半導體產業鏈全面梳理，中國還缺什麼？

​​半導體行業垂直分工模式的出現促進了產業鏈分工的全球化。

美國作為半導體領域無可爭議領先者，依然需要依賴全球各地的資源與技術。

對於國內半導體企業來說，國家高層的關注和政策傾斜一定程度上支持著國內半導體企業的追趕。

半導體產業現狀概述

1947年，電晶體在美國貝爾實驗室誕生，標誌著半導體時代的開啟。

1958年集成電路的出現加速了半導體行業的發展。

經過半個世紀，半導體行業已經非常成熟，形成了從半導體材料、設備到半導體設計、製造、封裝測試完整的產業鏈。

1.1 垂直分工模式是未來趨勢，促進半導體市場繁榮

半導體行業目前主流商業模式有兩種：一是IDM（Integrated Device Manufacturing）模式，以英特爾、三星、SK海力士為代表，從設計到製造、封測直至進入市場全部覆蓋；另一種是垂直分工模式，上游的晶片設計公司（Fabless）負責晶片的設計，設計好的晶片掩膜版圖交由中游的晶圓廠（Foundry）進行製造，加工完成的晶圓交由下游的封裝測試公司（OSAT）進行切割、封裝和測試，每一個環節由專門的公司負責。

垂直分工模式的產生源於半導體行業資本密集型和技術密集型的特點。

晶圓代工屬於重資產行業，目前7nm製程的投資金額可達百億美元量級，巨額的資本投入使得絕大多數半導體公司無力支撐如此高昂的開支。

1987年台積電的成立標誌著半導體行業從垂直化向分工化的變革。

晶圓代工廠商通過集中產能優勢，提高產能利用率、攤薄生產成本，降低了半導體行業的准入門檻，使得中小、初創型IC設計公司進入市場，半導體產業鏈的分工也從美國開始向全球分散，垂直分工模式的出現促進了半導體行業的繁榮。

另一方面，半導體工藝的不斷進步形成了晶圓代工行業的壁壘。

1.2 集成電路占比提升，存儲晶片是景氣風向標

按產品來劃分，半導體產品可分為集成電路、分立器件、光電器件和傳感器四種。

集成電路作為半導體的核心產品，又分為邏輯器件、存儲晶片、微處理器和模擬電路四類，占據整個半導體行業規模八成以上。

光電子器件、分立器件和傳感器雖然應用廣泛，但需求和單價與集成電路差距較大。

2018年全球半導體市場規模為4607.63億美元，同比增長7.4%。

首次突破4500億美元大關，創十年以來新高。

其中，集成電路產品市場銷售額為3897.97億美元，同比增長8.09%，增速放緩，低於2017年的24.06%。

集成電路市場銷售額占到全球半導體市場總值85%的份額。

模擬電路銷售額為616億美元，微處理器銷售額為776億美元，大規模IC銷售額首次突破千億，為1020.91億美元。

存儲晶片產品市場銷售額為1484.95億美元，同比增長13.98%，占到全球半導體市場總值的32.22%。

存儲晶片是半導體市場景氣程度最重要的風向標。

1.3 周期是半導體行業最重要特徵，本輪下行或持續至2020Q2

經過半個世紀的發展，半導體廣泛滲透於信息、通信、計算機、消費電子、汽車等各個領域，半導體產品對人們的日常生活和消費形態產生了顯著的影響。

長期來看，半導體行業的增速波動與全球GDP波動的相關性呈現高度一致（2010至今，相關係數為0.57）。

半導體行業存在受GDP增速影響的需求周期在行業內已成為共識。

另一方面，半導體產業分工的出現使得行業出現了以核心企業的產能波動為主導的供給周期。

存儲晶片市場是典型的供給周期驅動市場。

行業排名前3的三星、海力士和鎂光市占率在95%以上，它們產能的變動直接影響存儲晶片市場價格。

以2013-2019年DRAM和NAND價格變動為例，從2013年開始，隨著三星、海力士、鎂光產能的擴張，價格持續下跌。

2016年Q2受DRAM工藝從2D向3D轉換產能不足的影響，存儲器價格一路上漲。

到2017年底，良率的回升和新建產能的投產使得供給充足，內存價格一路走跌。

綜上，以GDP增速表征的需求周期和行業龍頭產能變化的供給周期兩個因素共同疊加，構成了半導體周期。

根據平安證券研究所宏觀團隊觀點，預計2019年美國經濟見頂回落，中國經濟增速放緩，全球GDP增速可能會繼續下降。

另外，2018年智慧型手機出貨量自2010年以來首次出現了負增長，2019Q1中國智慧型手機出貨量增速同比下降11.9%。

我們認為在5G網絡尚未大規模商用之前，智慧型手機出貨量下行壓力將持續存在。

智慧型手機出貨量的下降直接影響到了全球半導體市場（2018智慧型手機半導體占比近25%），根據Gartner數據，2019年Q1全球半導體出貨量和產能利用率均處低谷。

存儲晶片方面，根據DRAMexchange數據，DRAM和NAND價格自2017年12月以來，連續14個月走低。

受宏觀經濟下行和短期供給過剩的雙重影響，我們預計本輪半導體行業的下行周期將會持續到2020年Q2。

從產業鏈來看，目前具備商用能力的5G手機晶片供應商只有華為和高通2家，支持SA獨立組網的手機最早會在2020年Q2面世，5G手機的上市能夠較大提升對存儲晶片、大規模IC、模擬電路的需求。

預計在2020年Q2之後，半導體下行周期將迎來反轉。

1.4 我國半導體振興之路道阻且長，中美貿易衝突背景下國內有望發力

目前國內半導體需求旺盛，國內供給能力不足。

以集成電路為例，2018年我國集成電路出口金額為860.15億美元，進口金額為3166.81億美元，貿易逆差同比增長11.21%。

從2015年開始，集成電路進口金額連續4年超過原油成為我國第一大進口商品。

集成電路領域嚴重的進口依賴，影響到我國的信息安全、金融安全、國防安全、能源安全。

90年代以前，國內半導體主要應用於軍事領域。

設計、研發主要依靠國有企業和科研單位，生產依靠引進國外落後生產線。

我國第一次對微電子產業制定國家規劃是1990年啟動的908工程，由當時國營江南無線電器材廠（簡稱742廠）和永川半導體研究所無錫分所合併成立了無錫華晶。

直到8年後，國內的第一條6英寸生產線才完成驗收正式投產。

1996年，909工程啟動，由上海華虹和NEC合資組建了華虹NEC，建成了國內的第一條8英寸產線。

2000年，中芯國際的成立標誌著國內半導體晶圓代工開始走向了世界舞台。

2001年隨著中國加入WTO，外資半導體企業大量進入，國內半導體行業進入快速發展期，經過近二十年的發展，儘管國內培育了大批半導體行業優秀人才，但由於半導體產業鏈複雜，產業分工細緻，我們在各個領域與國外領先水平仍然有著較大差距。

自2018年4月以來，中興、華為相繼被美國商務部列入實體名單，舉國譁然。

國內半導體產業相對落後的局面受到國家領導層的高度關注，國家相繼出台一系列政策提振半導體產業發展，但振興之路道阻且長。

目前半導體行業正處於小幅下行周期。

全球半導體製造企業2019年資本支出將出現較大幅度縮減。

存儲晶片方面，三星、SK海力士受內存價格下跌，資本支出大幅縮減。

晶圓代工方面，除台積電和中芯國際資本支出增長外，格羅方德、聯華電子和上海華虹資本支出均出現不同程度的縮減。

對行業後進者來說，產業處於低谷是較為有利的追趕時機。

美國雖然作為半導體產業的領導者，占據了核心的地位和市場份額，但日本、韓國、台灣地區等後來者均抓住了產業低谷時的機遇，誕生出了如三星、海力士、台積電等一批行業翹楚，從而奠定了上述國家在半導體行業的影響力。

對於國內半導體企業來說，國家高層的關注和政策傾斜一定程度上支持著國內半導體企業，國內領先企業有望利用外部優勢迎頭趕上。

但是半導體技術的積累和進步難以在短期實現突破。

半導體行業經過了近七十年的發展，已經形成了全球化分工的產業鏈。

美國作為半導體行業無可爭議領先者，也必須在很多領域依賴全球各地的資源和技術來發展。

國內半導體產業真正意義的發展起步於上世紀九十年代，儘管在各個領域具備了一定規模，依然面臨諸多的挑戰和限制。

國內半導體行業的發展壯大需要時間的積累和資本的耐心，我們認為：

國內半導體的發展並非簡單的等同於人無我有，人有我強。

半導體產業的發展依賴於全球資源和技術的相互配合。

一個國家難以通吃整個產業鏈，在某個細分領域做精做強，形成互相依存的合作關係才是符合國情的發展戰略。

從全球市場的發展趨勢和競爭力看，IC設計產業是目前國內最主要的機會所在。

一方面工程師紅利仍然存在，像越南、印度等新興發展中國家在基礎設施、人才儲備方面與國內差距較大。

另一方面，5G的到來會催生大量物聯網、車聯網、VR、AI的需求，這塊市場目前仍處於醞釀期，憑藉國內資本、人才優勢有望搶占先機。

重視未來可能存在較大市場空間的特種半導體。

例如IGBT、Super-junction、化合物半導體等。

特種半導體是未來物聯網、汽車電子、高端製造的核心技術。

此類特種半導體對於製程的要求較低，但是利潤較高。

先進位程的發展變成了寡頭競爭：10nm以下製程的研發愈加困難，資本投入上升較大，製程發展速度開始放慢。

目前全球製程競賽的玩家只剩下了台積電、三星、英特爾三家，傳統老牌格羅方德和聯電已經放棄追趕，這給國內企業爭取了時間。

國家政策的扶持降低了企業融資的難度，但是應當避免過度投資，注重產業整合，淘汰落後產能，避免惡性競爭。

半導體細分行業梳理

2.1 晶片設計：美國領先地位明顯，中國升至第三

2.1.1 IP授權、EDA軟體屬於利基市場

半導體IP授權屬於半導體設計的上游。

IP主要分為軟IP、固IP和硬IP。

軟IP是用Verilog/VHDL等硬體描述語言描述的功能塊，不涉及具體電路元件。

固IP是以電路元件實現的功能模塊。

硬IP提供設計的最終階段產品——掩膜。

IP授權的出現源自半導體設計行業的分工，設計公司無需對晶片每個細節進行設計，通過購買成熟可靠的IP方案，實現某個特定功能。

這種類似搭積木的開發模式，縮短了晶片開發的時間，提升了晶片的性能。

全球半導體IP市場在2018年整體市場規模為49億美元。

其中ARM公司是IP領域絕對龍頭，占41%市場份額。

EDA設計軟體包括電路設計與仿真工具、PCB設計軟體、IC設計軟體、PLD設計工具等。

目前EDA設計軟體領域集中度較高，Synopsys、Cadence和MentorGraphics三巨頭占據了EDA設計軟體市場95%以上的市場份額，Synopsys、Cadence等公司將自己的軟IP集成在設計軟體中，進一步增加了用戶黏性，也提高了行業壁壘。

2.1.2 晶片設計國內進步較快，未來潛力最大

晶片設計過程可以粗略的分為確定項目需求、系統級設計、邏輯設計、硬體設計四部分。

IC設計行業中少數巨頭企業占據了主導地位，其中美國IC設計行業處於領先地位。

從營收規模來看，全球前十大晶片設計公司總營收規模達到810億美元，同比增長12%。

其中博通同比增長15.6%，以217.54億美元營收居首；高通同比下降了4.4%，以164.50億美元繼續位居第二。

從地區分布來看，2018年美國在全球晶片設計領域擁有59%的市場占有率，居世界第一；台灣地區市場占有率約16%，居全球第二；中國大陸則擁有12%的市場占有率，位居世界第三。

日本、歐洲半導體公司以IDM模式居多。

以毛利率和營收規模兩個維度來看，國內晶片設計上市公司與全球前十差距仍然較大。

根據2018年IC Insights數據，2018年國內半導體設計公司銷售收入約385億美金，海思和紫光展銳（均未上市）合計銷售額超過了100億美金，占國內市場規模的26%，剩餘1700餘家半導體設計公司產生了280億美金的收入。

儘管差距明顯，國內的晶片設計行業仍在高速成長，從過去二十年來看，國內半導體設計行業年複合增長速度超過40%，2018年的成長速度也達到了21.5%，相較於2007-2017年全球晶片市場4.4%的增長率，中國晶片市場的增長率一直維持在20%以上。

2.2 晶圓代工：台積電一枝獨秀，三星開始發力代工

2018年，全球晶片代工產業市場規模為627億美金，同比增長5.72%。

國內晶片代工產業市場規模為60.16億美元，同比增長11.69%。

預計未來三年國內增速仍將領先全球，市場份額的快速增長表明目前全球集成電路產能正向大陸轉移。

從企業來看，2018年台積電以54.39%的市場占有率處於絕對領先的地位，在三星將晶圓代工部門從系統LSI業務部門中獨立出來後，統計口徑的改變讓三星一躍成為第二。

格羅方德和聯華電子分列第三、第四。

國內廠商中芯國際暫列第五。

從製程工藝來看，頂尖工藝（7nm+10nm）目前占據13%的市場份額，主要用於CPU、GPU等超大規模邏輯集成電路的製造。

主要用於存儲晶片製造的14nm-28nm工藝占據了34%的市場份額；MCU/MPU、模擬器件、分立器件和傳感器主要使用40nm以上工藝，占據了剩餘的41%市場份額。

製程的進步使得集成電路上的單個電晶體體積更小，能耗更低。

單位面積的矽晶圓上能夠容納更多電晶體，提升了晶片性能。

目前半導體製程工藝的進步已經越來越困難，具體原因有以下三點：

良品率的限制：每個矽原子直徑大約0.1nm，在10nm製程下，每個間隔之間只有不到100顆原子。

一個原子的缺陷就會嚴重影響到產品的良率。

短溝道效應：電晶體閾值電壓隨著電晶體尺寸的縮小而降低，導致溝道無法完全關閉造成漏電，提高了晶片功耗。

光刻機技術限制：目前7nm工藝用到的極紫外（EUV）光刻機需要設計出複雜的反射光路，經過多次鏡面反射後，光源強度大大衰減，造成光刻膠曝光強度不足。

移動設備主導的半導體市場，更加注重功耗的降低。

移動設備受鋰電池續航所限，CPU功耗變得尤為重要。

2011年左右，隨著智慧型手機滲透率的迅速提高，消費電子的重心開始從PC端向移動端傾斜，傳統PC晶片巨頭英特爾在移動端的舉步不前也導致了其製程發展在近5年放慢了腳步。

台積電、三星得益於智慧型手機晶片龐大出貨量，在製程工藝方面拚命追趕。

從2011年落後英特爾一代製程到15年趕上，最終在17年實現反超。

2019年4月台積電宣布5nm工藝已經準備就緒，將在2020年進行量產。

三星則宣布2021年5nm量產，並且未來十年（2020-2030）將投資1200億美金加強晶圓代工和系統LSI方面的競爭力。

反觀此前代工市場份額第二、第三的格羅方德和聯華電子均宣布暫緩10nm以下製程的研發。

目前頂尖製程的競爭就只剩下台積電和三星兩家。

領先廠商通過提前量產獲取訂單，分攤工廠折舊，進而繼續研發下一代工藝，使得後進廠商在先進位程工藝上的投資低於預期回報而放棄競爭，以此擴大市場份額、形成壁壘。

未來晶片代工領域馬太效應會愈加明顯。

2.3 封測：併購整合獲得擴張，長電實力位列第一梯隊

半導體封測的技術含量相對較低，國內企業最早以此為切入點進入集成電路產業。

國內封測企業通過外延式擴張獲得了良好的產業競爭力，技術實力和銷售規模已進入世界第一梯隊。

近年來，國內封測廠商藉助併購潮進入了實力顯著提升。

2018年國內封測三巨頭長電科技、華天科技、通富微電在全球行業中分別排名第三、第六、第七。

在全球封測行業市場中，台灣地區、中國大陸和美國占據整個封測市場81%的份額，形成了三足鼎立的格局。

在晶片製造產能向大陸轉移的大趨勢下，國內封測企業近水樓台，搶占了台灣、美國、日韓封測企業的份額。

國內企業實現了遠超同行增長率的快速壯大。

預計未來三年，隨著中國晶片封裝市場規模的提升，國內企業的銷售規模和技術水平也會得到進一步提升。

2.4 半導體材料：日歐壟斷，國內自給率較低

半導體材料可分為製造材料和封裝材料。

製造材料可以分為以下幾類：矽片，靶材，CMP拋光材料、光刻膠、高純試劑、電子特種氣體、（光掩膜）。

矽片、氣體、光掩模和光刻膠四種材料占整體比例67%以上，其中矽片是半導體材料的核心。

封裝材料：包括引線框架、封裝基板、陶瓷封裝材料、包封材料、晶片粘結材料等，其中封裝基板占比最大。

在半導體材料領域，高端產品市場技術壁壘較高，國內企業研發投入和積累不足。

我國半導體材料在國際分工中多處於中低端領域，高端產品市場主要被美、日、歐、韓、台灣等少數國際大公司壟斷，國內大部分產品自給率較低，基本不足30%，主要依賴於進口。

2.5 半導體製造設備：製造產能國內轉移趨勢利好國產設備商

在2018年全球半導體設備市場區域分布情況中，中國市場逐步崛起：從半導體裝備銷售額情況看，從2014年開始，北美半導體設備投資逐年減少，日本基本維持穩定，整個半導體製造的產能轉移到了韓國、台灣地區和中國大陸。

隨著眾多晶圓代工廠在大陸投建，大陸設備市場增速將超過全球增速水平。

半導體製造過程複雜，涉及到的設備包括矽片製造設備、晶圓製造設備、封裝設備和輔助檢測設備等。

在製造設備中，光刻機、刻蝕機和薄膜沉積設備為核心設備，分別占晶圓製造環節的約21%、18%和18%。

光根據各細分設備市場占有率統計數據，在光刻機、PVD、刻蝕機、氧化/擴散設備上，CR3達90%以上。

光刻機是半導體製造設備中價格占比最大，也是最關鍵的設備，被譽為是半導體產業皇冠上的明珠，每顆晶片誕生之初，都要經過光刻技術的鍛造。

光刻決定了半導體線路的精度，以及晶片功耗與性能。

以核心設備光刻機為例，荷蘭公司阿斯麥（ASML.O）是全球最大的半導體光刻機設備及服務提供商，在細分領域具備壟斷地位，在高端光刻機市場占據75%以上份額。

半導體設備技術難度高、研發周期長、投資金額高、依賴高級技術人員和高水平的研發手段，具備非常高的技術門檻。

目前國內廠商離全球領先企業差距較大。

除中微半導體在蝕刻機領域成為全球一線供應商外，其他領域在三年內達到世界領先水平的可能性較低。

來源：芯師爺​​​​