这些年,国内集成电路产业发展真的突飞猛进了吗?

2018-04-20 08:35 次阅读

一个朋友给笔者打电话:“中兴停牌你知道不?美国政府禁止中兴采购了”。此时笔者的注意力还集中在今年女生节新出的条幅上,不以为然的答道:"看到报道了,估计美国政府也就做做样子吧"。然而两天过后,事件发酵,先有中兴网友爆出,除了不允许采购芯片之外,美国供应商已经全面停止对中兴的技术支持:不再回复邮件,打电话过去,对方说,“你的邮件我就当没看到,电话以后也别打了,否则我会有麻烦。”接着,看到中兴宣布正在配合美国政府申请出口许可,虽然这种申请通常会被驳回。再后来,听说ARM这家英国公司,因为公司大部分研发放在美国,也被迫停止对中兴的支持和商务合作。如此种种,让笔者深吸一口凉气,看来这次美国玩儿真的了。

对于这次事件的反应,有些人认为没什么大不了,努比亚没了高通,不是还有中兴微电子么,用自己的呗。有些人认为,最好全部禁运,此刻正是国产芯片的好机会。但笔者却认为,若美国政府的断货制裁持续过久,会带来中兴乃至整机产业的灭顶之灾。所谓皮之不存毛将焉附,对于国产芯片而言,若失去国产整机厂作应用支撑,又谈何发展机会。所以,目前当务之急是让美国政府尽快解除禁运,度过眼下难关,再图将来。

虽然这些年,国内集成电路产业发展突飞猛进,自给率逐年提高华为海思最新的麒麟芯片可以和高通骁龙820一比高下;龙芯积累了十多年,也终于可以和北斗卫星一起上天;随便拆开一个蓝牙音箱、机顶盒、冰箱洗衣机,里面的核心芯片已经大部分是国产品牌。但不可忽视的现状是,这些国产芯片的成功应用大多在消费类领域。在对稳定性和可靠性要求很高的通信、工业、医疗以及军事的大批量应用中,国产芯片距离国际一般水平差距较大。尤其是一些技术含量很高的关键器件:高速光通信接口、大规模FPGA、高速高精度ADC/DAC等领域,还完全依赖美国供应商。

进入二十一世纪第二个十年,西方国家遏制中国,限制高技术产品出口中国的瓦森纳协议依然生效。上述几种芯片是限制出口的重灾区。如果想看看中国这几个方向的真实水平,每年查查瓦森纳协议的更新就可以了。而现代相控阵雷达里面,他们都是必需品,只能通过”你懂的”渠道获得。每生产一台国产示波器,里面的ADC都需要美国政府的同意才能进口,同时要承诺不被转做军事用途。打开中兴、华为出产的基站,电路板上除了几颗数字基带芯片是自产的,通信链路上RF,PLL,ADC/DAC乃至外围测量电源电压的芯片都见不到国产供应商的身影。虽然整机厂通过自产基带芯片掌握核心算法,但是,却无法解决被国外芯片供应商“卡脖子”的问题。了解整机产业的人都知道,一台基站假如有100颗芯片,其中只要有1颗被禁运,整台基站就无法交付。就算找到团队重新设计,根据IC研发的固有规律,一颗芯片从设计、测试到量产至少要1年以上,高可靠性的工业级芯片需要时间更长。如果制裁持续1年,这期间中兴的所有产品全面断货,合同无法履行,完全没有收入,结果不言而喻。唇亡齿寒,就算国产ICer们一年后把芯片给中兴做出来,又有什么用呢?这一次,美国政府是捏住了中兴的脉门。

诚然,这些年来中国电子整机行业水平突飞猛进。华为超越爱立信成为世界第一大通信设备公司。逼的其他几家公司只能不断合并,最后中兴得以挤进世界前四。联影、迈瑞等国产大型医疗器械的产品水平直逼GE、飞利浦等巨头。国产雷达完成主动相控阵的跨越式超越,052C/052D、歼16等高性能武器服役,其雷达制式和性能已经直逼美国,超越欧洲和俄罗斯。就在军迷们弹冠相庆,裤衩红的不能再红的时候,不能掩盖的事实是缺”芯”的命门其实一直掌握在美国人手中。

纵览历史,中国电子整机产业的突破其实也是电子技术演进和世界分工变化的结果。电子设备的核心是算法、软件和硬件。算法和软件有其自身的特点,中国人依靠聪明和勤奋容易完成赶超。客户需要一个feature,华为可以连夜派工程师加班编写;都是4G基站,华为可以做到一键配置完成,而对手需要按照操作手册一步步完成。早年的华为靠这些逐步建立起市场优势。而硬件随着IC技术的发展,芯片集成的功能越来越多,实际上技术含量都集中到了芯片中。以前一块电路板上上百个元件,调试和良率都是门槛,而现在变成一两颗芯片。只要你能买到芯片,照着参考电路设计一下,八成能用。除了军用的高端芯片,华为中兴之流几乎可以买到世界上最先进的商用芯片。尽管有瓦森纳协议,但美国供应商们在巨大的利益诱惑面前,也在帮助我们想办法绕过限制。于是,买了一流的芯片,就有了一流的硬件,再加上勤奋铸就的软件和聪明凝聚的算法,打败懒惰的欧洲通信商们就是顺理成章的事情。于是中国成了世界工厂,有着世界上最大的半导体消费市场。但3月7日,美国政府的制裁来了,我们才发现,世界领先的整机产业实际上是建立在沙子一般的地基之上,皇帝的新衣被人扒的一干二净

互联网我们有BAT可以和facebook/google过过招,电子整机有华为中兴可以对抗思科爱立信,IT行业里面为什么独独集成电路,没有能跟美国抗衡的能力呢?这还要从IC设计产业的特点来说起。IC设计相对于互联网和整机设备,有两个重要特点,试错成本高排错难度大。互联网做一个app,可以一天出一个版本,有些bug没关系,第2天就可以修复,试错和修改的成本几乎为零。整机硬件的电路板设计周期在1天到1个月之间,生产周期在3天到2周之间,出了错重新投板费用在几百到几千之间,最多数万块钱。而IC设计,不算架构设计,从电路设计开始,到投片,最少要半年时间。投片送到工厂加工生产,一般要2个月到3个月。最重要的是一次投片的费用最少也要数十万元,先进工艺高达一千万到几千万。如此高的试错和时间成本对一次成功率的要求极高,不得不把流程拖长,反复验证,需要多个工种密切配合,团队中一个人出错,3个月后回来的芯片可能就是一块儿石头。修改一轮,又三个月出去了。

与试错成本高并存的是排错难度大。互联网编个软件,调试起来几乎可以在程序任意地方设断点,查看变量当时的状态或者打出log。硬件电路板上,几乎任何一根信号线可以拉到示波器上看波形。而一颗手指甲盖大小的芯片,里面有上亿个晶体管,而最终能在电路板上测量到的信号线却只有十几根到几百根。如何根据这少得可怜的信息,推理出哪个晶体管设计错误,难度不言而喻。

两大特点导致对IC从业人员的素质要求极高,试错周期长需要逻辑严谨细致的工作态度,排错难度大需要一套科学的实验方法。而这两方面,恰恰是国内教育的软肋。过分重视知识的记忆,而忽略逻辑和方法。所以当软件工程师们靠自己的聪明和勤奋,不断快速迭代的时候,ICer们却经常遇到猪队友的困惑,导致原地打转。加班已经不能再多,却还是一次次的delay,上市时间依然落后。更有很多bug无法找到原因,反复投片实验也无结果,最后只能以项目失败收场。

高难度的产业背后蕴藏的是巨大的利益和商业价值。集成电路被誉为电子工业的粮食,除了对国家和行业安全有着巨大的意义,利润率也随着技术含量水涨船高。芯片本身的材料是二氧化硅,成本极低,上面凝聚的技术就决定了利润。消费类芯片产品一般毛利率在30%~40%,工业用产品一般能在50%~60%以上,更有甚者,以高性能模拟芯片为主的美国Linear公司,平均毛利率能达到90%!很多我们无法设计的芯片,例如高端交换芯片,毛利率都在99%以上。一旦中美开战,即便没有禁运,美国政府利用行政手段把自己电子武器的批量成本压到我们的1/10是分分钟的事情,细思极恐。

尝试突破

我们一直努力,从未放弃。

高校。有些高性能关键器件芯片规模不大,看起来挺适合高校来作为突破的主力军。但多年下来,业内公认是高校的水平不如工业界。这不是中国特有的,美国也这样。这和前述集成电路产业的特点密切相关。高校的优势是出新idea,对于算法这类领域挺合适,仿真实验看到结果快且准,仿出来有效果基本实际就会有效,顶多实现复杂度太高。芯片试错成本高,流程长,参与协作的工种多,任何一个环节出问题,就看不到好结果。能把一个芯片做成业界普遍水平,不掉坑里,就已经不容易,需要多年积累。学生们积累少,纵有好的idea,往往躲不过路上无数的暗坑,还没看到idea的效果,就死在半路了。学校的特长是做更前沿的研究,适合弯道超车。而集成电路恰恰不好弯道超车,尤其是模拟芯片,你不解决100MHz的问题,到200MHz的时候那些问题还在。

仿制、抄袭。军迷们引以为自豪的山寨能力,就是看美军有什么,我们就抄一个。集成电路也可以抄,学名反向设计。虽然芯片很小,电路密度极大,但仍然可以通过显微、照相等方式获得他的全部版图信息,然后复制一份,送到工厂生产,似乎看起来就可以得到一模一样的产品了。其实不然,版图相当于软件编译后的机器代码,可读性很差,无法了解其原理和架构。而版图提取本身存在物理误差和人为错误,尤其对于高性能的模拟混合信号芯片,对工艺又非常敏感,稍有不一致都可能导致芯片性能和良率的巨大差异。而此时设计人员无法了解原理,定位错误犹如一个盲人在大海里捞针。军工研究所普遍采用这种方法,每次反向犹如一场赌博,有时候做出来OK最好,一旦出现问题,基本束手无策。所以多年下来,除了电路比较简单的射频和功放芯片,上述高性能PLL,ADC等关键器件反向成功,能量产装备的例子寥寥无几。

科研项目。国家近十几年来,一直通过863/973/核高基等国家级科研计划对关键器件进行支持,投入巨大。后期也要求工业界和整机厂加入,以解决应用脱节的问题。但这些年下来,真正能量产并转化为实际产品的成果寥寥。究其原因,一个是目标脱节。IC界有个说法,实验室测试通过只是迈出了一小步,到量产还有巨大的工作量。科研项目只需要在评审的时候能够提供几颗样片,演示出所需性能即可拿到尾款。而工业级应用需要在各种温度和环境变化条件下保持性能稳定,以及解决批量生产的良率问题。如何保证量产是需要从设计一开始就考虑的,有些科研单位选择的架构本身就决定了成果只能交差,而不能量产。二是指标脱节。科研项目的立项单位不考虑国内实际水平,盲目追赶世界领先水平。不管上一周期的项目是否完成,今年的指标一定要更近一步。申请单位恶意竞争,不考虑自身实力,申请时竞报指标,谁提的指标高谁拿到项目,才不管2年以后如何交差。这样的制度下,本来按照已有技术积累,做100MHz还能量产,指标竞价完成后目标变成500MHz,最后谁都搞不定。

人才引进。2000年前后,国家利用人才政策吸引海外留学人员归国创业。这期间有陈大同、武平回来创立了展讯,魏述然回来创立了锐迪科等一批国产IC设计公司。这批公司一开始也许有想做工业级产品、关键器件的雄心,但很快发现产业环境不合适,中国整机还没有强大到今天华为中兴的地位,市场容量小,技术可靠性要求高,design-in周期长,所以这批中成功活下来的这批企业都是靠消费类市场和08年附近一波中国山寨手机热潮完成了原始积累,进入良性循环。然而对于引入工业级、关键器件的人才就没有那么一帆风顺。

首先合适的人选就非常少。例如在美国,由于瓦森纳协议的限制,华人无法进入ADI/TI等公司最核心的ADC产品研发部门,即使在他们设立在中国的研发中心,大陆工程师可以通过网络看到绝大部分母公司的设计,但高性能的ADC产品除外。这简直是90年代气象局被玻璃房子锁住超级计算机的另一个翻版。

  2009年从美国ADI公司回来了一位李博士,通过非法手段带回了高性能DAC产品的版图,一下子提高了国产DAC产品的性能指标。但2013年事件被曝光,遭到ADI和美国政府的抗议。李事件导致美国政府对华人参与关键器件研发的控制更加严格,并对往来中国的留学生进行更严格的审查,相继查出Vanchip剽窃RFMD事件和天大教授张浩被FBI诱捕事件,不论是真是假,对海外留学生归国从事关键器件研发造成了心里阴影,很多人为了保住往来美国的人身自由,放弃参与国内高性能的关键器件研发工作的机会。

于此同时,在国际市场上华为中兴需要遵守国际知识产权的游戏规则,李的方法和产品无法被正规整机厂采用,实际上并没有解决工业界的问题。相反华为中兴对引入国产供应商在知识产权上更加担心,要求国产厂家自证清白,有的甚至到了要求国产供应商的创始人不能有ADI/TI履历的夸张地步,进一步导致国产替代进度的严重落后。最后,在没有知识产权问题的军用领域,由于受2013年被曝光的影响,到目前还没有看到李博士的产品被装备使用,甚是可惜。

整机厂自己努力。国内真正算在高性能关键器件领域有所突破的应该只有华为旗下的海思了。海思因为有华为不计成本的投入,麒麟的成就众所周知,在高速光通信及交换芯片上也有突破,已经在慢慢从低端蚕食broadcom等多年来构筑的技术壁垒。但之前任总的一篇讲话中,给海思的定位是备胎,任总要求华为一定要用最好的器件给客户提供最好的性能,海思做不到性能最优就不采用。实际上这个思路,笔者觉得是有问题的。芯片行业有个特点,很多问题在实验室是测不出来的,必须在大规模应用的时候才能发现、改进和提高。如果一看指标不好就不用,那永远没有机会发现问题,那这个备胎永远是个纸糊的,一上路就碎。实际上,正是华为终端部门被要求捏着鼻子也要用K3V2,才成就了今天的麒麟。

国家层面也看到了上述问题,2013年9月国务院副总理马凯调研集成电路产业,随后国家出台了新的集成电路产业振兴规划。改为成立产业基金,通过股权投资的方式对集成电路企业进行帮助。同时以紫光为首的国内民营资本结合政府基金,开始了国际市场上的疯狂扫货。展讯、RDA、OmniVision等企业纷纷被收归旗下。但时光转到2015年,紫光和大基金系的扫货开始遇到障碍,收购美光,西数,试图以此突破nandflash产业遇挫,华润报价Farchild被拒。连飞利浦照明业务的收购也因为美国政府担心功率半导体技术外泄而终止。回过头来看,除了展讯这类本来就是国内公司、OmniVision本来就是华人公司,国家通过收购的方式并未采购到货真价实的核心技术,更不要说可以有军事用途的射频、ADC等关键器件技术,可以断定美国人是不可能卖的。

如何破局?

对于突破集成电路高性能关键器件,笔者认为有三个因素:有足够的资金支持,有整机厂的通力合作和有耐心的团队。

  资金怎么解决,“十八大”要求让市场在资源配置中起决定性作用。芯片研发是高投入高风险,最后运气好才有高产出。现在政府通过大基金的方式来决定资源分配,并不一定总能选中最后的胜利者,而且有国有资产保值增值的压力,道德风险,都会让其投资行为走形。另外,国资的大规模投入还会造成挤出效应,减少民营资本在产业中的投入量。

笔者认为最好的方式还是吸引民间资本。民间资本只要有足够大的市场,足够大的利润,他就会心动。而一开始团队技术水平跟先进水平有差距,无法参与全球竞争,可以攫取的市场规模必然没有那么大。这个时候应该是国家出马,通过补贴和奖励整机厂商的方式,在不损害整机厂家成本竞争力的前提下,在初期允许国产芯片商卖一个高价,获得超额利润,弥补巨额研发的投入,吸引民间资本进入。后期,根据芯片累计装备的数量,逐步减少补贴,最后达到市场定价,进入国际市场参与竞争。这种政策好处是钱肯定都花到有竞争力的市场主体中,谁最后装备,谁做的东西能用,就补贴谁。当然要注意防范骗补的问题。

至于研发风险和选择错误风险,让民间资本来去承担。民资花自己的钱,自然会慎重选择团队,即使研发失败,也能坦然接受。这样一份国家补贴,可以吸引多份民间投资,只要其中一份儿成功量产,国家就赚到了。

当然所有的前提是我们还有一个强大的,有国际竞争力的整机产业。只有他们,才有动力去试用还在襁褓中的国产IC。笔者在推广国产IC的过程中,最感动的就是这群整机厂家的技术人员,不需要任何的利益驱动,他们是发自内心的愿意去帮助国产IC,有时上司都允许放弃了,他们还加班加点帮助国产供应商查找问题。

  塞翁失马,焉知非福。也许多年后回过头来看,这次中兴事件对国产IC产业是个转折点。但不管怎样,当下真心希望他能度过难关。


延伸阅读:国产芯片产业究竟如何,这篇分析最全!

本文内容来光大证券,作者光大电子杨明辉团队。

摘要

周期性波动向上,市场规模超4000亿美元

半导体是电子产品的核心,信息产业的基石。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,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转移。全球半导体行业大致以4-6年为一个周期,景气周期与宏观经济、下游应用需求以及自身产能库存等因素密切相关。2017半导体产业市场规模突破4000亿美元,存储芯片是主要动力。

供需变化涨价蔓延,创新应用驱动景气周期持续

半导体本轮涨价的根本原因为供需变化,并沿产业链传导,涨价是否持续还是看供需,NAND随着产能释放价格有所降低,DRAM、硅片产能仍吃紧涨价有望持续。展望未来,随着物联网、区块链、汽车电子、5G、AR/VR及AI等多项创新应用发展,半导体行业有望保持高景气度。

提高自给率迫在眉睫,大国战略推动产业发展

国内半导体市场接近全球的三分之一,但国内半导体自给率水平非常低,特别是核心芯片极度缺乏,国产占有率都几乎为零。芯片关乎到国家安全,国产化迫在眉睫。2014年《国家集成电路产业发展推进纲要》将半导体产业新技术研发提升至国家战略高度。大基金首期投资成果显著,撬动了地方产业基金达5000亿元,目前大基金二期募资已经启动,募集金额将超过一期,推动国内半导体产业发展。

大陆设计制造封测崛起,材料设备重点突破

经过多年的发展,国内半导体生态逐渐建成,设计制造封测三业发展日趋均衡。设计业:虽然收购受限,但自主发展迅速,群雄并起,海思展讯进入全球前十。制造业:晶圆制造产业向大陆转移,大陆12寸晶圆厂产能爆发。代工方面,虽然与国际巨头相比,追赶仍需较长时间,但中芯国际28nm制程已突破,14nm加快研发中;存储方面,长江存储、晋华集成、合肥长鑫三大存储项目稳步推进。封测业:国内封测三强进入第一梯队,抢先布局先进封装。设备:国产半导体设备销售快速稳步增长,多种产品实现从无到有的突破,星星之火等待燎原。材料:国内厂商在小尺寸硅片、光刻胶、CMP材料、溅射靶材等领域已初有成效;大尺寸硅片国产化指日可待。

1、周期性波动向上,市场规模超4000亿美元

1.1、半导体是电子产品的核心,信息产业的基石

从晶体管诞生,再到集成电路

计算机的基础是1和0,有了1和0,就像数学有了10个数字,语言有了26个字母,人类基因有了AGCT,通过编码和逻辑运算等便可以表示世间万物。1946年的第一台计算机是通过真空管实现了1和0,共使用了18800个真空管,大约是一间半的教室大,六只大象重。

通过在半导体材料里掺入不同元素,1947年在美国贝尔实验室制造出全球第一个晶体管。晶体管同样可以实现真空管的功能,且体积比电子管缩小了许多,用电子管做的有几间屋子大的计算机,用晶体管已缩小为几个机柜了。

把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起,制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上,然后封装在一个管壳内,成为具有所需电路功能的微型结构,这便是集成电路,也叫做芯片和IC。集成电路中所有元件在结构上已组成一个整体,使电子元件向着微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面迈进了一大步。

集成电路发明者为杰克·基尔比(基于锗(Ge)的集成电路)和罗伯特·诺伊思(基于硅(Si)的集成电路)。当今半导体工业大多数应用的是基于硅的集成电路。

1965年,戈登·摩尔(GordonMoore)预测未来一个芯片上的晶体管数量大约每18个月翻一倍(至今依然基本适用),这便是著名的摩尔定律诞生。1968年7月,罗伯特·诺伊斯和戈登·摩尔从仙童(Fairchild)半导体公司辞职,创立了一个新的企业,即英特尔公司,英文名Intel为“集成电子设备(integratedelectronics)”的缩写。

电子产品的核心,信息产业的基石

以智能手机为例,诸如骁龙、麒麟、苹果A系列CPU为微元件,手机基带芯片和射频芯片是逻辑IC;通常所说的2G或者4G运行内存RAM为DRAM,16G或者64G存储空间为NANDflash;音视频多媒体芯片为模拟IC。以上这些统统是属于半导体的范畴。

半导体位于电子行业的中游,上游是电子材料和设备。半导体和被动元件以及模组器件通过集成电路板连接,构成了智能手机、PC等电子产品的核心部件,承担信息的载体和传输功能,成为信息化社会的基石。

半导体主要分为集成电路和半导体分立器件。半导体分立器件包括半导体二极管、三极管等分立器件以及光电子器件和传感器等。

集成电路可分为数字电路、模拟电路。一切的感知:图像,声音,触感,温度,湿度等等都可以归到模拟世界当中。很自然的,工作内容与之相关的芯片被称作模拟芯片。除此之外,一些我们无法感知,但客观存在的模拟信号处理芯片,比如微波,电信号处理芯片等等,也被归类到模拟范畴之中。比较经典的模拟电路有射频芯片、指纹识别芯片以及电源管理芯片等。数字芯片包含微元件(CPU、GPUMCUDSP等),存储器(DRAM、NANDFlash、NORFlash)和逻辑IC(手机基带、以太网芯片等)。

1.2、集成电路工序多、种类多、换代快、投资大

简单的讲,电子制造产业包括:原材料砂子-硅片制造-晶圆制造-封装测试-基板互联-仪器设备组装。集成电路产业链主要为设计、制造、封测以及上游的材料和设备。

集成电路产业主要有以下特征:制造工序多、产品种类多、技术换代快、投资大风险高。

生产工序多:核心产业链流程可以简单描述为:IC设计公司根据下游户(系统厂商)的需求设计芯片,然后交给晶圆代工厂进行制造,这些IC制造公司主要的任务就是把IC设计公司设计好的电路图移植到硅晶圆制造公司制造好的晶圆上。完成后的晶圆再送往下游的IC封测厂,由封装测试厂进行封装测试,最后将性能良好的IC产品出售给系统厂商。

具体来说,可以细分为以下环节:

>IC设计:根据客户要求设计芯片

IC设计可分成几个步骤,依序为:规格制定→逻辑设计→电路布局→布局后模拟→光罩制作。规格制定:品牌厂或白牌厂的工程师和IC设计工程师接触,提出要求;逻辑设计:IC设计工程师完成逻辑设计图;电路布局:将逻辑设计图转化成电路图;布局后模拟:经由软件测试,看是否符合规格制定要求;光罩制作:将电路制作成一片片的光罩,完成后的光罩即送往IC制造公司。

>IC制造:将光罩上的电路图转移到晶圆上

IC制造的流程较为复杂,过程与传统相片的制造过程有一定相似主要步骤包括:薄膜→光刻→显影→蚀刻→光阻去除。薄膜制备:在晶圆片表面上生长数层材质不同,厚度不同的薄膜;光刻:将掩膜板上的图形复制到硅片上。光刻的成本约为整个硅片制造工艺的1/3,耗费时间约占整个硅片工艺的40~60%;

>IC封测:封装和测试

封装的流程大致如下:切割→黏贴→切割焊接→模封。切割:将IC制造公司生产的晶圆切割成长方形的IC;黏贴:把IC黏贴到PCB上;焊接:将IC的接脚焊接到PCB上,使其与PCB相容;模封:将接脚模封起来;

产品种类多。从技术复杂度和应用广度来看,集成电路主要可以分为高端通用和专用集成电路两大类。高端通用集成电路的技术复杂度高、标准统一、通用性强,具有量大面广的特征。它主要包括处理器、存储器,以及FPGA(现场可编程门阵列)、AD/DA(模数/数模转换)等。专用集成电路是针对特定系统需求设计的集成电路,通用性不强。每种专用集成电路都属于一类细分市场,例如,通信设备需要高频大容量数据交换芯片等专用芯片;汽车电子需要辅助驾驶系统芯片、视觉传感和图像处理芯片,以及未来的无人驾驶芯片等。

技术更新换代快。根据摩尔定律:当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件数目,约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍,从而要求集成电路尺寸不断变小。

芯片的制程就是用来表征集成电路尺寸的大小的一个参数,随着摩尔定律发展,制程从0.5微米、0.35微米、0.25微米、0.18微米、0.15微米、0.13微米、90纳米、65纳米、45纳米、32纳米、28纳米、22纳米、14纳米,一直发展到现在的10纳米、7纳米、5纳米。目前,28nm是传统制程和先进制程的分界点。

以台积电为例,晶圆制造的制程每隔几年便会更新换代一次。近几年来换代周期缩短,台积电2017年10nm已经量产,7nm将于今年量产。苹果iPhoneX用的便是台积电10nm工艺。除了晶圆制造技术更新换代外,其下游的封测技术也不断随之发展。

除了制程,建设晶圆制造产线还需要事先确定一个参数,即所需用的硅片尺寸。硅片根据其直径分为6寸(150mm)、8寸(200mm)、12寸(300mm)等类型,目前高端市场12寸为主流,中低端市场则一般采用8寸。晶圆制造产线的制程和硅片尺寸这两个参数一旦确定下来一般无法更改,因为如果要改建,则投资规模相当于新建一条产线。

投资大风险高。根据《集成电路设计业的发展思路和政策建议》,通常情况下,一款28nm芯片设计的研发投入约1亿元~2亿元,14nm芯片约2亿元~3亿元,研发周期约1~2年。对比来看,集成电路设计门槛显著高于互联网产品研发门槛。互联网创业企业的A轮融资金额多在几百万元量级,集成电路的设计成本要达到亿元量级。但是,相比集成电路制造,设计的进入门槛又很低,一条28nm工艺集成电路生产线的投资额约50亿美元,20nm工艺生产线高达100亿美元。

集成电路设计存在技术和市场两方面的不确定性。一是流片失败的技术风险,即芯片样品无法通过测试或达不到预期性能。对于产品线尚不丰富的初创设计企业,一颗芯片流片失败就可能导致企业破产。二是市场风险,芯片虽然生产出来,但没有猜对市场需求,销量达不到盈亏平衡点。对于独立的集成电路设计企业而言,市场风险比技术风险更大。对于依托整机系统企业的集成电路设计企业而言,芯片设计的需求相对明确,市场风险相对较小。

1.3、全球半导体产业转移与产业链变迁

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转移。

1.起源,美国,垂直整合模式

1950s,半导体行业于起源于美国,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。

2.家电,美国→日本,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(IntegratedDeviceManufacture,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。

3.PC,美日→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。

4.智能手机,全球--->中国大陆

2010s,随着大陆智能手机品牌全球市场份额持续提升,催生了对半导体的强劲需求,加之国家对半导体行业的大力支持以及人才、技术、资本的产业环境不断成熟,全球半导体产业酝酿第三次产业转移,即向大陆转移趋势逐渐显现。

人力成本是产业链变迁和转移的重要动力

韩国和台湾地区的集成电路产业均从代工开始,代工选择的主要因素便是人力成本,当时韩国和台湾地区的人力成本相比于日本低很多,封测业便开始从日本转移到韩国、台湾地区。同样由于人力成本的优势,在21世纪初,封测业已经向国内转移,可以说已经完成了当年韩国、台湾地区的发展初期阶段。劳动力密集型的IC封测业最先转移;而技术和资金密集型的IC制造业次之,转移后会相差1-2代技术;知识密集型的IC设计一般很难转移,技术差距显著,需要靠自主发展。

1.4、4-6年周期性波动向上,突破4000亿美元

4-6年为1个周期性波动向上

费城半导体指数(SOX)由费城交易所创立于1993年,有20家企业的股票被列入该指数,为全球半导体业景气主要指标之一,其走势与全球半导体销售额的走势基本相同。

根据世界半导体贸易统计组织(WSTS)数据披露,全球半导体销售额于1994年突破1000亿美元,2000年突破2000亿美元,2010年将近3000亿美元,预计2017年将会突破4000亿美元,半导体产业规模不断扩大,逐渐成为一个超级巨无霸的行业。

从全球半导体销售额同比增速上看,全球半导体行业大致以4-6年为一个周期,景气周期与宏观经济、下游应用需求以及自身产能库存等因素密切相关。

2017突破4000亿美元,存储芯片是主要动力

据WSTS数据,2017年世界半导体市场规模为4086.91亿美元,同比增长20.6%,首破4000亿美元大关,创七年以来(2010年为年增31.8%)的新高。

其中,集成电路产品市场销售额为3401.89亿美元,同比增长22.9%,大出业界意料之外,占到全球半导体市场总值的83.2%的份额。存储器电路(Memory)产品市场销售额为1229.18亿美元,同比增长60.1%,占到全球半导体市场总值的30.1%,超越历年占比最大的逻辑电路(1014.13亿美元),也印证了业界所谓的存储器是集成电路产业的温度计和风向标之说。

半导体分立器件(D-O-S)方面,市场为685.02亿美元,同比增长10.1%,占到全球半导体市场总值的16.8%,主要得益于功率器件等推动分立器件(DS)市场销售额同比增长10.7%以及MEMS、射频器件、汽车电子、AI等推动传感器市场(Sensors)销售额同比增长15.9%。

据ICInsights报道,DRAM2017年平均售价(ASP)同比上涨77%,销售总值达720亿美元,同比增长74%;NANDFlash2017年平均售价(ASP)同比上涨38%,销售总额达498亿美元,同比增长44%,NORFlash为43亿美元,导致全球存储器总体市场上扬增长58%。如若扣除存储器售价上扬的13%,则2017年全球半导体市场同比增长率仅为9%的水平。依靠DRAM和NAND闪存的出色表现,三星半导体在2017年第二季度超越英特尔,终结英特尔20多年雄踞半导体龙头位置的记录。

从区域上看,WSTS数据显示北美(美国)地区市场销售额为864.58亿美元,同比增长31.9%,增幅提升36.6%,居全球首位,占到全球市场的21.2%的份额,起到较大的推动作用。其他地区(主要为中国)销售额为2478.34亿美元,同比增长18.9%,占到全球市场总值的60.6%。

半导体带动上游设备创历史新高。据SEMI预测,2017年半导体设备的销售额为559亿美元,比2016年增长35.6%。2018年,半导体设备的销售额达到601亿美元,比2017年增长7.5%。

2、供需变化涨价蔓延,创新应用驱动景气周期持续

2.1、供需变化沿产业链传导,涨价持续蔓延扩展

本轮涨价的根本原因为供需反转,并沿产业链传导,从存储器中DRAM和NAND供不应求涨价导致上游12寸硅片供不应求涨价,12寸晶圆代工厂涨价,NOR涨价,12寸硅片不足用8寸硅片代替,导致8寸硅片涨价,8寸晶圆代工厂涨价,传导下游电源管理IC、LCD/LED驱动IC、MCU、功率半导体MOSFET等涨价,涨价持续蔓延。此外,2017Q4加密币挖矿芯片半路杀出抢12寸晶圆先进制程产能。

2.1.1、存储器:供不应求涨价开始,是否持续还是看供需

存储器主要包括DRAM、NANDFlash和NORFlash。其中DRAM约占存储器市场53%,NANDFlash约占存储器市场42%,而NORFlash仅占3%左右。DRAM即通常所说的运行内存,根据下游需求不同主要分为:标准型(PC)、服务器(Server)、移动式(mobile)、绘图用(Graphic)和消费电子类(Consumer)。NANDFlash即通常所说的闪存,根据下游需求不同主要分为:存储卡/UFD、SSD、嵌入式存储和其他。

存储器的涨价由供不应求开始,是否持续还得看供需。

DRAM

需求端:下游智能手机运行内存不断从1G到2G、3G、4G升级导致移动式DRAM快速需求增长,同时APP应用市场快速发展导致服务器内存需求增长。

供给端:DRAM主要掌握在三星、海力士、美光等几家手中,呈现寡头垄断格局,三星市占率约为45%。2016年Q3之前,DRAM价格一路走低,所有DRAM厂商都不敢贸然扩产。供不应求导致DRAM价格从2016年Q2/Q3开始一路飙升,DXI指数从6000点上涨到如今的30000点。DXI指数是集邦咨询于2013年创建反映主流DRAM价格的指数。

展望2018年上半年,因DRAM三大厂产能计划趋于保守,2018年新增投片量仅约5-7%,实质新产能开出将落于下半年,导致上半年供给仍然受限,整体市场仍然吃紧;SK海力士决议在无锡兴建新厂,最快产能开出时间落在2019年,我们预计在2018年上半年服务器内存价格仍然会延续涨价的走势。

2018Q1移动式内存价格可能会有较明显影响。在大陆智能手机出货疲弱的大环境影响下,虽然整体DRAM仍呈现供货吃紧的状态,但以三星为首率先调整对大陆智能手机厂商的报价,移动式内存的涨幅已较先前收敛,从原先的5%的季成长缩小为约3%。

NANDFlash

需求端:下游智能手机闪存存不断从16G到32G、64G、128G甚至256G升级导致嵌入式存储快速需求增长,同时随着SSD在PC中渗透率提升导致SSD需求快速增长。

供给端:2016和2017年为NANDFlash从2D到3DNAND制程转化年,产能存在逐渐释放的过程,主要厂商有三星、东芝、美光和海力士,三星同样是产业龙头,市占率约为37%。

展望未来,智能手机销售增速疲软,2018年上半年NAND需求恐不如预期,随着3D产能不断开出,市况将转变成供过于求,导致NANDFlash价格持续走跌的机率升高。

NORFlash

虽然NORFLASH市场份额较小,但是由于代码可在芯片内执行,仍然常常用于存储启动代码和设备驱动程序。需求端:随着物联网、智慧应用(智能家居、智慧城市、智能汽车)、无人机等厂商导入NORFlash作为储存装置和微控制器搭配开发,NORFlash需求持续增长。供给端:一方面由于DRAM和NAND抢食硅片产能,导致NORFlash用12寸硅片原材料供不应求涨价;另一方面,巨头美光及Cypress纷纷宣布淡出,关停部分生产线等,产生供给缺口,导致价格上涨。

经过近几年版图大洗牌,目前旺宏成为产业龙头,市占率约24%,CYPRESS(赛普拉斯)市场占有率约21%,美光科技市占率约20%,华邦电居第四位,大陆厂商兆易创新居第五,占有一席之地。从各家公司的产品分布上,最高端NORFLASH产品多由美光、赛普拉斯供应,应用领域以汽车电子居多;华邦、旺宏则以NORFLASH中端产品供应为主,应用领域以消费电子、通讯电子居多;而兆易创新提供的多为低端产品,主要应用在PC主板、机顶盒、路由器、安防监控产品等领域。

展望未来,随着iPhoneX采用AMOLED,需要再搭配一颗NORFlash,预期AMOLED智能型手机市场渗透率持续上升,对NORFlash需求的成长空间颇大。近年蓬勃发展的物联网IOT需要有记忆体搭载,以及车用系统也持续增加新的需求。兆易创新战略入股中芯国际,将形成存储器虚拟“IDM”合作模式,进一步加深双方合作关系,有助于保障长期产能供应,深度受益于NORFlash景气。

2.1.2、硅片:供需剪刀差形成,从12寸向8寸蔓延

硅片是半导体芯片制造最重要的基础原材料,在晶圆制造材料成本中占比近30%,是份额最大的材料。

目前主流的硅片为300mm(12英寸)、200mm(8英寸)和150mm(6英寸),其中12英寸硅片份额在65-70%左右,8寸硅片占25-27%左右,6寸占6-7%左右。近年来12英寸硅片占比逐渐提升,6和8寸硅片的市场将被逐步挤压,预计2020年二者合计占比由2014年的40%左右下降到2020年的30%左右,而更大尺寸450mm(18英寸)产能将在19年开始逐步投建。

硅片尺寸越大,单个硅片上可制造的芯片数量则越多,同时技术要求水平也越高。对于300mm硅片来说,其面积大约比200mm硅片多2.25倍,200mm硅片大概能生产出88块芯片而300mm硅片则能生产出232块芯片。更大直径的硅片可以减少边缘芯片,提高生产成品率;同时,在同一工艺过程中能一次性处理更多的芯片,设备的重复利用率提高了。

12英寸硅片主要用于高端产品,如CPUGPU等逻辑芯片和存储芯片;8英寸主要用于中低端产品,如电源管理IC、LCDLED驱动IC、MCU、功率半导体MOSFE、汽车半导体等。

硅片供给属于寡头垄断市场,目前全球硅晶圆厂商以日本、台湾、德国等五大厂商为主,包括日本信越、日本三菱住友SUMCO、环球晶圆、德国Siltronic、韩国SKSiltronic,前五大供应商囊括约90%以上的市场份额。

硅片的下游客户主要以三星、美光、SK海力士、东芝/WD为代表的存储芯片制造商和以台积电、格罗方德、联电、力晶科技、中芯国际为代表的纯晶圆代工业者。

需求端:过去十年来硅片需求稳定增长。2016与2007年相比,制造一颗IC面积减少了24%以上,2016年IC面积0.044平方英寸/颗,而2007年0.058平方英寸/颗,1年约减少2~3%。但来自终端需求成长,带动硅片需求量平均每年成长5~7%,故整体硅片面积每年呈3~5%的成长。

供给端:扩产不及时。据DIGITIMES的数据,自2006年至2016年上半,半导体硅片产业历经长达10年的供给过剩,大多数硅晶圆供货商获利不佳,使得近年来供给端的动作相当保守,供应商基本没有扩充产能,2017年受到下游存储器、ASIC、汽车半导体、功率半导体等需求驱动,硅片呈现供不应求的局面,供需反转形成剪刀差,硅片厂去库存,硅片价格逐渐上升,从12寸向8寸蔓延。

12寸硅片

需求端:ICinsights数据显示全球营运中的12寸晶圆厂数量持续成长,2017年全球新增8座12寸晶圆厂开张,到2020年底,预期全球将再新增9座的12寸晶圆厂运营,让全球应用于IC生产的12寸晶圆厂总数达到117座。而如果18寸(450mm)晶圆迈入量产,12寸晶圆厂的高峰数量可达到125座左右;而营运中8寸(200mm)量产晶圆厂的最高数量则是210座(在2015年12月为148座)。根据SUMCO的数据,2016下半年全球300mm硅片的需求已经达到520万片/月,2017年和2018年全球300mm硅片的需求分别为550万片/月和570万片/月。预计未来三年300mm硅片需求将持续增加,2020年新增硅片月需求预计超过750万片/月,较2017年增加200万片/月以上,需求提升36%,从2017-2022年复合需求增速超过9.7%,值得注意的是,以上测算需求还没有考虑部分中国客户。

供给端:根据SEMI的预测,2017年和2018年300mm硅片的产能为525万片/月和540万片/月。由于2017年之前硅片供大于求,硅片产业亏多赚少,各大硅片厂扩产意愿低,所以全球硅片的产量增长缓慢。各大厂商以涨价和稳固市占率为主要策略,到目前为止仅有SUMCO预计在2019年上半年增加11万片/月和Siltronic计划到19年中期扩产7万片/月。我们预计未来几年12寸硅片的缺货将是常态。

涨价:12寸硅片供不应求,缺货成常态,硅片价格逐步上升,下游晶圆厂开始去库存。信越半导体及SUMCO的12寸硅片签约价已从2017年的75美元/片上涨至120美元/片,涨幅高达60%。未来几年硅片供给仍然存在明显缺口,我们预计涨价趋势将持续,2018年12寸硅片将进一步涨价20%-30%左右。

8寸硅片

需求端:2017年上半年8寸晶圆厂整体的需求较平缓,随着2017年第3季旺季需求显现,预期随着硅晶圆续涨,在LCD/LED驱动IC、微控制器(MCU)、电源管理IC(PMIC)、指纹辨识IC、CIS影响传感器等投片需求持续增加。虽然LCD驱动IC、PMIC、指纹辨识IC等已出现转向12寸厂投片情况,但多数上游IC设计厂基于成本及客制化的考虑,仍以在8寸厂投片为主。Sumco预计到2020年200mm硅片需求量将达574万片/月,比2016年底的460万片/月增加24.78%。

供给端:8寸晶圆制造设备产能持续降低,部份关键设备出现严重缺货,二手8寸晶圆制造设备也是供不应求。在此情况下,晶圆代工短期厂很难大举扩增8寸晶圆产能,8寸硅晶圆的扩产需到2018年-2019年才有产出,我们预计未来几年8寸硅片也将处于供给紧张状态。

涨价:2017年12英寸硅晶圆供不应求且价格逐季调涨,8英寸硅晶圆价格也在2017年下半年跟涨,累计涨幅约10%。在投片需求持续增加,但扩产有限下,预期2018年上半年8寸晶圆厂产能整体产能仍吃紧。根据ESM报道,预期随着硅晶圆续涨价,预计2018年第1季8寸晶圆代工价格将会调涨5~10%。

2.1.3、8寸晶圆产品:产品涨价蔓延

8寸硅晶圆短缺以及晶圆厂产能紧缺的影响逐渐向市场渗透,而电源IC、MCU、指纹IC、LED/LCD驱动芯片、MOSFET等皆为8寸产线。

根据国际电子商情报道,多家国内外原厂发布了自2018年1月1日起涨价的通知,主要集中在MOSFET、电源IC、LCD驱动IC等产品,有的涨幅达到了15%-20%。国内厂商,富满电子、华冠半导体、芯电元、芯茂微电子、裕芯电子、南京微盟等对电源IC、LED驱动IC、MOSFET等产品进行了调价,其中MOSFET涨幅较大。国际分立器件与被动元器件厂商Vishay决定自2018年1月2日起对新订单涨价,未发货订单价格也将于3月1日起调整。

MOSFET:延长交期

根据富昌电子2017年Q4的市场分析报告指出,低压MOSFET产品,英飞凌Diodes,飞兆(安森美)、安森美、安世,ST,Vishay的交期均在延长,交期在16-30周区间。英飞凌交期16-24周,汽车器件交货时间为24+周。安世半导体交期20-26周,汽车器件产能限制。Vishay/Siliconix从5&6英寸晶圆厂转型成8英寸晶圆厂,货期也有改进。高压MOSFET产品,除IXYS和MS交期稳定之外,英飞凌、飞兆/安森美、ST、罗姆、Vishay皆为交期延长。

MCU:恐将缺货一整年

2017年12月,全球汽车电子芯片龙头大厂NXP(恩智浦)宣布,从2018年第一季度开始,MCU、汽车电子等产品将会进入涨价通道,涨价幅度5%-10%不等。此外,自2017年以来,全球多家MCU厂商产品出货交期皆自四个月延长至六个月,日本MCU厂更罕见拉长达九个月。2017年全球电子产品制造业营运大多相当红火,连日本半导体厂也出现多年不见正成长荣景,带动IC芯片等电子元件销量走升。预估后市于全球汽车电子、物联网应用需求不断爆发、持续成长,矽晶圆厂产能满载下,2018年全球MCU市场,恐将一整年持续面临供应短缺局面。

LCD驱动IC:涨价or缺货

根据WitsView预测,一方面,由于晶圆代工厂提高8英寸厂的IC代工费用,IC设计公司第一季可能跟着被迫向面板厂提高IC报价5~10%,以反映成本上升的压力。另一方面,随着物联网、车用电子以及智慧家居等需求兴起,带动电源管理与微控制器等芯片用量攀升,已经开始挤压8英寸晶圆厂LCD驱动IC的投片量。

近年来因面板厂的削价竞争,驱动IC价格大幅滑落,早已成为晶圆代工厂心中低毛利产品的代名词,当利润更佳的电源管理芯片或是微控制器的需求崛起,也刚好给了晶圆代工厂一个绝佳的调整机会,预估截至2018年第一季,晶圆代工厂驱动IC的投片量将下修约20%。中低端IT面板用驱动IC供应吃紧,驱动IC的交期普遍都拉长到10周以上,有可能连带影响面板的供货。

2.2、硅含量提升&创新应用驱动,半导体景气周期持续

本轮半导体景气周期以存储器、硅片等涨价开始,受益于电子产品硅含量提升和下游创新应用需求推动,我们认为半导体行业有望得到长效发展。

2.2.1、硅含量提升

按照ICInsights的预测,半导体所占电子信息产业的比例,将由2016年的25%提高到接近2017年的28.1%,将会有更多的元器件被半导体所取代或整合,或者更多的新功能新应用被新设备所采用,半导体对应电子产品的重要性越来越大,预计到2021年,半导体价值量在整机中的占比将上升到28.9%,提升空间广阔。

以电动汽车为例,据strategyanalytics2015数据,传统汽车的汽车电子成本大约在315美金,而插混汽车和纯电动汽车的汽车电子含量增加超过一倍,插混汽车大约703美金,纯电动汽车大约719美金。此外,汽车智能化还将进一步提高汽车电子的用量,从而推动半导体行业的发展。

2.2.2、创新应用驱动

根据SIA数据,2016全球半导体下游终端需求主要以通信类(含智能手机)占比为31.5%,PC/平板占比为29.5%,消费电子占比13.5%,汽车电子占比11.6%。

展望未来,半导体产业除了传统3C及PC驱动外,物联网、5G、AI、汽车电子、区块链及AR/VR等多项创新应用将成为半导体行业长效发展的驱动力。

物联网IOT:到2020年全球产业规模将达到2.93万亿美元

移动通讯商爱立信的数据显示,2015-2021年期间,全球基于蜂窝物联网和非蜂窝物联网的物联设备年复合增长率将分别达到27%、22%,增速约为传统移动电话的7倍。

物联网设备增长带动全球市场快速增长。据ICInsights等机构研究,2016年全球具备联网及感测功能的物联网市场规模为700亿美元,比上年增长21%。预计2017年全球物联网市场规模将达到798亿美元,增速为14%。2018年全球市场增速将达30%,规模有望超千亿美元。

市场调研机构Gartner数据显示,2017年全球物联网市场规模将达到1.69万亿美元,较2016年增长22%。在新一轮技术革命和产业变革带动下,预计物联网产业发展将保持20%左右的增速,到2020年,全球物联网产业规模将达到2.93万亿美元,年均复合增长率将达到20.3%。

4、大陆设计制造封测崛起,材料设备重点突破

4.1、产业生态逐步完善,三业发展日趋均衡

经过多年的发展,通过培育本土半导体企业和国外招商引进国际跨国公司,国内逐渐建成了覆盖设计、制造、封测以及配套的设备和材料等各个环节的全产业链半导体生态。大陆涌现了一批优质的企业,包括华为海思、紫光展锐、兆易创新、汇顶科技等芯片设计公司,以中芯国际、华虹半导体、华力微电子为代表的晶圆制造企业,以及长电科技、华天科技、通富微电、晶方科技等芯片封测企业。

根据集邦咨询数据,2017年中国半导体产值将达到5176亿元人民币,年增率19.39%,预估2018年可望挑战6200亿元人民币的新高纪录,维持20%的年增长速度,高于全球半导体产业增长率。

近年来,国内半导体一直保持两位数增速,制造、设计与封测三业发展日趋均衡,但我国集成电路产业结构依然不均衡,制造业比重过低。2017年前三季度,我国IC设计、制造、封测的产业比重分别为37.7%、26%和35.5%,但世界集成电路产业设计、制造和封测三业占比惯例为3∶4∶3。

我国2016年设计业占比首次超越封测环节,未来两年在AI、5G、物联网,以及区块链、指纹识别、CIS、AMOLED、人脸识别等新兴应用的带动下,预估设计业占比将在2018年持续增长至38.8%,稳居第一的位置。

制造产业加速建设,尤其以12寸晶圆厂进展快速。2018年将有更多新厂进入量产阶段,整体产值将有望进一步攀升,带动IC制造的占比在2018年快速提升至28.48%。

封测业基于产业集群效应、先进技术演进驱动,伴随新建产线投产运营、中国本土封测厂高阶封装技术愈加成熟、订单量增长等利多因素带动,我们预计2018年封测业产值增长率将维持在两位数水平,封测三巨头增速将优于全行业。

4.2、设计:自主发展,群雄并起

我国部分专用芯片快速追赶,正迈向全球第一阵营。专用集成电路细分领域众多,我国能够赶上世界先进水平的企业还是少数,这主要有两类。一是成本驱动型的消费类电子,如机顶盒芯片、监控器芯片等。二是通信设备芯片,例如,华为400G核心路由器自主芯片,2013年推出时领先于思科等竞争对手,并被市场广泛认可。上述芯片设计能较好地兼顾性能、功耗、工艺制程、成本、新产品推出速度等因素,具备很强的国际竞争力。但是,在高端智能手机、汽车、工业以及其他嵌入式芯片市场,我国差距仍然很大。

高端通用芯片与国外先进水平差距大是重大短板。在高端通用芯片设计方面,我国与发达国家差距巨大,对外依存度很高。我国集成电路每年超过2000亿美元的进口额中,处理器和存储器两类高端通用芯片合计占70%以上。英特尔、三星等全球龙头企业市场份额高,持续引领技术进步,对产业链有很强的控制能力,后发追赶企业很难获得产业链的上下游配合。虽然紫光展锐、华为海思等在移动处理器方面已进入全球前列。但是,在个人电脑处理器方面,英特尔垄断了全球市场,国内相关企业有3~5家,但都没有实现商业量产,大多依靠申请科研项目经费和政府补贴维持运转。龙芯近年来技术进步较快,在军品领域有所突破,但距离民用仍然任重道远。国内存储项目刚刚起步,而对于FPGA、AD/DA等高端通用芯片,国内基本上是空白。

收购受限,自主发展。随着莱迪思(以FPGA产品为主营业务)收购案被否决,标志着通过收购海外公司来加速产业发展的思路已经不太现实,越是关键领域,美国等国家对于中国的限制就会严格,只有自主发展,才是破除限制的根本方法。

海思展讯进入全球前十。根据ICInsights2017年全球前十大Fabless排名,国内有两家厂商杀进前十名,分别是海思和紫光集团(展讯+RDA),这两者分别以47.15亿美元和20.50亿美元的收入分居第七位和第10位,其中海思的同比增长更是达到惊人的21%,仅仅次于英伟达AMD,在Fabless增长中位居全球第三。

大陆设计业群雄逐鹿。根据《砥砺前行的中国IC设计业》数据显示,2017年国内共有约1380家芯片设计公司,较去年的1362家多了18家,总体变化率不大。而2016年,则是中国芯片设计行业突飞猛进的一年,相关设计公司数量较2015年大增600多家。

根据集邦咨询数据,2017年中国IC设计业产值预估达人民币2006亿元,年增率为22%,预估2018年产值有望突破人民币2400亿元,维持约20%的年增速。

2017年中国IC设计产业厂商技术发展仅限于低端产品的状况已逐步改善,海思的高端手机应用处理芯片率先采用了10nm先进制程,海思、中兴微的NB-IoT寒武纪、地平线的AI布局在国际崭露头角,展锐、大唐、海思的5G部署也顺利进行。

根据集邦咨询预估的2017年IC设计产业产值与厂商营收排名数据,今年前十大IC设计厂商排名略有调整,大唐半导体设计将无缘前十,兆易创新和韦尔半导体凭借优异的营收表现进入排行前十名。

海思:受惠于华为手机出货量的强势增长和麒麟芯片搭载率的提升,2017年营收年增率维持在25%以上。

展锐:受制于中低端手机市场的激烈竞争,2017年业绩出现回调状况。

中兴微电子:以通讯IC设计为基础,受到产品覆盖领域广泛的带动,预估营收成长率超过30%。

华大半导体:业务涉及到智能卡及安全芯片、模拟电路、新型显示等领域,2017年营收也将超过人民币50亿元。

汇顶科技:在智能手机指纹识别芯片搭载率的持续提升和产品优异性能的带动下,在指纹市场业绩直逼市场龙头FPC,预计今年营收增长也将超过25%。

兆易创新:首次进入营收前十名,凭借其在NORFlash和32bitMCU上的出色市场表现,2017年营收成长率有望突破40%,超过人民币20亿元。

而在芯谋研究发布的2017年中国十大集成电路设计公司榜单上,比特大陆以143亿元的年销售额跃升第二,成为中国芯片设计业的年度黑马。比特大陆是全球最大的比特币矿机生产商,旗下的蚂蚁矿机系列2017年销量在数十万台,市场占有率超过80%。

2018年,中国IC设计产业在提升自给率、政策支持、规格升级与创新应用三大要素的驱动下,将保持高速成长的趋势,其中,中低端产品市场占有率持续提升,国产化的趋势将越加明显。另一方面,资金与政策支持将持续扩大。大基金第二期正在募集中,且会加大对IC设计产业的投资占比,同时选择一些创新的应用终端企业进行投资。此外,科技的发展也引领终端产品规格升级,物联网、AI、汽车电子、专用ASIC等创新应用对IC产品的需求不断扩大,也将为2018年IC设计产业带来成长新动力。

4.3、制造:产业转移,3代工+3存储

晶圆制造产业向大陆转移。在半导体向国内转移的趋势下,国际大厂纷纷到大陆地区设厂或者增大国内建厂的规模。据ICInsight数据,2016年底,大陆地区晶圆厂12寸产能210K(包括存储产能),8寸产能611K。本土的中芯国际、华力微以及武汉新芯的12寸产能合计为160K。

大陆12寸晶圆厂产能爆发。根据SEMI数据显示,预计2017年至2020年间,全球投产的晶圆厂约62座,其中26座位于中国,占全球总数的42%。根据TrendForce统计,自2016年至2017年底,中国新建及规划中的8寸和12寸晶圆厂共计约28座,其中12寸有20座、8寸则为8座,多数投产时间将落在2018年。预估至2018年底中国12寸晶圆制造月产能将接近70万片,较2017年底成长42.2%;同时,2018年产值将达人民币1,767亿元,年成长率为27.12%。

晶圆代工三强:中芯国际、华虹半导体、华力微

在晶圆代工市场,大陆厂商面临着挑战与机遇。一方面,大陆设计公司在快速成长,本土设计公司天然有支持本土制造厂商的倾向;另一方面,制造业发展所需资金、人力与知识积累的门槛越来越高,在这些方面中国厂商与世界领先厂商的差距有拉大的趋势。如何在现有基础上稳扎稳打,逐步缩小与世界先进水平的差距,相当考验以中芯国际、华宏宏力、华力微为代表的大陆代工厂的经营能力。

全球晶圆代工稳步增长,行业集中高。ICInsight预计2016-2021年的纯晶圆代工厂将年均以7.6%的复合增速增长,从2016年的500亿美元增长到2021年的721亿美元。纯晶圆代工行业集中度很高,前四大纯晶圆代工厂合计占据全球份额的85%,其中台积电一家更是雄踞近60%的市场份额。基于晶圆代工行业高技术高投入的门槛,我们判断晶圆代工行业格局短期不会有太大变化,但国内中芯国际可能会是增速最快的一家。

国内代工三强与国际巨头相比,追赶仍需较长时间。从大陆市场来看,由于国内市场的崛起,尤其是设计公司的快速发展,纯晶圆厂在国内的销售额的增长迅猛。根据ICinsight预测,2017年大陆地区晶圆代工市场达到70亿美金,同比增长16%,显著高于全球平均增速。台积电依然是一家独大,占比高达47%。

国内先进制程落后相差两代以上。半导体晶圆制造集中度提升,只有巨头才能不断地研发推动技术的向前发展。世界集成电路产业28-14nm工艺节点成熟,14/10nm制程已进入批量生产,Intel、三星和台积电均宣布已经实现了10nm芯片量产,并且准备继续投资建设7nm和5nm生产线。而国内28nm工艺仅在2015年实现量产,且仍以28nm以上为主。

本土晶圆厂最先进量产制程目前仍处于28nmPoly/SiON阶段,虽然在28nm营收占比、28nmHKMG量产推进及方面皆取得不错的成绩。中芯国际是国内纯晶圆制造厂龙头,在传统制程(≥40nm)已具备相当的比较优势,同时积极扩展28nm领域,但面临最大的障碍是28nm良率不足的问题,一旦未来6-12个月内取得突破,将为公司打开更广阔空间,相应的扩产力度和节奏都将大大提高。梁孟松入职中芯担任联合CEO,极大地提高了关键制程确定性。梁孟松早年是台积电和三星的技术核心人物,台积电的130nm、三星的45/32/28nm每一节点都有梁的突出贡献。我们认为在梁主导研发之后,将有效整合中芯现有资源,加快突破28nm的进程以及进军14nm研发。但另一方面,台积电(南京)、联芯(厦门)、格芯(成都)等外资厂商的同步登陆布局也将进一步加剧与本土厂商在先进制程的竞争。

存储器三强:长江存储、合肥长鑫、福建晋华

存储器分类、市场空间、竞争格局等相关内容已在本文2.1节介绍(单击此处跳转查看)。2017年风光无限的存储器市场上,中国是买单的一方,无论是DRAM还是NAND闪存,现在的自给率仍然是零。目前大陆用于专门生产存储器的12英寸晶圆厂都主要为外资企业,包括SK海力士(无锡)、三星(西安)和英特尔(大连)。本土存储项目刚刚起步,产线尚在建设当中,主要包括武汉长江存储、福建晋华集成、合肥长鑫存储。

原文标题:中兴事件之痛--谁扒掉了中国电子整机产业的皇帝新衣

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