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从生态、业绩角度分析芯片行业

2019-11-30
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来源:内容来自「国信证券」,谢谢。


生态角度:合作伙伴、底层架构、高级人才、EDA 软件

技术的发展是从点到面,逐渐复杂。产业的发展也是从单一点突破,最后形成上下游产业链。伴随着技术变复杂和产业链延伸,市场形成稳定的生态结构,外来者想进入就变得更加困难。对于芯片设计来说,EDA 软件、底层架构、合作伙伴与客户、高端技术人才是芯片设计的四大生态壁垒。


芯片设计的四大生态边界

技术的发展是从点到面,逐渐复杂。产业的发展也是从单一点突破,最后形成上下游产业链。伴随着技术变复杂和产业链延伸,市场形成稳定的生态结构,外来者想进入就变得更加困难。对于芯片设计来说,EDA软件、底层架构、合作伙伴与客户、技术人才是芯片设计的四大生态壁垒。


EDA软件与设计制造绑定


EDA(电子设计自动化ElectronicsDesignAutomation)是设计电子芯片必需的软件,包括IC电路设计、设计布线、验证和仿真,测试等所有方面。EDA软件是IC设计最上游、最高端的产业。

行业存在高度垄断,前3家EDA公司(Synopsys、Cadence、Mentor)客户提供完整的前后端技术方案,垄断了芯片设计95%以上的市场。

把EDA放在最前面是因为国内无法替代,EDA软件被禁后,设计寸步难行。


EDA软件是工业化软件,壁垒不在于软件算法、模型,而是需要与国际上的主流foundry厂合作,让foundry提供各种支持。这种合作的壁垒很高,对于foundry厂来说,需要投入相当大的资源和成本,没有动力去培养新的EDA合作伙伴。

因为对foundry来说,培养新的EDA合作伙伴,需要投入更多的资源,但是更多和EDA合作方并不能带来增量收入。另外,国内的EDA软件研发人才少,软件开发人才大多数被互联网和金融行业吸引,导致EDA软件研发人才严重不足。


其实,从EDA行业龙头发展历程看,EDA行业是厚积薄发的生意,需要很长的前期积累。Synopsys和cadence两大巨头为了维持行业地位和紧跟技术发展,他们的研发费用分别高达35%、40%+。Synopsys在1986年成立,至今33年的历史,才取得31亿美元的收入(2018年)。Cadence在1988年成立,至今有31年的历史才取得21亿美元的收入(2018年)。

如果有新进入者首先需要经历无收入的巨额投入和有收入的亏损阶段,从企业经营的角度看,没有动力新进EDA行业,除非不能使用现有EDA厂商的产品。


底层架构和操作系统绑定


处理器架构是CPU厂商给属于同一系列的CPU产品定的一个规范,用硬件电路实现指令集所规定的操作运算,处理器架构设计是目前芯片产业的最高层级和最重要的层级。

处理器底层架构的生态边界体现在两方面,一是技术难度高,新进入者很难做出来;二是做出来之后,没有匹配的操作系统和应用软件。因为不同的操作系统、应用软件都是建立在对应的底层处理器架构之上,现有的操作系统和应用都是建立在现有的底层架构之上。例如英特尔的CPU和微软的windows,ARM系列芯片和安卓系统及应用,苹果处理器与IOS系统及应用。

CPU分类主要分有两大阵营,一是以intel和AMD的复杂指令集(CRIC),二是ARM、MIPS、POWERPC、RISC-V精简指令集(RISC)。


现在主流处理器架构是PC处理器x86和手机处理器ARM,x86架构被Intel和AMD垄断,ARM架构被ARM公司垄断。其他处理器设计公司想自主设计就要有授权,ARM的授权分为3种:

一是指令集架构级别的授权,苹果和华为就是指令集架构授权(华为ARMV8);二是IP核(软核)授权,无法对指令集架构修改,只能修改IP核;三是IP核(硬核)授权,一切不能改动,包括工艺参数选择,直接调用。


以ARM给高通、华为授权为例:

高通的骁龙855获得的是ARM的IP核的授权,855芯片介绍中有“BuildonArmCortexTechnology”字样,高通在购买的ARM的IP核的基础上进行了修改,ARM按照高通要求进行深度定制,高通将这个IP核重新命名为Kryo。

华为海思麒麟980购买的是ARMIP核的授权,麒麟980采用了Cortex-A76BasedCPU,并基于Cortex-A76的IP核进行了改动,但修改和定制幅度比高通少。


假如ARM以后不给中国厂商授权IP核:

一是当ARM发布下一代IP核(例如Cortex-A77、78、79)后,华为只能使用ARMV8架构自主设计IP核跟进,研发速度和资金投入是关键。而高通可以直接通过这个新IP核定制高通855之后的下一代芯片。

二是当ARM发布下一代指令集架构(例如ARMV9、V10)时,华为需要在ARMV8的基础上自主开放出ARMV9指令集架构,技术难度比IP核大很多,同时华为自创的“ARMV9”生态系统需要和ARM系统兼容。

需要合作伙伴生态的“陪练”


什么是生态?在二级市场行业研究范畴内,就是有人愿意合作、共赢。在芯片设计领域,体现在芯片正式量产之前,有合作伙伴提供支持、试用,有客户愿意当芯片设计公司的“小白鼠”。

一般硬件在使用前就能确定参数是否合格,而芯片不同,稳定性等参数需要在实际使用中检验,这一点类似动力电池,但是又比动力电池复杂,动力电池更换容易,芯片是系统的基础,更换芯片就要更换系统,推倒重来。

所以,国产芯片之难,不仅是技术本身,更在于做出来之后,没有生态支持。

首先,设计出的芯片没人敢用,这是现阶段国产芯片设计公司面临的最大问题,拥有“陪练”的生态是芯片设计公司的壁垒。因为很多问题是在应用过程中发现的,通过多次迭代才能“通畅”应用。最重要的是,现在的新进入者的第一代芯片就要与高级应用匹配、出现的问题多、难度大。例如,有些国产的芯片在性能参数上已经可以与国外芯片相当,但是运行过程中就会出现卡顿。


其次,复杂的高等级芯片,除了终端应用客户当“小白鼠”之外,还需要中间方案解决商的支持。国产芯片缺乏工程板卡级的支持,而英特尔、高通等国外芯片企业对下游厂商板卡级有很多支持,把硬件设备驱动、缓存、系统总线、中断控制器和系统引导模块等打包支持。


如果芯片设计厂商自己做芯片的板卡级服务,一是能力有限,每家芯片设计公司要服务众多客户,每家客户的芯片应用环境不同,无法全部覆盖;二是成本高、不划算。如果有团队为硬件制造商、系统集成商和应用软件开发商提供基于国产芯片的自主可控硬件的增强板卡级支持包和相关技术支持,配合国产芯片厂商提供的国产芯片开发板,就可以让企业方便快捷的生产研发出各种自主可控电子信息产品和信息系统解决方案。


能够填补中间的板卡级服务环节的厂商,需要很强的技术能力,一是需要熟悉芯片,在芯片性能、功耗、成本之间寻求平衡,二是要对具体应用场景有深刻的理解、熟悉各种软件操作系统和应用程序,要完成这样的技术重构有很大技术挑战。

高端人才稀缺,但人才供应充足


与市场观点不同,市场认为集成电路人才极度稀缺。我们认为,国内集成电路行业人才需求是伪需求。国产化率低、进口额超过石油等事实,不能说明行业人才需求旺盛,只能说明市场规模大、国产产品落后。

首先,集成电路专业毕业生进入本行业比例较低。根据《中国集成电路产业人才白皮书(2017-2018)》调查,2017年集成电路专业领域的所有毕业生中,仅有12%左右的毕业生进入本行业就业,而与集成电路强相关的四个专业毕业生进入本行业的比例约为36%左右。大部分都流向了互联网、计算机软件、IT服务、通信和房地产行业。

其次,行业平均薪酬较低。BOSS直聘统计的2019年芯片人才平均招聘月薪为10420元,十年工作经验人才平均招聘月薪为19550元,仅为同等工作年限的软件人才薪资的一半。


本专业毕业生从事本行业公司比例低、行业平均薪酬低。这是伪市场、伪需求的结果,原因有两种可能性:一是是集成电路行业人才需求不旺盛,供大于求,薪酬低;二是因为国内芯片设计行业的低端技术和产品无法与国外的先进技术和产品竞争,导致企业不赚钱,也就无法支付与软件行业媲美的薪酬。

没有有效市场、无法支付具有吸引力的薪酬,就无法聚集高端人才。而集成电路设计是技术密集型、人才密集型行业,没有人,就无法做出有竞争力的产品。

业绩角度:倒金字塔结构对后来者不利


芯片市场是倒金字塔结构、巨头垄断市场,后来者很难从低端产品积累利润再向高端产品发展。一般的行业是金字塔结构,低端产品占据大部分市场份额,高端产品虽然利润率高,但是市场份额低。而芯片市场销量最高的,是技术最先进的高端产品。随着芯片性能快速提升,行业格局变成:技术最先进的产品,单价高、利润率高、出货量大,是性价比最高的产品。


行业增速慢,与GDP相当


根据全球半导体贸易统计协会(WSTS)预计2019年全球半导体销售额预计4120亿美元,同比下降12.1%。从1999年至2019年20年间,全球半导体复合增速只有5.2%。如果仅从增长速度看,半导体行业并不是一个高增长的市场。
另外,从每年的增速看,半导体行业增速不稳定。从规模的增速和稳定性看,半导体行业并不具有投资吸引力。


美国、日本韩国、欧洲的半导体产业发展远早于国内,整体已经进入成熟稳定阶段。另外,半导体是信息技术的基础,终端用户是计算机汽车通信,与宏观经济相关性较高,所以,从全球范围看,半导体行业的增速和GDP相关性高是合理的。从半导体产业内部看,由于并购增多,芯片制造商数量越来越少,资本支出占营收比稳定,全球GDP与半导体市场增速相关性越来越高。


收入高增长难以为继


上文已经论述,半导体行业整体增速慢,所以行业内的个体的增速也较低。以美股大于10亿美元的34家芯片设计公司为例,英特尔、AMD电脑CPU两大巨头5年复合增长率只有6.1%、4.1%。模拟芯片龙头TI德州仪器、过去5年复合增长率只有4.9%。CPU和模拟芯片是技术壁垒最高的两大领域,龙头增速和行业增速基本一致。

截至2018年连续两年增速超过10%的有9家公司,占比26%;连续三年增速超过10%只有4家,占比12%。

增长驱动有三种:一是并购,例如博通、微芯科技、赛普拉斯;

1)5年复合增长率最高的博通主要是靠收购带来增长,例如在2014~2018期间它收购了PLX、Emulex、原博通、BrocadeCommunicationsSystems、CATechnologies。

2)5年复合增长28%的赛普拉斯,主要靠2014年收购spansion拉动,到2018年收入增长率只有6.7%。5年复合增速22.6%的微芯科技,2016年收购Atmel当年收入增长56.8%,2018年收购Microsemi当年收入增长34.4%。

3)5年复合增速18.7%的ADI(亚德诺)主要靠2017年收购的Linear、2018年收购的Symeo,而其在2012~2016年的收入增速很不稳定,有2年还是下降的。

二是需求短期爆发,2016~2018年挖矿芯片带动英伟达收入增长,2016~2017手机存储拉动增长的美光科技。

三是推出新品,受到市场认可。例如AMD在2017年推出了Radeo显卡和锐龙处理器,到2018年AMD继续依靠升级的锐龙、霄龙、Radeon显卡产品带动收入增长23.3%。


销量增长无法长期对冲单价下降


芯片虽然是硬件里面技术含量最高的产品,但是技术壁垒不高的芯片,也不一定是很赚钱的生意。大部分芯片企业的出货量小,芯片产品单价低,想要做大收入规模很难。

与消费产品不同,除了特殊时期的存储器和处理器芯片,一般的芯片价格是逐渐走低的。芯片设计公司想要提升业绩的规模,只能靠提升销量,用销量的增幅对冲单价的下滑。

但是芯片销量不可能无限增长,各种智能终端是由很多芯片组成的,不可能出现某一款芯片销量单独增长,毕竟长期看,过去20年半导体行业复合增速只有5.2%。


案例一:乐鑫科技,主要做wifi和蓝牙芯片,wifi和蓝牙技术解决方案。产品用于移动设备、家用电器、工业设备和对安全性能要求高的应用场景中。2018乐鑫的芯片收入3.2亿元,芯片销量7597万颗,芯片单价呈现下降趋势。要扩大规模,只能靠提升销量。

但是,由于蓝牙芯片技术壁垒不高,竞争激烈,从事TWS蓝牙芯片的厂商不但有高通和Cypress等外商,还有来自中国台湾的原相、络达和瑞昱,中国大陆的恒玄、华为、钜芯、紫光展锐、杰理和中科蓝讯等厂商。想要提升销量就得降价,中长期看,销量增长无法对冲单价的下降。

据半导体行业观察获悉,2019年10月,珠海杰理和中科蓝讯的TWS蓝牙耳机芯片的售价已经杀到了1.6元人民币,而其他厂商的芯片还处于1.6美元的阶段,这两家厂商的蓝牙芯片月出货量高达50KK、70KK。


从宏观的行业角度看,预计到2023年蓝牙设备出货量54亿部,假设每部设备使用1片蓝牙芯片,一共出货54亿颗蓝牙芯片,假设未来蓝牙芯片价格到3元,市场规模只有162亿元。


案例二:圣邦股份,主要做模拟芯片,有16大类1200余款产品,平均每颗芯片销售单价只有0.3元左右,且呈现下降趋势。2018年销量20.2亿颗芯片,平均每款芯片销售量169万颗。


案例三:汇顶科技,主要做指纹识别芯片和电容触控芯片。2018年电容触控芯片销售量10.7亿颗,指纹识别芯片销售量12亿颗,其中83%来自手机。手机的销量决定了指纹识别芯片的市场规模,2018年全球智能手机销量14亿部,从此角度看2018年指纹识别芯片市场饱和度达到86%。指纹识别芯片的市场规模的天花板就是手机销量的天花板。

从单价看,汇顶科技整体芯片单价下降到2018年的6.33元。公司近3年未公布指纹识别芯片的价格,从招股说明书发现,公司指纹识别芯片的价格从2014年的61.1元下降到2015年的22.8元,下降幅度达到63%。


利润率很难提升


产品决定利润率,只要产品的种类不变,芯片设计公司的利润率很难提升,能够维持在一定的水平已经很不错了。虽然英特尔是PC处理器的龙头、高通是手机处理器的龙头,二者的毛利率也是从2010年至2018年呈下降趋势(高通去掉专利费,毛利率也是下降的)。过去的9年间,大部分芯片设计公司的毛利率只能维持或者下降,原因有:

  • 一是竞争激烈,最顶端的处理器芯片,联发科、展讯等和高通竞争,AMD和英特尔竞争,其他技术壁垒较低的芯片竞争更加激烈。
  • 二是英特尔、高通的处理器是数字芯片,对工艺要求高,先进工艺带来高制造成本。
  • 三是单一芯片产品出货量小,市场分散,单一设计企业无法形成对下游代工厂的议价能力,不能从成本端提升毛利率。例如乐鑫科技wifi与蓝牙芯片的毛利率从2018上半年的52.5%下降到2019年上半年的47.6%。

只有个别公司的毛利率稳定向上突破,例如德州仪器、英伟达、恩智浦、2015年之后的美光科技、美信、意法半导体、思佳讯。毛利率上升的公司有以下特征:

  • 一是短期旧需求激增,例如美光科技,因为手机存储需求激增导致存储芯片价格上涨。
  • 二是短期新应用需求出现,例如英伟达的GPU用于比特币挖矿和人工智能计算。
  • 三是德州仪器、恩智浦等模拟芯片设计公司,虽然营业收入微增,但是毛利率却在提升。原因有:1)电源管理、信号转换、汽车电子三大需求推动,ICinsights预测模拟芯片增速6.9%超过芯片市场整体增速;2)处理器、存储器等数字芯片需要经常提升工艺,例如10nm到7nm,导致制造成本高。而模拟芯片使用的工艺更新速度慢,成本随着产线折旧完成,利润率会逐渐提升。


在此我们可以得出另一个结论:有自己的晶圆厂是模拟芯片设计厂商成长壮大的必要条件。从商业模式来看,高品质的模拟产品需要设计和工艺紧密结合,晶圆厂和设计商双方充分的交流才能开发出有特色、有竞争力的产品。

一是因为模拟芯片工艺更新慢,晶圆厂的使用时间超过折旧时间,这种自建晶圆厂的IDM模式有利于未来降低成本提升毛利率。

二是模拟芯片厂在设计和生产制造环节,都有多样性需求、定制化程度高,如果没有自身的晶圆厂,就无法在产品的质量、性能,甚至产能上得到保证。国外厂商一般会根据应用需求定义开发新的产品——设计、工艺、应用构成了一个产品定义的稳定三角,国内缺少代工厂的支持,很难形成设计和工艺结合的机会。

市场倒金字塔结构对龙头有利


一般的行业是金字塔结构,低端产品占据大部分市场份额,高端产品虽然利润率高,但是市场份额低。而芯片市场销量最高的,是技术最先进的高端产品。例如每部手机都要用到处理器和存储器,而不一定每部手机都用到指纹识别芯片、蓝牙芯片、NFC芯片等技术壁垒较低的芯片。


以汽车为例,每年豪华乘用车销量占比都在10%以下,呈现金字塔结构。而集成电路行业中,技术难度最高的处理器和存储器市场占比达到52%。


金字塔结构的行业中,新进入者可以利用低成本优势,抢占低端市场。原行业垄断经营者无法对抗这样的价格战,就只得放弃低端市场,退守高端市场。此时,高端市场的利润率比原来高,但总的利润却下降。中国企业在低端市场就积累利润、人才和技术,然后再向上爬升,最终攻占高端市场。例如手机镜头、摄像模组、显示屏幕等行业,都是这种升级路径。

但是,芯片行业不同,随着芯片性能快速提升,行业格局变成:技术最先进的产品,单价高、利润率高、出货量大,是性价比最高的产品。例如高端处理器(CPU)超4000元,而低端处理器(MCU)价格只有个位数。这种格局不利于新进入者,因为新进入者无法从芯片的低端市场获得利润,也就难以积累人才和技术,所以,目前电脑CPU、手机处理器都是寡头垄断。

例如,随着制造工艺提升,上游芯片设计费用越来越高。根据IBS的测算,10nm芯片的开发成本已经超过了1.7亿美元,7nm接近3亿美元,5nm超过5亿美元。基于3nm开发NVIDIAGPU,设计成本将高达15亿美元。前期的巨额投入可以通过出货量分摊,以目前最主流华为麒麟980的7nm手机芯片为例,假设出货量1亿颗,每颗芯片分摊研发成本3美元,假设全球年销售14亿部手机都使用该芯片,那么每颗芯片的分摊研发成本0.21美元。

 

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