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金准产业研究 医疗信息化专题报告:互联网医疗首进医保 2019-08-22 19:04:54

前言

2019年6月《深化医药卫生体制改革2019年重点工作任务》强调2019年9月底之前完成互联网诊疗收费和医保支付相关政策的制定后,互联网医疗迎来行业新机会。

一、互联网医疗进医保即将到来,行业历史性变革!

1.1从“远程医疗”到互联网医疗,行业关注度再起

2018年以来,国家陆续出台多项政策鼓励“互联网+医疗健康”行业发展,互联网医疗行业热度从17年5月低点后逐渐恢复。

 

互联网医疗概念在15年后曾经受挫,18年4月《互联网+健康意见》标志互联网医疗新起点。2018年4月国务院公布“互联网+医疗健康“发展意见,重提互联网医院,允许以医疗机构为提供主体,把互联网医院作为医疗机构的第二名称。这是18年医保局成立后,互联网医疗行业再次受到关注的起点。

1.2政策明确:没有将互联网诊疗项目排除在外

19年9月互联网医疗进医保解决支付问题,互联网医疗历史性新机会。近期,2019年6月《深化医药卫生体制改革2019年重点工作任务》强调相关部门必须在2019年9月底之前完成互联网诊疗收费和医保支付相关政策的制定。

7月31日,国家医保局网站做出一进步解答:国家层面,对于医疗服务项目采取排除法管理,没有将互联网诊疗项目排除在外。随着互联网医疗的发展,国家医保局加强对各地的指导,支持各地医保部门根据基金承受能力,将符合条件的互联网诊疗项目纳入医保支付范围。

1.3互联网医疗支付方首次涵盖医保支付,从支付上鼓励行业发展

金准产业研究团队认为互联网医疗进医保,首次将医保纳入支付方,有助于扩大互联网医疗覆盖范围,具有历史性意义。于此同时,互联网医疗进医保意味着线上支付的最后一道壁垒“医保脱卡”即将攻破。

此前,无论是以轻问诊为主的医疗服务,还是以常见病、慢病复诊为主的互联网诊疗,都是通过自费或商业保险支付。只有部分省份(如贵州)深度贫困县患者可按常规医疗服务项目报销远程会诊、远程诊断等费用,报销比例在70%-85%之间。

2018年9月,国家卫健委明确互联网医院可以合规进行复诊,并开具部分常见病和慢病处方。这是国家层面上首次允许互联网诊疗并开具处方。

2019年6月4日国务院《深化医药卫生体制改革2019年重点工作任务的通知》,明确规定制定互联网诊疗收费和医保支付的政策文件,责任方依然为国家医保局,且强调在2019年9月底前完成。这是首次明确提出互联网医疗可以纳入医保支付。

医保支付有利于体现互联网医疗真正价值。如果医生在互联网上提供的服务不能得到合理的价值体现,医生的积极性就难以发挥;而如果没有合理的报销政策,很难引导患者充分利用便捷的互联网医疗服务,互联网医疗服务无法真正发展。

1.5首次实现真正意义的上的“医保脱卡支付”,扩大医疗线上化部分,互联网公司得以加大渗透

后续医保移动支付是行业痛点。患者在医院端就医经常需要花比抗病更长的缴费等待时间,尽管移动支付已经攻克了消费者涉足的绝大部分生活消费场景,但是其在医疗支付领域却面临着很大的难题。支付宝在《未来医院一周年服务数据报告》曾披露:“在合作医院——浙江大学医学院附属邵逸夫医院就医的患者通过支付宝未来医院进行结算的比例仅占2.6%。原因在于医保不能实时结算。”

医保无法“脱卡”导致医疗行为与与线下支付紧密绑定。1)目前的第三方支付大部分情况下只解决了个人自费部分,而无法对医保结算部分进行支付,导致医疗支付行为与“线下刷卡”行为长久绑定;2)“医保脱卡”与移动支付在技术上并不难实现,主要问题在于医院动力不足,且线上支付可能会助长冒名“盗刷”。

 

如上图所示,只有完成支付“线上化”的环境,互联网医疗才可以渗透参与,否则互联网医疗只能体现在完全自费部分。在完成“脱卡”后互联网医疗内涵将剧增。

二、预计互联网医疗进医保分三步走

金准产业研究团队预计“进医保”与“脱卡”将从医疗服务开始,在DRGs完善后逐渐拓展到药品流通环节,即将按照:互联网诊疗、互联网医疗服务、互联网购药的顺序逐步进行。

首先需要明确,互联网诊疗、互联网医疗服务、远程医疗有严格的管理范围。

2.1预计互联网诊疗最先纳入支付

金准产业研究团队认为,1)互联网诊疗将在9月首批进入医保支付范围;2)慢病、复诊续方进医保符合医院、互联网平台、患者利益三方诉求,同时在医保基金管理上相对容易;3)预计进入支付范围后,互联网诊疗使用率将大幅提升。

1)预计此次9月纳入支付范围互联网诊疗有两个严格要求:由符合要求的互联网医院开展;此前18年8月提到的互联网诊疗范围,即严格定义“部分常见病、慢性病复诊、家庭医生签约”。

符合要求的互联网医院:需以线下医院为核心。18年后,政策明确互联网医院定义:1、医疗机构为提供主体,医疗机构用互联网信息技术拓展服务时间空间;2、有实体医疗机构为依托的互联网医院。必须以线下医院为核心,线上线下统一管理,互联网医院的诊疗科目和执业范围要与实体医院的相符合。

符合要求的互联网诊疗:部分常见病、慢性病复诊、家庭医生签约。明确首诊必须在线下医院。

目前互联网医院已经逐渐建立,例如以线下医院为核心的邵逸夫医院,与纳里健康合办邵医(纳里)健康互联网医院平台;也有部分互联网公司选择自己开设线下医院,如乌镇互联网医院是微医自建的实体医疗机构。

2)慢病、复诊续方进医保符合医院、互联网平台、患者利益三方诉求,且对于医保基金相对便于管理

使用互联网医院管理复诊、慢病病人符合医院自身诉求。如何统一互联网平台与线下医院利益是长久以来互联网医疗难题。互联网医院希望扩大业务范围。然而医院希望减少门诊病人,专注于疑难杂症诊疗,但又不希望病人流失到其他医院。

在复诊、慢病管理上,医院与互联网平台商利益可统一。1)国家取消药品、耗材加成之后,药品、耗材已经从利润中心转为成本中心,利用互联网医院模式管理复诊病人,医院可以能降低药占比、耗占比,拓展收入来源;2)互联网平台商可以在线下医院为核心的政策大环境下,参与慢病、复诊管理分成。

 

慢病、复诊续方进医保符合患者核心需求。慢性病人群的特征是病程长,用药周期长且药量大,且部分病人存在行动不便。常见病复诊也存在类似问题。若可以通过互联网医院直接续方,病人可以减少线下反复就医行为,实现就近取药。

对于医保基金相对便于管理。相比于药品流通环节,普通门诊诊疗服务费用较少。且慢病、常见病复诊往往已经有较为成熟的诊疗体系与诊疗价格制定。理论上,若医院有较完整的电子病历建设,首诊后的复诊环境信息可追踪性强,便于医保基金管理。

3)进入医保基金支付将促进互联网医院建设,提升互联网诊疗使用率

截至目前,部分医院和区域卫生平台已经可以提供常见病、慢性病复诊(在线续方)服务。续方费用往往由医院与互联网平台共同确定,由病人自费支付(19年9月新政策出台前),并实现医院-互联网平台-医生分成。

目前这些平台使用率不足。如浙江省互联网医院平台上热度最高的医生咨询量仅69人次。金准产业研究团队认为原因有:1)平台上线时间较短,多数在19年后才开始上线,患者认知不充分,缺乏医患端的使用习惯培养运营;2)未明确支付方,以自费为主,部分年龄较高、慢病患者对于价格极为敏感。预计进入医保基金支付后诊疗服务在对于价格较为敏感的群体中使用率将大幅提升。

2.2轻问诊、远程医疗等互联网医疗服务预计部分纳入

预计图文资讯、电话咨询等互联网医疗服务费用、远程医疗、AI医疗是否纳入医保支付尚不明确,且各地会有差异。根据19年7月底文件,目前只明确未将“互联网诊疗”排除在医保支付外,因此金准产业研究团队认为互联网医疗咨询服务是否纳入医保支付尚不明确,且各地会有差异。

互联网问诊咨询更接近理想化的互联网医疗服务涵盖范围。理想化的互联网医疗服务模式即:足不出户,直接在线上完成挂号、诊疗、药品购买配送全流程,且享受医疗服务质量与线下医院完全一致,同时医保也可以完成线上直接报销。现阶段互联网诊疗直接将全部首诊排除在定义外,相比而言互联网问诊咨询距离理想化医疗服务模式更接近。

然而互联网问诊咨询服务长期以来存在难以管理等问题,且进入医保支付可能导致滥用。1)是否诊疗难以界定。尽管目前互联网医疗禁止进行首诊,但诊前健康咨询、健康管理与诊疗边界在实际应用中难免出现难以区分、界定模糊的行为(比如销售针对某种疾病的食谱);

2)若进入医保,可能会增加滥用医疗服务医保支付风险。相比于复诊、慢病管理行为,医疗问诊咨询出现动机更随机、无规律可循,且在线下首诊前往往无电子病历等信息供监管参考,问诊必要性与紧急性也难以考证。

尽管如此,金准产业研究团队认为部分非互联网诊疗项目会逐步纳入医保,可能通过设置当年账户支付上限加以管理;同时不排除随着支付体系的完善,互联网诊疗的范围将会扩大。

1)部分地区偏远、贫困地区的远程医疗:目前部分远程医疗支付已经纳入医保,但是具有地方性。江苏、贵州、甘肃、四川等省份全省或部分地区已出台远程医疗价格、报销等政策,然而价格制定各地并不相同3。预计9月后,对于远程医疗服务价格指导将更明确。

2)体检结果咨询、预诊、线下就诊前咨询等轻量级非核心服务具有需求强、服务价格低的特点,预计可能逐渐纳入医保,并可能通过设置当年账户支付上限加以总量管理;

3)部分常见疾病,如皮肤病等,不排除未来可以在线上首诊。

2.3预计互联网购药一段时间内无法完全纳入医保支付

定点药店+医保卡线下扫码取药模式已经出现。目前,部分试点城市定点医院、定点药房支持电子处方外流,并可以通过电子医保卡+第三方支付的形式线下扫码支付药费。

预计一段时间内非处方药互联网医保购买以区域内试点为主,全国打通的非处方药医保互联网购药需要解决医保跨区域结算问题。1)线上药店区域试点:例如黑龙江省、广东省广州市、安徽宿迁等率先开始试点,在本区域内可以在互联网定点药店,使用医保卡线上支付;2)医药电商区域试点:19年1月起,宿迁医保与京东打通,持有宿迁医保账户的居民可通过京东大药房直接在线购买非处方药,通过绑定医保卡,直接在线使用医保支付,无需线下刷医保卡。

预计一段时间内,纳入医保支付范围的处方药购买,仍将通过医保卡绑定在线下。药品“医保脱卡”与移动支付在技术上并不难实现,主要问题在于一方面医院动力不足,同时线上支付可能会使得冒名“盗刷”、非正规用药等“骗保”行为更加难以监管。

互联网诊疗慢病、常见病复诊产生的电子处方或形成突破口。2018年4月国家药监局《征求意见稿》称:“允许药品零售企业通过网络销售处方药,但应当具备与医疗机构电子处方信息实时共享、互联互通的条件,确保处方真实、可溯源。”预计未来网售处方药也将以电子处方为依据、处方保真为前提,因此,可以直接产生真实电子处方、且用药行为较为规律的慢病、常见病复诊可能率先形成网售处方药与医保支付的突破口。

不排除处方共享平台、DRGs、技术的发展打通医疗服务全环节。处方共享平台技术可以使医保报销系统、药监监管系统、人口健康信息平台对接,从而完成电子处方流转、电子病历信息核查、药店数据监管等功能。

而实现DRGs管理后,医保支付更加规范且有迹可寻,医保脱卡支付也可能在在药品流通环节也打通,这将使得互联网医疗涵盖范围更加完整。

总结:我们综合分析是否便于监管,是否符合多方诉求等因素,认为互联网医疗纳入医保支付将按照:互联网诊疗、互联网医疗服务、互联网购药的顺序逐步进行。

三、四类上市公司重大机会!

金准产业研究团队认为,互联网医疗进医保,将有以下四类计算机公司受益:1)帮助线下医院建立互联网医院的平台运营商;2)地区性区域卫生平台运营商;3)提供医疗咨询、保险等服务的互联网企业;4)政府医保相关信息和服务商。

3.1线下医院为核心的互联网医院平台运营商

卫宁健康:互联网医院4年探索,医+药全流程打通,互联网诊疗进医保核心受益

截至2018年末,卫宁已经形成:医、药、支付、保险,四大业务为核心的互联网创新业务板块。

云医(纳里健康)是互联网医疗核心业务。创新业务中,纳里健康主要进行医院/智慧卫生平台/互联网医院建设运营,它同时对接了医院、患者,是线下医疗核心切入口,向上连接社保、商保、第三方支付,向下连接“药联体”、“医联体”导出电子处方、电子病历。尽管这一业务目前收入占比不高,但未来空间弹性大,且具有承上启下的战略意义。

2019年以前,平台建设为主的云医院/智慧卫生平台的1.0/2.0时代。2019年以前,公司云医业务以参与云医院/智慧卫生平台建设为主,后续运营收入较少,2018年公司云医业务中,平台建设收入:平台运营收入=7:3。

2019年后,云医业务进入互联网医院平台运营的3.0时代,纳里3.0是互联网诊疗进医保核心受益者!2018年8月《互联网诊疗管理办法》后,互联网医院可行的模式明确,公司基于4年行业积累,迅速推出2款具有代表意义的互联网医院产品:

1)邵医(纳里)健康:

相比于其他互联网医院,邵医(纳里)健康有以下特点:a)围绕线下的浙江省邵逸夫医院建设,线上医生都在邵逸夫医院就职,线上线下统一管理,b)提供包括在线续方在内的多种互联网医疗服务,c)纳里健康深度参与运营,提供包括智能辅助诊疗系统优化、病例质控、医生上平台培训、来院患者平台使用指导等多种服务。

纳里健康实施的邵逸夫互联网医院获得政府部门高度认可。国务院深化医改小组简报专门刊发了《浙江省邵逸夫医院探索“互联网+医疗服务”新模式提升医疗服务和医院管理水平》经验做法,并向全国转发推广。具有标杆意义。

2)浙江省互联网医院平台

2019年1月,纳里健康与阿里健康深度合作,以技术手段支撑全国首个“服务+监管”一体化的互联网医院平台在浙江省正式上线,目前已经连接超过40家二乙以上线下医院,上线通过验证的医务人员超过9000人,预计截至19年底将有超过100家医疗机构上线.

浙江互联网医院平台后端连接的就是各个医院的互联网医院平台(类似邵医健康模式),可以实现诊疗、咨询、购药三大环节。预计在互联网诊疗进入医保后,该平台上互联网诊疗可以使用电子医保卡支付,直接产生电子病历,并共享至浙江省定点药房,患者可以直接在线下药房就近刷医保卡购买处方药(未来不排除会有部分慢性病、常见病复诊处方药可以在线上完成购买),大幅简化就医流程。

目前云医主要有两种盈利模式:

1)平台建设,收取一次性的信息化建设费;

2)平台运营:1.0/2.0产品收费主要是向三方协作平台,收取数据接口费,预计体量较小,一般后续年度运营年费在建设费的20%-30%左右;

3.0产品参与互联网医院运营,可以直接参与诊疗费、咨询费等互联网平台收入分成(C端患者向互联网医院支付费用,一般线下医院与IT运营商按照8:2分成),同时产生电子处方,将药品需求导流至院外(处方药至定点药店,非处方药至药联体平台等),向院外方收取分佣;3.0产品前期建设收入较少,主要依靠后续运营收入,一般在建设完成第二年后开始逐渐产生运营收入。

纳里健康收入测算。由于互联网医疗业务尚处于早期,包括平安好医生在内的互联网企业以用户数、ARPU值、收入作为核心指标,短期内利润不做第一考核;因此我们也对纳里健康收入进行大致测算。

预计互联网诊疗进入医保支付会对互联网医院建设进度与年运营收入从20、21年起产生正向影响。由于政策尚不明确,只做大致测算。如下表,假设互联网医院建设进度在新政策后提速,19、20、21年累计建成医院数65、100、130家增长为90、150、200家,单家医院运营收入从850、950、100万元/年,增长为900、1000、120万元/年,则测算云医整体收入将从0.84、1.3、2.1亿元上升至0.96、1.8、3.4亿元,由于运营收入具有滞后性,因此新政对云医业务收入将从20、21年开始产生正向影响。

除了云医业务明确可在互联网诊疗、电子处方共享受益外,支付、云药、云险业务也将间接受益。会在政策明确后作出进一步测试。

此外思创医惠、和仁科技、东华软件都在互联网医院方面有所布局。

3.2打通区域卫生平台闭环的健康城市运营商

创业慧康:健康档案管理+电子处方流转+药联体,打通区域卫生平台运营闭环

公司互联网医疗业务从互联网医疗服务、互联网医院建设、健康城市运营等多方面开展全方位布局。一方面为线下医院建立互联网平台,包括复旦金山医院、上海东方医院等;同时在传统优势区域卫生信息化的基础上,建立健康城市运营平台。2019年起,“健康中山”运营平台正式进入后续10年特许数据运营期,并与自贡市签订运营协议,预计未来城市运营模式有望继续拓展。

以政府为主导,以区域卫生平台为核心,打通医院、健康档案、处方外流、药店的闭环体系已有成功先例。2017年5月,梧州市红十字会医院率先搭建处方信息共享平台,将区域内绝大部分的医疗机构和药店纳入生态体系,2017年11月份,标杆医院梧州市红十字会医院每天1/7处方可以通过共享平台进入药店,全市共开出2万余张共享处方,占医院门诊处方的11%。

中山项目已实现9大运营内容,预计随着未来电子处方增加,药厂导流变现模式出现增量。目前,中山模式已经开始实现运营期支付服务类、药品服务类、健康服务类、导流导购类、数据产品类等9大类运营服务内容,后续将会增加“互联网+护理服务”云平台。

具体变现模式包括1)按人口数收取的年IT运维收入;2)第三方支付流量返佣;3)处方外流平台基于产生的增量和药厂收导流费用;4)商保快速赔付,按笔收查询费。

预计年运营收入在2000万元以上,并将随着互联网医疗进医保,支付流水、电子处方数都将上升,从而带来更高的年运营费。

此外万达信息等也在区域卫生平台端有所布局。

3.3提供医疗咨询、保险等服务的互联网企业

平安好医生:互联网问诊服务5年积淀,商业保险背景,长期最具竞争潜力

平安好医生是全球最大规模的互联网医疗健康平台。核心业务为在线医疗健康服务,包括家庭医生服务、消费型医疗服务、健康商城以及健康管理和互动,截至19H1,总注册用户达到2.89亿,月活用户6270万,19H1平均付费转化率达到3.7%,日平均问诊量65.6万。

医疗团队与AI配合,线上医疗咨询5年积累。平安好医生通过自有医疗团队搭建与AI技术融合的方式提供高效线上问诊服务,截至2018年底,公司自有医疗团队达1,196人,体外签约合作外部名医(均为三级甲等医院副主任医师及以上职称)5,203名,目前日问诊60万体量内95%以上在线咨询由人工智能辅助自有医疗团队完成。

在具体问诊时,先通过AI进行信息收集和初步判断,包括患者年龄、性别、过敏史、疾病史、症状、患病时间等,之后基本由医师和医疗助理团队介入进行进一步问诊,提升效率。

互联网运营模式相比线下医院核心模式有更高的咨询回复效率。目前以线下医院为核心的互联网医疗模式,其线上平台医生为线下对应医院专职医生,让门诊和专科医师在空余时间进行回复,问诊效率和体验常常无法得到保障。而平安好医生的AI问诊系统和全职医师能够时刻满足用户的看病需求。

探索问诊、商保、健康商城融合的多元模式,通过会员制变现。除高效的问诊外,平安好医生还提供包括咨询完毕直接配药购买,安排复诊等回访服务,流畅的问诊、处方、送药流程有助于增强用户粘性和付费率。此外,好医生通过深化与平安集团的合作,推出199元/年的“就医360”会员计划,提供涵盖预防、就医到康复的全流程医疗健康会员服务。因此,尽管短期预计咨询服务费无法全部纳入互联网医保支付,但看好长期医保支付范围扩展后的规模效应与商保会员计划变现提升。2018年,平安好医生与商业保险合作的会员产品服务超过100万客户,贡献收入超过2亿元,占家庭医生业务整体收入近50%。

3.4政府医保相关信息化服务商

久远银海:专业的社保支付IT信息化服务商,分享支付系统更新10亿建设机会

起步于民生信息化,人社部社保核心平台创立者与主研平台。久远银海从1998年开始成为人社部战略合作伙伴,2002-2017年,受益于金保工程建设业务体量不断扩大,是同时参与了金保一期、二期总体设计、规划立项的2家企业之一。

医保局成立后医保基金支付系统更新需求,19年5月国家医保信息平台招标结束。医保局成立后,原属于人社部等机构的城镇职工/居民医保支付管理职能合并,需要对原有平台进行升级整合。目前国家级平台已经招标完毕。久远银海及创业慧康、易联众作为联合体中标基础信息管理子系统、医保业务基础子系统、应用支撑平台子系统,该部分为整个医保局信息系统中台。

后续各省、市医保局端将升级建设,预计空间14亿,预计20年为招投标高峰期。在国家级医保平台建设完成后,金准产业研究团队预计各省、市医保局也将产生新的医保信息化需求,城镇职工/居民保险此前属人社部管理,医保局作为独立的机构部门,有独立的预算体系,需要新建或升级医保平台。目前医保基金控费需求较为迫切,预计19年底-20年将进入核心系统招投标高峰,并在2021年逐渐建设完成。预计省级平台建设费用在1000万元左右,市级平台在300万元左右,整体建设空间约14亿。

城镇职工/居民保险一脉相承,预计久远银海市占率达到1/3,2020-2021年为建设收入高峰。久远银海曾经参与人社部“金保”顶层设计与建设,其中包含城镇职工/居民医保系统建设,覆盖约100地市级客户,市占率仅次于东软集团。金准产业研究团队预计未来的新医保核心系统建设,公司仍将维持此前市占率水平。即公司整体建设空间有望达到5亿元,按照2018年收入8.64亿计算,即带来当年收入60%增量弹性。

 

金准产业研究 华为鸿蒙操作系统全景解构 2019-08-21 19:00:13

前言

华为发布的基于微内核的全场景分布式鸿蒙操作系统,移机方舟编译器开源,从技术角度看,操作系统作为管理分配硬件资源、实现应用软件功能的重要载体,技术含金量之高决定了其”金字塔尖“的地位。从生态角度看,操作系统厂商更是相应产业生态的主导者。鸿蒙操作系统的推出,对华为、对我国自主可控进程的意义不言而喻。

一、七年沉淀,发力“鸿蒙”

1.1 ICT 领域之“大脑”,得系统者得天下

操作系统(OS,Operating System)是管理计算机软硬件资源的“大脑”。常见 ICT系统包括硬件和软件两部分,软件又可分为操作系统软件和应用软件。其中操作系统是介于硬件和应用软件之间的一层重要部分,是管理分配硬件资源、实现应用软件功能的重要载体。

操作系统在 ICT 领域扮演重要角色,其作用可从技术、生态两方面佐证:

技术角度看,操作系统在程序运行的过程中起重要作用。 一般而言,软件程序的运行需要四大要素:程序设计语言、编译系统、操作系统、指令集。粗略理解:1)程序设计语言是编程的工具基础,包括常见的 C、C++、Java、C#等;2)编译系统的作用是将编写好的程序语言“翻译”成机器能够识别的二进制码;③操作系统是调度资源、执行程序的“大脑”;④指令集则决定了程序以何种方式来执行。

可作以下类比:硬件相当于高速公路、铁路等基础设施资源,软件相当于驾驶员/旅客,而操作系统则相当于各种类型的交通工具。汽车、火车等交通工具借助公路、铁路等基础设施得以行驶,驾驶员/旅客在交通工具上方能到达不同目的地。操作系统则是向下对接硬件,使硬件资源的存在有实际意义,同时向上承载各类应用程序,得以实现各种应用功能;编译系统在程序运行的过程中,起到方向盘或导航仪的作用,将驾驶员(软件)的操作(程序指令)转化为车辆的位移(机器语言)。

 

操作系统在程序运行的过程中起重要作用

生态角度看,总结 Win-tel 与我国自主可控历程,操作系统厂商处于 ICT 产业链的核心环节 。Win-tel 联盟下,微软股价随 Win95、WinXP 等版本的发布屡创新高。1980s 微软与英特尔组成 Win-tel 联盟,使得 Windows 系统搭配 x86 的 Intel 处理器成为 PC 领域的绝对主流,二者结合后,在软硬件版本迭代、生产、销售等环节协同,一时形成“双寡头垄断”的格局。1995 年 Win95 的发布首创了“桌面”的概念,使人机交互界面更加友好;Windows XP 的发布进一步稳固了微软在操作系统领域的领先地位。

 

Win-tel发展历程

尽管芯片是 ICT 生态的底层核心,但 Windows 背后庞大的应用生态决定了微软对芯片商有较高话语权。微软于 2018 年公布 Win10 操作系统已拥有 3500 万个应用、超 1.75亿个软件版本,支持 1600 万个硬件/驱动组合。微软三十余年积累海量开发者,拥有庞大的应用基础,因此对芯片架构的选择拥有一定话语权。在 x86 以外微软已针对 ARM 架构推出新一代操作系统,英特尔以外的芯片商将受益 Win 生态的拓展。

另外,ICT 领域自主可控不仅体现在以芯片为代表的硬件层,更需要操作系统带动生态可持续。“基础软件的短板主要在操作系统,芯片的短板主要在 EDA(电子设计自动化)设计工具等领域”。芯片层的创新与投入一直是产业与资本的关注重点,但持续研发需要商用以及操作系统带动应用软件同步推进,如果没有商用阶段的现金流再投资,则芯片层的创新难以持续迭代。

 

国内已出现一批商用操作系统,且初具生态

1.2早期鸿蒙雏形 LiteOS 就已体现华为发力 IoT

华为“鸿蒙”概念的公开时点虽受到外部环境影响,但实际已积淀大量商用经验。鸿蒙操作系统的发布时点体现重大意义,但并非是“从无到有”的过程,2012 年华为就已开发物联网操作系统 LiteOS,并在可穿戴设备、智能家居、车联网、LPWA 等领域应用,是鸿蒙操作系统的雏形。

LiteOS 解决物联网应用成本、连接、安全三大痛点,体现华为早期就已探索布局 IoT领域 。

1)低成本、低功耗。物联网需要海量终端接入,且大多数边缘设备为小型化、可移动,因此对续航能力与单位成本提出较高要求。LiteOS 内核小于 10k,同时通过 MCU 和通信模组二合一的 OpenCPU 架构,能够显著降低终端体积和终端成本。且超低功耗,甚至 1 节 5 号电池可工作 5 年。

2)连接多样。物联网终端在不同场景下需要不同形式的网络连接,尤其进入到 5G时代后,对系统的连接性能和兼容性要求严格。连接拓展性能强,支持 6LoWPAN、WiFi、BTE、Zigbee 等多种协议,且设备间可以自组网、自发现、互操作,能够满足物联网应用的不同连接需求。

3)安全。物联网边缘计算需要“云”+“端”协同,互联互通后数据泄露成为物联网系统的重大隐患。LiteOS 以极小体积的内核实现了双向认证、差分升级、DTLS/DTLS+等机制。

 

LiteOS 众多特性表明该系统专为物联网设计

金准产业研究团队预计,未来成熟商用的 LiteOS 将逐步融入鸿蒙操作系统,逐步增强鸿蒙生态的多终端开发能力。在鸿蒙之前,华为已形成 HiLink(连接标准)+LiteOS(操作系统)+芯片(算力)的IoT“三件套”体系。在这一体系下,华为 2C 的智能家居、智能手机、手表手环等设备出货量已累计超过 2 亿件,2B 的水电表、摄像头、单车等设备出货量已累计超过 1 亿件,拥有成熟稳定的商用方案。进一步 LiteOS 与鸿蒙结合,将在 IoT 领域形成强大合力。

 

华为已形成 HiLink+LiteOS+芯片的 IoT“三件套”体系

二、两大核心要素 :微内核、方舟编译器

鸿蒙从设计之初就为多终端(如边缘计算 IoT、服务器等)而生,微内核、方舟编译器作为鸿蒙操作系统生态的两大核心要素。

微内核乃操作系统的一种结构形式,将系统实现各功能的模块化,更灵活,易于拓展、易于维护与更新迭代;编译器可视为人与机器的“翻译”,将人的程序语言翻译给计算机可理解并执行,是人与计算机之间实现沟通的桥梁。

 

微内核、方舟编译器是鸿蒙生态的两大核心要素

华为 10 年来在编译器与系统内核的布局演进,已经为鸿蒙操作系统和进军物联网做好了充足的铺垫。

 

华为 10 年布局多终端系统,为进军物联网做好铺垫

2.1鸿蒙微内核从底层即为物联网设计

微内核与宏内核相对应,是操作系统的一种结构形式。操作系统的核心功能包括文件系统、内存和 I/O 设备管理、CPU 调度等,宏内核即指操作系统将上述功能全部“打包集成”在内核里,不同的功能模块之间耦合度高,所以具有高效率的优点,代表系统包括 Linux、Unix 等)。微内核则将系统分为各个小的功能模块,仅将最核心的调度、内存管理功能保留在内核中,驱动、文件系统等以“外部模块”的形式与内核连接,相应的优势是易于拓展、易于维护与更新、稳定性高,代表系统包括 Windows、Mac OS X 等。

微内核更适应复杂的程序功能,且能够更灵活地移植至不同硬件平台。微内核仅在操作系统的内核中保留最基本功能,大大降低了内核的开发难度;分布式思维,将非核心的程序和模块隔离在内核之外,因此当单一程序出现错误时不会影响系统整体功能;同时,微内核相比宏内核更易于移植,开发、更新周期也得以缩短。

仿照第一部分,同样可作以下类比:若操作系统类比为车辆等交通工具,则不同内核结构相当于车辆的不同定制方式。宏内核相当于商用整车,而微内核则类似支持深度定制车。在行驶过程中,商用整车虽整体运行效率高,但如果某一部件出现故障,则需要专人、同款备件才能维修;而定制车的很多模块可替代性本身就非常强,且能够通过简单改装在不同路况下行驶(不同硬件环境)。

 

微内核在结构形式上比宏内核更扁平化,也更灵活

鸿蒙微内核从底层即为物联网设计。上述可知,微内核的最大特性是仅在内核中保留最核心功能,因此对于鸿蒙而言:连接实时性更好(响应时延降低 25.7%、时延波动率降低 55.6%),同时结合 5G 低时延场景,尤其适用于工业控制、智能交通等物联网领域;可以做到故障隔离,最大程度保证系统的稳定性与安全性,在 5G 超多连接场景下更能满足万物互联的要求。

鸿蒙微内核体现分布式的特点,解决 IoT 生态协同的痛点。目前已有操作系统基本只对应于某一种硬件,如 Windows 对应 x86 PC、iOS 对应苹果手机等。但 IoT 时代终端种类数量极大拓展,难以针对每种硬件分别开发操作系统或应用程序,不同硬件终端的生态无法共享协同,开发效率低。而鸿蒙实现了硬件解耦,即可针对应不同设备进行弹性部署(例如智慧屏、穿戴设备、车机、音箱、手机等)。同时创新的分布式软总线使得拥有不同功能的硬件可以彼此协同。

例如:传统的相机、电视、音响等设备原本相互独立;但在鸿蒙的分布式软总线下,这些设备被“虚拟化”成摄像模组、显示模组、外放模组,并成为有机整体,用户无需另行设置即可按需调用各种功能,硬件终端之间形成相互协同。

 

未来基于微内核的鸿蒙操作系统将广泛应用于 IoT 领域

微内核是 IoT 操作系统演进方向,鸿蒙微内核之效率、安全性业内领先。一般微内核系统,由于驱动、文件系统等进程被外置,各模块之间的通信需要经过内核“搭桥”,因而效率往往比宏内核要低。但鸿蒙微内核对进程间通信进行了高度优化,使得鸿蒙相比QNX、Fuchisia 效率提升 3 至 5 倍3。此外,由于微内核的代码数量远远少于宏内核,因此鸿蒙能够以对每行代码进行充分的“形式化”的安全验证,显著提升了内核安全性。

2.2方舟编译器是鸿蒙的取胜关键

方舟编译器最早系华为于 2019 年 4 月在 P30 系列手机发布会上公布,但实际积淀十年,定位是多终端系统。华为早期表示方舟编译器将大幅提升手机端安卓系统的运行效率,而开发编译器其实是协助鸿蒙操作系统更深层次布局边缘计算、服务器等领域。

对传统编译器而言,编译时点、跨语言编译是制约应用程序执行效率的瓶颈。应用程序的执行要经过字节码到机器码的转换,程序员在编程时使用上述 C、C++、Java、C#等程序语言,但硬件的执行逻辑是基于 0 和 1 的二进制。因此要让硬件能够“读懂”指令,就需要编译器把“程序语言”转译成“机器语言”。

1)编译时点:根据编译器工作时点的不同,编译方式可分为两种,但执行效率仍有提升空间。一种是“边执行、边翻译”,程序调用了某一句指令,编译器就实时将其转译为二进制码(早期版本安卓使用该方案,程序执行效率低下);另一种是引进高性能虚拟机(在安卓系统中为 ART,即 Android Run Time),在程序安装时或系统空闲时就提前将代码转译完毕,进一步提升了程序执行效率,但新的问题在于程序安装时间长。

2)跨语言编译:程序往往使用不同语言编写,对编译效率产生较大影响。例如采用Java 和 C/C++等多种语言混合开发的应用程序,在运行时需要借助通用接口来协调不同代码(即 Java Native Interface,JNI)。通用接口需要占用硬件资源,同时不同代码的协调本身就低效,所以传统编译器下跨语言应用的执行效率较低。

方舟编译器对以上两大瓶颈的解决方案是:将编译过程提前至开发者环节。在安卓的体系下,一些复杂动态语义的编译仍需交由虚拟机完成。方舟编译器开发团队通过梳理 Java的动态语义,进行了大规模的数据建模,尤其是在跨语言编译时,大大提高了动态语义分析的精度;另外,华为设计了一套具有核心专利的动态语义匹配机制,有效降低了运行时动态语义的开销。最终结果是,方舟编译器能够在应用程序执行之前,就将 Java 代码编译成机器语言,极大释放了硬件资源,这一点对于多终端尤其是物联网边缘计算而言尤为重要。

方舟编译器对开发者友好,利于形成良好生态。过去安卓等系统避免在开发者环节涉及编译,一大原因是为了降低开发难度,开发者只需完成代码编写即可,而无需考虑如何跨语言编译。但方舟方案下将编译过程提前至开发环节,并不增加开发者负担,相反开发者还能通过方舟预置算法进行代码优化,还可自行开发代码优化算法,未来代码优化甚至有可能迁移至云端。开发环境友好是鸿蒙搭建良好生态的重要因素。

对于方舟编译器,也可类比如下:过去 ART 虚拟机搭配安卓系统,相当于经验丰富的司机驾驶传统的手动挡汽车;而方舟编译器搭配鸿蒙操作系统,则相当于搭载了 L4 级别自动驾驶的车辆,车辆行驶可以随时根据车况、路况灵活调整,保证所有乘客的乘车体验均为最佳。

兼容 Java 和 C、C++等多种语言增强了鸿蒙即战力,并与自有麒麟、鲲鹏等硬件架构协同,形成类似 Win-tel 的软硬件格局。

 

华为 IoT 已形成类似 x86 领域成体系的芯片家族

因此综合微内核、方舟编译器两大要素看,鸿蒙生而为物联网设计,并非单纯以手机操作系统为主要阵地。一方面,对于华为成熟的手机业务而言,做系统容易,但建生态难,当前安卓和苹果已构建了几乎不可打破的生态系统,在条件允许的情况下继续使用安卓对于华为是一种资源节约。

进一步更通俗地解释:对于开发者编写的不同程序,只需经过方舟编译器的处理,鸿蒙操作系统即可顺利执行;且微内核下的鸿蒙可移植于不同平台。这样的系统特性天然适配于物联网时代的海量终端与海量应用。

三、5G+IoT 时代的苹果

苹果曾是 3G、4G 移动互联网时代成长的新兴巨头,回顾苹果的崛起路程,在生态、硬件、先发优势+持续创新三方面体现优势。

1、生态。在苹果之前,微软曾于 1996 年发布可运行于手机的 Windows CE 操作系统;塞班于 2001 年发布 symbian S60 操作系统,一度获得诺基亚、三星、索尼爱立信、摩托罗拉、西门子等众多手机大厂支持,但由于 symbian 系统对开发者不友好、内核臃肿,在3G 时代到来后苹果抓住移动互联网的机会推出iOS,并搭建拥有高质量应用的 AppStore,强大的开发者生态不断增强苹果公司的生命力 。

2、硬件。相较之前的手机品牌,苹果拥有体系完整的硬件产业链,且在上下游拥有极强的议价能力,并在手机之外推出 Macbook、iPod、iPad 等产品,不断拓宽硬件“能力圈”。在优质生态的基础上,紧密的硬件产业链一方面可以提升公司盈利能力,另一方面软硬协同也极大提升了方案本身的使用体验。

3、 先发优势+持续创新。通过良性循环的生态+软硬件协同形成护城河之后,苹果不断前瞻移动设备领域的新技术、新应用,且能够持续迭代,逐步把持了行业的发展方向,最终成为移动互联网时代的一大巨头。

但随着 C 端移动互联网红利见顶,苹果在 5G+IoT 时代增长乏力。随着技术演进,苹果近年来也暴露出一些问题:生态不如安卓开源;核心硬件受制于外部(比如基带依赖高通、英特尔);后续创新乏力(新款 iPhone 难言成功)。在 5G+IoT 时代,其他 ICT 厂商开始面临新的机会。

产业互联网新蓝海下,“华为之于物联网”可类比“苹果之于移动互联网”。 生态。鸿蒙与方舟编译器将开源,拥抱海量开发者。以手机端为例,方舟编译器与超过 40 个高质量 App 合作,明显优化 Android 操作系统的流畅度。在更广泛的 IoT 领域,方舟编译器支持多语言统一编译,也支持混合编程,实现“一次编程,多端使用”,极大降低了开发者负担(例如对于某款应用,只需要一次性完成代码,就可以适配于手机、电视、车机等多种终端)。因此借助方舟编译器,鸿蒙将搭建完善的 IoT 生态。

硬件。华为拥有强大 ICT 硬件基因,已推出从底层硬件到中间件、操作系统,再到到编译工具、应用软件的全栈软硬件方案。类比苹果产业链,华为内部已基本形成核心硬件环节的自研,例如新发布的前端昇腾 310+后端鲲鹏 920 的安防软硬标准化解决方案,又如自研基于鲲鹏 920 的 Taishan 服务器等全栈软硬件系统在山东移动 BSS 实现国产替代等。因此鸿蒙相比谷歌 Fushcia 等纯软件体现出硬件优势(苹果于 2019 年 7 月收购英特尔 5G 基带部门也体现自研芯片对系统生态的重要性)。

先发优势+持续创新。鸿蒙前身 LiteOS 早已推出,拥有商用经验和先发优势。物联网基础是网络,华为在 5G 领域的深厚积淀。例如,其于 2019 年初发布首款商用 5G 多模终端芯片 Balong 5000 和首款 5G 商用终端华为 5G CPE Pro。Balong 5000 在 Sub-6GHz频段实现 4.6Gbps、在毫米波频段达 6.5Gbps 的峰值下载速率,并支持 SA 和 NSA 组网,已经完全满足未来 5G 产业不同阶段的商业需求,相比行业标杆的高通 X50 已取得领先。华为 5G 技术的先发优势与持续创新是鸿蒙作为 IoT 多终端操作系统取得成功的保障。

操作系统意味着应用平台与流量入口。金准产业研究团队认为,上述从生态、硬件、先发优势+持续创新三方面看,拥有操作系统将帮助华为在物联网领域拥有更强话语权,将沿苹果在移动互联网时代的路径,成长为 5G+IoT 的巨头。

四、鸿蒙将完善华为 IoT 生态,催化产业进程

IoT 是华为在产业物联网时代的重要布局,华为主要聚焦于基础设施领域。海量低成本终端设备连接需要保证联接可管可控,且全网连续覆盖,以及端侧(终端)、传输、云端安全。华为多年深耕 ICT 基础设施,全栈软硬件保证 IoT 方案稳定性。据华为 2018 年全联接大会,华为物联网联接数超过 2 亿,每月增长 600 万联接,日均 API 调用超过 1.3亿,方案成熟度高。

鸿蒙操作系统与华为“云+端”芯片形成强大合力,形成杀手锏应用。华为优质网络设备是 IoT 的连接基础,连接获得了大量数据,但只有通过智能分析才能够形成杀手锏应用。华为已在云侧和端测拥有昇腾、鲲鹏、麒麟等芯片,具备强大算力,叠加鸿蒙操作系统高效、灵活的执行能力,将培育大量高价值应用。

车联网、智慧城市、工业是华为 IoT 的三大应用方向,目前三大应用成熟度各有不同,鸿蒙操作系统预计将在三大领域起催化作用。

车联网:快速兴起的 IoT 场景。当前车联网更多是实现车与路的主动协同沟通,逐步实现从辅助驾驶到自动驾驶,并做到大大降低成本。基于 C-V2X,华为已拥有完整的车联网硬件体系,具体包括芯片、OBU 盒子、RSU 实现路边感知设备、云端搜集数据和数据处理的 V2X 服务器等。金准产业研究团队认为未来终端的前装和后装市场、定位与地图(华为已获得甲级测绘资质,未来鸿蒙+巴龙 5000 芯片+高精地图具有想象空间)、后端数据处理(鸿蒙+Taishan 服务器+鲲鹏芯片的强大算力组合)将是重要的产业方向。

智慧城市:较为成熟,从互联网向物联网过渡。智慧城市是城市级网络接入、NB-IoT 广覆盖、低成本低功耗特点的体现,金准产业研究团队认为未来拓展方向包括智慧园区(鸿蒙+安防领域基于鲲鹏/昇腾的 Huawei HoloSens)、智慧家居(鸿蒙+基于鸿鹄 818 芯片的荣耀智慧屏)等。

工业:5G 提供新机会。工业互联网痛点之一在于网络连接,痛点之二在于行业Knowhow。网络连接的难题将在 5G 商用与网络切片推广后迎刃而解,华为将是网络基础设施的核心供应商;对于行业 Knowhow,鸿蒙强调搭建生态圈,且具备开发者友好的特性,利于培育不同垂直行业客户并积累经验。此外华为已面向各行业推出“华为云 EI 智能体”,华为云已拥有超过 100 万开发者和企业用户4,初步形成良性生态。

综上,鸿蒙操作系统的推出将对华为各业务板块产生积极作用,并推动 IoT 产业进程,预计华为产业链众多公司将受益。

结语

金准产业研究团队认为,华为创始人任正非曾在接受法国媒体采访时详细介绍了鸿蒙操作系统。他表示,鸿蒙系统的处理延迟小于5毫秒,将完美地适应物联网,还能够应用于自动驾驶。现在,随着华为在全球开发者大会上正式发布鸿蒙系统,鸿蒙操作系统的神秘面纱也已被揭开。作为一款微内核面向全场景的分布式操作系统,鸿蒙诞生之初似乎就是为了物联网准备的,但是,一款操作系统的成功与否最重要的还是生态系统的搭建,未来,华为若想不负众望,在5G万物互联时代搭建起强大的生态系统,成为5G+IoT 时代的“苹果”,还需要加倍努力。

 

金准产业研究 全球半导体周期的60年兴衰史研究报告 2019-08-20 17:45:08

前言

我国大陆的半导体产业总体处于起步阶段,从现状来看发展状态接近于我国台湾,但未来发展路径可能更加接近韩国。当前我国半导体产业迎来三大发展机遇:(1)近 10 年以来,受制于材料的限制,摩尔定律一定程度上有所失效,但这给了我国技术追赶的时间窗口;(2)今年下半年以来日韩贸易摩擦有所加剧,日本半导体强于材料,韩国半导体强于存储,借此机遇,我国或加快从日韩的技术引进;(3)新一轮 5G 技术革命有望开启,而我国在 5G 领域在全球处于领先地位,下游终端设备对于半导体的潜在需求增长或进一步拉动国内半导体产业的升级。

上一轮技术革命核心则是基于计算机和互联网的革命,在整个过程中,以美国为主导涌现了一批高速成长的优秀科技龙头,如英特尔、德州仪器、微软、谷歌等。在这两轮的技术周期中,半导体是承载着技术的底层基础硬件。复盘两轮技术周期的关键节点:1958 年德州仪器设计出第一款 IC;1971 年的英特尔推出第一款处理器;1980s 英特尔推出第一款通用 MPU;1990 年代的互联网革命开启,2000 年开始的新一轮通信技术革命加速;2010 年 4G 带来的移动物联网时代;以及当前(2020s)即将开启的 5G 物联网时代,大约每经历一轮 10 年的周期,就迎来一项新的革命性技术,金准产业研究团队认为这背后的核心是基础硬件半导体技术和性能的推动,而半导体摩尔定律的运动则是贯穿技术革命的始终。在当前我们沿着半导体这条线索,研究上一轮互联网革命下的科技龙头的崛起以及科技股的轮动规律,试图推演 5G 时代技术路径的演变以及科技行业的轮动。

一、全球半导体产业的四次转移及其背后动因

半导体涵盖类别非常广泛,实际用途多样化,因此,为了更好的理解半导体产业链,首先需要区分不同类型的半导体及其技术壁垒。半导体产品按技术重点的不同可以分为三类:(1)以制造工艺驱动的产品,主要包括存储器、微器件,这类产品的发展主要依赖于先进的工艺技术;(2)以电路设计驱动的产品,主要包括逻辑器件、专用半导体、通信和消费类产品,这类产品的发展更多依赖于设计;(3)以器件物理驱动的产品,主要包括类比器件、高频率器件、分立式器件,器件物理方面的进步则是这些产品发展的关键。事实上,这三类半导体技术壁垒或有高低,其中设计驱动的产品壁垒最高,基于工艺的半导体次之,物理驱动的产品壁垒相对较低。

1.1起源:美国最早实现半导体技术的原始积累

美国贝尔实验室完成半导体技术的原始积累。美国的半导体的发明最早是由军方推动的,第二次世界大战后,为弥补真空电子管体积大、功率小的弊端,美国政府支持贝尔实验室,成立了固态物理研究部门。贝尔实验室是工业界少有的几个研发(R&D)机构,其母公司阿尔卡特朗讯每年销售额的 11%~12%(约 40 亿美元)作为贝尔实验室的研发经费。1947年 12 月,贝尔实验室发明了世界第一个接触型锗三极管;1948 年 1 月研发了双极型晶体管;1951 年,西方电器公司开始生产商用锗接点晶体管;1952 年 4 月,西方电器、雷神、美国无线电等公司,生产商用双极型晶体管;1954 年 5 月,第一颗以硅做成的晶体管由德州仪器公司开发成功,与此同时,利用气体扩散把杂质掺入半导体的技术也由贝尔实验室和通用电气公司研发出来;1957 年底,美国不同部门已制造出六百多种不同形式的晶体管。1958 年,美国的德州仪器公司(TI)用 MESA 技术发明了第一款 IC,这意味着基于半导体的技术革命由此开端。

资金和人才是波士顿成为半导体产业发源地。半导体研发需要大量资金和人才,波士顿拥有哈佛、麻省理工等优秀的教育和人才资源,并拥有杜邦、美国电话电报公司等多家实力雄厚的大企业,二战时期政府把大量军事订单派发给波士顿半导体公司,提供了资金支持和市场保障。1958 年,为应对苏联发射成功第一颗人造卫星,美国政府设立了晶体管电路小型化专项基金,而军方订单和政府支持使波士顿的半导体公司的生产和研发能力大大提升,很快成长为行业巨头。随后这些企业不断兼并上下游企业,形成垂直型等级管理模式,拥有从技术研发到生产制造,再到市场推广一系列产业链。

微处理器的发明被誉为是跨时代的创新,开启了计算机和互联网的技术革命。1968 年,戈登摩尔和罗伯特诺伊斯在硅谷创办了英特尔公司,英特尔公司最初的产品是半导体存储器芯片。1969 年,英特尔推出自己的第一批产品——3101 存储器芯片,随后又推出 1101和 1103,存储芯片价廉物美,供不应求,它的诞生正式宣告了磁芯存储器的灭亡。1971年,英特尔开发出第一个商用处理器 Intel 44004,微处理器所带来的计算机和互联网革命,改变了整个世界。

英特尔通过不断创新发展,最终成为微处理器领域的绝对龙头。1965 年,英特尔的创始人之一摩尔提出了著名的摩尔定律(Moore's Law):当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔 18-24 个月便会增加一倍,性能也将提升一倍,英特尔以摩尔定律为准绳,通过不断创新追赶摩尔定律。1978 年,英特尔生产出了 16 位 8086 处理器,是所有 IBM PC 处理器的鼻祖。1981 年,IBM 为了短平快地推出 PC 产品,处理器直接采用英特尔的 8086,英特尔从此一举成名。1982 年,英特尔研发出与 8086 完全兼容的第二代 PC 处理器 80286,用在 IBM PC/AT 上。1985 年,康柏制造出世界上第一台 IBM PC兼容机,随后 PC 兼容机企业像雨后竹笋一样涌现出来,但是为了和 IBM PC 兼容,处理器都是使用英特尔公司的。1989 年,英特尔推出了从 80386 到奔腾处理器的过渡产品80486。凭借 80486,英特尔一举超过所有日本半导体公司,成为了半导体行业的绝对龙头。直至今日,英特尔仍然是全球微处理器领域难以撼动的龙头。

1.2发展:美国技术转移,战后日本半导体崛起

战后日本半导体产业的崛起首先依赖于国外技术转移。在上世纪 80 年代前,美国对技术转移不敏感,认为专利转让能让美国在没有时间和金钱的投资下获得丰厚收入,而日本的半导体技术正是抓住了美国技术转移的时代性机会窗口。二战后美国本土半导体市场增长快速,利润率远超海外市场,一些美国公司也看到了海外市场的前景,但不愿意冒高成本和风险去开拓海外,由于日本的贸易保护政策,很多美国企业放弃了日本市场,另一些则是通过出售专利逐渐渗透日本市场。在利用转化和提升引进技术过程中,日本政府通过政策支持、资金补贴和低息贷款大力支持半导体行业的发展。

 

1960s 日本技术引进情况大致梳理

美日贸易摩擦,日本开始自主研发存储半导体。20 世纪 70 年代初,日本半导体行业与美国差距明显,日本政府适时引入外资、鼓励合营企业,半导体企业逐渐增长。随后美国迫使日本开放其国内计算机和半导体市场,促使日本政府下决心自主研发芯片,1976 年,日本政府以 5 大企业(富士通、日立、三菱、NEC、东芝)为核心,联合日本工业技术研究院、电子综合研究所和计算机综合研究所共同实施“超大规模集成电力(VLSI)”计划,随后三年内,VLSI 研究协会共申请专利 1210 项并开发出 64KRAM 随机存储器,为其DRAM 芯片的研制打下良好基础。

受益于 PC 兴起,日本顺势跃居世界半导体强国。20 世纪 80 年代,英特尔公司成功研发“通用型 MPU”,将半导体产品市场从“专用型”推向“通用型”,为 PC 市场的发展提供了前提条件,随后 PC 市场不断扩大,DRAM 的需求也随之大幅提升,预先布局存储的日本顺势跻身集成电路强国之列,在半导体领域逐渐赶超美国,根据日本半导体协会数据,1986 年日本半导体行业在全球市占率上升至 65%,成为行业龙头。1988 年,日本产商控制了全球半导体市场 51%的份额,1989 年,日本电气、东芝和日立同时位居世界半导体产量前三名。

1.3扩散:美日贸易摩擦,韩国半导体趁势崛起

为稳定供应链,三星主动切入半导体领域。从上世纪 60 年代开始,韩国进入工业化时代,经济的高速增长及消费者收入水平的提高推动家电产品需求的上升,作为家电产品供应商,三星对半导体的需求随之增长,为了稳定半导体的供应,三星于 1974 年收购韩国半导体公司 50%的股份,初步进入半导体产业。受限于落后的技术,当时半导体的核心部件需要从日本进口。1977 年三星收购韩国半导体公司剩余的 50%股权,同时还收购了在韩国半导体行业处于领先地位的外企仙童公司子公司,获得其芯片加工技术,在半导体行业逐渐赢得一席之地。

三星的技术引进战略奠定了存储半导体研发的基础。80 年代初,为了适应需求结构的变化,拓展国际市场,三星转向国外技术引进战略。通过与外国企业的技术合作及在海外设立子公司,三星逐步掌握从装配过程、工艺开发到晶片制造和检验的芯片制造技术。1982年,三星从美国 Micron Technology 公司获得 64K DRAM 的技术许可,作为技术转让的一部分,三星派遣工程师赴该美接受培训,使得三星吸收许可技术的能力大大提高。1983年,三星电子在美国设立子公司,聘用当地的技术人员开发 64K DRAM,为公司的技术研发与前沿市场信息的获取提供支持。

 

1970s-1980s 韩国半导体公司的技术引进情况梳理

竞争对手限制,三星从技术引进转向自主研发。随着三星相继开发成功 64K、256K、1M DRAM 半导体产品,国外竞争对手开始采取措施限制其发展,三星很难再实施以前的外国技术导入战略,竞争环境的变化,迫使三星从外国技术导入战略转向并行技术自研的新战略。与此同时,韩国政府也逐步认识到半导体行业的重要性,并加大政策扶持力度,1986年,韩国政府推出《超大规模集成电路技术共同开发计划》,在政府的支持下,三星与现代电子、LG 电子合作成立开发半导体技术的国家研究开发小组,通过外聘技术人员和引进海外技术人才,三星在半导体领域迅速赶超欧美,跻身行业前沿团队。

财团模式+逆周期投资,韩国半导体取代日本。进入 90 年代,世界半导体行业整体下行,DRAM 逐渐通用化,依靠财团优势,三星加大投资和研发,通过引入大量 DRAM 设备实现规模生产形成价格优势并迅速抢占市场。90 年代中后期,三星电子“双向型数据通选方案”获美国半导体标准化委员会认可,成行业新标准,对日本半导体行业造成二次冲击,与之对应的是日本半导体产业研发投资额逐年下降,创新产品匮乏,日本半导体进入衰退期并逐步丧失龙头地位。最终,韩国取代了日本成为新的世界半导体产业重心。

1.4再分工:劳动力成本上升,制造部门向台湾地区转移

台湾半导体以代工起步,占据制造环节的领导地位。在上世纪 70 年代,台湾确定了以科技产业为核心的政策,扶持了众多科技公司,威盛电子、联电、富士康均在此期间成立,而台湾的电子产业相对完备,涉及手机、电脑、LED、电子组装等,整个产业链非常完善,相关公司众多,给了半导体企业发展和崛起的良好土壤。台湾为了支持半导体产业的发展,建立了世界上第一个由政府主导成立的科技产业园区——新竹科技产业园。

全球化分工更进一步,半导体代工模式兴起。台湾半导体企业起初专注于劳动密集型的封装环节,到 90 年代末期,随着全球贸易的进一步深化,我国台湾凭借相对廉价的劳动力优势(部分来自于大陆),以客户为导向的晶圆代工模式兴起,台积电、联电等台湾本土IC 代工企业崛起,给了半导体企业高速发展的源动力。此后,台湾半导体产业发展迅速,联发科和晨星做芯片、日月光专注于晶圆制造、精材科技做封装,逐步将半导体范围扩大到设计、制造、封装、测试等全产业链。

二、日韩半导体的发展启示

2.1背景:80 年代 PC 普及,90 年代互联网盛行

1946 年世界上第一台电子计算机问世,在此后的十多年时间内,由于价格很昂贵,电脑数量极少,早期所谓的计算机网络主要是为了解决这一矛盾而产生的,其形式是将一台计算机经过通信线路与若干台终端直接连接,我们也可以把这种方式看做为最简单的局域网雏形。

最早的 Internet,是由美国国防部高级研究计划局(ARPA)建立的。现代计算机网络的许多概念和方法,如分组交换技术都来自 ARPAnet。ARPAnet 不仅进行了租用线互联的分组交换技术研究,而且做了无线、卫星网的分组交换技术研究-其结果导致了TCP/IP问世。

1977-1979 年,ARPAnet 推出了目前形式的 TCP/IP 体系结构和协议。1980 年前后,ARPAnet 上的所有计算机开始了 TCP/IP 协议的转换工作,并以 ARPAnet 为主干网建立了初期的 Internet。1983 年,ARPAnet 的全部计算机完成了向 TCP/IP 的转换,并在 UNIX(BSD4.1)上实现了 TCP/IP。ARPAnet 在技术上最大的贡献就是 TCP/IP 协议的开发和应用。1985 年,美国国家科学基金组织 NSF 采用 TCP/IP 协议将分布在美国各地的 6 个为科研教育服务的超级计算机中心互联,并支持地区网络,形成 NSFnet。1986 年,NSFnet替代 ARPAnet 成为 Internet 的主干网。1988 年 Internet 开始对外开放。1991 年 6 月,在连通Internet 的计算机中,商业用户首次超过了学术界用户,这是 Internet 发展史上的一个里程碑,从此 Internet 成长速度一发不可收。

2.2格局:半导体价值链逐渐形成

经过数十年的国际化分工与产业发展,至今半导体的全球价值链基本形成。集成电路行业的产业链有上游硅片制造商产业、中游芯片制造产业以及下游行业应用产业构成。其中中游产业链大体分为芯片设计(芯片包括模拟芯片、处理器芯片、逻辑芯片和存储芯片 4 种)、芯片制造及芯片封装测试 3 个子产业群。其中,芯片设计业务为高度技术密集的产业,芯片制造为资本密集产业,封装测试行业相对于其他 2 个子产业群来说是劳动力较为密集的子产业。

集成电路按工艺流程可将半导体专用设备划分为晶圆制造、封装、测试和其他前端设备四个大类。在业务模式方面,集成电路产业链目前有两种发展模式,一种是传统的集成制造(IDM)5 模式,代表企业为三星和英特尔;另一种是垂直分工模式(芯片设计 Fabless、芯片制造 Foundry 和芯片封测Package&Testing),其中芯片设计是集成电路产业的最核心部分。

 

集成电路产业链梳理

2.3上游材料:美日占据主导

设备和材料是半导体产业链的上游,这两个领域美国和日本占据绝对优势。根据 SEMI(国际半导体产业协会)的统计,2017 年全球半导体设备销售额为 570 亿美元,而全球半导体材料市场销售额为 469 亿美元,增长了 9.6%,也就是设备+材料=1039 亿美元。根据Gartner 的数据,整个半导体产业 2017 年总的销售额为 4197 亿美元,也就是设备+材料占了整个市场的 24.76%,接近于四分之一。

半导体材料大致分为晶圆制造材料和封装材料,其中晶圆制造所需的材料是核心,大体可以分成:硅片,靶材,CMP 抛光材料(主要是抛光垫和抛光液),光刻胶,湿电子化学品(主要是高纯试剂和光刻胶配套试剂),电子特种气体,光罩(光掩膜),以及其他。

2018 年硅材料领域日本和我国台湾三巨头占比 70%。半导体材料里面价值较高,占半导体材料市场比例最大的硅片,硅片至少占到了全球半导体材料市场的 30%以上,而且随着2016 年开始的硅片大幅涨价,价值比例还在上升。从全球来看,硅材料具有高垄断性,全球一半以上的半导体硅材料产能集中在日本,尤其是随着尺寸越大、垄断情况就越严重。根据前瞻产业研究院 2018 年的报告,目前全球硅片市场中,日本信越、SUMCO 台湾环球晶圆三家企业占据了硅片 70%的市场份额,且集中度呈现上升趋势。总体来说,虽然上游设备和材料只占四分之一,但重要性不言而喻,而其他四分之三的价值是在设计,制造,封测等领域。

 

半导体材料的产业环节划分

2.4上游设备:欧美占据绝对主导

世界半导体制造设备主要供应厂商是 AMAT(美国应材)、ASML(荷兰艾司摩尔)、Lam Research(美国科林研发)、LKA-Tencor(美国科磊)、Dainippon Screen(日本迪恩仕),根据 Ofweek 网数据,2017 年这五家公司的销售额占世界总份额的 80%以上。其英特尔、台积电、三星电子、中芯国际等厂商的关键以及主要半导体设备均由这几家美国及欧洲公司提供,其中 ASML 是全球领先的光刻机生产制造商,20 纳米左右制程的芯片,均需要其光刻设备才能生产。

 

全球半导体核心设备厂商梳理

2.5 IC 设计:美国优势明显

芯片设计(Fabless)环节的高研发投入形成了高技术壁垒。由于晶片加工工艺极其复杂,线宽越来越小,需要专门的激光装置进行深度紫外线光蚀,设备和工具加工精度要求高、投资规模大,且制造工艺需要较长的学习曲线,研发成本日益提高,整体看,芯片制造环节具有较高的资本壁垒和技术壁垒。

根据 IC insights 发布的 2018 年 Top15 名的 IC 设计公司榜单,目前从全球产业链划分情况来看,IC 设计和创新的主场地依然是美国。2018 年前 10 大 Fabless 中,有 6 家美国公司,3 家我国台湾的公司,其中美国大幅领先其他国家和地区。国内 IC 设计相对较强的两家公司分别为华为海思和紫光展锐,2018 年营收分别是 503 亿和 110 亿人民币,对比博通、高通、英伟达等美国企业不仅规模差距较大,技术差距也比较明显。

 

2018 全球前十大 IC 设计公司

在高端通用芯片设计方面,我国与发达国家差距较大,对外依存度很高。根据海关总署数据,2018 年我国集成电路进口金额超过 3000 亿美,其中:处理器和存储器两类高端通用芯片合计占 70%以上。英特尔、三星等全球龙头企业市场份额高,持续引领技术进步,对产业链有很强的控制能力,后发追赶企业很难获得产业链的上下游配合。虽然紫光展锐、华为海思等在移动处理器方面已进入全球前列。但是,在个人电脑处理器方面,英特尔垄断了全球市场,国内相关企业有 3~5 家,但都没有实现商业量产,大多依靠申请科研项目经费和政府补贴维持运转。龙芯近年来技术进步较快,在军品领域有所突破,但距离民用仍然任重道远。国内存储项目刚刚起步,而对于 FPGA、AD/DA 等高端通用芯片,国内基本上是空白。

 

2017 年国内核心芯片设计领域占有率低

2.6晶圆代工:台积电是绝对龙头

晶圆代工行业属于劳动密集型产业,我们台湾地区优势明显。根据拓璞产业研究数据,2019年 Q2 季度全球 TOP10 晶圆代工厂榜单,受整体市场下滑的影响,Q2 前 10 大厂商的营收几乎都在下滑,当季总营收只有 153.6 亿美元,同比下滑了 8%。具体排名方面,台积电以 75.53 亿美元的营收位居第一,市场份额达到了 49.2%;三星以 27.73 亿美元的营收位列第二,同比也下滑了 9%,市场份额 18%;格芯排名第三,当季营收 13.36 亿美元,同比下滑了 12%,市场份额 8.7%。而大陆厂商中芯国际和华虹半导体也同时入围,但这两家的份额加起来仅不到 10%。根据电子工程世界网数据,两家公司目前量产的最先进工艺主要为 28nm,两家都有 14nm 工艺量产的计划,其中:中芯国际计划于 2019 下半年量产,华虹半导体机会于 2020 年量产,但制程工艺比台积电等公司落后两代以上。

 

2019Q2 全球前十大晶圆代工

2.7封测:我国台湾领先,大陆后来居上

封测领域与晶圆代工一样,目前我国台湾地区最为领先。根据拓璞产业研究数据,2019年第一季受到贸易摩擦、手机销量下滑及存储器市场供过于求等因素影响,全球前十大封测营收出现较大下滑。2019Q1 前十榜单中有 6 家台企入选,且排名第一的日月光是台湾企业,市场份额达到 19.7%。我国大陆的长电科技、天水华天、通富微电三家排名也处在前十,其中:2015 年,长电科技斥资 47.8 亿元(折合 7.8 亿美元)收购了新加坡封测公司星科金朋,星科金朋在 2015 年封测企业中排名第四,实现了以小博大,扩大了市场份额,当前来看,半导体封测已成为我国半导体产业链中具有相对优势的环节。金准产业研究团队认为,中国大陆 IC 封测企业未来有望将重心从通过海外并购取得高端封装技术及市占率,转而聚焦在开发 Fan-Out及 SiP等先进封装技术,并积极通过客户认证来向市场显示自身技术,提高市场竞争力。

 

2019Q1 年全球前十大 IC 封测企业排名

2.8我国与韩国半导体产业发展的比较分析

当前我国大陆的半导体产业总体处于起步阶段。从现状来看,大陆半导体产业的发展格局接近于我国台湾省,均以中下游代工和封测为主,而中上游产业链环节占比较小,对外依存度高。但金准产业研究团队认为未来发展路径可能更加接近韩国,韩国的半导体产业在尖端技术方面经过很短的时间赶上并超过了先进国家。其中,三星电子从 1983 年正式开始生产半导体起,到 1994 年率先成功开发 256M DRAM 止,仅用了 10 年左右的时间,便确立了其在国际半导体技术竞争中的领先地位。

背景相似:互联网VS 物联网,技术革命的开始。90 年代初技术周期的大背景是互联网开始兴起。90 年代初,互联网尚处于早期,一方面互联网的商用范围较窄,另一方面是缺少成熟的浏览器。1993 年 11 月,Mosaic 浏览器在1993年11月由官方发布,从此以后人们有了便捷的上网途径,马赛克后来更名为网景,并在 1994 年后期发布了自己的浏览器——导航者(Navigator)。根据硅谷创投教父彼得·蒂尔的经典之作《从 0 到 1》中的描述,导航者浏览器迅速被接受,1995 年开始,只用了不到一年时间,从占浏览器市场 20% 到占 80%。

互联网从兴起-繁荣-泡沫的过程也快速展开。互联网的逐渐普及大大拓展了人们的想象力,1995 年 8 月,网景尚未盈利就首次公开募股,在 5 个月内,网景股票从每股 28 美元猛升至每股 174 美元,而其他科技公司也是一片繁荣。1996 年 4 月,雅虎公司上市,估值仅为 8.48 亿美元,1997 年 5 月亚马逊上市,上市时估值仅为 4.38 亿美元,到 1998 年一季度,每家公司的股价都涨了至少3倍,互联网公司的平均股价涨幅为其他传统公司的数倍,互联网泡沫一发不可收。

当前正处于 5G 时代物联网时代开启的前期。我国已在今年 6 月 6 日发布 5G 商用牌照,而中国华为将在 7 月 26 日发布首款 5G 手机 Mate 20X 5G。5G 带来的变化的是从用户到硬件再到流量的全方位的革命性变化,韩国在今年 4 月 3 日开始推出 5G 商用服务(仅在部分地区),比中国早两个月,参考韩国:从用户数来看,据韩联社 6 月 12 日报道,推出了 5G 服务短端两个月韩国的 5G 用户数量就突破了 100 万,这意味着每天平均新增 1.7万 5G 用户,普及速度超过了当年的 4G。据韩联社预计,到今年年底,韩国 5G 用户总数有望达到 400 万至 500 万;从硬件更新来看:韩国消费电子巨头三星电子在 3 月推出 5G手机 Galaxy S10 5G,据韩联社统计,该款手机在韩国本土的销量已经突破了 100 万台,从发售到破百万仅用了 80 天时间;从流量来看:Ookla 在今年 7 月发布的一项关于全球移动互联网网速的调查显示,截至 5 月份,韩国的移动互联网下载速度在 140 个国家中排名第一,达到 76.74mbps,与去年同期相比,韩国的移动互联网速度提高了 79.7%。

 

全球半导体销售额与通信技术周期

政策相似:举国之力发展半导体。自 2000 年以来,我国国务院和相关部委陆续出台了一系列促进集成电路产业发展的相关政策。特别自 2014 年,国家出台《国家集成电路产业发展推进纲要》,明确规划了未来国家继承电路发展的阶段和目标,在此之后,各地方也响应国家政策,出台一系列地方性集成电路产业促进政策,集成电路产业发展迅猛。

在国务院发布《推进纲要》之后,北京、上海、天津、安徽、甘肃、山东、湖北、四川等各地陆续出台了产业的发展政策,同时这些省市也相继成立了金额不等的集成电路产业基金。在一定程度上地方政府对 IC 产业的积极态度也会影响中国 IC 产业的区域布局。例如,武汉重点支持集成电路制造领域,包括存储器,也兼顾设计、封测等环节,设立了 300 亿元的集成电路产业基金。合肥突出在终端行业的应用并积极在存储器方向布局。厦门对接国家战略、立足于对台优势,大力发展集成电路产业,以“福、厦、漳、泉”为基点,相继集聚了诸多的重要企业。南京出台了《加快推进集成电路产业发展意见》,配套了相关政策。淮安在图像传感器、相变存储器方面也积极布局,并出台了一系列政策和资金配套。陕西“十三五”目标规划,到 2020 年重点通过推动更小尺寸集成电路生产线建设、加快第三代半导体等前沿技术的研发和产业化,推动集成电路封测的升级扩产,加强关键设备和材料配套能力。

2014 年 6 月,国务院颁发了《国家集成电路产业发展推进纲要》,《纲要》提出了行业发展的主要任务和发展重点:着力发展集成电路设计业,加速发展集成电路制造业,提升先进封装测试业发展水平,突破集成电路关键装备和材料,即突出“芯片设计—芯片制造—封装测试—装备与材料”全产业链布局,在此基础上协同发展,进而构建“芯片—软件—整机—系统—信息服务”生态链。同时纲要还提出设立国家集成电路产业投资基金——“大基金”,作为一项保障措施。2014 年 9 月,国家集成电路产业基金(简称“大基金”)正式成立。

2.9差异:全球化 VS 逆全球化产业战略的选择

20 世纪 60 年代以来,全球化趋势加速推进了国际化分工,半导体产业链发生转移。在二战以后,随着以美元为中心的国际货币体系——布雷顿森林体系的建立,全球化贸易快速发展从而带来进一步的国际分工,对于半导体产业也是类似,各个国家和地区凭借其自身的禀赋条件,试图在大规模的产业链中谋求一席之地。美国作为半导体创新的发源地,一开始就牢牢把握住价值链的最核心环节,以英特尔为代表,在成立之初主要产品为存储半导体,而在 1971 研发成功第一代商用处理器后,转而专攻处理器领域,随后存储产业开始逐步向外转移,70-80 年代,日本的存储半导体快速发展,在 80 年代,日本存储半导体份额一度在全球占据领导地位。80 年代中后期,韩国把握住了此前美日贸易摩擦的契机,依靠财团资金优势,采用“逆周期投资”策略,在行业低迷的时候抢占了日本的份额。而我国台湾则是凭借相对低廉的劳动力成本优势,以附加值较低的代工产业为基础,逐步向产业链其他环节延伸。

美日贸易摩擦背景下韩国半导体发展启示。20 世纪 80 年代后期,日本半导体制造商在全球占比领导地位,1988 年占据全球制造商Top10 半壁的 NEC、东芝、日立、富士通、三菱等公司,但最终在 20 世纪 90 年代的没落,其原因有:日本泡沫经济的破裂、日本终端电子产品竞争力下降、日本半导体企业间的内耗(高峰时达 30 多家半导体企业)、电脑网络革命带来的半导体行业洗牌等。其中,从 80 年代初期开战并持续十三年的“美日半导体贸易战”是重要原因。

 

美日半导体摩擦的大致历程梳理

1983 年,美国半导体协会发表文章,批判日本半导体企业严重损害美国企业利益,而且矛头直指日本政府实施的产业导向政策,同年,爆发“美日半导体摩擦”。1983 年,美日两国政府间组建有关半导体贸易的协商工作组,开始对话。1984 年洛杉矶奥运会拉动了电视机/录像机的巨大消费,再加上 PC 电脑开始普及,半导体需求快速增长,再次让日本半导体企业腾飞。1985 年受到奥运会特需的反弹,市场急速降温,这让本就处于被动的美国半导体企业日子更艰难。

1985 年,微软针对日本 7 家半导体厂家的 DRAM 开始反倾销诉讼,AMD 与 NS 公司(美国国家半导体,后被 TI 收购)也跟进,时任总统的里根也亲自给商业部下达命令,调查日本的倾销问题。1986 年 9 月,日本通产省(商务部)被迫与美国商业部签定了“日美第一次半导体协议”,主要内容是,限制日本半导体对美出口、扩大美国半导体在日本市场份额。然而,美国于 1987 年进一步发表针对日本在第三国倾销的报复措施,里根总统以日本未能遵守协议为由发表对日本产电脑/电视等征收 100%的报复性关税。除此之外,美国政府阻止富士通对 Fairchild 公司的收购,反制措施接连不断。

韩国抓住机遇趁势崛起。1987 年美国诞生 IC 设计企业,以台积电为代表的代工厂也陆续创立,而 80 年代开始,在美日半导体贸易战的背景下,韩国一方面加速从美国、日本的技术引进专利技术;另一方面在政策的支持下,以三星电子为代表的企业通过逆周期投资,快速抢占日本的存储半导体份额,从而迅速崛起。

 

1980s-1990s 韩国与美、日半导体企业的技术引进梳理

2.10当前逆全球化趋势下我国大陆发展半导体的契机

中美贸易摩擦坚定了我国自主发展半导体产业的决心。2018 年以来,逆全球化有所升级,美国主动发动对我国的贸易摩擦,以中兴通讯事件为代表,暴露了我国在关键技术领域的短板。美国限制对国内科技龙头的核心零部件出口,直接导致国内科技企业受到较大冲击,中兴通讯一度生产陷入停摆。今年 5 月份,美国再度把我国的华为放入“实体清单”,引起很大波澜,今年 6 月 17 日,华为创始人任正非在接受《福布斯》杂志访谈时表示,预计未来两年华为会减产,销售收入下降 300 亿美金。美国的限制对于拥有较强自主研发能力的华为来说影响也比较大。金准产业研究团队认为,未来中美贸易摩擦在较长时间内都将呈现反复拉锯的趋势,而国内自上而下,从政府各部门到企业,都已经全面的明确了发展核心技术的方向,其中半导体是重中之重。

日韩贸易摩擦或给国内的半导体产业带来发展契机。根据环球网报道,今年 7 月 1 日,矛盾重重的日韩关系再度紧张。日本政府正式宣布将韩国排除在贸易白色清单之外,所谓“白色清单”,是日本政府制定的安全保障贸易友好对象国清单,日本出口商可以通过简化手续向清单内所列国家出口高科技产品。与此同时,根据日本《产经新闻》报道,日本政府宣布从 7 月 4 日起,加强对三种材料向韩国出口的管制,而这直接影响到韩国企业能否继续正常生产制造半导体芯片。

日韩贸易摩擦发酵或对韩国半导体产业产生较大冲击。根据前文分析,虽然在 80 年代中后期,由于美日贸易摩擦导致日本在存储半导体的领导地位被韩国抢占,但日本在半导体的上游依然处于强势地位,尤其是半导体材料硅片,根据 OFweek 网数据,2017 年日本信越化学份额 28%,日本 SUMCO 份额 25%,两家日本公司占据全球超过 50%的份额。换句话来说,日本的半导体产业处于韩国的上游,一旦日韩贸易摩擦继续发酵,或者韩国的半导体企业产业较大冲击。在这样的背景下,韩国的二三线半导体企业经营或面临困境,金准产业研究团队认为这是对国内半导体企业发展的机遇,国产半导体企业可以通过购买专利或者海外并购,引进韩国较为先进的半导体技术。

三、半导体不同发展阶段升级周期

半导体是典型的技术密集型、资本密集型的产业,前期研发投入大,当研发完成,又需要投入大量资金购买设备、产线,但到收获期,由于技术壁垒高,而定价高、边际生产成本低,因而利润放量较快。当前全球半导体产业分工的格局已经大致形成,上游设计环节美国主导;材料环节日本领先;生产制造环节韩国后来居上;代工封测环节,我国台湾和大陆具有相对优势。接下来我们重点探讨处于产业链不同环节的半导体企业在不同阶段的财务以及股价驱动力。

3.1处理器,每8-10 年的重大技术升级周期。

处理器每 8-10 年一次技术重大升级,带来新一轮增长周期。美国的英特尔公司是当前全球处理器领域的设计龙头企业,也是半导体产业链中技术壁垒最高的环节之一。处理器是计算机、服务器的核心部件,代表着计算机的运算能力,而整个计算机和互联网技术革命的周期就是以运算为基础,从而实现技术的跨越。英特尔公司早在 1971 年研发出第一款商用的处理器,自此以后,英特尔走上了不断追赶摩尔定律的过程,大概每 8-10年一个周期,推出一款重量级的升级处理器。1985 年,英特尔首次推出了 32 位的微处理器 386,新品推出后在 1986 年便实现 29 亿美元的销售收入,股价开始大涨。到 1993 年,英特尔正式发布重量级的奔腾处理器,再次给英特尔带来快速的利润增长,股价也因此大幅上涨。2001 年英特尔发布奔腾 4 处理器,标志着新一轮的技术革新,但受到当时“科网泡沫”破裂的影响,股价只是短暂反弹。2011 年,英特尔首发六核处理器 Core i7,性能又一次大幅提升,英特尔市场份额大幅增加。

当前技术周期有望迎来拐点,英特尔或推出第十代处理器。2019 年 7 月 28 日,英特尔官方表示,已经开始供货采用 10nm 工艺制程的第十代 Ice Lake 处理器,面向笔记本市场,并且已经获得 OEM 厂商的认证,这也是英特尔继推出 10nm 工艺的 i3-8121U 处理器后,首次大规模上市10nm工艺处理器,英特尔表示搭载Ice Lake的产品或将于第四季度上市。

3.2 DRAM 存储,每 4-6 年的技术升级周期。

半导体存储器包括三大主流产品:DRAM、NAND Flash、NOR Flash。相比于处理器的8-10 年技术升级周期,存储器的升级周期更快,市场规模也相对更大。近年来存储芯片在半导体中的销售额占比已经明显超过逻辑芯片,根据 SIA 数据,2018 年 H1 存储器的销售额占比达到 32%,位居第一。

2018 年上半年全球半导体的销售额结构

DRAM 即动态随机存取存储器,最为常见的系统内存,主要用于计算机以及服务器的闪存,值得说明的是 DRAM 存储的升级很大程度上依附于处理器的升级(以 PC 为例,CPU 性能提高了,才需要用更大的内存)。韩国是全球 DRAM 存储的领导者,三星电子、SK 海力士等都是全球领先的存储半导体企业,而三星电子又是该领域的佼佼者。在 1983 年最初切入半导体领域时,三星电子就集中力量筹备存储技术 DRAM 的研发。1989 年,仅用了 6 年时间,三星已经成功开发出 16M DRAM,己领先于全球任何一家制造商;1993 年,三星的 16M DRAM 实现量产,奠定了它在全球存储器霸主的地位。1992 年,三星率先推出全球第一个 64M DRAM;1994 年,仅过去 2 年的时间,三星首先发布全球首块 256MDRAM,三星在存储技术的技术进步完美印证着摩尔定律。

1993 年来,三星电子的股价并非随着自身的技术进步一路稳步上涨,而是呈现周期性波动的上涨。其背后的根本原因在于,DRAM的需求取决于 PC以及服务器的需求,并非是独立的市场,而 PC 和服务器更新换代的周期很大程度上取决于处理器的技术升级,而英特尔的处理器大约每 8-10 年才迎来一次重磅革新,因而在短周期内,由于 DRAM 的价格会随着供给和需求的变化而大幅波动,带来利润率的不稳定。除此之外,在 90 年代,为了抢占日本的份额,韩国一直盛行“逆周期投资”战略,导致 DRAM 的产能一直相对过剩。

NAND 存储,下游消费电子的晴雨表。NAND 闪存是一种非易失性存储技术,即断电后仍能保存数据,其发展目标就是降低每比特存储成本、提高存储容量。NAND 的功能是存储数据,主要用于数码相机、音乐播放器、手机等多种领域,因此 NAND 的需求很大程度上可以折射下游消费电子的景气度。

东芝(Toshiba)是日本最大的半导体制造商,也是当前全球第二大 NAND 生产商,根据英国调查公司 IHS Markit 数据,2017 年东芝内存在全球 NAND Flash 市场上的市占率为16.5%,位居全球第二(第一仍是三星)。自上市以来,东芝的股价呈现宽幅震荡、大波动的特征。1999 年,受益于手机市场的兴起,东芝公司股价快速上涨;2003 年,东芝由DRAM 转为 NAND 闪存,并开始拓展中国市场,股价迎来快速上涨;2006 年,MP3 音乐播放器开始流行,东芝的 8GB NAND 需求增长,带来又一波股价上涨;2010 年,智能手机开始兴起,24nm 工艺的 64GB NAND 需求进一步扩张,虽然业绩有所增长,但股价走弱;2013 年第二代 19nm 工艺的 64GB NAND 量产,但股价走弱。

结语

智东西认为,从日韩的经验来看,以半导体为基础形成了互联网、移动互联网、物联网等一系列技术生态,由于美国掌握了原始的技术积累,包括处理器、指令集、操作系统、浏览器等底层技术,所以美国在半导体产业链中的主导地位在未来较长时间内还是难以撼动。日本曾经一度想在 CPU 领域挑战美国的霸主地位,不可避免的宣告失败,而美日半导体贸易摩擦也导致了后来日本存储半导体的衰落。相比较而言,韩国的模式较为清晰,避开美国主导的壁垒最高的技术,而专攻次级的半导体技术(存储),从而迎来了发展壮大,在当今的半导体产业链环节中,成为一方霸主。未来 10 年,随着 5G 商用的不断推广,物联网技术革命可以类比 90 年代互联网的浪潮,与此同时,物联网时代终端不仅仅局限于 PC、服务器、智能手机,或更多扩展到智能家居、智能驾驶、智慧医疗、智慧城市等各大终端,因而潜在的终端需求潜力或大大超过 90 年代初的互联网。因此,在新一轮技术周期的大趋势下,国内半导体核心资产的估值有望持续提升。

 

金准产业研究 边缘计算深度报告:5G时代的万亿大市场 2019-08-19 18:18:08

前言

随着物联网、大数据、人工智能、5G等信息技术的快速发展,云计算已经无法满足机器人、智能家居、无人驾驶、VR/AR、新媒体、智能安防、远程医疗、可穿戴设备、智能制造等场景对低延迟的高要求。据金准产业研究团队统计,到2022年,超过一半的企业数据将在传统数据中心和云平台之外的边缘产生和处理,目前约为10%。边缘计算的兴起帮助企业近乎实时地分析信息,并围绕物联网(IoT)设备和数据创造新的价值。

2月底刚刚举办的MWC2019期间,边缘计算也成功地C位出道,和折叠屏手机、5G等,成为了今年MWC最热门的三大领域之一。在这三大热门领域中,折叠手机偏2C端,是用户消费品;5G是新时代的通信基础设施;至于边缘计算,则也不仅仅是一个新行业、新领域,而是新时代的网络、计算、存储、应用等近端整体解决方案的基础设施和基础能力。

一、边缘计算,5G时代的万亿市场

边缘计算成为物理世界与数字世界间的重要桥梁。边缘计算(Edge Computing)是在靠近物或数据源头的网络边缘侧,融合网络、计算、存储、应用核心能力的分布式开放平台,就近提供边缘智能服务,满足行业数字化在敏捷联接、实时业务、数据优化、应用智能、安全与隐私保护等方面的关键需求。它可以作为联接物理和数字世界的桥梁,使能智能资产、智能网关、智能系统和智能服务。

参考边缘计算联盟(ECC)与工业互联网联盟(AII)在2018年底发布的白皮书中对边缘计算的定义,作为连接物理世界与数字世界间的桥梁,边缘计算具有连接性、约束性、分布性、融合性和数据第一入口等基本特点与属性,并拥有显著的“CROSS”价值,即联接的海量与异构(Connection)、业务的实时性(Real-time)、数据的优化(Optimization)、应用的智能性(Smart)、安全与隐私保护(Security)。


 

 

 

边缘计算在技术架构上主要分为计算能力与通信单元两大部分。边缘计算的目标主要包括:实现物理世界与数字世界的协作、跨产业的生态协作,以及简化平台移植等。从边缘计算联盟(ECC)提出的模型架构来看,边缘计算主要由基础计算能力与相应的数据通信单元两大部分所构成。

边缘计算标准化与产业化的进程正快速推进。参照Gartner技术成熟度曲线,边缘计算正处于创新触发之后的上升阶段,目前已掀起了产业化的浪潮,各类产业和商业化组织正在积极发起并加速推进边缘计算的研究、标准和产业化活动。

5G低时延、高可靠通信要求,边缘计算成为必然选择。根据ITU(国际电信联盟)的愿景,5G的应用场景应划分为增强型移动宽带(eMBB)、大连接物联网(mMTC)和低时延高可靠通信(uRLLC)三类。同时,ITU在带宽、时延和覆盖范围等方面确立了5G的8项技术要求(表1)。其中,低时延高可靠通信(uRLLC)聚焦对时延极其敏感的业务,例如自动驾驶、工业控制、远程医疗(例如手术)以及云游戏(VR/AR等实时对战要求)等。在5G移动领域,移动边缘计算是ICT融合的大势所趋,是5G网络重构的重要一环。

 

 

 

物联网趋于泛化,为边缘计算提供更多应用场景的可能性。未来物联网应用可涵盖汽车、家居、工业等各个领域。在汽车领域,物联网与汽车网络相结合,形成解放人类双手的自动化驾驶;在家居领域,物联网使各类家居智能化,为人们生活提供便利;在工业领域,物联网广泛应用于工业控制系统中,为生产流程提高效率。随着技术的进步和人们消费水平的提高,物联网的“泛化”有望呈现进一步扩张的态势,从而产生更多的应用领域,这也为边缘计算提供了更多的场景。

金准产业研究团队预计年复合增长超30%,万亿规模市场可期。随着底层技术的进步以及应用的不断丰富,近年来全球物联网产业实现爆发式的增长。参考IDC数据,全球物联网终端设备安装数量有望在2019年达到256亿台,年复合增速高达21%。国内物联网市场的增速更高,据CEDA预测,2020年我国物联网市场规模有望达到18300亿元,年复合增速高达25%。得益于底层物联网设备的激增,参考拓墣产业研究院的预测,2018年至2022年全球边缘计算相关市场规模的年复合增长率(CAGR)将超过30%。另据IDC预测,到2020年将有超过500亿的终端与设备联网,而有50%的物联网网络将面临网络带宽的限制,40%的数据需要在网络边缘分析、处理与储存。边缘计算市场规模将超万亿,成为与云计算平分秋色的新兴市场。

 

 

 

二、计算能力,正在步入“边云协同”时代

2.1为什么需要边缘计算

在有了云计算的同时,为什么还需要边缘计算?

金准产业研究团队认为主要存在以下几点原因:

1)网络带宽与计算吞吐量均成为云计算的性能瓶颈: 云中心具有强大的处理性能,能够处理海量的数据。但是,如何将海量的数据快速传送到云中心则成为了业内的一个难题。网络带宽和计算吞吐量均是云计算架构的性能瓶颈,用户体验往往与响应时间成反比。5G时代对数据的实时性提出了更高的要求,部分计算能力必须本地化。

2)物联网时代数据量激增,对数据安全提出更高的要求: 不远的将来,绝大部分的电子设备都可以实现网络接入,这些电子设备会产生海量的数据。传统的云计算架构无法及时有效的处理这些海量数据,若将计算臵于边缘结点则会极大缩短响应时间、减轻网络负载。此外,部分数据并不适合上云,留在终端则可以确保私密性与安全性。

3)终端设备产生海量“小数据”,需要实时处理:尽管终端设备大部分时间都在扮演着数据消费者的角色,但如今以智能手机和安防摄像头为例,终端设备也有了生产数据的能力,其角色发生了重大改变。终端设备产生海量“小数据”需要实时处理,云计算并不适用。

从数据流向的对比上,1)在云计算架构下,下图左侧的服务提供者提供数据并上传到云中心,需求侧的终端客户发送数据或计算类请求到云中心,云中心响应相关请求并将需求结果发送给终端客户。2)在边缘计算模式下,如智能手机、前端智能摄像头、智能汽车等边缘节点产生数据,上传到云中心,同时将实时性和安全性要求较高的计算在本地进行处理。

 

2.2边缘计算是不是对云计算的替代?

边缘计算是云计算的协同和补充,而并非替代关系。边缘计算与云计算各有所长,云计算擅长全局性、非实时、长周期的大数据处理与分析,能够在长周期维护、业务决策支撑等领域发挥优势。而边缘计算更适用局部性、实时、短周期数据的处理与分析,能更好地支撑本地业务的实时智能化决策与执行。因此,边缘计算与云计算之间并非替代关系,而是互补协同的关系。边缘计算与云计算需要通过紧密协同才能更好的满足各种需求场景的匹配,从而放大边缘计算和云计算的应用价值。边缘计算既靠近执行单元,更是云端所需高价值数据的采集和初步处理单元,可以更好地支撑云端应用。反之,云计算通过大数据分析优化输出的业务规则或模型可以下发到边缘侧,边缘计算基于新的业务规则或模型运行。

百度边缘计算产品BIE成为“边云协同”的典范,并进一步开源化。智能边缘BIE是百度云发布的国内首个边缘计算产品,发布伊始即推行“端云一体”解决方案,它由智能边缘本地运行包、智能边缘云端管理套件组成。在云端进行智能边缘核心设备的建立、身份制定、策略规则制定、函数编写、AI建模,然后生成配臵文件和执行文件,通过端云协同的方式下发至本地运行包,在近设备端的本地运行包里完成数据采集、消息分发、函数计算和AI推断等功能,通过一键发布和无感部署的方式,极大提高智能迭代的速度,使之整体达到“训练、管理、配臵在云端,采集、转发、计算、推断在本地”的效果。2018年12月6日,百度宣布将BIE的核心功能全面开放,同时推出国内首个开源边缘计算平台——OpenEdge,打造一个轻量、安全、可靠、可扩展性强的边缘计算社区。

 

2.3边云协同之下,边缘侧需求带来服务器市场巨大增量

5G时代的多元化应用催生了边缘计算的快速发展,传统的数据中心将向边缘侧延伸,边缘计算将加速ICT融合落地。目前,电信的核心业务在实时性、稳定性、管理便利性等方面都对服务器提出了更高的要求,传统的标准服务器在通信的核心业务应用场景还将会面临标准化、环境适应性、易维护性等巨大挑战。

2017年6月,中国移动与中国电信、中国联通、Intel、浪潮等公司共同发布《OITT定制服务器参考设计和行动计划书》,形成运营商行业面向电信应用的深度定制、开放标准、统一规范的服务器技术方案及原型产品。

OTII,Open Telecom IT Infrastructure,开放电信IT基础设施,是ODCC组织下发展的一个针对通讯类企业的服务器规格。相对于普通服务器,OTII服务器虽然宽度同为19英寸,但深度却仅为450mm,还不到普通机柜深度的一半,这与很多通讯行业所用到的交换机等设备规格相同。因此,这一规格的服务器将很容易部署在基站附近的设备机架上,可以实现更好的兼容性。另一方面,OTII标准还规定服务器设备必须能够在45摄氏度的环境中持续工作,并具备更好的耐腐蚀、抗潮湿特性,以提升服务器在恶劣环境中的完好率,从而降低通讯服务商对基础设施的维护成本。与通用服务器相比,边缘计算服务器面向5G和边缘计算等场景进行针对性定制,能耗更低、温度适应性更宽、运维管理更加方便。

作为5G商用的元年,国内的三大运营商无疑都在加紧部署5G基础设施,这其中就包括大量的基站设备。但由于5G本身信号频率更高,想要覆盖相同的面积,5G基站的密度必须大于传统的4G基站,而这也就意味着更大量的基础设施投入。显然,这一潜在的巨大市场需求也正是浪潮、曙光、华为等一系列设备制造商不遗余力推动OTII标准迅速落地的原因。考虑到除了数据中心之外仍旧存在庞大的边缘计算需求,单纯的整机柜定制服务器显然是无法满足通讯企业全部需求的。因此,OTII标准的诞生也就变得顺理成章。而在有了整机柜服务器的成功定制经验之后,OTII从标准确立到实际产品的出现也仅用了一年半时间;

另一方面,相对于4G,5G定义了eMMB(更高数据速率)、URLLC(更低延迟和更可靠的链接)和mMTC(超大规模设备链接)等三大应用场景。而这些场景化概念的引入无一不对基站的计算性能提出了更高的要求,因此,5G基站背后的服务器产品升级也是势在必行的。

边缘计算服务器有望在2020年实现规模化应用,预计将大幅提升运营商服务器需求量。在2018世界移动大会上海期间,中国移动研究院网络与IT技术研究所技术经理、OTII项目经理唐华斌介绍了OTII首款边缘服务器参考设计方案。与通用服务器相比,这款面向边缘业务和数据中心进行针对性的定制,尺寸更小、能耗更低、温度适应性更宽、运维管理更加方便。根据计划,OTII服务器2018年将重点结合实际业务进行方案验证,并于2019年确定硬件设计方案,以支撑2020年5G业务的规模化应用,预计将大幅提升运营商服务器需求量。

浪潮已经发布首款为5G应用场景设计的OTII边缘计算服务器。2019年2月25日,世界移动通信大会MWC2019在西班牙巴塞罗那举行,浪潮发布首款基于OTII标准的边缘计算服务器NE5260M5,该产品专为5G设计,可承担物联网、MEC和NFV等5G应用场景,适合于边缘机房的物理环境。这款服务器符合服务器和电信两个领域的各类标准,针对边缘机房极端的部署环境和所承载的业务应用,在不同层面进行了大量针对性设计。这款产品机箱尺寸采用了电信设备标准,而非服务器标准,高度为2U,宽19英寸,深度为430mm,仅有传统标准服务器深度的1/2稍多,可以直接与电信设备混合部署在通信中心机架上。同时,NE5260M5针对边缘机房进行了大量的适应性设计,例如壁挂设计wall Mount,可使NE5260M5直接悬挂在墙壁上而不需要机架,适合于环境简陋的边缘数据中心,在耐高温、防尘、耐腐蚀、电磁兼容、抗震等方面,这款产品的技术要求也可以满足极端环境的部署需求。

浪潮作为国内领先的云计算、大数据服务商,同时也是中国移动重要合作伙伴,依托行业经验和产品积累,在边缘计算领域具有先天优势,已经在边缘计算领域进行了全方位的布局:

1、边缘计算硬件体系:面向边缘计算多元化场景需求,浪潮可提供多种类型的计算平台,包含适应大型边缘场景的一体化整机柜产品,适应电信边缘机房的OTII服务器以及适应移动场景的便携一体机。

2、边缘计算云平台:依托浪潮自身的云平台能力和多年通信行业应用开发经验,支撑运营商构建边缘计算云平台,将边缘的网络能力、计算能力、数据能力开放,支撑行业应用开发。

3、边缘计算网关产品:浪潮拥有基于4G架构下MEC本地分流网关产品和基于5G架构MEC下沉GW-UP的方案。

4、边缘计算行业应用:边缘计算应用场景越来越广泛,正在逐渐满足各行业的多样化需求。浪潮在智慧城市、工业互联网等多个领域有所积淀,未来会在这些领域进行边缘计算探索和推进。

三、5GMEC投资近在咫尺,通信光模块市场受益最大

3.1 5G边缘计算:全球统一标准,统一市场,空间大幅提升

4G边缘设备未形成统一市场。在4G网络标准制定中,由于并没有考虑把边缘计算功能纳入其中,导致出现大量“非标”方案,运营商在实际部署时“异厂家设备不兼容”,网络互相割裂,运营商有在某些4G应用场景部署边缘计算功能的需求时,需要进行定制化的、特定的解决方案设计。因此,4GLTE网络部署边缘计算的成本高。同时,4GLTE竖井式架构下,网络架构不能满足低时延、高带宽、本地化等需求。

5G两大标准组织推动,全球统一标准,市场空间大幅增加。为了解决4G痛点,早在5G研究初期,MEC(多接入边缘计算,Multi-Acess Edge Computing)与NFV和SDN一同被标准组织5GPPP认同为5G系统网络重构的一部分。2014年ETSI(欧洲电信标准协会)就成立了MECISG(边缘计算特别小组)。

 

 

2016年3GPPSA2就正式接受MEC为5G架构之关键课题。在5G第一个冻结的标准R15中,5G协议模块可以根据业务需求灵活调用,使得MEC可以按需、分场景灵活部署在无线接入云、边缘云或者汇聚云。

2018年,3GPP的第一个5G标准R-15已经冻结。3GPPSA2在R15中定义了5G系统架构和边缘计算应用,其中核心网部分功能下沉部署到网络边缘,RAN架构也将发生较大改变。欧洲电信标准协会MECISG标准的两个阶段也在2017年底冻结。金准产业研究团队预计2020年5G商用以后,MEC边缘云的应用将进入百花齐放、百家争鸣的开放阶段。

 

5G承载网架构变化,前传和中回传光模块市场空间大

光模块是5G网络物理层的基础构成单元,广泛应用于无线及传输设备,其成本在系统设备中的占比不断增高,部分设备中甚至超过50~70%,是5G低成本、广覆盖的关键要素。5G单基站下行带宽最高可达20G(200倍提升)、传输网光模块也将迈入400G时代。

回顾历史,3G~4GRAN分布式基站架构演进,带来光模块需求大增。2003年华为、爱立信、NEC、北电和西门子等联合成立CPRI(通用公共无线接口组织),分布式基站成为世界3G主流标准。分布式基站传统宏基站基带处理单元(BBU)和射频拉远单元(RRU)分离,将BBU、核心网、无线网络控制设备集中在机房内,RRU和BBU之间通过光纤相连。4G时代BBU和RRU间已经普遍采用了CPRI接口,产生全新的连接需求,电信光模块需求的大幅增加。我们以上市较早(2009年)的光迅科技为例,公司受益于3G~4G的网络架构转变,收入和业绩规模实现规模大幅增长。

3.2 5G时代RAN的功能重构与云化,将会带来光模块市场规模大增:

5G的最大变化是RAN的功能重构与云化:其中包括CU/DU分离,DU/AAU分离,其中CU将云化,部署在边缘数据中心中。

5G作为十年一遇的迭代升级,将是光通信行业下一个爆发机会。3GPP提出面向5G的无线接入网重构方案。5G承载网的架构在4G网络架构基础上进一步革新,5GRAN将从4G的BBU、RRU两级结构演进到CU-DU-AAU三级结构。三级之间通过光纤连接。其中DU(Distributed Unit)是分布单元,负责满足实时性需求同时具有部分底层基带协议处理功能,CU(Centralized Unit)是中央单元,具有非实时的无线高层协议功能。

3GPP的C/U分离架构演进与MEC(边缘计算)方向吻合,彻底实现网络扁平化。我们估计光是BBU拆分为CU-DU的两级架构,将带来电信光模块需求量数倍的增加。

lCU-DU拆分:按照5G单站峰值5Gbps,均值3Gbps估算,一个综合接入点放臵15个DU,则每个DU都需要一个10G光模块。而每个接入环上则需要多达6个综合接入点,将采用100GOTN形式。

lCU与核心网之间:超大带宽传输,需要N个100G光模块和Tb/s级速率Tb/s级。5G商用牌照发放后,承载网前传和中后传投资将会逐步上量,在2019年下半年接力4G扩容。

2G~4G,光模块技术迅速迭代,逐步向高速率发展。2000年初,2G、2.5G基站从铜缆向光纤光缆切换,光模块从1.25GSFP向2.5GSFP模块发展。2008~2009年3G基站光模块速率跃升至6G。标准组织3GPP提出新的5G接口标准eCPRI,如果采用eCPRI接口,前传接口带宽至少需要25G光模块,但前传25G和100G都会并存,以应对5G三大应用场景的需求。另外,5G光芯片也将从6G/10G升级到25G的芯片模组,光模块产业链市场规模显著变大。随着速率的提高,光模块制造工艺门口大幅提升,产品附加值将较4G有所提高,有利于具有深厚储备的光模块公司。

 

 

新易盛作为光模块行业“后起之秀”,与5G通信主流设备商中兴通讯共同成长,有望分享5G电信光模块行业的蛋糕。公司2016年IPO募资建设10G光模块生产线30条,40G/100G光模块生产线7条,2017年底已经投入生产,产能经过2018年爬坡,有望充分分享5G红利。

3.3 5G核心网下沉,边缘IDC建设量增加,数通光模块新增爆点

3.3.1核心网下沉和边缘云化成为必然趋势

为了满足5G网络的灵活性和低时延、降低回传负担,核心网下沉和云化成为必然趋势。原先的4GEPC拆分成NewCore和MEC两部分:NewCore将云化部署在城域核心的大型云数据中心,边缘DC部署在城域汇聚或更低的位臵中小型云数据中心。核心网分拆和中小型边缘云数据中心建设。

网络架构逻辑的分拆,也将增加大量高速光模块的需求。我们估计每一级网络节点分拆都将带来接口光模块成倍的增加,其中接入机房将使用低速光口,而汇聚机房将使用10G或100G光口。

3.3.2运营商边缘数据中心投资确定性强,静待5G商用

5G时代,运营商将会采用通用数据中心云化的组网方式,以区域、本地和边缘三层的数据中心为基础,来构建整个云化网络。同时,5G边缘计算促进采集、控制类业务将会带来运营新的2B业务增量,包括精密工控、远程医疗、车联网等。因此,MEC是5G网络投资中的关键一环,对于运营商,5GMEC的部署价值巨大:

l降低占用成本,网络提效:通过对4K/8K、VR/AR等高带宽业务的本地分流,降低对核心网络及骨干传输网络的占用。

l低时延、高可靠、大计算:通过内容与计算能力的下沉,有效支撑时延敏感型业务(车联网、远程控制等)以及大计算和高处理能力需求的业务(视频监控与分析等)。

l运营商转型MEC是边缘云计算环境和网络能力开放平台,运营商可以构建自己的网络边缘生态,运营商实现从连接管道向信息化服务使能平台的转型。

 

中国联通:2025年实现100%云化部署

目前,中国联通是三大运营商中规划最明确的,中国联通提出MEC边缘云演进路标主要分四个阶段,计划在2025年实现100%云化部署:

在标准方面,中国联通主导的《MEC Platform to Enable OTT Business》国际标准项目已经成功立项,获得审核委员会全票通过。目前,中国联通已经成立了边缘云创新实验室、扩大了合作伙伴队伍(合作伙伴超过100家)、自主研发了Cube-Edge平台、启动15省市规模试点实现落地,探索MEC边缘云商业场景。

2020年5G正式商用时CUVNF、UPFVNF、MECVNF共平台且可实现异厂家部署。通信网络云化架构基本成型(边缘DC与本地DC、区域DC)。

中国移动:已开展MEC应用试点,试水两大商业模式

2014年ETSI成立MECISG开始,中国移动就积极跟踪并加入。2017年中国移动发布MEC白皮书。目前,中国移动已经在10省20多个地市现网开展多种MEC应用试点。同时中国移动要将MEC预制到5G中,为此将从标准、技术、产业等方面发力。

在产业应用方面,中国移动搭建医疗专网,部署无线CDN,网络能力开放,实现边缘智能化,用MEC让医疗发展的更好;在实验测试中部署车联网边缘云。商业模式方面,目前中国移动提供两种模式——B2B和B2B2C模式。通过边缘云平台+无线能力支撑新业务+增值业务。

中国电信:5GMEC是运营商切入工业互联网的重要技术手段

中国电信认为工业互联网是MEC的重要场景,5GMEC是运营商切入工业互联网的重要技术手段。目前,中国电信进行了一些MEC的探索,例如打造边缘计算开放平台ECOP,构建边缘云网融合的网络服务平台及应用使能环境,推进边缘业务应用创新发展。

中国电信提出的5GMEC融合架构最主要是基于通用硬件平台,可以支持MEC功能、业务应用快速部署。同时支持用户面业务下沉、业务应用本地部署,可以实现用户面及业务的分布式、近距离、按需部署。还支持网络信息感知与开放。最后是支持缓存与加速等服务及应用。

3.4云数据中心资本开支持续增长,网络架构向“叶脊”结构演进

3.4.1为了应对大工作负载和低延迟需求,云数据中心正在迁移到叶脊架构

传统大型云数据中心网络架构为三层网络,主要采用纵向的传输方式。伴随着虚拟化、云计算、超融合系统等应用,使得东西向数据流成为主要流量。原有的结构难以应对日益增长的需求,因而“叶脊”拓扑结构开始成为主流,这种结构在传统纵向传输的基础上增加对横向传输的支撑。

叶脊架构所需要的高端光模块数量10倍于传统三层架构。带来100G高速率光模块市场容量大幅增加。叶脊网络结构使得网络规模变大、网络扁平化、光纤覆盖率提升,使得网络需要更多的交换机、叶/脊交换机之间更快的传输速率,更需要更多横向的流量接口实现(光模块)。其中,主干、叶子架构和高基数交换机均需要光模块大规模互连,通过极端密度网络优化带宽传输,数据中心园区带宽需求可高达100Tbps甚至200Tbp。单个园区中的每个数据中兴互联,其光纤密度甚至达到10000根,则两端的光模块数量将达到2万个级别。

3.4.2数据流量驱动网络升级,光模块速率从100G400G演进

根据IDC统计,云数据中心内网络设备投资占整个云数据中心ICT投资的32%,仅次于服务器投资,光模块是网络设备间通信重要组成部分。2019年200G和400G模块有望放量。将我们根据Ovum对40G~200G各速率光模块/器件市场预测,40G~200G光模块市场规模将从2017年的79亿美元增长到2020年的139亿美元。其中数通市场光模块市场规模从40亿美元增长到82亿美元,电信市场光模块市场规模大约从39亿美元增长到57亿美元。

按传输速率来看,数通100G光模块市场规模将从2017年34亿美元增长到2020年75亿美元,复合增速达到30%。Light Counting也预测200G和400G光模块将从2019年开始实现规模发货,同时认为400G光模块市场将遵循100G市场同样的爆发逻辑,短期内快速放量,而不会像40G一样缓慢爬坡。

 

四、边缘计算的典型应用场景

欧洲电信标准化协会(ETSI)定义了7类典型的边缘计算应用场景,涵盖了当前最主流的边缘计算产品内涵和垂直行业应用场景。包括监控视频流、增强现实AR、自动驾驶、工业互联等等。

金准产业研究团队认为,自动驾驶、安防前端智能化、工业控制、远程操控(如医疗手术等)等场景在实际应用中需要不超过10ms的网络时延,此类场景5G业务的终结点不可能依赖在核心网后端的云平台,因此边缘计算的发展最迫切,也最必要;同时,边缘云也促进部分即使社交应用爆发,例如即时对战VR/AR游戏等。

4.1自动驾驶

自动驾驶就是“四个轮子上的数据中心”,车载边缘计算平台成为刚需。随着汽车自动驾驶程度的提高,汽车自身所产生的数据将越来越庞大。根据英特尔CEO测算,假设一辆自动驾驶汽车配臵了GPS、摄像头、雷达和激光雷达等传感器,则上述一辆自动驾驶汽车每天将产生约4000GB待处理的传感器数据。不夸张的讲,自动驾驶就是“四个轮子上的数据中心”,而如何使自动驾驶汽车能够实时处理如此海量的数据,并在提炼出的信息的基础上,得出合乎逻辑且形成安全驾驶行为的决策,需要强大的计算能力做支持。考虑到自动驾驶对延迟要求很高,传统的云计算面临着延迟明显、连接不稳定等问题,这意味着一个强大的车载边缘计算平台(芯片)成为了刚需。事实上,如果我们打开现阶段展示的自动驾驶测试汽车的后备箱,会明显发现其与传统汽车的不同之处,都会装载一个“计算平台”,用于处理传感器输入的信号数据并输出决策及控制信号。

高等级自动驾驶的本质是AI计算问题,车载边缘计算平台的计算力需求至少在20T以上。从最终实现功能来看,边缘计算平台在自动驾驶中主要负责解决两个主要的问题。1)处理输入的信号(雷达、激光雷达、摄像头等);2)做出决策判断、给出控制信号:该加速还是刹车?该左转还是右转?英伟达CEO黄仁勋的观点是“自动驾驶本质是AI计算问题,需求的计算力取决于希望实现的功能。”,其认为自动驾驶汽车需要对周边的环境进行判断之后还作出决策,到底要采取什么样的行动,其本质上是一个AI计算的问题,车端必须配备一台AI超级处理器,然后基于AI算法能够进行认知、推理以及驾驶。根据国内领先的自动驾驶芯片设计初创公司地平线的观点,要实现L3级的自动驾驶起码需要20个teraflops(每秒万亿次浮点运算)以上的的计算力级别,而在L4级、L5级,计算力的要求则将继续以数量级形式上升。

4.2安防前端智能化

前端智能化的必要性——实现实时性解析和解决传输带宽瓶颈。安防产业智能化升级是行业发展的大趋势,后端智能化以及前端智能化是厂商针对智能化升级的两种并存的解决方案。其中,前端智能化的核心功能是为后端提供高质量、初步结构化的图像数据,其主要作用有两点:1、提升部分智能分析应用的实时性;2、节省带宽和后端计算资源。典型的前端智能摄像头内臵深度学习算法,一方面可以在前端完成人脸定位和质量判断,有效解决漏抓误报问题,同时拥有较好的图像效果,即使周围环境光线不佳,人员戴帽子或一定角度下低头、侧脸,仍然可以做到准确识别,并自动截取视频中的人脸输出给后端;另一方面可以输出编码后的网络视频,还支持输出非压缩、无损无延时的视频流图像。这样可以为大型用户节省服务器成本和带宽,因为在同等服务器数量和计算能力的情况下能够接入更多路摄像头。后端智能化产品的核心功能则是利用计算能力对视频数据进行结构化分析。

智能前臵的趋势下,前端的价值将大幅提升。我们在行业深度报告《人工智能+安防:天眼时代智识万物》中详细比较了前端升级和后端升级两种方案的优劣以及发展趋势,最终的结论是:出于满足实时性处理的需求,以及缓解后台存储的压力,厂商们会越来越将计算力前臵,即智能前臵。以人脸识别为例,传统的人脸识别产品都是采用前端摄像机抓拍图片,后端服务器计算比对的模式,而前端智能的模式下,智能化的摄像机可以不依托服务器而实时进行图像处理、人脸识别,极大提高了识别效率以及后端存储的效率。前端智能化的趋势实际上即意味着产业链上下游将发生价值转移。整个安防智能化系统对于后端系统的依赖程度将进一步降低,后端价值将部分转移到前端,前端的价值将大幅提升。

国内安防智能前端的市场规模有望突破1500亿。从产业调研结果来看,2018年以来,主流深度学习摄像头芯片开始成熟量产,有效解决目前限制前端智能摄像头放量的计算芯片瓶颈。按照2021年智能摄像头渗透率达到45%测算,我们预测国内智能安防前端硬件产品空间在2021年预计将超过1500亿元。

4.3低时延工业级应用

工业高精度控制对时延和可靠性的敏感度极高,无论是中国、韩国和日本的运营商,都非常关注5G新业务中工业级客户(2B)的价值。这些行业市场包括运输、物流、能源/公共设施监测、金融、医疗和农业。实现工业国产自动化、无线化和智能化,典型场景包括视频监控、机器人控制、自动巡查安防等。

机器人控制:参考华为5G白皮书,同步实时协作机器人要求小于1毫秒的网络延迟。到2025年,预计全球状态监测连接将上升到8,800万,全球工业机器人的出货量也将从36万台增加到105万台。

馈线自动化:当通信网络的延迟小于10ms时,馈线自动化系统可以在100ms内隔离故障区域,这将大幅度降低发电厂的能源浪费。参考华为5G白皮书,从2022年到2026年,预计5GIIoT的平均年复合增长率(CAGR)将达到464%。ABI Research的预测数据,全球配电自动化市场将从2015年的130亿美元增加到2025年的360亿美元。

视频监控和无人机巡检:配备无人机进行基础设施、电力线和环境的密集巡检是一项新兴业务,LiDAR扫描所产生巨大的实时数据量将需要>200Mbps的传输带宽。ABI Research的估计,小型无人机市场将从2016年的53亿美元迅速增长到2026年的339亿美元,包括来自软件、硬件、服务和应用服务的收入。

 

4.4 VR/AR即时对战类游戏

现阶段VR游戏体验不佳:其中游戏类VR应用基本以本地重度游戏为主,设备典型盘根错节,用户容易绊倒。假如联网游戏时延高达50ms,导致用户眩晕问题,体验仍然不佳。因此,现阶段VR较多应用在营销场景,如远程看房、看二手车等营销场景较多,并且依赖于Wifi及4G网络为主。

未来5G设备实现直接边缘云端访问,VR/AR时延问题解决:实时CG类云渲染VR/AR需要低于5ms的网络时延和高达100Mbps至9.4Gbps的大带宽。同时,5G可以支持多用户近距离连线。

VR/AR将大大降低设备成本,从而提供人人都能负担得起的价格。5G将显著改善这些云服务的访问速度云市场以18%的速度快速增长。家庭和办公室对桌面主机和笔记本电脑的需求将越来越小,直接连接到云端的各种人机界面,并引入语音和触摸等多种交互方式。

 

4.5视频云:远程医疗、4K/8K高清视频

远程诊断:远程诊断依赖5G网络的低延迟和高QoS保障特性,例如无线内窥镜和超声波这样的远程诊断依赖于设备终端和患者之间的交互。力反馈的敏感性决定低延迟网络才能满足要求。其它应用场景包括医疗机器人和医疗认知计算,这些应用对连接提出了不间断保障的要求(如生物遥测,基于VR的医疗培训,救护车无人机,生物信息的实时数据传输等)。ABI Research预测,智慧医疗市场的投资预计将在2025年将超过2,300亿美元,智慧医疗市场将在2025年超过2,300亿美元

高清视频:5G的高速率特性将是用户不仅能观看当下各类视频内容,还将随时随地体验4K以上的超高清视频。参考intel的《5G娱乐经济报告》,金准产业研究团队预计未来10年内5G用户的月平均流量将有望增长7倍,而其中90%将被视频消耗,预计到2028年,仅凭消费者在视频、音乐和游戏上的支出就会增加近一倍,全球总体量将达到近1500亿美元。

结语

大数据是继云计算、物联网之后IT产业又一次颠覆性的技术变革,对国家治理模式、对企业的决策、组织和业务流程、对个人生活方式都将产生巨大的影响。边缘计算和大数据相结合有助于解决云计算所无法解决的问题和挑战。

随着时间的推移,大数据正在滚雪球,全球的云存储和其他类似的服务,正承受着大量复杂数据处理请求的压力。数据服务中心存在于远离其连接的数据密集型应用程序的地方,需要费力地完成它们的请求。边缘计算的出现一定程度上缓解了大数据带来的负荷,边缘计算发挥着举足轻重的作用,受到了那些注重大数据应用的零售、安防监控、交通运输、医疗制造等各行业客户的青睐。

金准产业研究 5G新媒体行业白皮书 2019-08-16 17:52:45

前言

无线通信在过去20年经历了突飞猛进的发展,从以话音为主的2G 时代,发展到以数据为主的3G/4G时代,目前正在步入万物互联的5G时代。2019年6月6日,随着5G牌照的发放,我国正式进入5G商用元年。5G以全新的网络架构,提供10Gbps以上的带宽、毫秒级时延、超高密度连接,实现网络性能新的跃升。

新媒体行业快速发展的同时,对通信技术提出了新的需求。媒体行业激增的数据量对网络传输能力提出了前所未有的挑战。5G技术能够使得媒体行业实时高清渲染和大幅降低设备对本地计算能力的需求得以落地,可以使大量数据被实时传输,降低网络延时,不仅可满足超高清视频直播,还能让AR/VR对画质和时延要求较高的应用获得长足发展。

一、迅猛发展的新媒体业务

2011年到2017年,媒体行业的发展迅猛,年复合增长率14.2%,产业体量已经达到1.9万亿。其中,广播电视等传统媒体在媒体总产业体量的新媒体业务分析占比从2011年起逐年下降,目前已低至13%。新媒体(互联网及移动互联网)在媒体总产业体量的占比从39%提升至66%。

 

媒体产业分析

通信技术发展带动新媒体行业体验进一步提升,视频类业务成为主流媒体形式,围绕着图像分辨率、视场角、交互三条主线提升用户体验。其中,视频类媒体图像分辨率由高清发展到4K、8K;视场角由单一平面视角向VR和自由视角发展,对通信网络带宽提出更高的要求;交互类业务的发展对通信网络的时延提出更高的要求。

1.1超高清视频

超高清视频是未来新媒体行业的基础业务,广电媒体和互联网媒体都在积极布局超高清视频直播业务。金准产业研究团队分析,“信息视频化、视频超高清化”已经成为全球信息产业发展的大趋势。从增长和规模来看,到2022年超高清占视频直播IP流量的百分比将高达35%;从技术演进来看,视频图像分辨率已经从标清、高清进入4K,即将进入8K时代。

日本NHK在2016年的里约奥运会进行8K广播测试,2018年正式开始8K卫星电视广播,并规划在2020年的东京奥运会进行8K电视转播,2018年底率先开通了全球首个8K卫星广播频道。在电视终端方面,LG发布世界最大的8K OLED屏幕,实现8K技术与OLED技术的首次结合;索尼研发基于8K HDR显示的高端画质图像处理引擎;海信推出激光电视和ULED电视;TCL专注于4K画质高动态渲染;夏普则率先推出消费级8K电视。

随着新媒体超高清视频业务的流量激增和使用场景的复杂化,根据技术和市场特征,国内的视频行业发展可分为以下四个阶段:发展期(2005~2015),成熟期(2016~2018),爆发期(2018~2020),超视频时代(2020~2025)。各时期具体特性如下:

发展期(2005~2015):在光进铜退和3G/4G的建设中,视频业务实现在线化、高清化、移动化。

成熟期(2016~2018):随着百兆到户、固移融合、CDN下沉,有线4K、移动2K普及,成为大带宽视频时代的重要特征。

爆发期(2018~2020):在高端用户千兆到户的条件下,4K/8K清晰度视频业务逐渐引入,对终端、管道和云端服务均有更高需求。

超视频时代(2020~2025):千兆到户和5G为基本需求,网络重构SDN/NFV为关键架构。4K/8K清晰度视频业务全面成熟。

5G时代的视频,无论是点播、直播,以及行业应用的视频业务,图像分辨率都将演进到4K/8K的分辨率,从而提升信息传递和图像识别的用户体验。

1.2 VR全景视频

VR全景视频(VR,Virtual Reality)是彻底颠覆内容消费与通讯消费的变革性技术,VR技术通过遮挡用户的视线,将其感官带入独立且全新的虚拟空间,为用户提供沉浸式、代入感更强的体验。VR技术应用前景广阔,在短期内最具市场潜力的应用案例包括视频游戏、事件直播、视频娱乐、医疗保健、房地产、零售、教育、工程。

VR主要分为两种业务。一种为360°全景视频类,如UGC(用户产生内容)的360°视频直播,PGC(专业内容生成)的360°赛事、音乐会、电影等。此类业务通过多个摄像头采集、拼接手段,把平面的视频还原为全景,以流媒体形式在头显播放。另一种以计算机图形(CG)处理为关键技术,利用计算机生成模拟环境,是一种多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真使用户沉浸到该环境中,也可叫CG类VR。CG类VR主要应用于如虚拟教学、社交、游戏、资产销售等场景。

金准产业研究团队分析,随着5G技术的发展,5G网络的全面商用推进,在5G时代视频业务将迎来全新的发展机遇。以VR全景视频业务为代表的新媒体形式构成未来“5G+VR视频”业务核心。

1.3 AR影像

增强现实(AR,Augment Reality)是人工智能和人机交互的交叉的学科,是实时地计算摄影机影响的位置及角度并加上相应图像、视频、3D模型的技术,是一种把真实世界和虚拟世界信息增强现实(AR,Augment Reality)是人工智能和人机交互的交叉的学科,是实时地计算摄影机影响的位置及角度并加上相应图像、视频、3D模型的技术,是一种把真实世界和虚拟世界信息有机集成的技术,AR把原本在现实世界一定时空范围内很难体验到的实体信息(主要包括视觉和听觉信息)通过计算机模拟仿真后再叠加,将虚拟的信息应用到真实世界,被人类感官所感知,从而达到超越现实的感官体验。

相对VR来说,AR更强调的是在真实场景下增加的信息,观看屏幕与VR的全封闭头盔设备不同,主要有头戴透明现实、手机、手持投影等。目前应用主要领域是工业、商业以及游戏类,如AR导航。

随着AR技术的发展,其市场规模逐年增加,预测到2022年达到800-900亿美金,AR技术特点导致其技术或者设备无处不在,移动AR应用灵活性强,各个厂家推出其新的场景和商业模式,使得应用越来越范围广,市场收入越来越高。

金准产业研究团队分析,随着移动增强现实市场规模不断扩大,用户对增强现实应用体验要求日益提高:流畅展现、实时交互、持久运行,这对移动终端设备的计算能力、媒体处理能力等均提出挑战。如何高效调用移动终端硬件能力,如何在不同业务执行环境中迅速识别和捕捉增强现实目标,如何实时叠加并流畅展现各种媒体类型的增强现实内容,这些极大影响用户体验,通信技术的发展、捕捉技术的进步、拍摄技术等方面都会对AR的体验进一步提升,AR的应用场景更丰富。

二、5G新媒体行业解决方案

新媒体行业的发展与通信技术的发展密切相关,每一次通信技术的革新都会带来新的媒体形式。在4G通信时期,超高清视频、VR全景视频等大数据量视频是以硬件存储本地播放的形式存在,传播不便捷,用户数量较少,难以形成大规模产业。金准产业研究团队分析,5G的大带宽、低时延特性解决了超高清新媒体行业的发展与通信技术的发展密切相关,每一次通信技术的革新都会带来新的媒体形式。在4G通信时期,超高清视频、VR全景视频等大数据量视频是以硬件存储本地播放的形式存在,传播不便捷,用户数量较少,难以形成大规模产业。5G的大带宽、低时延特性解决了超高清视频、VR全景视频等大带宽业务传播的技术问题,推动了行业的发展。

视频已经成为当今主流的媒体传播形式,随着技术的发展,视频的分辨率由标清、高清向超高清发展,视频的观看方式由平面向VR全景发展。各种类型视频的通信带宽需求如下图所示:

 

各清晰度视频的传输码率

2.1 5G+超高清视频制播

应用场景。大型活动举行期间,会产生数以万计的连接需求,和大量的高清摄像头或者终端录屏的视频传输需求。相对于目前已经普及的4G网络,5G拥有超高网速、超低时延、超大连接三大特点。5G速率是4G的10-100倍,时延仅仅是4G的五分之一,连接数密度是4G的10倍,峰值速度比4G高出20倍。5G技术是承载此类高清传输需求的最佳载体。

用户对于4K/8K超高清的视听体验会有强烈需求,同时随着5G网络的发展,5G技术下的4K/8K视频直播必将成为未来的大型赛事、演唱会的视频直播标准。超高清视频直播对网络环境的要求较高,不仅分辨率要达到4K甚至8K,而且帧率要达到50帧以上,图像采样比特要提升到10比特,同时图像增加HDR标准。如此巨大的数据传输量,对带宽的要求非常高,5G技术的商用自然成为超高清视频直播的重要推手。

运营商在场馆内部署移动边缘计算服务器,通过本地分流、本地运营向观众提供场馆内低廉的套餐资费,观众对内容平台进行本地访问,以更高的速率和更低的时延享受到多播分发、实时多屏共享等业务,并有效地进行线上与线下的互动。4K相比于1080P包含多4倍的像素数量,可以呈现的细节更分明,赛场中运动员、演唱会上表演者的毫发、毛孔、表情都会一览无余,并实时同步在网络端呈现。这不仅能极大地提升用户的体验,也能节省移动网络的传输带宽。

解决方案。超高清视频主要是指4K及8K清晰度的平面视频,而超高清视频制播分为三个环节:超高清视频采集回传、视频素材云端制作、超高清视频节目播出。

4K视频在播出时需要60-75Mbps的传输带宽,8K视频需要100Mbps的传输带宽,因此只有基于5G网络才能保证超高清视频回传质量。超高清视频制播5G网络架构示意图如下图所示。

 

超高清视频制播网络架构

4K/8K摄像机通过编码推流设备,将原始视频流转换成IP数据流,通过两种途径发送到5G基站:一种方法是通过5G CPE将视频数据转发给5G基站。另一种方式是通过集成5G模组的编码推流设备将视频数据转发给5G基站。基于5G模组的编码推流设备和摄像机背包设备可以为各种视频设备提供稳定的实时传输,同时相比传统的线缆传输更加灵活,不受空间的限制,能满足更灵活的超高清视频回传需求。

5G基站通过核心网,把视频数据传送到视频播放、存储及分发端,并通过多种方式发给视频显示终端。在5G+超高清视频直播的基础上,在超高清视频素材到达云端之后,在云端部署相应的视频制作软件,通过桌面应用、H5页面等方式对视频素材进行云端的制作,然后再通过5G网络进行内容分发,实现基于5G网络的超高清视频制播。

2.2 5G+VR全景视频制播

应用场景。体育赛事的VR全景视频通过场馆内或者赛事沿线摄像头多机位现场直播进行移动采集、定点采集,可以实时将现场采集的VR图像回传至业务平台。通过5G+VR全景视频能够为观众提供带有360度视角、4K以上分辨率的实况VR视频,可以追随特定运动员的脚步,以运动员的第一视角体会赛场情况,这也将成为未来主要的视频观看方式。

从演唱会、赛事直播、晚会等到现在逐渐普及的大众VR全景内容制作,VR全景制播也在不断发展。VR全景视频制播将VR摄像机各个方位采集到的平面图像拼接缝合成球形画面并借助图像拼接服务器使整个球形图像无畸变,真实还原自然效果,多机位采集的多路画面经由VR监看切换系统选择最佳画面,植入VR虚拟元素和特效制作,最终形成完整VR全景视频播出内容。

解决方案。5G+VR全景视频制播整体架构与5G+超高清视频制播架构类似,主要区别在于视频采集端和呈现端。VR全景视频采集端需要借助VR全景摄像头,目前主流的VR全景摄像头都能进行视频画面的机内拼接,当视频清晰度提高到8K时,则需要通过专用硬件设备进行拼接。此外,VR全景视频呈现需要借助VR头盔一体机,VR全景视频制播网络架构如下图所示。

 

VR全景视频制播网络架构

2.3 5G+AR影像制播

应用场景。5G技术带来的大带宽数据传输可以满足AR远程交互。在景点游览过程中,与AR结合的有“AR餐饮”、“AR民宿”、“AR景点”、“AR景区”等。游客通过线上操作,一步解决旅游过程中的所有问题。基于不同景区或景点,通过手机扫描门票上的景点图案标识,直观感受到景点情况,观看动画宣传视频讲解;还可以为游客设置例如景点打卡签到、文物位置追踪、景区知识答题、虚拟签名墙等活动,并给予游客消费优惠。另外,增加景区周边的相关城市服务功能,如异常天气提醒、饭店或酒店推荐与预订、城市或景区宣传、交通信息查询与实时提醒等功能,实现一步点餐、订房、直观了解餐馆、民宿情况。这种新型的智慧旅游方式,不仅能有效地提升游客的体验,还能为景区与周边城市带来更多的有效收入,打造可循环发展的智慧旅游新业态。

解决方案。AR影像通信系统架构包括用户客户端、5G核心网、边缘云服务和云服务,客户端用于采集用户AR人像并呈现。依赖5G的低延时和强大的无线传输能力,AR影像通信数据的传输将更加流畅,清晰度也可进一步提高;同时,通过5G网络将部分渲染工作交给能力更强的云计算服务完成,最终实现内容上云、渲染上云、运算上云;

AR影像通信应用场景的多样化对5G网络提出了不同的性能和功能要求, 5G核心网通过网络切片技术拥有向业务场景适配的能力,针对不同业务场景提供恰到好处的网络控制功能和性能保证,实现按需组网,基于SDN/NFV(软件定义网络/网络功能虚拟化),为不同切片提供对应的QoS服务。

 

AR影像通信技术网络架构

通过将内容与远端场景渲染的业务层的内容全部下沉到5G边缘云。5G边缘云服务器可以位于单个5G基站之后(针对特定热点区域)或部署在多个5G基站的汇聚节点之后。通过边缘云服务器强大的边缘转码和计算能力,可以更好更快的实现复杂的本地AR影像场景渲染。另一方面,通过将行业业务数据与AR影像通信技术有机融合,使得技术与业务绑定更为紧密。

三、展望未来

金准产业研究团队分析,随着5G技术和新媒体业务结合的不断深入,5G新媒体应用也将从初期的采、编、传逐渐渗透到云化制作生产、全息通信的引入,以及形成平台化的生产传播融合平台,并面向未来探索沉浸式体验等更新的技术,对5G新媒体业务发展路标的预测如下图:

 

5G+新媒体业务路标

开拓期:

5G视频采编背包:5G传输功能及网络平台的服务集成于视频采编设备中;

5G超高清制播:基于5G网络的超高清视频采、编、播整体服务;

5G VR一体化制播:通过5G网络进行全景VR的一体化制作;

5G增强型交互式媒体:基于5G网络提供的短时延和高通量实现的互动媒体业务;

发展期:

5G轻量级演播室:基于5G实现移动在线的媒体行业的现场报道、前方演播室、移动生产、现场连线;

5G AR制播:利用5G的大带宽低延时实现AR业务的在线制播;

5G全息制播:通过5G网络进行全息图像的制作播出;

成熟期:

5G融媒体平台:利用移动传播技术,形成渠道丰富、覆盖广泛、传播有效、可管可控的移动传播矩阵;

5G云VR平台:基于5G的网络实现随时随地的强VR业务体验;

5G AI媒体平台:5G与AI相结合,实现媒体业务的智能化采编播系统;

进阶期:

5G裸眼8K 3D:无需佩戴眼镜的基于5G大带宽低时延的裸眼高清3D信息传输方式;

5G沉浸式MR:在5G网络平台上实现VR、AR、全息等技术的融合应用;

目前,5G与新媒体行业结合创新应用的需求旺盛。金准产业研究团队分析,新媒体行业中5G应用的产业生态也逐步成熟。我国通信行业及媒体行业高度重视5G与媒体结合创新,2018年底,中央广播电视总台与三大运营商及华为公司签署战略协议合作建设国家级5G新媒体平台,通过联合建设“5G媒体应用实验室”积极开展5G环境下的视频应用和产品创新,形成电视、广播、网媒三位一体的全媒介多终端传播渠道,并发布4K超高清技术规划和超高清频道。未来,希望通过新媒体5G应用领域的持续创新,促进基于5G网络的各类视频直播+制播系统在娱乐、教育、医疗、安防等领域有更广泛的应用。

结语

金准产业研究团队认为,相对于报刊、户外、广播、电视四大传统意义上的媒体,新媒体被形象地称为“第五媒体”。纵观媒介发展的历史,每次变革几乎都新技术带来的:印刷术的发明带来报纸的诞生;电子信息技术的发展带来了广播和电视媒体的兴起;互联网时代的到来为网络媒体的发展提供了基础,而5G的来临也让新媒体获得了革命性的发展前景。随着5G时代到来,视频不再被网速制约,更高清、更极速、更创新丰富的媒体形式将被带到大众视野中,长视频、短视频和直播都将再次迎来爆发性发展,如超高清的4K视频体验、沉浸式的VR/AR体验、强交互的云游戏体验等。

金准产业研究 未来互联网+大数据时代数据科学发展与应用研究报告 2019-08-15 18:20:15

前言

互联网时代飚速发展,大数据作为近年热门兴起的行业之一已经越来越受人们重视,但是大学并没有相关专业随之同速发展,大部分企业招收的大数据人才80%来源于培训机构。基于互联网的大数据时代,大数据在未来应用到哪些领域?金准产业研究团队认为,根据当前互联网大数据发展现状和新应用业态,应加强数据科学发展与数据科学学科建设的建议,研判了大数据未来面临的挑战和发展趋势。

一、对未来大数据的再认识

大数据已经渗透到当今各行业和业务功能区域,成为一个重要的生产要素,主要表现为以下几个方面:一是未来企业之间的竞争就是数据的竞争;二是未来的时代不是IT时代,而是DT时代;三是未来大数据的价值越来越显著,作用也越来越重要;四是未来大数据技术的战略意义在于对那些含有意义的大数据进行专业化处理。此外,未来大数据的重要意义还在于提高对数据的加工能力,实现数据的“增值”。

人们对于海量数据的挖掘和运用,预示着新一波生产率增长和消费者盈余浪潮的到来。另外,大数据在物理学、生物学、环境生态学等领域以及军事、金融、通讯等行业中存在已有时日,却因为近年来互联网和信息行业的发展而引起人们更大关注。

数据正在迅速膨胀并变大,它决定着企业的未来发展。虽然很多企业可能并没有意识到数据爆炸性增长带来的隐患,但是随着时间的推移,人们将越来越多的意识到数据对企业的重要性。特别是大数据时代已经降临,在商业、经济及其他领域,决策将日益基于数据和分析而作出,而并非基于经验和直觉。这是一场革命,庞大的数据资源使得各个领域开始了量化进程,无论学术界、商界还是政府,所有领域都将开始这种进程。

大数据到底有多大?一天之中,互联网产生的全部内容可以刻满1.68亿张DVD;发出有2940亿封邮件之多,相当于美国两年的纸质信件数量;发出的200万个社区帖子,相当于《时代》杂志770年的文字量;卖出37.8万台的手机,高于全球每天出生的婴儿数量37.1万。国际数据公司(IDC)的研究结果表明:2008年全球产生的数据量为0.49ZB,2009年的数据量为0.8ZB,2010年增长为1.2ZB,2011年的数量更是高达1.82ZB,相当于全球每人产生200GB以上的数据。而到2012年为止,人类生产的所有印刷材料的数据量是200PB,全人类历史上说过的所有话的数据量大约是5EB。IBM的研究称,整个人类文明所获得的全部数据中,有90%是过去两年内产生的。而到了2020年,全世界所产生的数据规模将达到今天的44倍。每一天,全世界会上传超过5亿张图片,每分钟就有20小时时长的视频被分享。然而,即使是人们每天创造的全部信息——包括语音通话、电子邮件和信息在内的各种通信,以及上传的全部图片、视频与音乐,其信息量也无法匹及每一天所创造出的关于人们自身的数字信息量。(数据量已经从TB(1024GB=1TB)级别跃升到PB(1024TB=1PB)、EB(1024PB=1EB)乃至ZB(1024EB=1ZB)级别。)

未来,大数据将带给我们三个颠覆性思维变革。第一个思维变革是利用所有的数据,即不是随机样本,而是全体数据。第二个思维变革是接受数据大体方向,即不是精确性,而是混杂性。第三个思维变革是不必接受研究对象的现象背后的原因,即不是因果关系,而是相关关系。

“互联网+”战略已经从第三产业渗透到国计民生的所有行业里面。“互联网+”战略更多的是跨界联合,是现在的重要课题,特别是“互联网+”工业、车联网、物联网。如果说未来世界是万物互联的物联网,肯定是对的,但如果只是物和物的连接,没有人和人的连接,就会死气沉沉。金准产业研究团队认为,未来应该是人和人的连接,人和物的连接,物和物的连接以及人和服务的连接。未来应该是DT的时代。从信息化变成大数据,因为信息化只是一个符号,变成大数据以后才能真正成为一个活的数据,为企业决策提供支持。过去讨论的“互联网+”大多是关于模式,现在更关键的是技术创新,技术创新要跟模式结合在一起。

二、当前互联网大数据发展现状分析

随着互联网用户激增,手机已经实现了数据化、宽带化,数据在以指数级的速度增长,而具有资源优势的运营商正好位于大流量、大数据信息“金矿”上。目前,大数据应用相对其他产业比较成形的就是互联网企业,这些握有大量数据资产的互联网企业正急于如何将大数据信息转化为商业价值,提升用户体验,进行精细化运营,提高网络营销效率。

互联网企业以及运营商拥有下面五类数据:一是基础数据,如用户账号;二是协议类型数据,如套餐服务得到的用户消费能力;三是业务类型数据,如用户选择的游戏、阅读、音乐类,代表个人兴趣、爱好的数据;四是访问的URL,即用户经常看的网站、搜索关键词等;五是终端信息,每个终端能力、特征不同,最终使用的业务也会不同。基于以上五类数据,通过大数据分析手段,找到最合适和满足用户需求的产品特点,从而指导产品设计开发,业务上线后持续跟踪分析用户的在线订购、使用问题等,为优化业务策略提供数据支持,提高业务质量和客户体验,最终达到精细化网络营销,提高客户满意度和销售效率。

此外,互联网大数据应用日益得到人们的认可,越来越多的行业开始关注、开发应用互联网大数据。医疗保健、零售商、制造业等传统行业已开始积极挖掘互联网数据带来的商业价值。

根据国务院印发的《国务院关于促进信息消费扩大内需的若干意见》规划,截至2015年,中国信息消费规模超过3.2万亿元,年均增长20%以上,带动相关行业新增产出超过1.2万亿元,其中基于互联网的新型信息消费规模达到2.4万亿元,年均增长 30%以上。按此推算,信息消费的增量部分规模将占到GDP增量部分规模的12%左右,每年为GDP增长贡献大约1个百分点,并且可以带动全国相关产业的发展,这将极大地促进中国经济持续、平稳地发展。《大数据产业发展规划(2016-2020)》提出,到2020年,大数据相关产品和服务业务收入突破1万亿元,年均复合增长率保持 30%左右,大数据在创新创业、政府管理和民生服务等方面广泛深入应用。

三、数据科学发展与数据科学学科建设

数据科学的主要研究对象包括数据采集、数据存储计算能力和提取数据价值的能力,这也是大数据应用的三大要素。因此,采集、存储计算以及数据价值这些方面我们应该重视。数据科学涉及数据的全生命周期,包括数据采集、分析管理和可视化以及在各行各业中的广泛应用,包括电子商务、金融、医疗、生物技术、教育、旅游、交通和农业等。无论是工业界还是学术界,越来越多的国内外专家和学者已经意识到数据科学技术的研究和应用是推动和引领经济和社会新常态的关键因素,他们相继开展了大量的相关研究,也取得了许多有价值的研究成果,依然存在很多问题亟待解决,但大数据分析是大数据价值发现的关键,也是辅助决策的基础。

当前,数据科学与大数据技术专业的三大技术方向分别为:一是数据挖掘、数据分析和机器学习,二是Hadoop大数据开发,三是大数据运维和云计算。大数据技术体系应包括大数据采集、大数据预处理、大数据存储及管理、大数据分析及挖掘和大数据可视化5个类别。数据科学与大数据技术专业的课程体系包括通识教育课程模块、学科基础课程模块、专业核心课程模块、集中实践课程模块。数据科学与大数据技术专业是国家大数据战略规划的新兴交叉型本科专业,高校应以行业需求为导向、以学科交叉基础为支撑,以满足实践应用需求为目的,设计科学前瞻的课程体系,为社会经济发展培养高素质的复合型应用人才。

总体而言,数据科学与工程作为大数据时代的新兴交叉学科,主要的知识结构还是来源于计算机科学、应用数学以及信息系统和信息管理这三个学科,但是其具体的细节和这三个学科具有很大的不同。大数据时代下,计算机软件工程学科在人才培养和知识结构体系方面过于老化,不符合市场发展的规律和趋势。数据科学和工程的重要的特点是综合性强,需要学生融会贯通地学习,构建一个基本的系统框架,具备专业的知识和能力素养。

关于数据科学发展中大数据人才培养问题,数据科学与大数据技术专业强调培养具有多学科交叉能力的大数据人才。重点培养具有以下三方面素质的人才:一是理论性人才,主要是对数据科学中模型的理解和运用;二是实践性人才,主要是处理实际数据的能力;三是应用性人才,主要是利用大数据的方法解决具体行业应用问题的能力。

四、未来互联网大数据带来了新的机遇和应用

大数据不仅帮助企业优化运营绩效,更重要的是,互联网大数据给企业带来了业务创新的机遇和应用,在互联网大数据助推下进行的商业模式创新及业务的延伸。

未来全球电子商务一定是社会化的,阿里巴巴通过打造商业的基础设施,吸引卖家、快递等各方公司参与,通过这种商业创新模式将各行业企业连接到生态圈里,进而打造全球电子商务的一体化。

现在有很多大数据的应用范例。比如说刷脸入住、机器人送餐送物,打造无人智慧酒店;5G虚拟课堂,全息投影、VR等新技术手段与教育教学深度融合;智能语音输入,让医生问诊时同步生成电子病历等。

大数据背景下还有一种重要的业态就是数据存储空间出租。当前,企业和个人有着海量信息存储的需求,只有将数据妥善存储,才有可能进一步挖掘其潜在价值,具体而言,这块业务模式又可以细分为针对个人文件存储和针对企业用户两大类。数据存储空间出租主要是通过易于使用的API,用户可以方便地将各种数据对象放在云端,然后再像使用水、电一样按用量收费,可重复使用。

金准产业研究团队认为,未来,随着大数据技术的发展和应用,或许会从所有流程由一个企业完成,转化成每一环节都由单独企业来完成的一整条产业链。其中,第一类企业为数据采集公司,这类公司对应于现在商业中的原材料生产商,专门负责原材料(数据)的采集与储存;第二类为数据挖掘公司,这类公司相当于现在的加工企业,从数据采集公司里采购原材料(数据),然后加工出数据关系,再出售给最后的数据应用公司;第三类为数据应用公司,这类公司对应于现在最多的代理商,这些一二级代理商,会通过收购来的原材料(数据)的质量(反映规律的程度),以及商业应用程度(业务与规律结合得更好)来形成竞争关系。

互联网与大数据的价值最好的体现在于对已有行业潜力的再次挖掘,用互联网思维和大数据思维去重新提升传统行业,使得信息透明化、对称化,对产生的大数据进行整合利用,也使得资源得到最大化利用。随着互联网的快速发展产生大数据,反过来加速推动互联网各种各样应用的演进。金准产业研究团队相信在可预见的将来,通过对大数据的全面挖掘将产生更多新的应用,促使产生更多的新业态,将给人类生活带来更多的便利和惊喜。

五、未来大数据时代面临的挑战与发展大趋势

大数据挑战和机遇并存,大数据在未来几年的发展将从前几年的预期膨胀阶段、炒作阶段转入理性发展阶段再到落地应用阶段,大数据在未来几年将逐渐步入理性发展期。未来的大数据发展依然存在诸多挑战,但前景依然非常乐观。

金准产业研究团队分析,目前大数据的发展依然存在七大方面挑战:一是业务部门没有清晰的大数据需求导致数据资产逐渐流失;二是企业内部数据孤岛严重,导致数据价值不能充分挖掘;三是数据可用性低,数据质量差,导致数据无法利用;四是数据相关管理技术和架构落后,导致不具备大数据处理能力;五是数据安全能力和防范意识差,导致数据泄露;六是大数据人才缺乏导致大数据工作难以开展;七是大数据越开放越有价值,但缺乏相关的政策法规,导致数据开放和隐私之间难以平衡,也难以更好地开放。

虽然大数据发展仍在起步阶段,存在诸多挑战,但未来的发展依然非常乐观。未来大数据的发展将呈现八大趋势:第一大趋势是数据资源化,数据将成为最有价值的资产;二是大数据在更多的传统行业的企业管理落地;三是大数据和传统商业智能融合,行业定制化解决方案将涌现;四是数据将越来越开放,数据共享联盟将出现;五是大数据安全越来越受重视,大数据安全市场将愈发重要;六是大数据促进智慧城市发展,是智慧城市的引擎;七是大数据将催生一批新的工作岗位和相应的专业;八是大数据在多方位改善我们的生活。

六、大数据应用领域

6.1电商行业

电商行业是最早利用大数据进行精准营销,它根据客户的消费习惯提前生产资料、物流管理等,有利于精细社会大生产。由于电商的数据较为集中,数据量足够大,数据种类较多,因此未来电商数据应用将会有更多的想象空间,包括预测流行趋势,消费趋势、地域消费特点、客户消费习惯、各种消费行为的相关度、消费热点、影响消费的重要因素等。

6.2金融行业

大数据在金融行业应用范围是比较广的,它更多应用于交易,现在很多股权的交易都是利用大数据算法进行,这些算法现在越来越多的考虑了社交媒体和网站新闻来决定在未来几秒内是买出还是卖出。

 

6.3医疗行业

医疗机构无论是病理报告、治愈方案还是药物报告等方面都是数据比较庞大行业,面对众多病毒、肿瘤细胞都处于不断进化的过程,诊断时会发现对疾病的确诊和治疗方案的确定是很困难的,而未来,我们可以借助大数据平台收集不通病例和治疗方案,以及病人的基本特征,可以建立针对疾病特点的数据库。

6.4农牧渔

未来大数据应用到农牧渔领域,这样可以帮助农业降低菜贱伤农的概率,也可以精准预测天气变化,帮助农民做好自然灾害的预防工作,也能够提高单位种植面积的高产出;牧农也可以根据大数据分析安排放牧范围,有效利用农场,减少动物流失;渔民也可以利用大数据安排休渔期、定位捕鱼等,同时,也能减少人员损伤。

6.5生物技术

基因技术是人类未来挑战疾病的重要武器,科学家可以借助大数据技术的应用,从而也会加快自身基因和其它动物基因的研究过程,这将是人类未来战胜疾病的重要武器之一,未来生物基因技术不但能够改良农作物,还能利用基因技术培养人类器官和消灭害虫等。

6.6改善城市

大数据还被应用改善我们日常生活的城市。例如基于城市实时交通信息、利用社交网络和天气数据来优化最新的交通情况。目前很多城市都在进行大数据的分析和试点。

 

6.7改善安全和执法

大数据现在已经广泛应用到安全执法的过程当中。想必大家都知道美国安全局利用大数据进行恐怖主义打击,甚至监控人们的日常生活。而企业则应用大数据技术进行防御网络攻击。警察应用大数据工具进行捕捉罪犯,信用卡公司应用大数据工具来槛车欺诈性交易。

在传统领域大数据同样将发挥巨大作用:帮助农业根据环境气候土壤作物状况进行超精细化耕作;在工业生产领域全盘把握供需平衡,挖掘创新增长点;交通领域实现智能辅助乃至无人驾驶,堵车与事故将成为历史;能源产业将实现精确预测及产量实时调控。

个人的生活数据将被实时采集上传,饮食、健康、出行、家居、医疗、购物、社交,大数据服务将被广泛运用并对用户生活质量产生革命性的提升,一切服务都将以个性化的方式为每一个“你”量身定制,为每一个行为提供基于历史数据与实时动态所产生的智能决策。

6.8大数据产业分类

融合应用产业:在业务应用中产生大数据,并与行业资源相结合开展商业经营的企业

基础支撑产业:提供直接应用于大数据处理相关的软硬件、解决方案及其他工具的企业

数据服务产业:以大数据为核心资源,以大数据应用为主业开展商业经营的企业

大数据能受到大家的追捧主要是因为目前移动互联网、物联网的快速发展,从而也产生了海量的数据,而大数据计算技术完美地解决了海量数据的收集、存储、计算、分析的问题,这也促进人类社会对数据价值的新认知。

结语

坚持创新发展,顺应融合趋势,共同把握好数字化、网络化、智能化发展机遇,共同应对大数据发展在法律、安全、政府治理等方面的挑战,必能开创美好未来。

万物皆可数字化。大数据技术将万物整合成数字编码,连接万物、变革万物,为发展物联网、人工智能等提供了重要基础。大数据技术是推动人类文明进步的共同财富。当前,大数据技术、大数据产业在世界范围内蓬勃发展,信息化、数字化浪潮席卷全球。金准产业研究团队认为,大数据的未来,需要各国共商共建共享。探索大数据广阔发展前景的同时,也需要密切关注数据安全、隐私保护。建立牢不可破的安全体系,正是推动大数据产业发展行稳致远的应有之义,也是大数据技术应用的牢固根基。

 

金准产业研究 5G终端专题报告 2019-08-12 15:17:26

前言

6月初国内5G商用牌照发放,随后首张5G终端电信设备进网许可证被华为收入囊中,标志着我国5G建设正式从基站端步入移动端。7月26日,华为正式在国内发布了Mate20X5G版,8GB+256GB版本售价6199元,8月16日正式开售。华为Mate20X5G版搭载巴龙5000、麒麟980两大旗舰芯片,下载、上传速度极速提升,同时支持SA/NSA双模式,树立5G旗舰机标杆性能。5G换机潮即将开启,苹果收购英特尔调制解调器业务,三星推出S105G版,国产厂商采用骁龙855+骁龙X50方案推出5G试水版手机,5G争夺一触即发。

换机大潮开启,2020年5G手机出货量有望突破亿台。

随着三大运营商在18座城市施行5G试点项目,2019年进入5G预商用阶段,金准产业研究团队预计2020年实现正式商用。金准产业研究团队预计2019年全球5G手机金准产业研究团队预计出货670万台,2023年5G手机单年出货量超过4亿台,普及率超过25%。带动智能手机整体市场有望回到3%左右的增长区间。此外,5G时代有望成为智能终端大裂变的时代,智能穿戴、智能家居、智能汽车等新智能硬件形态将迎来爆发式的增长。

一、5G终端变化应该关注什么?

5G时代是智能终端大裂变的时代,智能穿戴(耳机、手表、AR/VR等)、智能家居(智能照明、智能白电、智能音箱等)以及智能汽车将呈现爆发式增长。人与智能终端的交互将由智能手机、PC和平板电脑上升为全方位的泛智能化交互。但究其根本,人机交互的渠道依然由视觉(屏幕)、语音(麦克风)、手势(摄像头)和肢体(生物识别)完成,显示、摄像头及生物识别仍需关注。

5G的通讯功能实现来看,射频前端及天线的变化较大。5G制式智能手机随着通信频段的进一步增加其射频前端芯片的价值量也将继续提升;另外,射频前端中滤波器、放大器都需要电容、电感用于阻抗匹配或扼流,因此MLCC及叠层电感的需求也将提升;5G时代MIMO将提升天线及连接线的数量需求,在空间匮乏的情况下MPI/LCP有望快速渗透。此外,5G带来终端非金属化趋势也推动玻璃、陶瓷等脆性材料的应用拓展,看好先进激光装备需求提升。

1.1重点看好5G终端带来的电子全产业链机遇

5G建设和普及将分为三大阶段,投资机会也将分为基站、终端和物连三个阶段,尤其终端的放量,将会为电子全产业链的发展带来契机。

华为5G终端引领国内极速风潮

6月初,工信部正式向中国电信、中国移动、中国联通、中国广电发放5G商用牌照,我国正式进入5G商用元年。6月25日,华为Mate20X获得首张5G终端电信设备进网许可证。7月26日,华为正式在国内发布了Mate20X5G版,8GB+256GB版本售价6199元,8月16日正式开售。

华为Mate20X5G版搭载两大旗舰芯片——7nm工艺多模5G基带芯片巴龙5000以及智能的7nm制程SoC麒麟980。5G版本与普通版本的区别主要在于基带芯片巴龙5000。巴龙5000芯片是目前业内集成度最高、性能最强的5G终端基带芯片。它不仅是世界上首款单芯片多模5G基带芯片,同时还向下兼容2G、3G、4G,能耗更低、性能更强。

华为Mate20X5G同样是首款同时商用支持SA/NSA的双模手机。SA和NSA分别表示5G独立组网和非独立组网。在5GNSA组网方式下,运营商可以在4G的基础上实现5G建设,但缺点是无法支持5G全部场景。以目前已实现5G商用的韩国为例,韩国5G采用NSA组网,而NSA组网主要针对eMBB(增强型移动宽带)和uRLLC(低时延)应用场景,对于mMTC(海量机器类通信)尚难以支持。因此,华为巴龙5000对于双模的支持体现了其布局的长远性。

巴龙芯片为速度提升保驾护航,5G优势深入人心。经测试,5G版Mate20X的下载速度可达到1735Mbps,上传速度可达到212Mbps;而4G版下载速度只有94.4Mbps,上传速度仅有12.0Mbps。据OPENSIGNAL的数据显示,韩国5G网络实际的平均下行速度为111.8Mbps(14MB/s),相较于4G旗舰机能达到的75.8Mbps(9.48MB/s)提升了48%,比其它智能机则提升了134%。目前,韩国的5G网络仅开放3个多月,下载速率方面较4G已有较大提升。随着5G基站的广泛完善,我们认为5G网络的优势会进一步体现,有望在大规模商用化后实现速率的进一步提升。

华为5GCPEPro获得中国首个5G无线数据终端电信设备进网许可证。基于巴龙5000基带芯片,华为在年初还发布了首款商用终端5GCPEPro(将收到的5G信号转化为Wi-Fi信号),可看作一款具备5G网络的移动路由产品,支持4G和5G双模。5GCPEPro采用了Wi-Fi6标准,下行速率高达4.8Gbps,能充分释放5G超宽带能力,在5G网络下实现3秒下载1GB的高清视频。华为5GCPEPro可增强室内场所的5G信号,为智能家居、智能办公等场景提供强劲的信号支持。7月26日,华为5GCPEPro在华为坂田基地正式发布,售价为2499元。

1.2终端品牌争夺5G第一桶金

2020年是5G换机周期的始点,苹果5G终端进度落后于竞争对手,主要受制于基带芯片。今年4月,苹果与高通宣布和解,双方签订为期6年的、可延长的专利授权协议,以及高通向苹果供应芯片的协议,同时苹果将向高通支付专利费。此次和解后,苹果将在新的iPhone中继续使用高通的基带芯片,这将使得苹果有望于2020年发布5G手机,缩短与其他手机厂商之间的时间差距。

收购英特尔智能手机调制解调器业务有利于苹果5G终端布局。7月25日,苹果宣布已与英特尔签署协议,苹果将收购英特尔大部分智能手机调制解调器业务。苹果向英特尔共支付10亿美元,获得相关专利与设备,该交易金准产业研究团队预计在第四季度完成,大约2200名英特尔员工将加入苹果公司。结合苹果现有的产品组合,苹果将拥有超过17000项无线技术专利,从蜂窝标准协议到调制解调器架构和调制解调器操作,为立足5G时代夯实了内部基础。

三星搭载自家芯片,开启5G先锋计划率先引流。目前,三星的S105G版本已正式发布,并推出相关换机方案。从产品配置上看,三星S105G版本搭载自家的ExynosModem5100基带芯片(10nmFinFET低功耗工艺),支持6GHz以下的频段与毫米波频段,可提供快速、大规模和可靠的数据连接。从置换方案上看,消费者可通过购买GalaxyS10系列或GalaxyA804G手机,并支付99元加入三星5G俱乐部。当三星2019年下半年5G手机正式上市后,消费者可以低至9元的价格换得5G手机。

OPPO、vivo、小米、中兴等国产品牌的5G产品均已蓄势待发。目前国产品牌均开始推出其旗舰机的5G版本,提前试水5G产品,包括OPPOReno5G、VivoNEX5G、华为MateX5G、小米MIX35G、中兴Axon10Pro5G以及努比亚5G手机等。除华为外,大部分国产手机厂商采用高通骁龙855+骁龙X50的方案。目前,除华为拿到5G终端电信设备进网许可证外,OPPO、中兴均已宣布拿到许可证。

值得重视是,骁龙X555G基带使用范围非常广,除了智能手机外,还可支持移动热点、固定无线、笔记本电脑、平板电脑、汽车、XR终端、物联网设备等等,将成为5G技术大规模应用的基石。

此外,联发科亦宣布将在今年三季度正式出货5GSOC,同时明年一季度上市首批搭载联发科5GSOC,有望与高通5G平台共同推动5G手机大潮。另外,从2020年的角度看,高通X55基带,有可能给广大国内终端品牌带来真正意义上的5G应用落地。

5G进入预商用阶段,终端出货重归增长

随着三大运营商在18座城市施行5G试点项目,2019年进入5G预商用阶段,金准产业研究团队预计2020年实现正式商用。终端品牌纷纷发布5G产品,中国工业和信息化部信息通信发展司司长、新闻发言人闻库在国新办例行发布会上表示,中国的5G网络和终端均已步入成熟,已有约20款可上市5G手机。进入下半年,市场或将迎来5G手机“扎堆”首发。电商平台反映,8月有望有4款5G新机发售。

根据IDC预测,2019年5G手机金准产业研究团队预计出货670万台,尚不及3G手机的八分之一,4G手机的占有率依然高达95%以上。IDC金准产业研究团队预计2023年,5G手机单年出货量超过4亿台,普及率超过25%。在2020年5G正式商用开启后,智能手机整体市场有望回到3%左右的增长区间。

 

 

1.3廉价款5G手机提前问世,出货量预期上行

作为安卓阵营的领头羊,三星在年初率先发布5G版本的旗舰手机GalaxyS105G,该款手机起售价格139万韩元,约合人民币8222元。截至6月24号,三星已在韩国售出100多万部GalaxyS105G版手机,平均每天售出15,000部。下半年,三星还将推出5G版本的GalaxyNote10。5G手机在三星高端旗舰的占比快速提升。三星还计划推出中高端版本的5G手机GalaxyA90,进一步拉低购置成本。

华为作为国内快速崛起的品牌,也先后推出5G折叠手机MateX与5G手机Mate20X,前者尚未大批量上市销售,后者则于7月26日开启预约,8月16日开售,定价6199元。Mate20X5G现场实测下载速率可高达1760Mbps,上传速率则达到220Mbps,是同一场景下4G手机下载和上行速度的20倍以上。

7月18日,中兴通讯官宣旗下中兴天机Axon10Pro5G版获得入网证。7月23日,中兴天机Axon10Pro5G版开启预约,线上预售价仅4999元。

这部5G手机拥有超高速下载能力,在5G网络下,下载1G1080p的高清视频仅需要4秒。同时,AXON10Pro5G搭载了时下高端旗舰标配的各种硬件和功能,包括骁龙855处理器、AI三摄+高倍变焦、柔性曲面OLED全面屏、光学屏下指纹识别等。因此,从配置上看是比较纯正的高配旗舰机型。

我们认为,AXON10Pro5G与Mate20X5G的发布,打破了5G手机预商用期只能生长在万元机的预期,价格定位在5,000-7000元附近的中高端旗舰手机同样可以搭载5G功能。同时,2,000元区间的IDM智能机推出5G版本的进度加速,这将极大地加速5G功能向下渗透。中国移动预测,5G规模商用阶段5G手机可能降至千元级别。廉价5G手机有望显著拉动换机,新机出货量预期上行。

二、5G时代是智能终端裂变的时代

智能手机的黄金十年是建立在对传统终端的强力替代基础上,换言之,智能手机实质是功能机、MP3、数码相机、电子书、游戏机、甚至PC等一些列产品的结合体。通过高度集成形成了算力的最高效解决方案。

随着智能手机内部空间与锂电池续航能力面临的瓶颈,硬件升级+性能提升与轻薄便携+功耗降低形成了难以协调的矛盾。而5G网络的出现,赋予智能终端未来发展的新思路,即算力的云化。依靠5G高传输、低延时的特性,解放智能终端对于性能的需求增长。

因此,我们认为,5G时代有望成为智能终端大裂变的时代,智能穿戴、智能家居、智能汽车等新智能硬件形态将迎来爆发式的增长。根据IDC预测数据,智能穿戴中智能耳机(主要是蓝牙耳机)复合增速高达56%以上。

根据Canalys统计数据,2017年全球智能音箱安装基数约5000万台,2018年有望翻倍增长至一亿台。按照预期的增长速度,2020年智能音箱安装基数将达到2.25亿台,2022年有望突破3亿台。IDC预测智能音箱市场规模将从2017年的44亿美元快速增长至2022年的174亿美元。

 

 

 

5G还将赋予AR/VR新的发展机遇,在于5G将突破网络传输的限制,突破AR/VR产品计算与存储本地化的瓶颈。使用云端存储和处理,能够显著降低产品重量和体积。5G低延时的特点能够降低VR体验的眩晕感,特别是联网VR,打破技术桎梏。同时,产品存储和计算硬件的节省,将极大地降低产品的成本,使用户接受度更高。

2.1新终端形态增强交互需求,利好三大硬件方向

前文提到,5G时代是智能终端大裂变的时代,智能穿戴(耳机、手表、AR/VR等)、智能家居(智能照明、智能白电、智能音箱等)以及智能汽车将呈现爆发式增长。因此,人与智能终端的交互将由智能手机、PC和平板电脑上升为全方位的泛智能化交互。但究其根本,人机交互的渠道依然由视觉(屏幕)、语音(麦克风)、手势(摄像头)和肢体(生物识别)完成。

显示屏:作为物联网设备的终端载体,无论是智能手机、平板电脑、显示器、电视、车载导航仪还是数字信息显示等,这些均离不开显示器件。

生物识别:随着物联网技术与生态的成熟,这导致塑造新类型的智能物品。生物识别锁、个性化咖啡机、带人脸识别功能的智能大门、宠物食品分配器,配备语音识别功能的客户支持系统。

 

摄像头:摄像头除了在智能手机中作为拍照需求外,物联网时代下将作为重要的数据入口端,特别是与AI的结合将形成自动数据获取+处理的能力,使传统终端拥有智能化能力。最为典型的则是安防视频监控与汽车自动驾驶。

考虑到汽车巨大的保有量,未来智能汽车的用户基础是巨大的。与现有的智能手机摄像头市场相比,车载摄像头具有与之媲美的用量和成倍的ASP提升空间。因为车载摄像头工作环境变化大,对帧率、稳定性和可靠性要求较高,摄像头一旦失效,将对用户生命安全造成极大威胁。因此摄像头对模组和封装要求极为严格,供应商认证壁垒较高。相对比10美金左右电子消费摄像头,车载摄像头价格可达30美金左右。

2.2 5G驱动射频前端需求大增,国内厂商从分立产品切入

射频前端是中频到射频的通道,其结构主要包括功率放大器、低噪声放大器、滤波器、射频开关和双工器等。射频开关用于实现射频信号接收与发射的切换、不同频段间的切换;射频低噪声放大器用于实现接收通道的射频信号放大;射频功率放大器用于实现发射通道的射频信号放大;射频滤波器用于保留特定频段内的信号,而将特定频段外的信号滤除;双工器用于将发射和接收信号的隔离,保证接收和发射在共用同一天线的情况下能正常工作。

根据Yole Development的统计,2G手机中射频前端芯片的价值为0.9美元,3G智能手机中大幅上升到3.4美元,支持区域性4G制式的智能手机中射频前端芯片的价值已经达到6.15美元,高端LTE智能手机中为15.30美元,是2G制式智能手机中射频前端芯片的17倍。因此,在4G制式智能手机不断渗透的背景下,射频前端芯片行业的市场规模将持续快速增长。5G制式智能手机随着通信频段的进一步增加其射频前端芯片芯片的价值量也将继续提升,同时物联网等新兴应用也会带来新的无线通信需求而增加射频前端芯片的应用领域。

根据QYR Electronics Research Center的统计,从2011年至2018年全球射频前端市场规模以年复合增长率13.10%的速度增长,2018年达149.10亿美元。受到5G网络商业化建设的影响,自2020年起,全球射频前端市场将迎来快速增长。2018年至2023年全球射频前端市场规模金准产业研究团队预计将以年复合增长率16.00%持续高速增长,2023年接近313.10亿美元。

 

射频前端行业内的企业一般同时向市场提供射频开关、低噪声放大器、功率放大器等多种产品。目前在中低端手机领域,射频前端因为追求成本更低仍然以分立器件的形式存在,而在高端机产品中,射频前端因为追求更高的集成度使得模组化的趋势明显。

从行业格局来看,全球射频前端的头部厂商非常集中,包括Broadcom、Skyworks、Qorvo、NXP、Infineon、Murata等,目前模组化产品也主要由这几家厂商提供。

国内射频前端厂还停留在做分立器件的业务层面,与海外厂商仍然有较大的差距。

近年来,我国生产SAW的单位以研究所为主,包括德清华莹(中电55所)、中电26所、北京航天微电科技有限公司(航天二院),中讯四方(中科院声学所背景)、中科飞鸿(中科院声学所背景)等。另外,国内涉足SAW的公司包括无锡好达、天通股份等。在FBAR产品方面,26所、55所、13所及天津大学及中科汉天下均在研究的基础上在做产业化的工作。

 

此外,射频前端因为工作在特定的频段,滤波器和功放器件模块的两端一般含有相应的电容和电感用于阻抗匹配或扼流。因此,射频前端的大量使用也会带动被动器件的需求提升。在射频电路中,一般电容选择MLCC,电感选择叠层电感。

2.3 MIMO驱动连接线/天线变革,MPI/LCP有望成为主流

5G推动LCP/MPI天线连接线一体化:智能手机中的射频连接器及组件主要是从射频信号模块引出信号,然后通过线缆组件实现射频信号在天线和主板之间的连接。到目前为止,部分高端旗舰机型已经采用了4*4MIMO方案,例如华为Mate20Pro,但因为整体还是在4G频段,部分天线可以整合复用,与2*2MIMO一样就采用了1根射频连接线连接上下主板。在Sub-6GHz频率下很难实现多通道天线共存,单机射频连接线有望从1根提升至3-4根。

射频连接线的种类包括同轴电缆传输线、FPC连接线(包括普通PI膜、Modified PI膜和Liquid Crystal Polymer膜),FPC连接线是兼具天线和射频连接功能的一体化产品。由于手机轻薄化的趋势以及续航能力需求提升带来的电池大容量化的趋势使得手机内部空间越来越小,天线传输线也要求越来越薄且越来越轻,占用的空间也越来越小。

对于FPC连接线,其根据绝缘基材的不一样可以分为普通PI,MPI和LCP等,绝缘基材的性能决定了FPC的最终物理性能和电性能。

相比较而言,LCP具有宽频率范围内介电常数稳定、正切角损耗极小以及热膨胀系数小的特性,可作为高频高速软板的材料。苹果在iPhoneX首次规模使用LCP软板,包括3DsensingLCP软板、中继线和两根LCP天线,主要目的是迎合消费电子信号高频高速化以及天线小型化趋势。

由于LCP制造工艺异常复杂导致良率低,且供应商少导致苹果的议价能力弱,使用成本非常高。Modified PI(MPI)天线是氟化物改进配方的聚酰亚胺天线,目前已经在10GHz以下领域具有跟LCP差不多的性能,有望在后续机型中使用。

此外,由于FPC之间的连接需要使用BTB连接器,具有BTB连接器供应能力的厂商也值得重点关注。目前具备MPI天线的供应能力的厂商包括鹏鼎控股、MFLX(东山精密),具备LCP天线供应能力的厂商包括立讯精密、信维通信、电连技术。

三、重点看好5G终端带来的电子全产业链机遇

5G建设和普及将分为三大阶段,投资机会也将分为基站、终端和物连三个阶段。我们梳理拥有5G业务的公司如下表:

 

此外,我们认为,5G带来终端非金属化趋势也推动玻璃、陶瓷与蓝宝石等脆性材料的应用拓展,利好全球脆性材料龙头供应链蓝思科技,以及脆性材料激光加工设备供应链大族激光。

附华为Mate20X5G版供应链情况: