半导体行业深度报告（系列之一）：成长与迁移，全球半导体格局演变.pdf

电 子制造 成长与迁移， 全球半导体格局演变 2019年 12月 04日 半导体行业 深度报告 （ 系列之一 ） 公司具备证券投资咨询业务资格 行业 数据与预测 Wind 资讯 半导体（ 可比口径 ） 2019Q3 整体收入增速 （ %） 9.72 整体利润增速 （ %） 7.79 综合毛利率 （ %） 24.43 综合净利率 （ %） 7.96 行业 ROE（ %） 5.36 平均市盈率 （ 倍 ） 165 平均 市净率 （ 倍 ） 13.28 资产负债率（ %） 45.33 请 务必 阅读文后 重要声明及 免责条款 核 心 观 点 ： 1. 从 多 维度观测 全球半导体演变 ： 分工 持 续细 化， 产业链持续转移 。 费半指数作为 全球 影响力最大 的 半导体 指数，我们认为 根据核心驱动力不同， 可以分三个阶段 ， PC 与互联网时代 移动互联网时代 5G+AIOT 时代 。 随 时代的发展 ，我们认为半导体呈现出 “ 两个持续 ” 的发展特点，即 分工持续细化，产业链持续转移 。从传统的 IDM 到fabless+foundry， 演化出今天主流的三个核心环节，未来 IDM 厂商仍在进一步分化 ， fablite 是未来 轻资产化的大趋势。 从产业链转移的角度， 前两次发生在日本 、 韩国 、台湾 地区，未来随 5G+AIOT 时代到来，国内是未来半导体产业 的核心区域 。 2. 从 国内 市场来看 ， 总体产业空间巨大， 细分领域 竞争格局不同 。 从量上看： 产业 链 转移趋势明显， 产业规模 国内增速超过全球平均 ； 从价来看 ： 产业规模 扩大的同时，贸易逆差也在 同步扩大 ； 总体来看 ： 我国中高端自给率偏低，全球 龙头中 缺乏 中国公司身影。 细分领域中亮点频出，中间环节差距仍大。 以华为海思为代表的 IC 设计有望率先突破， “一大多小”是国内 IC 设计现状， EDA 和底层架构 是未来 两大制约因素 ，未 来 轻资产 属性 及工程师红利是利好 国内 IC 设计的长期因素 。 晶圆代工方面， 行业 CR3 接近 80%， 设备与材料被国际先进企业垄断 ， 国内 中芯国际 目前 最高技术水平在 12-14nm 左右，今年随高端光刻机顺利投入产线，未来有望进一步提升技术水平。 IC 封测国内通过并购崛起，已有三家企业进入世界前十 ， OSAT 成为主要生产模式，未来封装先进 技术是提升芯片效能的增量动力。 3. 站稳未来核心赛道， 5G+AIOT 将驱动新一轮半导体产业爆发 。 全球半导体 产业向国内转移已是当前发展趋势，未来的核心驱动力主要为 ： AI 深度学习、 5G SoC、物联网 多 端互联及 异 构芯片 。 AI 芯片在 2017 年 的市场规模约为 46 亿美元， 到 2020 年，预计将会达到 148 亿美元，年均复合增长率为 47%。 5G 的快 速布局正推动运营商提高对终端用户的预测 ， 到 2025 年 5G 连接数量将达到 14亿，占中国和欧洲连接总量的 30%。物联网方面， 巨头公司提前布局，从流量争夺到构建生态体系 ， 未来将成为新一轮增长 动力。 4. 风险 提 示 。 中美贸易摩擦升级 ， 技术研发 不及 预期 。 行业 评 级： 强于大市（ 首次 ） 分 析师 ： 陈建生 执 业 证书号： S1030519080002 联系电话： 0755-23602373 邮 箱： chenjs2csco 研 究 助 理 ： 魏 大千 联系电话： 0755-83199535 邮箱 ： weidqcsco 半导体（ 801081.SI） 与沪深 300 对 比表现 -2 0 %0%20%40%60%80%100%18-1218-1219-0119-0219-0219-0319-0419-0419-0519-0619-0719-0719-0819-0919-0919-1019-1119-11半导体 (申万 ) 沪深 300证券研 究 报 告 2019 年 12 月 请 务 必 阅 读 文后 重 要声明及 免 责 条款 股市有风 险 入市 需谨 慎 - 1 - 目 录 一、三个维度观测全球半导体格局演变 . 4 1、 维度之一：从费半指数观测全球半导体格局 . 4 2、 维度之二：从 IDM 到 fabless+foundry，产业结构持续细化 . 6 3、 维度之三：全球产业链三次迁移 . 8 二、国内半导体产业空间巨大，自主可控是长期趋势 . 10 1、 自给率仍偏低，中高端核心技术仍有较大差距 . 10 2、 国内技术逐渐突破，部分细分领域发展进程加快 . 11 3、 受益政策支持与资本助力，国内半导体有望取得长足发展 . 17 三、 5G+AIOT 是未来核心赛道，将驱动半导体产业新一轮爆发 . 21 1、 深度学习大幅提升 AI 芯片算力，是拉动半导体增长的重要引擎 . 21 2、 5G SoC 迎来性能爆发增长，未来存量替换与增量终端并存 . 23 3、 多平台互通成主流趋势，物联网布局掀开半导体另一增 长动力 . 25 四、风险提示 . 27 1、 中美贸易摩擦升级 . 27 2、 相关技术研发不及预期 . 27 3、 下游需求不及预期 . 27 2019 年 12 月 请 务 必 阅 读 文后 重 要声明及 免 责 条款 股市有风 险 入市 需谨 慎 - 2 - 图表目录 Figure 1 费城半导体指数至今走势及相关区间核心因素 . 5 Figure 2 费半指数成分股产业类型 . 6 Figure 3 费半指数成分股所对应的下游应用 . 6 Figure 4 半导体产业链垂直模式时间节点 . 7 Figure 5 半导体三种模式的优缺点 . 8 Figure 6 全球半导体的三次迁移 . 9 Figure 7 半导体产业转移和分工 . 10 Figure 8 国内半导体自给率 . 10 Figure 9 全球前 15 半导体公司的各自占比 . 10 Figure 10 2019 全球前 15 半导体公司收入预测及国内对标公司 . 11 Figure 11 国内 芯片设计公司数量及增长 . 12 Figure 12 国内芯片设计销售收入及增长 . 12 Figure 13 国内前十 IC 设计公司营收及主要业务 . 13 Figure 14 全球晶圆代工各公司市场份额 . 14 Figure 15 全球芯片制造部分企业资本开支对比 . 14 Figure 16 全球 刻蚀机市场份额 . 14 Figure 17 全球光刻机市场份额 . 14 Figure 18 2018 全球前 15 半导体设备公司排名及主营业务 . 15 Figure 19 2018 全球前 15 半导体设备公司排名及主营业务 . 16 Figure 20 先进封装技术发展历程 . 16 Figure 21 先进封装技术占比提升 . 16 Figure 22 国内集成电路销售额及增长速度 . 18 Figure 23 三大细分产业销售额 . 18 Figure 24 半导体进出口差额及变化情况 . 18 Figure 25 全球半导体销售区域分布 . 18 Figure 26 国家集成电路产业发展纲要 . 19 Figure 27 2016 年以来中央及地方对半导体产业支持政策数量 . 19 Figure 28 大基金一期投资分布 . 19 Figure 29 大基金一期投资额 . 19 Figure 30 大基金目前持有上市公司股权情况 . 20 Figure 31 2025 半导体产业规划目标 . 21 Figure 32 中国与全球半导体产业规模及占比 . 21 Figure 33 四种 AI 芯片架构的代表产品及特点 . 22 Figure 34 GPU 工作原理 . 23 2019 年 12 月 请 务 必 阅 读 文后 重 要声明及 免 责 条款 股市有风 险 入市 需谨 慎 - 3 - Figure 35 深鉴科技 DPU 基本参数 . 23 Figure 36 TPU 的架构框图 . 23 Figure 37 TrueNorth 芯片结构、功能、物理形态图 . 23 Figure 38 华为麒麟 990 5G 参数提升 . 24 Figure 39 2019 年 3-8 月 5G 终端数量 . 24 Figure 40 5G 手机出货量预测 . 24 Figure 41 物联网终端及增长预测 . 25 Figure 42 物联网终端架构 . 25 Figure 43 物联网安全技术思路 . 26 Figure 44 全球科技巨头公司提前布局 IOT 产业 . 26 2019 年 12 月 请 务 必 阅 读 文后 重 要声明及 免 责 条款 股市有风 险 入市 需谨 慎 - 4 - 一 、 三个维度观测 全球半导体格局演变 1、 维度之一： 从 费半指数 观测全球半导体格局 费城半导体指 数（ SOX） 的 发展 阶段反 应了全 球 半导体 的 走 势与 兴衰更替 。费半指数 涵盖 全 球 半导体设计、设备、制造、 材料等方 向 ， 其 走 势可以 是衡量全 球半导体行 业景气程度 的主要指标。费城半导体指数发行于在 1993 年12 月 1 日， 是衡量半导体 景气度的重要指标之一 。 从 费半指数 长期 历史 来看，简单的 可以将其划分为 三个 大阶段 。 第一阶段 ， PC 与互联网 时代 （ 1994-2009） ： 指数总体呈现 周期大于成长的走势，有明显 的 上下 周期性 波动。 指数最高在 2000 年达到 1362 的阶段性高点，但随 着 互联网泡沫的 破灭， 随后 出 现了大幅下 滑 。 技术进步 的驱动 力来自笔记 本电脑 以及 宽带 网络 技术 ，由于处于 互联网初期 阶段，尚未 有较多的统治级公司出现，行业 经历了 快速的 潮起潮落 的 过程 。 与此同时， 培育 诞生了 诸多 半导体龙头 ，如三星， Intel，德州仪器等 。 第二阶 段 ， 移动互联网 时代 （ 2009-2018） ： 经历 08 年 全球经济危机 后， 行业回归长期成长 。随着全球半导体产业的充分发展， 以及通信技术的 快速迭代，指数在这一阶段走出了近 10 年的长期增长 ，指数涨幅 接近 10 倍。 在这一阶段，主要的驱动力来自移动互联网通信技术的升级 （ 4G） ，叠加 智能手机 市场 的 迅速扩大， 全球半导体 产值达 到 3000 亿美元以上 。 在 之 前微软与英特尔 形成的 系统与芯片绑定的模式上， 安卓 与 高通在移动端也形成了强大的联盟 。芯片产业链中 的 设 计 、 晶圆 制造、 晶圆代 工、设备 、材料等 均出现了具有 垄断性的公司。 第三阶段， 5G 与 AIOT 时代（ 2018-）： 目前在半导体产业链各环节中，整体竞争格局相对稳定，集中度普遍较偏高，随着摩尔定律的持续生效，龙头技术壁垒愈发难以被打破。在此阶段，费半指数也在持续创出新高，龙头公司景气度不减。目前处于移动互联网与下一时代的交汇期，当前 5G 与 AI 提供的增长动力已经显现，下游端可穿戴设备与物联网已有一定的增长趋势储备了足够的增长动能， 叠加随数字货币、区块链等新技术对存储器的增量需求加大，全球半导体产值已突破 4000 亿 元 。 未来随 人工智 能、物联网、区 块链等技术应用 进一步落地，半导体市场份额需求有望进一步增长提升。 2019 年 12 月 请 务 必 阅 读 文后 重 要声明及 免 责 条款 股市有风 险 入市 需谨 慎 - 5 - Figure 1 费城半导体指数至今走势 及相关区间核心因素 资料来源： Wind 资讯 、世纪 证券研 究所 费半成分股的选取标准为： 1） 、 在纳斯达克股票市场、纽约证券交易所、纽约证券交易所或 CBOE 交易所上市 ; 2） 、 主营业务被归类为设计、销售、制造和销售的半导体公司 ; 3）、 仍有至少 1 亿美元的最低市值 ; 4）、 在过去 6 个月中 ,每股至少可交易 150 万股。 从 费 半 指数成份股 看， 全球半导体 的核心资产 仍集中在美国 。 为了保证费半 指数能密切跟踪半导体市场发展，成份股于每年 9 月进 行评估，通过将符合标准的证券按照市值排名，将市值 排列的前 30 名 被成份股。 其中 ： 半导体设计厂商 17 家 ：高通、博通、英伟达、 AMD、赛灵思、迈威科技等；半 导体设备 厂商 5 家 ：应用材料、拉姆研究、阿 斯麦、 卡 伯特微电子 、 克里科技 ； 半导体制造厂商 2 家 ：台积电 ，科 天 半导体 ； IDM 厂商 6 家 ：英特尔、美光、德州仪器、恩智浦、 Qorvo、 Skyworks。 从下游应用分布来看， 以 三星和高通为代表的 厂商主 要 集 中 在 手机和 消费电2019 年 12 月 请 务 必 阅 读 文后 重 要声明及 免 责 条款 股市有风 险 入市 需谨 慎 - 6 - 子 ，以 英特尔 ，博通 ， AMD 为代表的 主要集中在 PC 和通信端。 Figure 2 费半 指数 成分 股产业类型 公司 代码 公司名称 产业类型 公司代码 公司名称 产业类型 ADI.O 亚德诺 (ANALOG) 设计 NVDA.O 英伟达 (NVIDIA) 设计 AMAT.O 应用材料 设备 NXPI.O 恩智浦半导体 IDM ASML.O 阿斯麦 设备 ON.O 安森美半导体 设计 AVGO.O 博通 (BROADCOM) 设计 QCOM.O 高 通 公 司 (QUALCOMM) 设 计 AMD.O 超威半导体 (AMD) 设计 QRVO.O QORVO IDM CCMP.O 卡伯特微 电子 设备 SWKS.O 思佳讯解决方案 (SKYWORKS) IDM CRUS.O 凌云半导体 设计 TER.O 泰瑞达 设备 INTC.O 英特尔 (INTEL) IDM TSM.N 台积电 制造 LRCX.O 拉姆研究 (LAM RESEARCH) 设备 TXN.O 德州仪器 IDM MCHP.O 微芯科技 (MICROCHIP TECHNOLOGY) 设计 XLNX.O 赛灵思 (XILINX) 设 计 MPWR.O MONOLITHIC POWER SYSTEMS 设计 ENTG.O 英特 格 设计 MRVL.O 迈 威 尔科技 设计 KLAC.O 科天半导体 (KLA CORP) 制造 CREE.O 克里科技 设备 MKSI.O MKS INSTRUMENTS 设计 MU.O 美光科技 IDM SMTC.O 先科电子 设计 MXIM.O 美信集成产品 设计 SLAB.O 芯 科 实验室 设计 资料来源： Wind 资讯 、 世 纪 证 券 研 究所 Figure 3 费半指数成分 股 所对应的下游应用 下游 应用 细分零部件 半导体厂商 下游 应用 细分零部件 半导体 厂商 智能 手 机 CPU 高通、苹果、三星 PC CPU 英特尔、 A M D 数字基带 高通、英特尔、三星 D R A M 三星、海力士、美光 模拟基带 高通、博通、三星 显卡 英伟达、 A M D 射频 高通、英特尔、博通、 电源管理 德州仪器、意法半导体、瑞萨 NAND 三星、美光、海力士 硬盘 博通、德州仪器、 Marvell 消费电子 机顶盒 博通、恩智浦、英特尔 通 信 以太网 博通、英特尔、 Marvell 数字电视 恩智浦、博通、三星 无线网络 博通、高通、英特尔、 Marvell 游戏 英伟达 、 A M D 、 Marvell、高通 电信 博通、英飞凌、 Microsemi 资料来源： Wind 资讯 、 世 纪 证 券 研 究所 2、 维度之二：从 IDM 到 fabless+foundry，产业结构持续细化 2019 年 12 月 请 务 必 阅 读 文后 重 要声明及 免 责 条款 股市有风 险 入市 需谨 慎 - 7 - 当前半导体产业链中经营模式主要有三 种， fabless 与 foundry 是 IDM 产业细分的演化产物。 当今全球半导体产业有三种商业模式： IDM（ Integrated Device Manufacture，集成 器件制 造）是 传统的半导体模式，即从设计，到制造、封装测试以及投向消费市场一条龙全包的企业，称为 IDM 公司；Fabless 模式专注 半导体内部设计，是将制造过程剥离的结果，技术行业壁垒较相对最 高，是芯片更新迭代的主要驱动力； Foundry 模式专注于芯片的生产和制造，通常由精密制造产线支撑，而这种新模式出现的标志是 1987年台湾积体电路公司（ TSMC）的成立。 Figure 4 半 导体产业链垂直模式 时间节点 1950s 1960s 1970s 1980s 1990s 2000s 2010s IDM IDM IDM IDM IDM IDM IDM 制造 /材料 制造 /材料 制造 /材料 制造 /材料 制造 /材料 制造 /材料 EDA 软件 EDA 软件 EDA 软件 EDA 软件 EDA 软件 Foundry Foundry Foundry Foundry Fabless Fabless Fabless Fabless 封装测试 封装测试 封装测试 IP IP IP 资料来源： Semi 大半导体产业网 、世纪证券 研 究所 三种者模式各有 优势 ，未来 产业链 仍将持续细分。 从费半指数成分股的角度来看，目前三种模式下呈现出设计公司占比高， IDM 与 foundry 占 比较少且集中度 高的局面。从资本投入的角度看，芯片设计所投入的 多为人力成本，固定成本较少，竞争门槛相对较低；而 IDM 与 foundry 均涉及芯片制造产线，固定资产投入是巨大的。随着分工进一步细化，近年 Fablite 也趋于流行。Fablite 模式由 IDM 演变而来，是企业为了减少投资风险，轻资产化的一种策略 ， IDM 企业将部分制造业务转为第三方代工， 自身保留其余制造业务 。目前全球 半 导 体 业中 Fablite 模式盛行 ，大多数的 IDM 几乎无一例外地执行这个策略。 2019 年 12 月 请 务 必 阅 读 文后 重 要声明及 免 责 条款 股市有风 险 入市 需谨 慎 - 8 - Figure 5 半导体三种模式的优缺点 主要模式 IDM Fabless Foundry 模式特点 半导体厂商基本 从 IDM 起 家 ，后因各环节资本开支较大，从而细分出 Fabless 与 Foundry。 IDM模 式 将 芯片 的设计、 制造、 封测集一身， 涉及 资本投入 巨大， 且需要长期 维持投入， 目前 存在企业较少， 且实力强劲 属于相对 轻资产模 式，将重资 产 的 半导体制造剥离后，只 进行芯片的设计与 销售 。 处于芯片 行业的中游 阶段 。 剥离 了芯片设计的主要业务，负责进行晶圆代工 或 封测。 由于属于重资产且竞争激烈，目前集中度很高。 主 要 成本 集中子 在 设 备与材料 主要优 点 各环节有比较强的协同 作用，不会存在三个重 要环节 谈判 制约的情况 ，内部的 转换效率较高。有利于封闭生态的 构建 ，有 利于新技术的研发和实验 ，进展顺利有利于长期保持领先地位。 轻资产，更多初创 企业容易 介入，主要费用为人力和研发费用，转型较为灵活。 相关 制 程 领先 的 情况下， 对 上游 芯片设 计 公司 有 更大 的 议价权 。 不要 承担过多 的 产 品 设计 损失。 主要缺点 公司 规模巨大， 重资 产投 入巨大， 人力成本极 高，需要大 量的管理费用，研发费用，资本 回报率偏低。 缺乏 下游的协同优化，在流片过程中同样有大量成本和 风 险 长期 产线 投资 规模 较大， 一旦 出现 技术 落后 会 有 较大 的 资产 损失 ， 生产 过程中 维护 费用 开支 较大。 对 制造 设备和 材料 有 较大 的 依赖。 代表厂商 三星 、英特尔 华为 、高通 、 博通 台积电、中芯国际 资料来源： 世 纪 证 券 研 究所 整理 3、 维度之 三 ： 全球产业链 三次 迁移 半导体产业起步于上世纪 50 年代 ，在 80 年前后逐步形成市场规模。 1947年贝尔实验室采用锗材料 研制出了第一只点接触三 极管， 奠定 了微电子工 业的基础 ， 以 晶 体管的发 明为标志 ， IC 产业诞生 。 60 年代中期， 仙童半导体将硅表面的氧化层做成绝缘薄膜，发 展出扩散、 掩膜、照相 和光 刻于 一体的平面处理 技术 ，并 实现了集成电路的规模化生产。 70 年代 “ 摩尔定律 ” 得到同行业认可， 相关产品性能快速翻倍。 随着技术 迅速 提升 ，资本开支快 速 增加 ，垂直化分工是产业链转移的主要原因。 半导体行业因具有下游应用广泛，生产技术工序多 、产品种类多、技术更新换代快、投资高风险大等 特点，叠加下游应用市场 的不断兴起，半导体产业 链从集成化到垂直化 分工越来越明确，并经历 了两次空间上的 产业 迁 移 。 2019 年 12 月 请 务 必 阅 读 文后 重 要声明及 免 责 条款 股市有风 险 入市 需谨 慎 - 9 - Figure 6 全球半导体的三次 迁移 资料来源： Semi 大半导体产业网 、 世 纪 证 券研 究所 迁移 路径由美国至日本再到韩国台湾， 演化模式由 垂直整合到系统化集成，再到垂直 分工 。 起源 美国 :垂直整合模式 1950s， 主要 由系 统厂商主导。 全球半导体产业的最初形态为垂直整合的运营模 式，即企业内设有半导体产业所有的制造部门，仅用于满足企业自身产品的需求。 转移日本：系统集成 IDM 模式 1970s， 美国将装配产业转移到日本，半导体产业转变为 IDM（ Integrated Device Manufacture，集成 器件制造）模式，即负 责从设计、制造到封装 测试所有的流程。 与垂 直整合模式不同， IDM 企业的芯 片 产 品是为了满足其他系统厂商的 需 求。随着家电产业与半导体产业相互促进发展，日本孵化了索尼、东芝等厂商。我国大部分分立器件生产企业也采用该类 模式。 分工转移 韩国、台湾地区，代工模式 1990s。 随着 PC 兴起，存储产业从美国转向日本后又开始转向了韩国，孕育出三星、海力士等厂商。同时，台湾积体电路公司成立后，开启了晶圆代工（ Foundry）模式，解决了要想设计芯片必须巨额投资 晶圆 制造 产线的问 题，拉开了垂 直代工的序幕 ， 无产线的设计公司（ Fabless）纷纷成立，传统 IDM 厂商英特尔 、三 星等 纷纷加入晶圆代 工行列，垂直分 工 模式逐渐成为主流，形成设计（ Fabless） 、 制造（ Foundry） 、 封测（ OSAT）三大环节。