【前言】
近一个半月以来,二级市场上关于半导体概念的逐渐受到大众关注,各路江湖名家又纷纷翻起那份快要布满灰尘的“半导体”的研究报告,借助着互联网的东风一键发送,经过春风吹又生的茁壮小散们更是摩拳擦掌,准备再战拳脚。
我们知道,在A股市场,说到牛市的两大发动机,即便是刚入门的小韭,也能闭着眼说出是券商+科技。所以,眼下的问题是行情要来了吗? 有人说,你看最近,这券商最近老是的异动啊,关于券商各种低估值高成长的看好消息那是满天飞舞;而关于芯片半导体供不应求的消息也是铺天盖地的。
难不成,叠加欧洲杯和奥运会的狂热夏季,在沉寂了接近两年后,这场关于半导体科技的盛宴终于要来了吗?别急,今天本案就以行业研究的角度来梳理一下整条半导体行业的具体现状,分析一下它的产业逻辑和估值特征。 需要说明一点的是,本案只负责研究交流,不做投资建议。
01 混沌初开,重识半导体
这几年,也许很多年了,大多数的朋友都是根据各自碎片化的消息和研究了解到了半导体,但是又对一些概念很模糊。问几个问题:
(1)什么是半导体? 半导体分为几代?是最近很火的第三代半导体吗?
(2)第三代半导体为什么那么火热呢?
(3)半导体是不是就是芯片的意思? 那它和集成电路是什么关系?
(4)国家搞了个集成电路基金,该基金支持中芯国际、华虹半导体和斯达半导等,这些公司的什么产品这么值钱?
(5)老是说缺芯少魂,这中国芯和外国芯的差别到底有多大,对现实很是影响吗?
......
为了便于大家理解,这里先举一个例子:
小明想买一本纸质书,书分国产和进口。为了分清楚这两款书到底有什么不一样,他先去了解制作书籍的全过程。
他发现,一本纸质书(芯片)是由一张张印了图文的纸(集成电路)构成的,一张张图文纸的制作,需要印刷机(光刻机)去激光(刻蚀)排版(气相沉积)检查(检测封装)而来,而开始的纸张的原材料,则是各种做纸的纤维构成,这纤维就相当于(半导体)。
弄明白了制书的过程,小明开始去买书,发现市场上的国产书是少之又少,基本是国外进口的,好不容易发现了一两本国产书,却发现该书的印刷工艺、纸张质量和书籍的整体质感和国外相比相差甚远。
故事讲完,可以让大家有个浅显的概念,但为了真正搞懂问题,我们还是得上干货:
(1)半导体指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等,硅是各种半导体材料应用中最具有影响力的一种。半导体行业,素有”—代材料、一代技术,一代产业的说法。目前半导体已经发展到第三代,第一代主要是硅,第二代是砷化镓,这第三代便是半导体产业链。其中,氮化家(GaN)和碳化硅(SiC),被认为是第三代半导体的左膀右臂,氮化家(GaN)主要用来制作未来5G基站的核心芯片,碳化硅则是新能源汽车的重要元器件材料,特斯拉的电池就是唯一大量使用碳化硅的公司,这点是特斯拉的护城河之一。
(2)集成电路,俗称芯片,又叫“微电路、微芯片”,号称电子行业之魂,被广泛应用在电脑、手机、电视等领域.其制作原理是:依照固定的电路图,将相关电子器件刻制在硅片上(这些电子器件,最早是电子管,后来升级为晶体管)
(3)半导体主要由四个组成部分组成∶集成电路(integrated circuit)、光电器件、分立器件和传感器,由于集成电路又占了器件80%以上的份额,因此通常又将半导体和集成电路等价。
(4)集成电路按照产品种类又主要分为四大类∶微处理器,存储器,逻辑器件,模拟器件。因其最终将会成为电子器件的一部分,所以统筹统称他们为芯片。
因此,在绝大部分的时候,半导体=集成电路=芯片;
如果严格要求一点,半导体>集成电路=芯片。
02 半导体的前世今生,以及各路诸侯的诞生
明白这个问题,接下来讲一个故事,我们就基本了解半导体的来龙去脉了。
1958年,美国德州仪器公司的工程师杰克·基尔比,在半导体锗衬底上,用几根黄金膜导线,将1只晶体管、4只电阻、3只电容等分立元件焊接在一起,制成世界上第一个集成电路。
1958年年,美国德州仪器公司的工程师杰克·基尔比,在半导体锗衬底上,用几根黄金膜导线,将1只晶体管、4只电阻、3只电容等分立元件焊接在一起,制成世界上第一个集成电路.
但是这种焊接方法,难以投入工业批量生产。1959年,有着“集成电路黄埔军校"之称的仙童半导体公司,其创始人诺依斯,发明了蒸发沉积金属的方法,取代焊接导线,使工业批量生产成为可能。
但是这种焊接方法,难以投入工业批量生产.1959年年,有着“集成电路黄埔军校”之称的仙童半导体公司,其创始人诺依斯,发明了蒸发沉积金属的方法,取代焊接导线,使工业批量生产成为可能。
随后,仙童半导体逐渐形成了一套集扩散、掩模、照相、光刻、刻蚀整个过程的平面处理技术(核心是光学蚀刻工艺),奠定了硅晶体作为电子产业中关键材料的地位,为集成电路工业大批量生产奠定了坚实的基础。
接着,仙童这套工艺开始对外扩散,1962年,德州仪器公司建成世界上第一条商业化集成电路生产线。随后,在美国经济援助的背景下,日本也获得了这种技术。
好,芯片制造环节在工艺上实现了质的突破,同时,也反过来刺激了上游芯片设计环节的进步。
由于计算机性能不断提升,对计算机运行内存(RAM)要求越来越高,1970年10月,英特尔推出了第一个动态随机存储器(DRAM)芯片C1103,标志着DRAM内存时代的到来,掀起了半导体领域的第一波潮流。
受益于该芯片的问世,1974年,英特尔迅速占据了全球82.9%的DRAM市场份额。但是,日本公司利用国内政策保护,以及通过产业联盟的形式,与美国在DRAM领域激烈竞争,并逐渐超越美国,日本在该领域的代表公司是NEC、东芝。此外,韩国公司三星,也于1983年研发成功64K DRAM。
就在美国、日本、韩国等发达国家竞争白热化时,中国台湾也意识到了半导体行业是个巨大的风口,政策也开始向集成电路行业倾斜。70年代末,中国台湾的经济推手孙运璇,推动设立了中国台湾工业研究院,期望能够在当时全球半导体产业中抢占一席之地。
1980年,中国台湾联华电子(台联电,以下简称:“联电”)成立,定位于半导体设计、制造等一体化业务(IDM),之所以定位IDM,是因为,芯片领域一开始流行的就是IDM垂直生产模式,典型代表就是巨头英特尔,它覆盖了芯片设计、芯片制造、芯片封装测试所有环节。
1978年,英特尔赶上了计算机从大型机时代走向个人时代的潮流,研发出新一代8086处理器,自制了2.9万个晶体管,制程工艺为3000nm的芯片,确定了其在个人PC方面的统治地位,这也让它在PC-CPU领域成为老大。
但是,有一个人另辟蹊径。它就是时任德州仪器第三把交易人物一—张忠谋。
当时,他身边很多优秀的同事离职创业,转行做芯片设计,但是因为凑不到足够的资金投资建厂制造芯片而失败。而他,却另辟蹊径,选择了另一条路——专注做芯片制造。这个想法在当时,另外一个人也很看好,他就是时任德州仪器的第四号人物——张汝京,后来中芯国际的创始人。
1987年,张忠谋回台湾创立了台积电,专注芯片制造环节,开创了晶圆代工新模式(foundry),切入了3000-2500mm制程【截止发稿日,台积电已经攻克7nm的量产】
创业开端道路艰辛,在当时,专营做芯片制造,是一件投资周期长且回报不确定的差事,建厂、买设备、投研发、培训人才、融资再融资、销售......十八般武艺必须得样样精通才行。在开始的几年,台积电靠给英特尔做代工,勉强度日。
而另一方面,芯片设计的毛利率要比芯片代工企业高得多(高通、英伟达≥55%、联发科也在40%以上),而且,生意看起来十分高大上档次,技术门槛又高。
80年代末90年代初,和IDM、foundry并列的芯片行业第三大模式,只专注设计、不负责制造的fabless模式诞生,代表公司为高通(1985年)、博通(1991年)、英伟达(1993年)等巨头。这时,芯片设计环节的分化,开始刺激代工环节的生长。
于是,下游芯片设计需求旺盛,而上游芯片制造“供给"不足(因为IDM们要自供),芯片制造的稀缺性凸显。因此,具有技术优势的台积电,成为芯片设计龙头的第一选择,受益于产业链的分工进化,采用foundry模式的台积电,发展十分红火。
总结一下:整个集成电路领域是IDM(垂直一体化)模式与Fabless(设计)+ foundry(代工)两种模式并存,其中IDM模式仍占主流。
03 江湖,以及它的景气
整条半导体产业链的上中下游为“IC设备一晶圆代工一封测- IC设计”,每个大领域又下分至少3个中领域,每个中领域又细分为至少2个小领域。根据统计,全球具备准上市和已上市规模的半导体公司接近2000家。
然而,各领域中,真正具备绝对话语权的公司屈指可数,原因在于市场份额和自身技术的驱动。举个例子,两家公司的投入同样的研发投入,如果其中一家率先进行迭代量产,市占率拿到第一,那么两家的差距将会异常明显。 就好比目前世界上拥有核武器的国家与没有核武器的国家差不多。
那么半导体发展到如今,该行业的景气度如何?
瑞士信贷【Credit Suisse】在2020年半导体行业研究报告中,提出了“数据增长模型”(Data Growth Paradigm)的概念,我们采用这个模型去理解半导体周期。即数据可分为四个方面:
1)数据创造(抓取)﹔2)数据传输;3)数据分析;4)数据存储。
数据的增长周期经历从数据分析→数据存储→数据创造→数据传送的传导。
这个传导过程,其实也是半导体周期复苏时,产业链上先后变动的顺序。
(1)基站和逻辑计算会相对更早复苏,而存储则是相对滞后复苏的子行业。
瑞信认为,存储复苏的核心推手是数据货市化,如果没有数据货币化机制,数据的积累就没有意义。因此,数据传输和逻辑运算,要先于存储复苏,用于建立数据货币化生态。
(2)随着数据分析变得越来越普遍,大数据才会越来越有价值,可以形成一个良性的周期循环——更大的数据货币化,导致对数据捕获的更大需求,反过来,刺激对数据传送、数据存储的需求。
(3)我们以5G基站、存储芯片、逻辑芯片几家相关上市公司的业绩增速来看,2019年1季度-2季度,深南电路和沪电股份,这两家公司主营5G基站建设,得益于需求的驱动,收入增速较高;
(4)2019年年底,逻辑芯片相关厂商,阿斯麦、台积电均在2019年Q4的收入增速,开始由负转正,并且台积电2020年Q1收入同比增速将高达41%。
(4)2020年9月,存储厂商美光科技发布年报,业绩得到显著改善。
理解了这个复苏顺序,我们就能够大致得出2020年1月,半导体行亚出现复苏迹象的迹象。并且当存储厂毛利率提升时,半导体上行周期其实已经持续了一段时间。
直接看一则数据的报道:
根据美国SIA(半导体产业协会)统计,2020年全球半导体行业销售额为4390亿美元,其中美国公司占了近一半。中国仍是最大的半导体芯片市场,NAND闪存类产品销售额增长最快。2020年美国芯片市场销售额增长了19.8%达到941.5亿美元,产品类别方面,逻辑芯片和存储芯片成为全球半导体市场中最畅销的两类产品。
此次半导体的供需情况,还不得不梳理一个极其重要的因素——新冠肺炎疫情
因为半导体是全球化分工非常清晰的行业,需要全球各地协同制作。2020年,随着新冠传播范围的扩大,加上各种交通运输被限制、供应链中断,各厂商的库存几乎消耗殆尽。
进入2021年,新冠的缓解依旧不尽人意,导致半导体制造的供应链也是断断续续。
举个例子,每片半导体芯片的制造,至少需要20种材料,缺一不可。其中光刻胶、靶材料、硅片、特种气体等重要原材料供应商,大部分集中在在德国、日本、韩国等国家地区。而光刻机,检测设备分布在荷兰和美国两国,中游的晶圆代工则在台湾和我国大陆,下游的芯片设计则分布在中欧美等地。整个2020年,三星、LG等韩国企业的印度、欧洲工厂停工日期长达150多天,英特尔50%处理器(CPU)产能来自马来西亚,而马来西亚依旧处于半停产隔离状态。今年5月份,台湾某半导体中游厂商员工感染,引发车间集体感染,导致整个厂商的产品交付日期无限期延后。
因此,单看供给侧,新冠对半导体行业影响较严重。
从需求侧角度看,手机、服务器、PC分别占芯片需求的40%、30%、20%。受新冠影响,手机线下渠道受到冲击。不过,由于新冠蔓延导致线下活动转向线上对服务器算力需求进一步扩大,外加日渐成熟智能自动系统和手机升级换代的影响,半导体的需求逐渐扩大。
04 半导体设备,我于人间全无敌
根据上面的分析,我们粗略可以得知,事情发展到2021年6月,半导体行业,市场的景气程度着实可期。然而,半导体行业之大,最有看点又是领域呢? 答曰:上游的设备,中游的代工。
先从中游说起,无论是IDM模式,还是做加工和做设计的模式,都少不了IC制造环节,又叫晶圆代工,其主要任务是将已经设计好的电路版图,加工成晶圆成品,后续再经过测试封装,形成芯片IC成品。
文字介绍很简单,但是操作起来难于上青天。有人说IC制造的工艺,难度大的像在米粒上盖摩天大楼。
其基本环节包括:晶圆清洗一—涂光刻胶一—光刻一—刻蚀一一去胶一一离子注入一—化学气相沉积一—物理气相沉积一一分子束外延。
其中关键的环节,有三大件:光刻、刻蚀、气相沉积,分别用到三个极其重要的设备,我们依次简单介绍:
(1)第一环节,光刻——也叫光学显影,其实原理也很容易懂,有点像照相,照相时把影像曝光在胶片上,而光刻是将复杂的电路结构转印在晶圆的感光材料上。
整个光刻环节对于精度的要求非常高,可以说一个环节有偏差,就会毁掉整个硅片。但是对于光刻来说,最大的问题还不是这个,而是这个阶段的设备——光刻机。
光刻机,是晶圆光刻的核心设备,1978年第一台问世至今,已经发展了五代。
世界范围内只有荷兰的ASML(阿斯麦)、尼康等两三家企业能造,其中,先进制程的比如7nm技术,在偌大的地球中只掌握在阿斯麦手中,,一台最先进的EUV光刻机NXE 3350B,单台售价超过1亿美元,简直完爆A股80%企业的营收业绩。
目前国内最先进的上海微电子装备公司最先进的制程只能达到90nm,这中间的技术差距悬殊一目了然。
更让人绝望的是,阿斯麦的三个股东分别是英特尔、三星、台积电。别的人想买,需要征得三分之二的人同意,即使三股东都同意,还有一关,那就是著名的——“瓦森纳协定”。按照这个协定,大陆企业买不到最先进的光刻机。没有光刻机,好比盲人摸象,不,是盲人在米粒上刻字,基本全面抓瞎,更不用说后续光刻工艺的改进。
所以,尽管有国家的基金做强大后盾,但是中芯国际等一直在制程上追不过台积电,相当大的一个原因就是无法搞到最先进的光刻机。
(2)第二环节,刻蚀——所谓刻蚀,就是将光刻之后的图形再转移到光刻胶下面组成器件的各薄层上,具备刻蚀技术壁垒的代表公司是:拉姆研究、应用材料、中微半导体、北方华创。
(3)第三个环节,气相沉积——是利用气态或蒸汽态的物质,在气相或气固界面上反应,生成固态沉积物的技术。在半导体里,主要是用来沉积各种半导体薄膜材料,这个技术难度虽说不如光刻难度大,但是也是非常具有挑战性的,其中的核心,除了极为精细的工艺和精细度外,相关设备也是其中关键的因素。然而,我国目前相关依然没有相关的设备,而中国的市场需求却非常庞大。
(4)生产过程中,还需要检测设备时刻检测晶圆制作的好坏,否则就算生产出来产品,也可能变成一堆废品。生产检测设备的企业主要有科锐、拉姆研究。
综上,工艺+设备+协议垄断,构成了半导体这门生意最大的护城河。
05 晶圆代工,一超难多强
对于代工行业来说,台积电毫无疑问是超级具体,我们比较关注的几个大陆企业基本在这个领域,中芯国际,华虹半导体,斯达半导。 不过,截止目前,除了中芯国际一直赶超之外,其他几家企业已经转向半导体小而精的细分赛道。
关于这个赛道的估值和驱动因素,我们可以大致从以下五个方面去研究:
(1)产品的良率 加工程序极为复杂,需要两种上百道或者几百道,工序之间参数控制、衔接稍微存在偏差,就容易出现废品。2021年1月份,台积电位于中国台湾南部科学工业区的12寸晶圆厂,由于采用不合格的光阻剂,导致上万片晶圆出现报废,初步预计损失即达60亿以上新台币。
(2)投入产出比: 要保证原材料、能耗的投入能够最大程度的实现单位产出,这个主要涉及到现场的精细化管理
(3)单位折旧及摊销 晶圆厂设备生命周期一般在5年
(1)+(2)+(3)====看晶圆制作的耗费成本
(4) 产能利用率 ====代表该厂市场需求的程度
(5) 生产交期===看存货周转率
这五点大家可以思考一下,下期我们再具体详细剖析。