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半导体制造业的特点与机会

发布时间:2019-10-28 点击次数:715

从全球视角来看,半导体行业走过了快速增长的爆发期,目前已经进入存量竞争的成熟期。近10年来半导体行业规模增速维持在4%-6%之间,国际巨头更多通过并购整合的方式实现快速增长、减少行业竞争,从而保持高增长率和高毛利率。

纵观国内市场,半导体行业呈现出不受全球半导体行业周期影响的快速发展态势,行业规模增速维持在20%以上。与此同时,国内半导体市场呈现出供需失衡和结构失衡的格局:一方面严重依赖进口,另一方面国内公司扎堆中低端市场,核心领域鲜有涉及。

因此单纯从市场供需的角度看,国内半导体产业具有显而易见的发展潜力:内外供需失衡带来了巨大的国产替代机会、结构失衡带来了赶超逻辑下的产业升级机会。但作为投资方,需要考虑的问题是如何将发展潜力转化成确定的发展机会,在“应然”的发展趋势中发现“实然”的投资机会。

半导体制造业的趋势

半导体制造的趋势当中,最突出的一个就是IC的密度在持续增长。20世纪60年代中期提出的摩尔定律,在此后的40多年里依然准确地指导着整个行业的发展,定律中指出,半导体芯片的电路密度每18个月就会翻一番。目前,高级元器件制造的线宽已经发展到最小为90nm,互联电路最多可高达10层。通过不断增加电路的密度,制造商们能够将更多的电子元器件集成到一只芯片上,因而赋予了芯片更高的性能和价值。

; 另一个技术趋势是铝金属布线正在向铜金属布线变迁,铜金属已经成为半导体器件中主流的传导材料。与铝金属相比,铜的电阻更低,进而具备了更多的性能优势。由于铜金属的这些卓越特点,采用铜金属制造的芯片所需要的层数可能仅为铝制芯片的一半,因而极大地降低了制造成本。而且,与铝金属制造的器件相比,铜金属布线使得元器件性能有了实质性的改善,能耗需求得以大幅度地降低。

相似的变化也发生在采用低介电常数或低-k材料取代传统的氧化硅膜层生成介电质绝缘体的过程中。低k值介电质在限定元器件中金属线间的电容方面表现得更加出色,进而改善了芯片的速度和性能。然而,与氧化硅相比,低k材料也更加易碎,在把新材料整合到制造工艺流程时,这一弱点在半导体行业中势必引发一系列的新挑战。

另一个重要的趋势是制造尺寸更大的晶圆。由于与200mm晶圆相比,尺寸更大的晶圆存在着潜在的制造成本优势,因此芯片制造商们正在向更大的300mm晶圆制造衍变。300mm晶圆中的芯片数量增加了2.25倍,故而可能会实现制造工艺的重大规模经济效应。

设备、工艺和材料的挑战

以上这些技术趋势形成了客户对设备和工艺的需求。一般来讲,客户会以“每晶圆成本”来衡量生产设备的成本和性能,即系统购买和安装成本、运营成本加权计算的值与净产出率的比值。净产能更高的系统能够帮助制造商们以更大量的晶圆生产来平衡购买成本,因此降低了每晶圆的系统拥有成本。良率和膜层质量也是选择处理设备的重要决定因素。尺寸更大、更复杂的半导体晶圆成本也在不断增加,于诺发的客户而言,高良率便显得格外的重要。为了提高良率,实现更高的膜层质量,系统必须能够重复执行某个工艺过程并保持其一致性和可靠性。这一系统特性即著名的可重复性是实现量产可接受良率的关键因素。系统只要在预期的产出率上(不要接近关键的容限)运转,就能够更轻松地实现可重复性。

在制造规格和材料方面的种种变化,也大幅度地提高了对半导体元器件制造设备的成本和性能需求。举例来讲,一条高级的300mm晶圆生产线耗资将达20亿美元,较之以往的生产设备,成本存在质的增长。同时,随着整个行业正在适应不断紧缩的技术标准和更快的技术周期,对高端技术的需求也在持续增长。因此,为了满足制造周期需求而优化每个工艺过程时,芯片制造商们必须专注于平衡他们对创新技术的需求。

作为高级淀积、表面处理和化学机械平坦化工艺等领域的生产力和技术领导企业,诺发的战略核心中是向业界的半导体元器件制造商提供高端技术的同时,保持生产力优势。最近,考虑到诺发70%的业务在亚洲,且中国等特定市场对200mm制造设备不断增长的需求,该公司又开创了翻新系统业务,帮助低端客户实现更低成本的制造。至此,诺发满足了各个层次的制造设备的需要。

全球市场:成熟期的半导体行业进入存量竞争阶段

从1958年第一个锗基的集成电路出现至今,半导体行业发展了60年的时间。最近10年伴随着摩尔定律的放缓和下游应用市场的饱和,从全球视角来看半导体行业已经是一个成熟行业,整体市场走向存量竞争的阶段。

半导体行业走向成熟和存量竞争体现在两个方面。首先是近10年来半导体行业规模增速维持在4%-6%之间,和互联网、人工智能等新兴科技产业50%以上的爆发式增长相比,半导体行业的平稳增速更贴近传统产业。

另一方面,存量竞争的格局下,行业参与者更多通过并购整合的方式实现快速增长、减少行业竞争,从而保持高增长率和高毛利率。根据不完全统计,仅2015年就有恩智浦并购飞思卡尔、安华高并购博通英特尔并购阿尔特拉等9个重要并购事件。

半导体制造业的特点与机会

半导体制造业的特点与机会

国内市场:整体规模快速增长,呈现供需失衡、结构失衡格局

国内半导体市场呈现出不受全球半导体生命周期影响的快速发展态势。虽然全球范围内半导体行业已经进入成熟发展的存量竞争阶段,但中国大陆的半导体行业仍处于高速发展的早期阶段。2015年以来全国半导体设计行业规模增速维持在20%以上,2018年国内IC设计市场规模达到2577亿元,同比增长达32.42%。

半导体制造业的特点与机会

另一方面,从半导体行业的先导指标资本投入上来看,中国大陆半导体资本投入(110亿美元)已经超过欧洲和日本的总和,也充分预示了半导体行业产能向大陆转移的大趋势。

在快速发展的同时,国内半导体市场呈现出供需失衡和结构失衡的格局。

国内半导体市场供需失衡和结构失衡明显,严重依赖进口的同时国内半导体设计公司扎堆中低端市场。需求方面,由于中国大陆是全球最大的终端消费和制造中心,一方面近14亿中国人每年消费了数以亿计的电子终端产品和其他终端产品,另一方面相当比例的终端产品在中国大陆生产制造。而半导体作为最上游、最核心的电子元器件源源不断的从美欧日韩等主要半导体生产国进口至中国,从而带来了巨额的半导体进口额和贸易逆差。2018年中国的芯片进口额达到3120亿美元,贸易逆差连续6年超过2000亿美元,国内半导体市场供需格局严重失衡。

半导体制造业的特点与机会

供给上看,国内半导体行业在规模上和定位上存在严重的结构失衡,定位中低端市场的中小半导体设计公司扎堆,市场规模大、技术壁垒高的核心领域鲜有公司涉及。

从规模上来看,国内半导体设计公司规模较小,营收小于1亿元的半导体设计公司占比87.75%,人数少于100人的公司占比90.28%。相比而言,国内规模排名分列1、2位的华为海思和紫光展锐营收分别超过500亿元和100亿元,员工总数分别超过7000和4000人。

半导体制造业的特点与机会

反映在市场定位上,国内半导体设计公司扎堆中低端市场,PC、手机、服务器三大主流市场以及CPU、手机基带、存储三个主要芯片类别自给率不足10%。

半导体制造业的特点与机会

应然:看似美好的半导体投资机会

单纯从市场供需的角度看,国内半导体产业具有显而易见的发展潜力:内外供需失衡带来了巨大的国产替代机会、结构失衡带来了赶超逻辑下的产业升级机会,国内半导体行业规模的快速增长更是从侧面印证了半导体行业的发展趋势。但需要考虑的问题是如何将发展潜力转化成确定发展机会,发现“应然”的发展趋势中“实然”的投资机会。

去年中美贸易摩擦以来,半导体投资成为投资关注的热点。经常能看到一个最简单粗暴的投资逻辑:赌国运、就投半导体。但作为理性的投资机构和投资人,需要进一步考虑以下三个问题:

1)长期视角下的择时问题:不考虑政策、国家资本等外部因素的变化,为什么过去20年国内半导体行业的发展都不及预期、对于投资机构来说也不是好的投资赛道?为什么今天就一定是投资的好时机?

2)投资方向的选择问题:半导体作为电子行业最上游的核心元器件,共有几百个芯片种类和上千个细分应用领域,如何在纷繁、复杂的半导体市场中选择适合的投资赛道?

3)投资方法论的问题:半导体行业投资是以技术导向、产品导向还是市场导向为标准进行投资?如何成体系地投资半导体行业?

实然:产业拐点和技术拐点带来“最好的时代”

首先解决第一个问题,在不考虑政策变化、国家资本等外部因素变化的情况下,为什么在今天而不是过去20年投资半导体行业?长期视角下,是什么因素使得今天的半导体成为好的投资赛道?下面将从半导体创业门槛、产业拐点和技术拐点三个层次来论证为什么今天是半导体投资“最好的时代”。

全球竞争、壁垒极高、差距较大,半导体创业门槛极高

国内半导体市场出现供需失衡和结构失衡的原因主要是在供给层面。首先,半导体行业作为信息产业的最上游,标准化程度很高,成熟市场的半导体公司一般以全球市场作为产品定义的目标,因此国内半导体创业公司很多时候面对的是国际巨头公司的竞争。

其次,半导体工业是人类工业制造领域到达极致的代表,具有“人才和技术密集”、“资本密集”、“资源密集”三重属性。

1)人才和技术密集:首先,作为研发和技术驱动的行业,半导体行业可以说是博士和“千人计划”最多的行业;其次,半导体行业研发周期长、成本高昂;最后,市场参与者积累了海量的专利,创业公司很难绕过。

2)资本密集:技术和创新驱动的行业,需要持续不断投入工艺制程和产品结构的研发,需要资本的大力支持。例如28nm工艺以下的芯片研发成本超过5000万美元。

3)资源密集:半导体行业创业公司大多面对B端客户,客户渠道资源封闭,客户给予创业公司的试错机会极其有限。加之产业链分工明确、涉及环节众多,对于创业公司供应链管理难度较大。因此创业公司需要有能力打通上下游资源渠道,无形中再次拔高了创业公司的创业门槛。

半导体制造业的特点与机会

在全球竞争、壁垒极高的情况下,半导体行业处于高层次竞争的状态,国内外巨头林立、头部效应明显。以存储市场(NAND Flash、DRAM)为例,全球主流玩家仅剩下三星、海力士、美光等几家巨头厂商。

半导体制造业的特点与机会

在处理器、存储、手机基带等半导体主赛道上,国内创业公司将直面国际巨头的竞争,需要赶超国外半导体行业超过60年的沉淀,重塑IP、解决方案(算法)和生态体系壁垒极高。

因此,半导体行业是高度竞争、创业门槛高、失败率高的创业方向,国内过去20年除了少数专业投资半导体的市场化机构,多数半导体投资以失败收场。

产业拐点:终端需求传导、人才积累、产业链配套从量变走向质变

1.国内半导体行业的历史积累和发展阶段

伴随着国内需求变化、政策变化以及技术积累,国内半导体行业的发展经历了特征明显的三个发展阶段。

1)萌芽期:产业链一片空白的情况下,最早的创业团队依靠反向设计和成本优势填补市场空白。

2)初创期:伴随着“中国制造”兴起,以白牌家电、山寨机为代表的国内终端客户给予国内半导体创业公司试错和成长的机会,支撑了一批国内创业公司的发展。性价比高、本地服务和交付能力强的创业公司迅速崛起。

3)成长期:产业链成熟度提升、下游客户需求进一步提升,在政策和国家资本等外部因素的推动下,半导体行业迎来快速成长期。国内终端市场涌现出一批世界性品牌厂商,白牌市场逐渐萎缩,开始有半导体公司参与国际竞争、走向国际一线客户。

半导体制造业的特点与机会

2. 终端需求的变化和机遇:从量变到质变

半导体行业是在摩尔定律(供给)和下游需求更新迭代共同驱动、发展的行业。中国大陆成为全球最大的终端消费和制造中心,是国内半导体行业迎来历史性发展机遇、实现从量变到质变的核心。

终端品牌的国产化、国外终端品牌将制造中心设立在中国大陆为上游供应链带来了发展机会,终端需求向上传导最终带动整个供应链的国产化。例如以苹果(国内安卓手机厂商)为代表的智能手机厂商培养了一批“苹果产业链”(智能手机产业链)上市公司,为消费电子的投资人带来丰厚的回报。其中,面板厂商京东方、手机结构件厂商立讯精密、芯片厂商汇顶科技等代表性厂商市值超过100亿元。

半导体制造业的特点与机会

1)市场变化:伴随着下游PC、智能手机市场的逐渐成熟和饱和,半导体行业的系统性创业机会也从PC、智能手机、服务器三大集中性市场往物联网、下一代智能终端等碎片化、新兴化市场转移,物联网、新能源汽车等新兴市场带来向上重构供应链的系统性机会。

2)客户机构变化:国内白牌和山寨被品牌商逐渐取代,半导体创业公司的目标客户也从白牌往品牌客户转移。

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3.人才积累、产业链配套逐渐成熟

半导体行业从本质上是技术驱动的行业,高素质人才是一切的核心和基石。制造业转型升级的大背景下,工程师红利取代人口红利成为经济增长的助推剂。中国大陆逐渐积累的成体系、成规模的半导体研发人才、工程师、销售人才是目前国内半导体行业创业的基本保障。

1)海归团队:国外和台湾地区半导体行业进入成熟阶段,创业机会稀缺、上升空间有限,大量海归和海外半导体人才选择中国大陆作为创业和成长的舞台。与此同时半导体行业频繁的大规模并购重组解放了一批高端半导体管理人才,带来了创业的新鲜血液。

2)国内产业培养:国内半导体行业多年来的产业积累为全产业链提供了实业经验丰富的人才梯队。

3)高校培养:中国大陆是全球理工科人才培养最大的基地,海量、高素质的应届毕业生构成了半导体行业人才梯队的基本盘。

半导体制造业的特点与机会

此外,从产业配套的角度来看,中国大陆拥有全球最完善的电子产业链,半导体产业链也在逐渐发展、成熟,未来三年全球40%以上的12寸晶圆代工厂将落户中国,而国内封测已经跻身世界一流水平。

因此,从产业发展的角度来看,终端需求传导、人才积累、产业链配套从量变走向质变,半导体行业的产业基础逐渐成熟、产业拐点开始显现。

技术拐点:后摩尔定律时代的机会和挑战

1.摩尔定律主导下的半导体行业竞争格局

摩尔定律指的是每隔18到24个月单位面积的晶圆上容纳的元器件(晶体管)数量提升一倍,相对应的是芯片的性能提升、体积和功耗的缩减。摩尔定律很大程度上是半导体甚至整个电子行业发展的核心驱动力——芯片性能提升带动终端产品快速更新迭代。

半导体制造业的特点与机会

与此同时,摩尔定律很大程度上也主导了半导体行业的竞争格局:技术领先的半导体公司时刻处在追赶先进工艺制程的锦标赛中,抢占技术、性能、功耗的制高点是无往不胜的策略。而摩尔定律的存在也是半导体行业难以弯道超车的重要原因,工艺制程的更新迭代使得赶超者时刻落后领先者一两个身位。

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2.摩尔定律放缓为国内半导体的赶超带来机遇

工艺制程周期拉长、先进工艺成本过高,摩尔定律放缓趋势明显。最近十年摩尔定律呈现放缓的趋势,每一代工艺的生命周期拉长,工艺节点提升的周期越来越长,28nm以下的先进工艺推进速度缓慢。

除了半导体工艺接近极限的物理原因,工艺节点进步不再具有性价比是摩尔定律放缓的最直接原因。28nm及以下的工艺节点(28/14/7/5/3nm)研发和流片成本过高(28nm前期研发费用超过5000万美元),能承受先进工艺研发和资本投入的晶圆厂、承担流片成本的设计公司越来越少,采用先进制程的下游场景也越来越窄。

半导体制造业的特点与机会

晶圆厂方面,除了台积电、三星、英特尔以外,联电和格芯相继宣布放弃对7nm制程的研发;应用场景方面,最早采用最先进制程的往往都是消费电子(手机、笔记本电脑)、矿机等毛利高、出货量大的细分市场,采用先进工艺的芯片种类局限在基带、CPU、存储等大型逻辑芯片上。

与此同时,摩尔定律放缓为国内半导体公司降低成本、实现技术赶超提供了机会。成本方面,伴随着工艺成熟和产线折旧结束,前代制程和工艺的开发成本相对降低,对设计厂商友好度提升。行业发展驱动力方面,跟随摩尔定律的、单纯的“技术锦标赛”策略仅在部分应用场景延续,大部分应用场景由技术驱动朝着市场驱动、产品和服务驱动转变,这为中国公司带来了赶超的机会。

半导体制造业的特点与机会

3.摩尔定律放缓带来的挑战:竞争加剧、场景分散

摩尔定律放缓意味着半导体甚至电子行业的核心驱动力减弱,整体市场增速放缓,整体行业进入存量竞争的状态,从最近10年行业头部效应凸显和整合并购频发也能看出竞争加剧的趋势。国内创业公司将会面对更激烈和残酷的竞争,市场对创业公司初始禀赋和能力的要求进一步提升。

与此同时,分散化的低功耗场景兴起对芯片的功耗限制要求极高,在工艺制进步有限(摩尔定律放缓)的情况下传统通用型芯片不适用于物联网等碎片化场景,针对细分市场开发专用化芯片是符合性价比的策略。而单一细分市场往往空间有限,难以支撑一家半导体公司从发展走向上市,这就要求创业公司要有通用型技术平台的属性,具备深耕细分市场的同时扩展新市场的能力。

4.后摩尔定律时代半导体行业创业机会

后摩尔定律时代,原先摩尔定律主导的下游场景逐渐较少,国内半导体行业创业机会增加。

1)摩尔定律继续主导的市场:存储、CPU、手机基带芯片等大规模逻辑芯片延续摩尔定律的市场竞争规则,需要持续投入研发、抢占技术制高点,是半导体市场中占比最高的部分,也是竞争最激烈的主战场。这部分市场的参与者有市场化的龙头公司,比如在手机基带和主芯片领域技术积累深厚、掌握核心终端客户的海思和紫光展锐,代表了国内半导体设计的最高的技术水平和平台实力。另一类市场参与者则是以长江存储、合肥长鑫、福建晋华为代表的存储国家队,持续、大量的资本投入需要政府力量的大力支持。

2)存量竞争市场:不以工艺制程为核心竞争力的细分市场处于存量竞争状态,典型的是以功率半导体为代表的模拟细分市场。从应用的角度看,传统汽车电子、工业级芯片等市场对品控(稳定性、一致性)、功耗、性价比的要求很高。国内公司在客户和市场导向、本地化和服务能力上具备天然优势,有望在各个细分市场逐步实现国产替代。

3)增量新兴市场:人工智能、5G等新一代ICT底层技术的发展将驱动物联网、新能源/智能汽车、下一代智能终端等新应用市场的兴起,为半导体行业带来新的增长动力。新一代智能科技的浪潮有可能带来不亚于互联网和移动互联网的颠覆式商业模式创新和应用市场。从投资的角度而言,着眼于前瞻性的投资不能在乎一城一地的得失,需要放开长远的眼光看未来。

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实然:聚焦行业红利,把握三大方向

聚焦“高、深、快”三大方向

“三个密集”带来高创业门槛,行业红利是发展前提。技术(人才)密集、资金密集、资源密集的半导体行业创业准入门槛极高,因此创业公司在选择细分方向时需要把握行业趋势性机会,在行业“红利”的助力下发展壮大。

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