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半导体产业链全面梳理,中国还缺什么?

2019-08-05
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半导体行业垂直分工模式的出现促进了产业链分工的全球化。美国作为半导体领域无可争议领先者,依然需要依赖全球各地的资源与技术。对于国内半导体企业来说,国家高层的关注和政策倾斜一定程度上支持着国内半导体企业的追赶。


半导体产业现状概述



1947年,晶体管在美国贝尔实验室诞生,标志着半导体时代的开启。1958年集成电路的出现加速了半导体行业的发展。经过半个世纪,半导体行业已经非常成熟,形成了从半导体材料、设备到半导体设计、制造、封装测试完整的产业链。


1.1  垂直分工模式是未来趋势,促进半导体市场繁荣


半导体行业目前主流商业模式有两种:一是IDM(Integrated Device Manufacturing)模式,以英特尔、三星、SK海力士为代表,从设计到制造、封测直至进入市场全部覆盖;另一种是垂直分工模式,上游的芯片设计公司(Fabless)负责芯片的设计,设计好的芯片掩膜版图交由中游的晶圆厂(Foundry)进行制造,加工完成的晶圆交由下游的封装测试公司(OSAT)进行切割、封装和测试,每一个环节由专门的公司负责




垂直分工模式的产生源于半导体行业资本密集型和技术密集型的特点。晶圆代工属于重资产行业,目前7nm制程的投资金额可达百亿美元量级,巨额的资本投入使得绝大多数半导体公司无力支撑如此高昂的开支。1987年台积电的成立标志着半导体行业从垂直化向分工化的变革


晶圆代工厂商通过集中产能优势,提高产能利用率、摊薄生产成本,降低了半导体行业的准入门槛,使得中小、初创型IC设计公司进入市场,半导体产业链的分工也从美国开始向全球分散,垂直分工模式的出现促进了半导体行业的繁荣。另一方面,半导体工艺的不断进步形成了晶圆代工行业的壁垒。


1.2  集成电路占比提升,存储芯片是景气风向标


按产品来划分,半导体产品可分为集成电路、分立器件、光电器件和传感器四种。集成电路作为半导体的核心产品,又分为逻辑器件、存储芯片、微处理器和模拟电路四类,占据整个半导体行业规模八成以上。光电子器件、分立器件和传感器虽然应用广泛,但需求和单价与集成电路差距较大。



2018年全球半导体市场规模为4607.63亿美元,同比增长7.4%。首次突破4500亿美元大关,创十年以来新高。其中,集成电路产品市场销售额为3897.97亿美元,同比增长8.09%,增速放缓,低于2017年的24.06%。



集成电路市场销售额占到全球半导体市场总值85%的份额。模拟电路销售额为616亿美元,微处理器销售额为776亿美元,大规模IC销售额首次突破千亿,为1020.91亿美元。存储芯片产品市场销售额为1484.95亿美元,同比增长13.98%,占到全球半导体市场总值的32.22%。存储芯片是半导体市场景气程度最重要的风向标。


1.3  周期是半导体行业最重要特征,本轮下行或持续至2020Q2


经过半个世纪的发展,半导体广泛渗透于信息、通信、计算机、消费电子、汽车等各个领域,半导体产品对人们的日常生活和消费形态产生了显著的影响。长期来看,半导体行业的增速波动与全球GDP波动的相关性呈现高度一致(2010至今,相关系数为0.57)。半导体行业存在受GDP增速影响的需求周期在行业内已成为共识。



另一方面,半导体产业分工的出现使得行业出现了以核心企业的产能波动为主导的供给周期。存储芯片市场是典型的供给周期驱动市场。行业排名前3的三星、海力士和镁光市占率在95%以上,它们产能的变动直接影响存储芯片市场价格。


以2013-2019年DRAM和NAND价格变动为例,从2013年开始,随着三星、海力士、镁光产能的扩张,价格持续下跌。2016年Q2受DRAM工艺从2D向3D转换产能不足的影响,存储器价格一路上涨。到2017年底,良率的回升和新建产能的投产使得供给充足,内存价格一路走跌。综上,以GDP增速表征的需求周期和行业龙头产能变化的供给周期两个因素共同叠加,构成了半导体周期。



根据平安证券研究所宏观团队观点,预计2019年美国经济见顶回落,中国经济增速放缓,全球GDP增速可能会继续下降。另外,2018年智能手机出货量自2010年以来首次出现了负增长,2019Q1中国智能手机出货量增速同比下降11.9%。


我们认为在5G网络尚未大规模商用之前,智能手机出货量下行压力将持续存在。智能手机出货量的下降直接影响到了全球半导体市场(2018智能手机半导体占比近25%),根据Gartner数据,2019年Q1全球半导体出货量和产能利用率均处低谷。


存储芯片方面,根据DRAMexchange数据,DRAM和NAND价格自2017年12月以来,连续14个月走低。受宏观经济下行和短期供给过剩的双重影响,我们预计本轮半导体行业的下行周期将会持续到2020年Q2。


从产业链来看,目前具备商用能力的5G手机芯片供应商只有华为和高通2家,支持SA独立组网的手机最早会在2020年Q2面世,5G手机的上市能够较大提升对存储芯片、大规模IC、模拟电路的需求。预计在2020年Q2之后,半导体下行周期将迎来反转



1.4  我国半导体振兴之路道阻且长,中美贸易冲突背景下国内有望发力


目前国内半导体需求旺盛,国内供给能力不足。以集成电路为例,2018年我国集成电路出口金额为860.15亿美元,进口金额为3166.81亿美元,贸易逆差同比增长11.21%。从2015年开始,集成电路进口金额连续4年超过原油成为我国第一大进口商品。集成电路领域严重的进口依赖,影响到我国的信息安全、金融安全、国防安全、能源安全。



90年代以前,国内半导体主要应用于军事领域。设计、研发主要依靠国有企业和科研单位,生产依靠引进国外落后生产线。我国第一次对微电子产业制定国家规划是1990年启动的908工程,由当时国营江南无线电器材厂(简称742厂)和永川半导体研究所无锡分所合并成立了无锡华晶。


直到8年后,国内的第一条6英寸生产线才完成验收正式投产。1996年,909工程启动,由上海华虹和NEC合资组建了华虹NEC,建成了国内的第一条8英寸产线。2000年,中芯国际的成立标志着国内半导体晶圆代工开始走向了世界舞台。2001年随着中国加入WTO,外资半导体企业大量进入,国内半导体行业进入快速发展期,经过近二十年的发展,尽管国内培育了大批半导体行业优秀人才,但由于半导体产业链复杂,产业分工细致,我们在各个领域与国外领先水平仍然有着较大差距。



自2018年4月以来,中兴、华为相继被美国商务部列入实体名单,举国哗然。国内半导体产业相对落后的局面受到国家领导层的高度关注,国家相继出台一系列政策提振半导体产业发展,但振兴之路道阻且长



目前半导体行业正处于小幅下行周期。全球半导体制造企业2019年资本支出将出现较大幅度缩减。存储芯片方面,三星、SK海力士受内存价格下跌,资本支出大幅缩减。晶圆代工方面,除台积电和中芯国际资本支出增长外,格罗方德、联华电子和上海华虹资本支出均出现不同程度的缩减。对行业后进者来说,产业处于低谷是较为有利的追赶时机。



美国虽然作为半导体产业的领导者,占据了核心的地位和市场份额,但日本、韩国、中国台湾地区等后来者均抓住了产业低谷时的机遇,诞生出了如三星、海力士、台积电等一批行业翘楚,从而奠定了上述国家在半导体行业的影响力。对于国内半导体企业来说,国家高层的关注和政策倾斜一定程度上支持着国内半导体企业,国内领先企业有望利用外部优势迎头赶上



但是半导体技术的积累和进步难以在短期实现突破。半导体行业经过了近七十年的发展,已经形成了全球化分工的产业链。美国作为半导体行业无可争议领先者,也必须在很多领域依赖全球各地的资源和技术来发展。国内半导体产业真正意义的发展起步于上世纪九十年代,尽管在各个领域具备了一定规模,依然面临诸多的挑战和限制。国内半导体行业的发展壮大需要时间的积累和资本的耐心,我们认为:


国内半导体的发展并非简单的等同于人无我有,人有我强。半导体产业的发展依赖于全球资源和技术的相互配合。一个国家难以通吃整个产业链,在某个细分领域做精做强,形成互相依存的合作关系才是符合国情的发展战略。


从全球市场的发展趋势和竞争力看,IC设计产业是目前国内最主要的机会所在。一方面工程师红利仍然存在,像越南、印度等新兴发展中国家在基础设施、人才储备方面与国内差距较大。另一方面,5G的到来会催生大量物联网、车联网、VR、AI的需求,这块市场目前仍处于酝酿期,凭借国内资本、人才优势有望抢占先机。


重视未来可能存在较大市场空间的特种半导体。例如IGBT、Super-junction、化合物半导体等。特种半导体是未来物联网、汽车电子、高端制造的核心技术。此类特种半导体对于制程的要求较低,但是利润较高。


先进制程的发展变成了寡头竞争:10nm以下制程的研发愈加困难,资本投入上升较大,制程发展速度开始放慢。目前全球制程竞赛的玩家只剩下了台积电、三星、英特尔三家,传统老牌格罗方德和联电已经放弃追赶,这给国内企业争取了时间。国家政策的扶持降低了企业融资的难度,但是应当避免过度投资,注重产业整合,淘汰落后产能,避免恶性竞争。



半导体细分行业梳理




2.1  芯片设计:美国领先地位明显,中国升至第三


2.1.1 IP授权、EDA软件属于利基市场


半导体IP授权属于半导体设计的上游。IP主要分为软IP、固IP和硬IP。软IP是用Verilog/VHDL等硬件描述语言描述的功能块,不涉及具体电路元件。固IP是以电路元件实现的功能模块。硬IP提供设计的最终阶段产品——掩膜。


IP授权的出现源自半导体设计行业的分工,设计公司无需对芯片每个细节进行设计,通过购买成熟可靠的IP方案,实现某个特定功能。这种类似搭积木的开发模式,缩短了芯片开发的时间,提升了芯片的性能。


全球半导体IP市场在2018年整体市场规模为49亿美元。其中ARM公司是IP领域绝对龙头,占41%市场份额。



EDA设计软件包括电路设计与仿真工具、PCB设计软件、IC设计软件、PLD设计工具等。目前EDA设计软件领域集中度较高,Synopsys、Cadence和MentorGraphics三巨头占据了EDA设计软件市场95%以上的市场份额,Synopsys、Cadence等公司将自己的软IP集成在设计软件中,进一步增加了用户黏性,也提高了行业壁垒。


2.1.2 芯片设计国内进步较快,未来潜力最大


芯片设计过程可以粗略的分为确定项目需求、系统级设计、逻辑设计、硬件设计四部分。IC设计行业中少数巨头企业占据了主导地位,其中美国IC设计行业处于领先地位。


从营收规模来看,全球前十大芯片设计公司总营收规模达到810亿美元,同比增长12%。其中博通同比增长15.6%,以217.54亿美元营收居首;高通同比下降了4.4%,以164.50亿美元继续位居第二。



从地区分布来看,2018年美国在全球芯片设计领域拥有59%的市场占有率,居世界第一;中国台湾地区市场占有率约16%,居全球第二;中国大陆则拥有12%的市场占有率,位居世界第三。日本、欧洲半导体公司以IDM模式居多。



以毛利率和营收规模两个维度来看,国内芯片设计上市公司与全球前十差距仍然较大。根据2018年IC Insights数据,2018年国内半导体设计公司销售收入约385亿美金,海思和紫光展锐(均未上市)合计销售额超过了100亿美金,占国内市场规模的26%,剩余1700余家半导体设计公司产生了280亿美金的收入。


尽管差距明显,国内的芯片设计行业仍在高速成长,从过去二十年来看,国内半导体设计行业年复合增长速度超过40%,2018年的成长速度也达到了21.5%,相较于2007-2017年全球芯片市场4.4%的增长率,中国芯片市场的增长率一直维持在20%以上



2.2  晶圆代工:台积电一枝独秀,三星开始发力代工


2018年,全球芯片代工产业市场规模为627亿美金,同比增长5.72%。国内芯片代工产业市场规模为60.16亿美元,同比增长11.69%。预计未来三年国内增速仍将领先全球,市场份额的快速增长表明目前全球集成电路产能正向大陆转移



从企业来看,2018年台积电以54.39%的市场占有率处于绝对领先的地位,在三星将晶圆代工部门从系统LSI业务部门中独立出来后,统计口径的改变让三星一跃成为第二。格罗方德和联华电子分列第三、第四。国内厂商中芯国际暂列第五。


从制程工艺来看,顶尖工艺(7nm+10nm)目前占据13%的市场份额,主要用于CPU、GPU等超大规模逻辑集成电路的制造。主要用于存储芯片制造的14nm-28nm工艺占据了34%的市场份额;MCU/MPU、模拟器件、分立器件和传感器主要使用40nm以上工艺,占据了剩余的41%市场份额。



制程的进步使得集成电路上的单个晶体管体积更小,能耗更低。单位面积的硅晶圆上能够容纳更多晶体管,提升了芯片性能。目前半导体制程工艺的进步已经越来越困难,具体原因有以下三点


良品率的限制:每个硅原子直径大约0.1nm,在10nm制程下,每个间隔之间只有不到100颗原子。一个原子的缺陷就会严重影响到产品的良率。


短沟道效应:晶体管阈值电压随着晶体管尺寸的缩小而降低,导致沟道无法完全关闭造成漏电,提高了芯片功耗。


光刻机技术限制:目前7nm工艺用到的极紫外(EUV)光刻机需要设计出复杂的反射光路,经过多次镜面反射后,光源强度大大衰减,造成光刻胶曝光强度不足。


移动设备主导的半导体市场,更加注重功耗的降低。移动设备受锂电池续航所限,CPU功耗变得尤为重要。2011年左右,随着智能手机渗透率的迅速提高,消费电子的重心开始从PC端向移动端倾斜,传统PC芯片巨头英特尔在移动端的举步不前也导致了其制程发展在近5年放慢了脚步。


台积电、三星得益于智能手机芯片庞大出货量,在制程工艺方面拼命追赶。从2011年落后英特尔一代制程到15年赶上,最终在17年实现反超



2019年4月台积电宣布5nm工艺已经准备就绪,将在2020年进行量产。三星则宣布2021年5nm量产,并且未来十年(2020-2030)将投资1200亿美金加强晶圆代工和系统LSI方面的竞争力。反观此前代工市场份额第二、第三的格罗方德和联华电子均宣布暂缓10nm以下制程的研发。


目前顶尖制程的竞争就只剩下台积电和三星两家。领先厂商通过提前量产获取订单,分摊工厂折旧,进而继续研发下一代工艺,使得后进厂商在先进制程工艺上的投资低于预期回报而放弃竞争,以此扩大市场份额、形成壁垒。未来芯片代工领域马太效应会愈加明显



2.3  封测:并购整合获得扩张,长电实力位列第一梯队


半导体封测的技术含量相对较低,国内企业最早以此为切入点进入集成电路产业。国内封测企业通过外延式扩张获得了良好的产业竞争力,技术实力和销售规模已进入世界第一梯队



近年来,国内封测厂商借助并购潮进入了实力显著提升。2018年国内封测三巨头长电科技、华天科技、通富微电在全球行业中分别排名第三、第六、第七。在全球封测行业市场中,中国台湾地区、中国大陆和美国占据整个封测市场81%的份额,形成了三足鼎立的格局。



在芯片制造产能向大陆转移的大趋势下,国内封测企业近水楼台,抢占了中国台湾、美国、日韩封测企业的份额。国内企业实现了远超同行增长率的快速壮大。预计未来三年,随着中国芯片封装市场规模的提升,国内企业的销售规模和技术水平也会得到进一步提升。



2.4  半导体材料:日欧垄断,国内自给率较低


半导体材料可分为制造材料和封装材料。制造材料可以分为以下几类:硅片,靶材,CMP抛光材料、光刻胶、高纯试剂、电子特种气体、(光掩膜)。硅片、气体、光掩模和光刻胶四种材料占整体比例67%以上,其中硅片是半导体材料的核心。



封装材料:包括引线框架、封装基板、陶瓷封装材料、包封材料、芯片粘结材料等,其中封装基板占比最大。在半导体材料领域,高端产品市场技术壁垒较高,国内企业研发投入和积累不足。



我国半导体材料在国际分工中多处于中低端领域,高端产品市场主要被美、日、欧、韩、台湾地区等少数国际大公司垄断,国内大部分产品自给率较低,基本不足30%,主要依赖于进口



2.5  半导体制造设备:制造产能国内转移趋势利好国产设备商


在2018年全球半导体设备市场区域分布情况中,中国市场逐步崛起:从半导体装备销售额情况看,从2014年开始,北美半导体设备投资逐年减少,日本基本维持稳定,整个半导体制造的产能转移到了韩国、中国台湾地区和中国大陆。随着众多晶圆代工厂在大陆投建,大陆设备市场增速将超过全球增速水平。



半导体制造过程复杂,涉及到的设备包括硅片制造设备、晶圆制造设备、封装设备和辅助检测设备等。在制造设备中,光刻机、刻蚀机和薄膜沉积设备为核心设备,分别占晶圆制造环节的约21%、18%和18%



光根据各细分设备市场占有率统计数据,在光刻机、PVD、刻蚀机、氧化/扩散设备上,CR3达90%以上。光刻机是半导体制造设备中价格占比最大,也是最关键的设备,被誉为是半导体产业皇冠上的明珠,每颗芯片诞生之初,都要经过光刻技术的锻造。光刻决定了半导体线路的精度,以及芯片功耗与性能


以核心设备光刻机为例,荷兰公司阿斯麦(ASML.O)是全球最大的半导体光刻机设备及服务提供商,在细分领域具备垄断地位,在高端光刻机市场占据75%以上份额。



半导体设备技术难度高、研发周期长、投资金额高、依赖高级技术人员和高水平的研发手段,具备非常高的技术门槛。目前国内厂商离全球领先企业差距较大。除中微半导体在蚀刻机领域成为全球一线供应商外,其他领域在三年内达到世界领先水平的可能性较低。




投资建议




国内半导体产业政策支持力度较大,但是通过产业政策支持获取的进口替代、自主可控需要经过较长时间的演进才能实现。目前半导体进口替代是国内资本市场较为火热的主题,短期估值偏高。我们建议关注细分领域内具有较强实力、市场份额有望进一步提升的标的。芯片设计我们建议关注汇顶科技、紫光国微;晶圆代工我们建议关注中芯国际、华虹半导体和台积电;在封装测试领域我们建议关注长电科技、日月光;在半导体设备方面我们建议关注北方华创。


汇顶科技(603160.SH)——指纹芯片新晋强者


全球领先的指纹识别芯片设计公司。目前,汇顶科技产品和解决方案主要应用于华为、OPPO、vivo、小米、中兴、魅族、锤子、Amazon、Samsung、Nokia、Dell、HP、LG、ASUS、acer、TOSHIBA、Panasonic等国际国内知名品牌,覆盖低端至高端多系列产品。公司已成为安卓阵营全球指纹识别方案第一供应商。2019年Q1,公司营业收入12.25亿元(+114.39%),归母净利润4.14亿元(+2039.95%)。净利润的大幅度提升源于指纹芯片出货量的大幅度提升,而芯片边际成本迅速降低,预计19年公司业绩有望实现较大增长。


中芯国际(0981.HK)——国内晶圆代工龙头


国内规模最大、技术最先进的晶圆代工企业。目前14nm制程已经可以量产,成功步入晶圆代工第二阵营。2019年Q1中芯国际实现营业收入45亿元(-13.81%),归母净利润8300万(-55.14%),公司18年全年研发费用38.3亿元(+37.22%)。中芯国际14nm制程的成功量产为公司未来两年业绩的上升提供保障。随着国家对于先进工艺的支持力度的加大和公司研发投入的上升,中芯国际有望在7nm制程突破,实现量产。


华虹半导体(1347.HK)——国内功率半导体晶圆代工领先者


国内实力强劲的小尺寸晶圆代工企业,目前产能集中在8寸。公司在eNVM市占率第一,在分立器件和功率半导体代工领域国内领先。2018年公司营业收入63.85亿元(+20.91%),归母净利润12.57亿元(+32.46%)。华虹无锡12寸晶圆厂年底试产,预计能够带来80%的产能提升。


长电科技(600584.SH)——国内封测第一


全球领先的集成电路封装测试企业。提供封装设计、产品开发及认证,以及从芯片中测、封装到成品测试及出货的全套专业生产服务。包括有自主知识产权的Fan-out eWLB、WLCSP、Bump、PoP、fcBGA、SiP、PA等封装技术。公司2018年收入238.6亿元(+0%);受到星科金朋产能利用率低下、提前偿还高息债导致支付高额利息及手续费以及计提大额应收账款/商誉减值影响,盈利同比大幅转亏9.39亿。1Q19营业收入45.1亿元(-17.8%),净亏损4,652万元。全球封测行业同时进入低谷,未来行业集中度有望进一步提升。国内作为最大的芯片消费市场,长电科技近水楼台,在行业下行期市占率有望实现进一步提升。


北方华创(002371)——国产半导体设备集大成者


北方华创由七星电子和北方微电子重组而来,主营半导体设备、真空设备、锂电设备、精密电子元器件等四类业务,是国内半导体设备龙头企业。客户包括中芯国际、华力微电子、长江存储等国内一线半导体制造商。2019年Q1公司实现营业收入7.08亿元(+30.51%),归母净利润1991.38万元(+29.65%)。公司作为国内半导体设备龙头,拥有三大核心竞争优势:品类齐全(拥有芯片制造前段工艺的 7 大设备,国内公司中最齐全)、技术领先(28nm 设备已经量产,14nm 设备开始工艺验证,国内公司中最前端)、竞争格局良好(行业门槛高,国内几乎无相同体量相同赛道的竞争对手)。目前国内迎来晶圆厂投建高峰期,半导体设备需求快速上升。随着公司成熟工艺设备的放量,公司增长有望实现新高。


来源:平安证券。如涉及版权,请联系删除。

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