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半导体产业链全面梳理,中国还缺什么?(中)

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发表于 2019-8-1 16:58:57 | 显示全部楼层 |阅读模式
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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。


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