時鐘芯片：電子系統脈搏的國產化挑戰與機遇
行業新聞 | 2024-06-26時鐘芯片存在于幾乎所有電子系統當中，承擔著整個電子系統“脈搏”的重要角色，目前國產化率仍較低，且替代門檻極高。本文分享了時鐘芯片的主要功能、下游應用及未來發展機遇，期待時鐘芯片在政策支持和AI浪潮下國產化進程不斷加速，早日實現產業鏈全國產化的目標。
01、時鐘芯片承擔著整個電子系統“脈搏”的重要角色
在電子系統中，時鐘芯片為不同的芯片和功能模組提供一個統一的節拍，發揮“脈搏”的重要作用，保障系統協調、穩定運行，存在于幾乎所有電子系統當中。在同一設備的內部，時鐘信號是各個芯片的協同工作的基礎；在整個系統內部，時鐘信號是各個設備之間的協同工作的基礎。時鐘信號的質量直接影響到數據傳輸的可靠性。
廣義上的時鐘產品包括振蕩器（Oscillators）、實時時鐘（RTC）、時鐘驅動器（Clock Buffer)、時鐘發生器（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動器、時鐘發生器、去抖時鐘和時頻同步芯片。
從技術難度和性能要求上來看，振蕩器和實時時鐘RTC的技術門檻相對較低，時鐘驅動器、時鐘發生器次之，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內公認為高端時鐘芯片。
圖：時鐘芯片分類及功能
02、時鐘芯片發揮著多路分發、改變頻率、去除抖動、時間同步等重要用途
在系統運行時，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，由時鐘發生器將該信號調整至各芯片所需的不同頻率并進行輸出。
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圖：時鐘發生器功能示意
若需要多路同頻率的時鐘信號，則可以用時鐘驅動器增加該頻率時鐘信號的輸出路數。
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圖：時鐘驅動器功能示意
某些設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時鐘優化的基礎上替代時鐘發生器和時鐘驅動器的功能，因此技術門檻極高，可以實現穩定量產的供應商極少，是時鐘芯片廠商主要競爭的領域。
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圖：去抖時鐘功能示意
去抖時鐘的性能需求與數據傳輸速率高度相關。比如當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數據中心等通信基礎設施，都需要去抖時鐘保障符合5G等高速通信要求。不同應用場景對時鐘輸出抖動要求也有所不同，消費類產品只要求達到3ps，而基站則需達到100fs，要求最高，因此芯片設計難度也最高。
圖：SerDes接口對時鐘芯片的要求
若需要與上游設備信號進行同步，則需要時頻同步芯片按照國際通用的協議標準，處理不同設備間的時間同步信息，保障系統時間精度。與去抖時鐘一樣，時頻同步芯片技術門檻極高，可以實現穩定量產的供應商極少。
03、時鐘芯片全球市場規模超百億
根據Market Data Forecast的數據，2022年時鐘發生器、時鐘驅動器和去抖時鐘三類時鐘芯片（不含振蕩器、實時時鐘RTC等）的市場規模合計為20.3億美元，預計到2027年可達到30.2億美元。
數據來源：Market Data Forecast
04、基站等通信設備為時鐘芯片下游應用*市場，AI浪潮拉動數據中心應用快速增長
時鐘系統通常有兩種存在方式，對于系統集成度要求較高、但數據處理速率與準確度需求較低的應用場景，時鐘系統通常以集成的方式設計或封裝入SoC芯片中，如手機、智能手環等消費電子。而對于數據處理速率與準確度需求較高的應用場景，往往需要時鐘系統以獨立芯片或模塊的形式存在，如基站、數據中心（服務器、交換機等）、汽車等。
高端通信設備（難度最高、國產替代需求最迫切）
基站等通信設備是時鐘芯片需求量*、性能要求最高的下游應用。在宏基站設備中，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“電信行業仍處于開發5G移動網絡的‘非常、非常、非常早期’的階段”。
2024年2月華為正式發布了5.5G智能核心網解決方案，中國移動將從今年開始完善5.5G基礎設施，預計2026年底實現5.5G的全量商用。行業形成共識“2024年將成為5.5G商用元年”，5.5G應用成為時鐘芯片基站市場新的增量需求。
據Omdia的最新統計數據，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2023年全球通信設備市場的冠軍。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年通信系統設備收入209億元，為中國市場第三大供應商。
在新的時代背景下，中國通信設備供應商兼具價格、技術、產業鏈優勢，出海業務拓展取得顯著成效。華為是全球化布局最早的中國通信設備企業之一，出海收入規模遙遙*，近年美洲地區出海成果顯著提升。2019年至今，中興通訊逐步擺脫制裁影響，公司海外營收規模逐漸上升，其中歐美及大洋洲、亞洲地區的出海收入規模已達百億級。烽火通信2019至2022年，公司海外營收規模和占比逐年提升。隨著國產通信設備供應商出海進程深化，通信設備核心器件—國產時鐘芯片也隨之開啟出海時代。
數據來源：Choice
數據中心服務器
服務器一般需要獨立的時鐘芯片產品，單臺服務器一般需要10顆左右時鐘芯片。
據IDC數據顯示，2022年全球服務器出貨量突破1516萬臺，同比增長12%，2022年中國服務器出貨量約為448萬臺。
根據IDC數據，2022年浪潮服務器市場份額達到28.1%，新華三市場份額17.2%，超聚變（原華為X86服務器業務，2021年從華為剝離出來獨立運營）市場份額為10.1%。據公開披露信息，浪潮、超聚變等頭部廠商都已開始批量使用國產時鐘芯片方案。
數據來源：IDC咨詢
值得一提的是，根據機構調研預計2023年華為鯤鵬服務器（基于ARM CPU）出貨金額200億元以上，華為昇騰服務器（基于AI算力芯片）約100億元。預計2024年鯤鵬服務器營收將實現高速增長，華為昇騰將保持幾倍增長，并超過AMD成為全球第二大AI芯片供應商。
2023年第三季度，為滿足爆發的生成式人工智能應用需求，全球超大規模數據中心和企業級數據中心采購預算優先轉向更高價位的AI服務器。根據MIC及Trendforce測算，2023年全球AI服務器出貨量逾125萬臺，同比增長超過47%，2024年將增長至194萬臺。IDC預測，到2027年中國AI服務器市場規模將達到164億美元。2024年，隨著AIGC逐漸走向應用，以及各個產業數智化的持續加深，越來越多的用戶將增加通用服務器和人工智能服務器的采購需求，全球服務器市場需求將全面上升。
數據中心交換機
在數據中心場景中，時鐘芯片也廣泛應用于交換機。
IDC數據顯示，中國交換機市場2023年同比增長0.7%，其中數據中心交換機同比增長2.2%。企業網數據中心交換機主要由于互聯網行業近兩年持續的頹勢影響投資，運營商數據中心交換機自2022年以來保持建設高漲。ChatGPT爆火之后，數據中心超大規模組網需求隨之而來。
從市場競爭格局來看，交換機行業集中度較高，思科、華為、新華三等少數幾家企業占據著絕大部分的市場份額。國內市場，華為和新華三占比合計超過70%，其次為銳捷網絡。從下游客戶反饋來看，今年也將大規模實現時鐘芯片國產化。
數據來源：IDC咨詢
05、時鐘芯片國產替代加速
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的龍頭企業，憑借深厚的技術積累及產品性能優勢，占據著全球大部分的市場份額。目前國內還沒有跑出一家時鐘芯片上市公司，作為一個百億級規模且強國產替代需求的市場，有機會培育出一家至少百億級市值的芯片公司。國內相關創業標的包括奧拉半導體、新港海岸（獲哈勃投資、烽火通信、華勤技術等戰略投資）等。據了解，除上述國際模擬芯片龍頭企業外，僅奧拉半導體和新港海岸兩家已實現去抖時鐘等高端時鐘芯片批量供貨國內通信行業前三大客戶。
過去，時鐘芯片的國產化率幾乎為零，由于其技術含量較高且時鐘芯片是系統穩定性的重要保障，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、華為等廠商陸續被列入出口管制“實體名單”，通信設備上游零部件供應出現缺口，為保障供應鏈安全和穩定，時鐘芯片廠商奧拉半導體及國內的新港海岸被迅速扶持。
時鐘芯片國產化替代門檻極高，首先，需要業界稀缺的高速數模混合人才團隊；其次，可靠性、適配性要求極高，需要供應商和客戶雙方配合耗費數萬人時進行研發驗證測試、系統性驗證和抗老化測試，通常時鐘芯片從客戶送樣到正式導入量產需要2-3年，一旦進入供應鏈很難被替換；再次，客戶相對集中，前期需與頭部客戶進行深度預研以保證大規模量產；此外，時鐘芯片下游通信設備、數據中心客戶都有國產化要求，代工供應鏈是否國產也是重要關注因素之一，基于國產工藝量產出與海外廠商齊平的產品性能和可靠質量，也成為國內時鐘芯片企業的重大挑戰。