真的缺“芯”了吗,全球半导体行业的概览与诊断

来源:西京研究院  时间:06-28 产业
  前言  在上一期的研究文章中,我们根据瑞士信贷提出的“数据增长模型”,分析半导体传导周期依次为:数据创造(抓取)→数据传输→数据分析→数据存储,截至2021...

  前言

  在上一期的研究文章中,我们根据瑞士信贷提出的“数据增长模型”,分析半导体传导周期依次为:数据创造(抓取)→数据传输→数据分析→数据存储,截至2021年一季度,半导体的相关存储芯片商的量价齐飞,由此判断当前半导体行业确实处在全面上升的周期。为了便于全面理解,详细原因总结如下:

  需求方面:

  (1)新冠疫情拉动智能产品暴增。2018年下半年,半导体技术升级迭代遇到瓶颈,汽车、消费电子、智能手机等产品需求增长开始放缓。2019年,中美贸易摩擦持续升温,全球经济萎靡下行,半导体相关企业的产品供需全面减少。但突如其来的疫情,带来的防疫和居家等多方面的需求使得终端产品需求迅速爆发。笔记本电脑、平板电脑、智能手机、网络摄像头、PC显示器、PC耳机甚至是鼠标和路由器一系列产品的销量呈现暴增的态势。

  (2)巨头公司囤积芯片。下游生产者为了规避半导体行业波动所带来的风险,通常会选择囤积一定数量的芯片,以保证自己产出的稳定。例如为了应对美国的无理制裁,截止2020年5月,华为囤积了价值1800亿元的芯片,这与当时耐克公司的市值旗鼓相当。苹果预判华为被裁将提高自身市占率,提前预定了台积电2020年80%的生产线。

  (3)5G、人工智能、物联网、汽车电子芯片等一系列新技术成为半导体行业新驱动。以汽车芯片举例,2020年新能源汽车特别是零售乘用车需求旺盛,其中新能源汽车芯片带来的用户体验感占据重要原因。一辆特斯拉的Model 3使用的半导体设备价值超过1500美元,这高昂成本的背后必然是由科技程度高且数量基数巨大的半导体产品来支撑。对于汽车芯片,为了使得用户驾乘安全,其芯片的良品率必须达到100%,相较于手机芯片的良品率99%而言,这其中生产的困难程度可想而知。同时,由于2018年新能源汽车销售量下降,2019年全球半导体行业不景气,加上2020年上半年疫情的影响,导致许多汽车公司停工停产。在高良品率和高需求的双重压力下,汽车芯片存在着较大的缺口。

  供给方面:

  (1)芯片制作厂商产能不足。半导体主要产地遭受了不同程度的天灾人祸,致使芯片生产陷入困境。一年多来,新冠疫情导致半导体马来西亚产地几乎断产;美国得克萨斯州遭遇了百年难遇的冰雪和风暴潮,导致该州水电供应中断,致使许多位于该州的晶圆厂被迫停工;台湾遭遇百年难遇的旱灾,导致芯片的制造、刻蚀的过程缺乏需要干净水资源,因而台湾的台积电、联发科等公司的芯片制造也受到不小的影响,同时成本也在大幅增加。日本半导体巨头工厂瑞萨电子工厂遭遇重大火灾,工厂核心设施“无尘室”损较重,部分设备也有不同程度的损坏.....占据市占率80%的晶圆生产商因受疫情停工停产有不同程度的损伤。

  (2)航运运输紧张导致供应链断裂。今年以来,全球航运市场运力紧张,运费水涨船高。同时在今年年初,比特币的价格上涨幅度尤为明显。比特币价格越高,挖矿的吸引力越大,导致消耗更多的电能和计算机芯片。

  (3)虚拟货币火热带动矿机耗电。2017年初,比特币价格仅为1000美元左右,当时估计比特币开采每年消耗约10太瓦时电力;四年后,其价格上涨约50倍,用电量上涨8-9倍。2021年前三月,比特币的价格程指数级的上涨幅度。比特币、以特币等价格越高,挖矿的吸引力越大,这将导致消耗更多的电能和计算机芯片,因此挖矿对计算机芯片的需求也是造成芯片短缺的又一原因。综上,一种产品的短缺要么是供给不足,要么是需求扩张,但目前芯片短缺的原因则是二者兼备。

  看到这里,新的问题呼之而来:

  (1)整个行业的现状及核心看点究竟在哪里?

  (2)半导体的估值到底如何测算?

  (3)半导体这门生意到底好不好?经过多年的发展和整合,半导体行业已经经历了过度资本支出、库存管理不善和缺乏定价纪律为特征的兴衰周期。如今,整个成熟的半导体产业链中的每个部分——包设计、设备制造、代工以及封测——都由几个主要巨头公司掌控,这些公司凭借在这些领域高度专业的知识,它们的竞争护城河不断拓宽,更有甚者,部分公司凭借优秀的企业管理以及对用户需求的深入理解,使得它们有着很强的定价能力以及诱人的高利润,同时也使得全行业更加有序,定位也更明确。

  (资料来源:全球半导体协会。2020-2024年全球半导体市场将以4%的年复合增长率加速增长。这种增长的76%是由亚太地区贡献的。2019年到2024年全球半导体市场将逐渐增长908亿美元,2020年增长了2.86%)

  半导体是需求推进的行业,随着企业、政府和产业向5G、AI和云技术等新兴领域转型,整个半导体行业都将在未来几年收益于这股强劲的顺风。从长期来看,全球半导体行业的发展遵循螺旋式上升的规律,呈现周期性变化,半导体产业主要受全球宏观经济变化、半导体技术革新、下游行业景气度、供需匹配错位的影响。我们先看半导体产业链的整体格局

(资料来源:新材料在线)

  为了更清晰地对半导体研究,本文将着重分析半导体产业的核心命门,分别是上游光刻胶、检测设备;中游芯片设计和晶圆制造。我们看如下产业链着重图:

  1日本的光刻胶

  光刻胶属于半导体八大核心材料之一,继硅片、电子特气和光掩模之后的第四大半导体材料。根据全球半导体行业协会(SEMI)最新数据,光刻胶在半导体晶圆制造材料价值占比5%,随着半导体制程【中游晶圆制造的先进制程,2~3nm为当前最先进制程】不断缩小,光刻工艺对光刻胶要求逐步提高,需求量也随之增加。从全球市场来看,专注电子材料市场研究的TECHCET预测数据显示,2021年全球半导体制造光刻胶市场规模将同比增长11%,达到19亿美元。

  半导体光刻胶有四个细分领域,日本厂商几乎占据了具有强大的话语权。g/i线光刻胶市场日本厂商占据64%份额;KrF光刻胶市场,日本企业合计占比74%;ArF光刻胶市场日本合计市场份额达到83%;在最先进的EUV光刻胶领域完全被日本企业所主导,目前EUV光刻胶市场可实现量产的厂商只有来自日本的JSR、东京应化、信越化学。

  从我国情况来看,根据浙商证券预计,2022年中国大陆半导体光刻胶市场空间接近55亿元,其中ArF(干/湿)和KrF光刻胶在我国市场空间分别约为22.55亿元和12.1亿元,其中ArF(干/湿)占比将达到40%。但目前我国高端光刻胶的自给率仍然保持较低水平。尽管国内光刻胶市场保持良好的增长趋势,然而以KrF、ArF光刻胶为代表的半导体光刻胶领域国内市场份额仍然较小,高端光刻胶市场长期为国外巨头所垄断。

  具体而言,半导体光刻胶中g线/i线光刻胶国产化率为10%,而ArF/KrF光刻胶的国产化率仅为1%,对于最高端的EUV光刻胶目前仍处于研发阶段。目前国内从事半导体光刻胶研发和生产的企业包括晶瑞股份、南大光电、上海新阳、北京科华等,由于这些企业相关技术还处于研发和爬坡阶段,后续有相关研究再具体分析。

  2设备五霸,独孤求败半导体设备领域的市场集中度很高,排名前5的公司控制了近90%的市场份额,这个比例较15年前上升了约40%。这些公司包括荷兰的阿斯麦,美国的应用材料、拉姆研究、泛林半导体和科天半导体,这些企业通过在半导体制造和检测的不同环节发展自身的细分市场,它们都在全球范围建立了强大的护城河,牢牢占据了上游市场无法取代的供应链地位。

  我们在上文分析半导体设备这门生意的护城河是“工艺+设备+协议垄断”,得出垄断行业的增长驱动取决于自身技术和市场份额的突破;并且也就光刻机设备进行了详细剖析。

  我们知道,对于一个产业的理解。仅仅研究一个领域远远不够,那么本节就以检测设备进行分析,垄断行业的增长驱动取决于自身技术和市场份额的突破。

  所以,我们采用由上至下的分析方法,对该赛道进行分析,公式表示为如下:设备公司收入=半导体前道检测设备市场规模*市占率。

  其中,前道检测设备市场规模=半导体设备总市场规模*前道检测设备渗透率。

  综上,本案核心变量为渗透率及市占率  

  2.1半导体设备行业市场规模半导体设备的销售规模,其核心驱动因素是晶圆加工厂的资本开支,而晶圆加工厂的资本开支规划, 是晶圆厂管理层基于对半导体行业周期景气度的判断,尤其是标准化程度较高的存储领域。

  核心的变量因素有三:

  (1)半导体需求 (2)DRAM现货价格 (3)下游存储芯片商的毛利,我们挨个分析

  2.1.1半导体设备的市场需求根据SEMI年终报告显示:2020年全球设备规模为689亿美元,同比增加16%。随着新冠疫情带来的短期需求暴增和5G、新能源汽车等行业的迅速发展,必会带动半导体行业不断扩大。未来趋势将呈现出:新材料推动半导体器件革新,模块化降低芯片设计门槛,以氮化镓、碳化硅为代表的第三代半导体迎来应用大爆发,6G,芯片制造商加速扩张战略在AloT市场,AI+LoT=a lot人工智能技术+物联网等等的趋势。

  因此,一个庞大的半导体支出周期即将或已经到来。行业龙头台积电计划到2023年,将投入1000亿美元用于制造新的芯片代工设施,包括计划在美国亚利桑那周建造一个大型生产基地。与此同时,英特尔也计划投入200亿美元在亚利桑那州建两个工厂,三星电子也计划在得克萨斯州建一座价值170亿美元的新工厂。而中国政府和企业更是投入巨量资金,长期靠研发,短期挑着金砖,只等外国设备厂商的签字售卖。

  2.1.2 DRAM现货价格

  关于选DRAM的现货价格作为判断因素,请看如下科普:对于任何一个芯片来说,要实现快速计算的功能,⼀⽅⾯,要保证需要的数据能够很快的输送到CPU,如果直接从外部存储设备上直接读取,效率就会很慢(因为,外部硬盘、磁盘这些介质处理速度本身就很慢);另一方面,如果内存中转站数据太多,冗余数据得不到清理,就会产生拥堵,也就是家在机、电脑时,经常碰到的卡死问题。

  在1966年,IBM的罗伯特·登纳德,发明了晶体管 DRAM内存,完美的解决这个问题。DRAM,全称叫”动态随机存储器”,与之前的SRAM相比,具有两个优点:第一,能够进⾏周期性的刷新数据,这个特点决定了他能够不断通过刷新的程式,将已经结束任务的数据清除,同时将仍然在执行任务的数据进⾏保存并更新。第⼆,他虽然不如磁盘等其他介质便宜,但是结构简单,它比SRAM更便宜。所以,DRAM出现后,很快就成为内存必不可少的应用。因此,这样一个零部件对于判断半导体下游直接景气度的意义不言而喻。我们看到,从2019年12月开始,DRAM价格一路上涨,两年间飙升了3倍多。

  2.1.3下游存储商的毛利总体来看供需情况,半导体行业春天再次来临,据各权威半导体方预估,全球半导体销量将从2019年的4500亿美元翻倍,2030年将达到1万亿美元。

  根据《芯片制造》一书中的对良品率模型测算结果:“随着工艺制程步骤增加、制程尺寸缩小,芯片对任何一个较小缺陷的敏感性增加,并且更加致命”。按照电子系统故障检测中的“十倍法则”,如果芯片中的故障没有在芯片测试时发现,那么在电路板(PCE)Cl到发现在电路板(RCE)级别发现故障的成本就是芯片级别的十倍。因此,制程越小,对检测过程中良率的要求就越高,这是就是检测设备赛道的长期增长逻辑。相比其他行业,晶圆厂的良率仍有提升空间。芯片良率通常只有20%-80%,远低于PCB行业平均良率的98%-99%,面板行业(93%)密汽车行业( >99%)。

  3良率的重要性

  3.1制造过程不可逆晶圆的大多数生产缺陷是不可修复的。假如污染或缺陷的晶圆被刻蚀后,晶圆上的图案已经形成,就无法修正,这点就不像汽车零部件,坏了可以更换。

  3.2工艺制程难度加大良品率的高低,取决于工艺成熟程度、芯片尺寸、电路密度的共同作用。随着工艺制程缩小,生产工艺会愈发精细,工艺步骤增多,导致良率随着制程升级下降。

  3.3先进制程推动设备驱动2021年5月,IBM官宣其2nm制程得到突破,剑指台积电的3nm。随后,台积电宣布其与台大和MIT合作在1nm制程芯片研发上的重大突破,并在其中采用了新材料——Bi (铋)。

  一个先进制程芯片的制造大概需要300-500道个工艺步骤,一个晶圆制造厂商必须每到工艺步骤的良率都保证在99%以上,才能保持盈利和具有竞争性。

  那么,良率的差距有多大?单对比两家毛利率便可知道答案,台积电近五年的平均毛利率在50%左右,是华虹半导体的1.9倍,中芯国际(21%)的2.1倍。因此,本次芯片缺货绝不是晶圆厂购买设备的直接推动力,而是基于未来半导体芯片制程的缩小,厂商对检测设备的需求不会减少。同时,中国半导体制造行业的不断发展,对于通过提升良率提高国际竞争力也日益紧迫。

  基于此,未来半导体设备渗透率可能会维持10%的平均水平不变。

  4芯片设计的模式

  4.1芯片的设计流程

  IC设计指的是将客户对系统、逻辑与性能的设计要求转化为具体的物理版图,即把产品从抽象到具体,一步步转化为有逻辑的电路规划图,直至最终物理实现的过程。IC的设计过程可分成两个部分:前端设计(也称逻辑设计)和后端设计(也称物理设计),这两个部分并没有统一严格的界限。一般而言,前端设计指的是将客户的实际需求进行编码翻译,进而形成实际电路的元器件,并用门级网表示的过程;后段设计主要负责布局布线,以及进行各类检测测试,使得最终生成可以送交晶圆厂流片的GDS2文件。涉及到与工艺有关的设计都可称为后端设计。

  4.2 IDM运作模式

  IDM是半导体行业内一种历史较久的运作模式,被称为国际整合元件制造商模式。IDM厂商的经营范围涵盖了IC设计、IC制造、封装测试等多个环节,甚至会延伸到下游电子终端。IDM是早期多数集成电路企业采用的模式,目前仅有极少数企业能够维持,如英特尔、三星、德州仪器、东芝、意法半导体。

  4.3 fabless厂商的运作模式

  无晶圆厂(Fabless)主要是指不从事生产、无半导体厂房的无厂半导体公司。无晶圆厂公司依赖晶圆代工公司(如台积电、联电等晶)生产产品,因此产能、技术都受限于晶圆代工公司,但由于不必兴建及运营晶圆厂,很大程度降低了公司成本。

  根据IC Insights发布的报告,预测2020年无晶圆厂的IC销售额将达到全球总销售额的32.9%,创历史新高。销售额增长率也有望达到22%,近1300亿美元,远超IDM模式6%的增长率。代表企业有高通(Qualcomm),博通(Broadcom),英伟达(NVIDIA),联发科(MediaTek)及超威半导体(AMD)),市场上关于芯片设计厂商的研究和估值较多且常见,那么本章将给大家介绍芯片设计细分的领域——GPU

  4.4  GPU的市场规模及预测

  GPU和CPU被称为数字芯片的两大核心领域,其中英伟达和超威半导体近年来增速明显,主要原因是其在GPU的发力。近十年来,随着游戏、个人PC和智能手机的等终端应用庞大市场兴起,对于芯片的算力要求与日俱增。特别是自2017年,行业发生转折,庞大且新的GPU应用场景出现——数字货币挖矿矿机、Al服务器、自动驾驶。这些场景的出现,其实很大程度上是依托于英伟达在2006年的布局,其开发的CUDA软件,下游广用开发者,可以使用这个软件平台开发出与硬件更兼容的软件。正是这个软件,让英伟达在2017年其,重新回归增长的赛道,其软件平台的开发者,开发出来“矿机”这一应用,随后,开发者又开辟出”AI服务器”、“自动驾驶”两大场景,因此,这些初创产品对英伟达的依赖性极强,而英伟达也趁机成为工业软件+硬件一体的超级巨头。

  所以,GPU的渗透率的提升,靠什么驱动呢?

  1)需求:新的终端、需要更高的算力。从目前的趋势看,GPU应用场景中,智能驾驶

  2)供给:GPU能持续提供更高的算力。未来,GPU的总需求将来源于PC、服务器、智能驾驶和军用应用场景。

  所以其增长公示为:个人电脑(PC)x GPU 渗透率+服务器x 渗透率+智能驾驶x 渗透率+军用智能领域x 渗透率这三点,我们依次来看:

  4.4.1  PC端

  我们知道,每台PC都会有安装一个GPU芯片,所以PC渗透率基本已经到顶。从图表中可以看见,欧美发达国家的PC渗透率偏高且普遍保持稳定,虽然中国地区的PC渗透率较低,但是智能手机替代了部分PC端的需求,所以从趋势看,PC渗透率增长的可能性不大。

  不过,游戏玩家的体验要求日渐增多,所以对高端机或游戏主机则会要求安装独显,该渗透率为30%。并且,由于对提升视觉体验的需求是持续增加的,这主要来自于独显中的GPU带动的硬件升级,因此供应商必须不断提高产品性能,预计未来渗透率将从30%提升至50%。所以,独立GPU未来五年复合增速约为3%,背后的逻辑可能是集成GPU会部分被替代,复合增速为–2%,合计测算可得:个人电脑GPU未来五年市场规模复合增速为1.5%。

  4.4.2服务器GPU公式:服务器GPU需求=服务器市场规模*GPU渗透率

  目前,服务器仍以CPU为主,GPU渗透率仅为2%。配置在服务器中的GPU主要应用于云端"推理+训练"Al模型,并针对高性能和高数据吞吐量进行优化。根据Mercury Research预测,到2024年,GPU在服务器心片渗龙27%,渗透率提升的空间巨大。

  4.4.3智能芯片全球碳中和背景下,未来新能源汽车市场的市场规模大的肉眼可见,传统车企、互联网造车新势力和跨界科技巨头纷纷入局,厉兵秣马。而作为新能源汽车重要一环的智能驾驶,更成为各家争相打造的护城河。小米、百度、华为、腾讯等无人驾驶技术更是成为变成接下来军备的杀手锏。我们知道,汽车行驶中需要不断识别、理解周围的环境,并实时绘制高精度地图。所以无论是无人驾驶还是车联网,都离不开智能驾驶的"大脑"——智能驾驶芯,而GPU在图像训练领域具备天然优势。以北汽极狐为例,单车会配套一个GPU模块(组装Soc),这意味着,在未来世界,每一台新出厂的汽车,都要配置GPU模块,GPU在车端的渗透率将会快速提升。

  4.4.5特殊领域GPU

  特殊领域一般指的是军事GPU、信创系统(党政国企机关)等关乎国计民生命脉的行业,客户一般以机关单位为主。因为出于国家IT技术安全可控的考虑,特殊领域的GPU,一般为本国企业提供,不向外国采购。如我国的景嘉微就在这个GPU的特殊细分领域占据重要地位。关于特殊领域的GPU,没有太多的确切数据,这里只能根据已有官方数据做一个大概的预估。2020年官方开始进行国产服务器的采集,根据采集数据显示,我国信创系统的存量服务器及个人电脑大约有2000万台,一台GPU单价约为500人民币,按照5——10年的更新换代周期,则整体的市场空间在45亿人民币。而这,也是国产企业深耕细作的重要方向。综上,GPU的市场空间如图所示:

  5 晶圆厂的估值

  上篇研究结尾简略介绍了判断晶圆厂体量的五大要素,我们再回顾一下,分别是:(1)产品的优良率 (2)投入产出比  (3)单位折旧及摊销  (4) 产能利用率  (5) 生产交期同时,关于这五大要素对应的意义也做了告知。下面,我们之间进行图表的分析。

  5.1

  我们知道,产品的优良率+投入产出比=晶圆成本

  通过图表,我们发现作为行业老大的台积电单位成本竟然最高?而规模较低,制程落后的华虹半导体成本反而最低?这是什么逻辑呢?

  5.2

  这就是需要引入另外一个指标——单位折旧及摊销。单位折旧摊销是会计成本里边隐含的因素,台积电购买设备很多,就资本开支的金额来说是最高的,所以每年产生了巨额的折旧和摊销,这在很大程度上拉高了其单位晶圆成本。所以,这其实也反映了台积电的经营策略,那就是凭借激进的折旧和领跑优势,可以通过价格战来阻击对手。前面说了,一个制程的生命周期往往是5——10年。但是台积电每年购买设备,其制程周期为2——3年。这就意味着台积电的设备折旧提完之后,其设备还在使用之中,这时候的产品成本从会计上来讲大幅减少(设备折旧占成本比例很高)。

  而这时台积电的制程技术是领先的,竞争对手还在计提设备折旧。这个时候,台积电就可以利用成本上的优势大打价格战,让后进者苦不堪言。以28nm为例,台积电2011年新入的产能在2016年底即可计提完折旧,2017年开始降价,让中芯国际和台联电的28nm产品盈利性大幅下滑。

  所以剔除这部分折旧摊销后,可以看出,台积电的每片成本大幅下降,基本处于和中芯国际一样的水平,要知道台积电的制程要领先中芯国际3-4代,每片晶圆实现的收入要远高于中芯国际、和舰、华虹。

  5.3产能利用率和生产交付周期

  最近两年,特别是去年下半年以来,晶圆代工制造厂的产能利用率基本爆表,严重处于卖方市场,以台积电为例,今年5月,台积电在12天内宣布涨价三次,涨幅高达15%。所以,关于集成电路景气的程度毋庸置疑。本章重点讨论产品的生产交付周期,交付周期需要看的指标就是存货周转期,周期越高,代表该厂管理能力越强。

  从图表可以看出,台积电在领先其他厂商制程2-3个制程的同时,存货周转率还处于最高位置,足可以看出其强悍的管理能力。而华虹半导体一直比较平稳,无论是融资、研发、资本支出都是几大厂商中最为保守,因技术和工艺一直无法解决,目前已经退出先进制程竞赛,主要营收放在100nm以上的市场。唯能与台积电一战的,当属中芯国际,它是中国大陆追逐先进制程的绝对主力,无论是国家大基金的注资、还是有台积电、三星背景的梁孟松加盟,都某种程度上预示了中芯国际不甘平庸的决心,但是就良品率、制程、还是交期来说,我们还需要拭目以待。


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