈搏的國產(chǎn)化挑戰(zhàn)與機遇
行業(yè)新聞 | 2024-06-26時鐘芯片存在于幾乎所有電子系統(tǒng)當(dāng)中，承擔(dān)著整個電子系統(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。本文分享了時鐘芯片的主要功能、下游應(yīng)用及未來發(fā)展機遇，期待時鐘芯片在政策支持和AI浪潮下國產(chǎn)化進程不斷加速，早日實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈全國產(chǎn)化的目標(biāo)。
01、時鐘芯片承擔(dān)著整個電子系統(tǒng)“脈搏”的重要角色
在電子系統(tǒng)中，時鐘芯片為不同的芯片和功能模組提供一個統(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，時鐘信號是各個芯片的協(xié)同工作的基礎(chǔ)；在整個系統(tǒng)內(nèi)部，時鐘信號是各個設(shè)備之間的協(xié)同工作的基礎(chǔ)。時鐘信號的質(zhì)量直接影響到數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?br />
廣義上的時鐘產(chǎn)品包括振蕩器（Oscillators）、實時時鐘（RTC）、時鐘驅(qū)動器（Clock Buffer)、時鐘發(fā)生器（Clock Generator)、去抖時鐘(Jitter Attenuation)、時頻同步芯片（Network Synchronization PLL）等。狹義上的時鐘芯片僅包括時鐘驅(qū)動器、時鐘發(fā)生器、去抖時鐘和時頻同步芯片。
從技術(shù)難度和性能要求上來看，振蕩器和實時時鐘RTC的技術(shù)門檻相對較低，時鐘驅(qū)動器、時鐘發(fā)生器次之，去抖時鐘及時頻同步芯片難度最高。因此，去抖時鐘及時頻同步芯片被行業(yè)內(nèi)公認為高端時鐘芯片。
圖：時鐘芯片分類及功能
02、時鐘芯片發(fā)揮著多路分發(fā)、改變頻率、去除抖動、時間同步等重要用途
在系統(tǒng)運行時，可以先由時鐘振蕩器提供一個固定的、較低頻率的時鐘信號，由時鐘發(fā)生器將該信號調(diào)整至各芯片所需的不同頻率并進行輸出。
from clipboard
圖：時鐘發(fā)生器功能示意
若需要多路同頻率的時鐘信號，則可以用時鐘驅(qū)動器增加該頻率時鐘信號的輸出路數(shù)。
from clipboard
圖：時鐘驅(qū)動器功能示意
某些設(shè)備需要使用外部輸入的時鐘信號，而外部輸入的時鐘信號易被干擾，因此需要時鐘芯片除了具備將輸入時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鐘信號上攜帶的干擾，將輸出優(yōu)化為滿足后級需求的高性能時鐘信號。去抖時鐘可以在實現(xiàn)時鐘優(yōu)化的基礎(chǔ)上替代時鐘發(fā)生器和時鐘驅(qū)動器的功能，因此技術(shù)門檻極高，可以實現(xiàn)穩(wěn)定量產(chǎn)的供應(yīng)商極少，是時鐘芯片廠商主要競爭的領(lǐng)域。
from clipboard
圖：去抖時鐘功能示意
去抖時鐘的性能需求與數(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，時鐘信號的抖動只需要達到500fs-1000fs；當(dāng)傳輸速率增加到112Gbps時，時鐘信號要求提升至100fs。在5G通信基站、AI數(shù)據(jù)中心等通信基礎(chǔ)設(shè)施，都需要去抖時鐘保障符合5G等高速通信要求。不同應(yīng)用場景對時鐘輸出抖動要求也有所不同，消費類產(chǎn)品只要求達到3ps，而基站則需達到100fs，要求最高，因此芯片設(shè)計難度也最高。
圖：SerDes接口對時鐘芯片的要求
若需要與上游設(shè)備信號進行同步，則需要時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)備間的時間同步信息，保障系統(tǒng)時間精度。與去抖時鐘一樣，時頻同步芯片技術(shù)門檻極高，可以實現(xiàn)穩(wěn)定量產(chǎn)的供應(yīng)商極少。
03、時鐘芯片全球市場規(guī)模超百億
根據(jù)Market Data Forecast的數(shù)據(jù)，2022年時鐘發(fā)生器、時鐘驅(qū)動器和去抖時鐘三類時鐘芯片（不含振蕩器、實時時鐘RTC等）的市場規(guī)模合計為20.3億美元，預(yù)計到2027年可達到30.2億美元。
數(shù)據(jù)來源：Market Data Forecast
04、基站等通信設(shè)備為時鐘芯片下游應(yīng)用*市場，AI浪潮拉動數(shù)據(jù)中心應(yīng)用快速增長
時鐘系統(tǒng)通常有兩種存在方式，對于系統(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)用場景，時鐘系統(tǒng)通常以集成的方式設(shè)計或封裝入SoC芯片中，如手機、智能手環(huán)等消費電子。而對于數(shù)據(jù)處理速率與準(zhǔn)確度需求較高的應(yīng)用場景，往往需要時鐘系統(tǒng)以獨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，一般會用到30顆以上的時鐘芯片。
截止2023年底，全球5G基站部署總量超過517萬個，其中中國5G基站總數(shù)達337.7萬個。在2024年達沃斯論壇期間，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，中國移動將從今年開始完善5.5G基礎(chǔ)設(shè)施，預(yù)計2026年底實現(xiàn)5.5G的全量商用。行業(yè)形成共識“2024年將成為5.5G商用元年”，5.5G應(yīng)用成為時鐘芯片基站市場新的增量需求。
據(jù)Omdia的最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)，盡管面臨歐洲市場退出的壓力，華為以31.3%的市場份額再次蟬聯(lián)2023年全球通信設(shè)備市場的冠軍。緊隨其后的是愛立信，市場份額為24.3%，中興通訊以13.9%的市場份額位列全球第四。此外，烽火通信2022年通信系統(tǒng)設(shè)備收入209億元，為中國市場第三大供應(yīng)商。
在新的時代背景下，中國通信設(shè)備供應(yīng)商兼具價格、技術(shù)、產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢，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)模已達百億級。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)商出海進程深化，通信設(shè)備核心器件—國產(chǎn)時鐘芯片也隨之開啟出海時代。
數(shù)據(jù)來源：Choice
數(shù)據(jù)中心服務(wù)器
服務(wù)器一般需要獨立的時鐘芯片產(chǎn)品，單臺服務(wù)器一般需要10顆左右時鐘芯片。
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，同比增長12%，2022年中國服務(wù)器出貨量約為448萬臺。
根據(jù)IDC數(shù)據(jù)，2022年浪潮服務(wù)器市場份額達到28.1%，新華三市場份額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立運營）市場份額為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)時鐘芯片方案。
數(shù)據(jù)來源：IDC咨詢
值得一提的是，根據(jù)機構(gòu)調(diào)研預(yù)計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2024年鯤鵬服務(wù)器營收將實現(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)級數(shù)據(jù)中心采購預(yù)算優(yōu)先轉(zhuǎn)向更高價位的AI服務(wù)器。根據(jù)MIC及Trendforce測算，2023年全球AI服務(wù)器出貨量逾125萬臺，同比增長超過47%，2024年將增長至194萬臺。IDC預(yù)測，到2027年中國AI服務(wù)器市場規(guī)模將達到164億美元。2024年，隨著AIGC逐漸走向應(yīng)用，以及各個產(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)器市場需求將全面上升。
數(shù)據(jù)中心交換機
在數(shù)據(jù)中心場景中，時鐘芯片也廣泛應(yīng)用于交換機。
IDC數(shù)據(jù)顯示，中國交換機市場2023年同比增長0.7%，其中數(shù)據(jù)中心交換機同比增長2.2%。企業(yè)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心交換機主要由于互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)近兩年持續(xù)的頹勢影響投資，運營商數(shù)據(jù)中心交換機自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。
從市場競爭格局來看，交換機行業(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)著絕大部分的市場份額。國內(nèi)市場，華為和新華三占比合計超過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)模實現(xiàn)時鐘芯片國產(chǎn)化。
數(shù)據(jù)來源：IDC咨詢
05、時鐘芯片國產(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，占據(jù)著全球大部分的市場份額。目前國內(nèi)還沒有跑出一家時鐘芯片上市公司，作為一個百億級規(guī)模且強國產(chǎn)替代需求的市場，有機會培育出一家至少百億級市值的芯片公司。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現(xiàn)去抖時鐘等高端時鐘芯片批量供貨國內(nèi)通信行業(yè)前三大客戶。
過去，時鐘芯片的國產(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隊；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數(shù)萬人時進行研發(fā)驗證測試、系統(tǒng)性驗證和抗老化測試，通常時鐘芯片從客戶送樣到正式導(dǎo)入量產(chǎn)需要2-3年，一旦進入供應(yīng)鏈很難被替換；再次，客戶相對集中，前期需與頭部客戶進行深度預(yù)研以保證大規(guī)模量產(chǎn)；此外，時鐘芯片下游通信設(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)時鐘芯片企業(yè)的重大挑戰(zhàn)。