半导体设备半导体（一）行业概况雷火竞技

　　集成电路是指利用半导体工艺，将晶体管、电阻、电容等元件集中在一小块半导体晶片上，从而形成的具有电路功能的微型电子器件或部件。集成电路与芯片、半导体的联系和区别可简单理解为：芯片是内含集成电路的硅片，是集成电路的载体；半导体是集成电路和分立器件共同组成的性能介于导体与绝缘体之间的材料。

　　按照处理信号的方式，集成电路可分为数字集成电路（数字 IC）和模拟集成电路（模拟 IC）

　　数字集成电路（数字 IC）：是数字电路占主导的 IC，常见的包括 CPU、GPU、 Wifi、5G 等，数字 IC 可分为三大类：逻辑器件、存储器、微型原件。 l

　　逻辑器件：主要为一些处理器 IC（如 CPU、GPU、DSP 等），外加一些特 殊应用 IC。

　　存储器：用于储存信息和数据，分为 VM（易失性存储器，通电保持数据，断电数据消失）和 NVM（非易失性存储器，断电状态下也可保持数 据）。VM 包括 SRAM（通电状态保持数据）、DRAM（通电状态下定时刷新保持数据）；NVM 包括 ROM（只读存储器）和 Flash（闪存芯片）。

　　微型元件：主要包含 MCU 和 MPU，其中 MCU主要应用场景为汽车， 一辆汽车包含 70 多块 MCU。

　　模拟集成电路（模拟 IC）：是模拟电路占主导的 IC，其中最具代表性的包括电源芯片、射频芯片、微机电系统（MEMS）等。模拟集成电路中的功率芯片和分立器件中的功率器件组成了功率半导体。

　　分立器件包括功率器件、传感器、小信号器件、光电器件等。其中，传感器 包括：

　　MEMS：将微电子与机械集成的系统，比如电磁传感器、指纹传感器、环境传感器等；

　　Touch 芯片：具有灵敏的自动识别和跟踪功能，最具代表性的为手机和平板电脑中的触控芯片

　　目前国内半导体需求旺盛，国内供给能力不足：国内半导体行业市场规模快速增长，但需求供给严重不平衡，高度依赖进口，国产核心芯片自给率不足10%。在集成电路领域，进口替代空间广阔。2020年我国集成电路出口金额为1016亿美元，进口金额为3055亿美元。2015年起集成电路的进口金额连续4年超过原油，成为我国第一大进口商品，从供应链安全和信息安全考虑，芯片国产化迫在眉睫。

　　以半导体为代表的科技产业领域是中美角力关键焦点：2018年4月，中兴通讯遭遇美国“禁售令”；2019年5月15日，美国商务部表示，将把华 为及70家关联企业列入“实体清单”；2020年10月4日晚，中芯国际在港交所公告，其部分供应商收到美国出口管制规定的进一步限制。中国在半导体领域“卡脖子”的问题相对比较突出。在适应中美贸易摩擦环境的同时，半导体行业也在加速国产化的进展。

　　在半导体制造中，有多个供应链环节。中国大陆的半导体公司在不同的环节发展的速度存在差异。相对而言，中国大陆公司在半导体设计和半导体封测环节，发展的速度更快，拥有与世界一流公司竞争的能力。但是，在半导体的晶圆代工以及半导体上游的 IP（专利）、软件工具、半导体设备和材料等方面，中国的厂商存在较为明显的劣势。

　　华为是近两年中美贸易摩擦最典型的例子（图表 24）。华为旗下的海思半导体拥有较为强大的半导体设计能力。海思设计的麒麟芯片被应用在华为众多的高端旗舰机型中，因而可以与苹果、三星在高端智能手机领域同台竞争。在华为被美制裁后，华为海思的设计的芯片无法得到相应的先进制程晶圆制造的支撑，因而无法继续为其智能手机提供自家研发的高性能麒麟芯片。

　　另外，射频前端芯片主要用于智能手机 4G、5G 网络通信功能。在射频前端的部分芯片供应中，美国的几家半导体公司具有明显的行业领先以及份额优势。因此，在提供其智能手机的 5G 通信功能，华为也同样存在较大的困难。

　　在中美贸易摩擦中暴露的中国半导体供应链的短板，也让中国半导体行业实现国产化替代的意愿更为迫切。在 2021 年中国政府发布的《十四五规划 与 2035 年远景目标》中提到，集成电路是具有前瞻性的、战略性的国家重大科技项目，也是需要着力发展产业创新的行业之一。

　　在美持续对中国半导体行业施加压力的情况下，中国大陆的晶圆制造追赶先进制程的难度大大增加。中国大陆晶圆厂无法取得相应的先进制程的设备，因此整个行业更多向上游进行本地化的布局，来缓解先进制程的压力。

　　全球半导体行业连续多年保持增长，预计直至 2025 年依然趋势向上在过去 20 年，全球半导体行业保持了健康的增长。根据 Statista，在 2001 年至 2020 年，全球半导体销售额增长了 3.2 倍，复合增长率达到 6%。这与整个科技行业的演进息息相关。全球范围内个人电脑的普及和智能手机的快速发展，是此前半导体行业的最大推动力。

　　半导体芯片被广泛应用于各大行业中。如同石油是工业制造的血液一般，半导体则是电子制造的神经网络。半导体芯片的主要功能包括计算、存储、连接和传输、感知、驱动控制等。也可以理解为，通过半导体芯片，我们可以将各种物理世界通过电信号进行表达、计算、存储、控制。因此，未来万物互联的世界则需要依赖半导体将每一个物体转换为电信号，这样才能更加快速地被世界感知。

　　根据 SIA 的数据，在 2019 年，手机类终端贡献了 33%的半导体行业需求，是半导体行业最大的应用行业。计算机类是半导体行业的第二大应用分类，占据 28.5%的份额。

　　根据 Gartner 的预测，2021 年全球半导体行业规模将增长 17%，2022 年将 增长 10%，近两年都维持了较高的景气度。半导体行业收入规模在 2021 年 至 2025 年的复合增长率将达到 4.5%。终端电子产品对于计算、连接等的需 求，依然是半导体行业的重要推动力。

　　智能手机、电脑、可穿戴与 IoT 产品以及汽车电子都是半导体行业重要的基 本盘或推动力。根据我们的测算，2020 年至 2025 年，比较大类的电子产品 行业规模未来整体的复合增长率有望达到 7%（图表 8），与半导体行业规模 增速接近，也是半导体行业增长的基础。

　　其中，5G 智能手机和新能源汽车的快速渗透是行业的重要推动力。根据我们的预测，未来几年海外发达地区将推动 5G 智能手机渗透率从 2020 年的 接近 20%，上升到 2025 年的 76%。而根据 IEA 的预测，全球新能源汽车的渗透率将从 2020 年的 4%攀升到 2025 年的 17%，而且我们相信依然有超预期的空间。

　　从过去 20 年来看，智能手机行业的需求是半导体行业最大的推动力。智能手机行业对半导体需求推动主要来自于：1）手机出货量的增长，2）单部手机硅含量的提升。而单机硅价值量的不断增长则来自于：1）计算性能提升， 2）连接感知需求增加，3）存储扩容

　　从宏观角度出发，虽然全球半导体行业规模过去 20 年大体保持稳健增长， 但是半导体行业收入增速的起伏会跟全球 GDP 的增速趋势一致。 作为电子制造的核心基础，半导体行业规模与经济具有相关性。进入 2022 年，虽然一二季度受到疫情反弹、地缘冲突等影响，智能手机需求走弱，但是展望未来（参考 2022 年中期宏观经济展望报告），全球经济的走弱也会影响到半导体行业景气度的变化。

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　　当前半导体行业仍然景气度偏高的位置，明年的行业景气度风险已经在估值端充分释放 首先，从半导体行业景气度周期来看，过去几次典型的上行、下行周期持续时间大约是 2 年。以2021年 4 月景气度指标翻正为起点看，本轮上行周期有望持续到 2023 年 4 月。这与我们与晶圆厂交流的情况类似，大多厂商表示，晶圆制造的高景气至少可以持续到今年年底。

　　其次，通常半导体行业估值相较于基本面是领先指标。在半导体行业从上行向下行转换的过程中，行业估值大概会领先6个月左右先行见底（图表20）。 这是全球半导体行业的估值周期半导体。对于中国半导体公司，由于今年市场环境较为脆弱，中芯国际港股、华虹的市盈率估值已经分别从 2020 年高点 115.5x、 2021 年高点 71.0x，回落到目前的 8.6x、6.5x，回调幅度达 82%-91%。与此相比半导体设备，目前，费城半导体指数估值和中国半导体行业指数估值，都较 2021 年 2020 年的高点下调 50%-79%。所以在下半年，中国的晶圆制造行业的估值下行空间比较小。

　　从长期来看，虽然今年智能手机需求比较疲软，因而智能手机的半导体供应缓解速度快于新能源汽车。但是，新能源汽车行业依然保持较高的增长。

　　中国电子制造的发展几乎与智能手机的快速普及相辅相成。借着中国发展初期的人口红利，承接了欧美日韩等地区的制造转移。与此同时，中国大陆的电子制造商也积累了大规模电子制造的能力，但是这种能力更多体现在零部件的制造和组装方面。

　　在过去两三年，中国大陆的供应商龙头为了公司增长，更多的是横向的零部件业务的扩张，因为在供应链纵深布局的能力方面，是其相对海外较为薄弱的环节。在苹果组装与供应链中可以看到，近年来，这些中国大陆的供应链龙头已经开始纵深向下游综合型的组装和服务平台发展。

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　　而且，近年来，我国有意推动高端制造的发展。这也符合政府 2035 年远景目标。在纵深从中游向下游打通的过程中，中国电子制造也需要在纵深环节向上游打通。尤其是在半导体制造环节，这更加符合中国政府高端制造的政策方向。

　　因此，中国半导体制造领域蕴藏着广阔的国产化空间。一来，半导体制造是高端制造异常重要的政策方向，因而国家和企业有较大的投资意愿。二来， 中国电子制造中游和下游有较为庞大的需求，可以作为半导体行业发展的重要支撑。

　　根据 ICInsight 的数据，中国的集成电路行业规模从 2016 年的 940 亿美元， 增长到 2020 年的 1,430 亿美元，复合增长率为 11.1%，超过全球增长水平。 IDC 预计，中国半导体行业在 2020 年至 2026 年的复合增长率为 8.2%，显示中国地区较为强劲的增长需求。

　　根据 SIA，2014-2019 年，中国地区的需求占到全球半导体行业规模约 30%。 这个占比数字，与中国智能手机以及中国汽车占到全球的比例相近。但是，中国地区半导体制造的多个环节的全球占比份额则比较小。例如，中国大陆在能力相对优秀的封测端占比为 20%，依然大幅小于约 30%的需求，差距巨大。而在晶圆代工方面，中国大陆的占比仅仅只有 5%-6%之间。

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　　另外，从中国集成电路进出口数据可以看到，中国有大量的半导体贸易逆差。 即中国大陆本土的半导体制造能力远远无法满足本土的需求。这既是中国与全球领先玩家的差距，也是中国半导体制造企业潜在的增长空间。

　　当然，中国半导体制造公司追赶并满足本土需求需要时间。而且，由于中国电子制造下游产能巨大，具有产业规模集群优势，中国半导体制造商在满足中国本土占全球 30%的需求的同时，有望继续享受下游电子产品出口的需求。

　　中国的智能手机等终端的体量占到全球的 25%-30%，但是本土自足率不高。 与欧美、日韩在半导体供应链不同环节具有卡位作用存在差距。

　　中国大陆在半导体行业的集群效应较弱，需建立关键环节的卡位能力。根据统计，各个地区半导体市值最大的公司，几乎每个发达地区都具有明显的半导体行业的卡位公司。例如，美国地区在半导体设计能力较为突出，这其实是美国半导体设计上游的软件工具具有卡位能力。而日本的半导体材 料、韩国的存储器、欧洲的光刻设备、中国台湾的晶圆代工等，都是在半导体供应链的某一环节具有地区优势，具有集群效应。

　　凭借其半导体上游材料的掌控力，日本有能力对韩国地区的半导体发起制裁。这就是地区卡位的能力重要体现。目前中国大陆在半导体供 应链中还不具备这样的能力。但是，我们认为供应端的投入，配合下游需求端的市场，中国有望在不同的半导体供应环节进行追赶。

　　在洞察全球半导体的概况后，我们把目光聚焦在半导体的价值链各个环节的参与情况，包括当前面临的挑战和机会、不同环节的市场地位以及主要玩家。整体上，中国在半导体的设计和制造链条中起步较晚，积累相对薄弱。值得一提的是，在部分芯片的设计，以及封测环节，中国代表性企业正在加码追赶，并且取得了一定的成效。 值此承上启下的关键阶段雷火竞技，随着半导体相关的产业支持政策频频出台，和下游的广大市场需求，将促进中国半导体企业迎来新一轮发展（图8）。 进一步分析后，我们发现，中国厂商在通讯芯片、模拟芯片与OSD设计、成熟制程制造与封测环节获得了较多的营收。 2020年，全球范围内，主要的中国大陆半导体企业在封装和测试环节的市场占比约17%，头部企业如长 电科技、通富微。此外，成熟制程制造同样创造了较多的营收，中国厂商在全球市场中的占比约为11%， 代表企业有中芯国际。最后，在通讯芯片和模拟芯片设计方面，中国厂商的全球市场份额都在10%左右，代表企业有海思、韦尔等。

　　晶圆制造通常包含沉积、光刻、刻蚀、离子注入 4大核心步骤组成。首先，使用沉积设备（如 CVD、PVD、ALD）在基材表面沉积多层薄膜；其次，在晶圆表面均匀涂上光刻胶，使射强激光通过含有电路设计的光掩膜，将其设计图形刻制到晶圆表面；第三，刻蚀形成3D图形；最后，将离子材料、掺杂剂 注入晶圆，通过带电的离子控制电流，并实现晶体管的功能。 Gartner全球市场份额数据、半导体晶圆厂设备公司招股说明书、分析师报告综合显示，2020年，全球 半导体前端设备的市场规模已达到4,200亿元，基于上述制造步骤，刻蚀、光刻、沉积设备占据了约75% 的营收份额，并且保持平稳增长。中国厂商在主要前端设备市场处于起步阶段，从沉积、刻蚀设备开始获 取份额（图5）。

　　在半导体的上游产业中，不同的材料被应用于不同的生产步骤，缺一不可：硅片是半导体器件的主要载 体，气体被广泛运用于掺杂、外延、离子、刻蚀、化学气相沉积等生产步骤，光掩膜可以把集成电路的图 形转印到硅晶圆上，光刻胶可以将光掩膜版图案转移到光刻胶再转移到晶圆片。 贝恩结合案头研究、公司报告和券商研报发现：纵观半导体材料市场，市场较为稳定，2020年，全球前 端材料市场规模约2,100亿元，2018–2020年复合增长率为5%。硅片、气体、光刻胶、光掩膜版是主要 的上游材料，占据了约80%的营收份额。

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　　EDA和IP贯穿芯片制造的全流程，是芯片设计的重要工具，可以缩短芯片的开发时间，并提高芯片性能。ESD Alliance研究报告以及各个公司年报和券商研报表明，2020年，全球EDA和IP的市场规模达到 了745亿元，且增长稳健。

　　立足集成电路的不同功能，可以分为模拟芯片、存储芯片、逻辑芯片（图6）。 2020年，逻辑芯片贡献了约一半的销售额，大约1.6万亿元，但是不同细分领域有各自的领先玩家。比 如，在GPU领域，头部企业英伟达占据了约八成的销售额；在MPU领域，英特尔拥有较强的优势；在应 用/媒体处理器领域，苹果和联发科表现亮眼。 有别于逻辑芯片，存储芯片市场高度集中，2020年的营收额约8,000亿元。无论在内存（DRAM）还是 闪存（NAND）领域，三星都是主力军，SK海力士、美光紧随其后，铠侠和西部数据则更加专注于 NAND领域雷火竞技。 模拟芯片的厂商众多，在三大芯片中，格局最分散：德州仪器亚德诺占据了模拟领域的半壁江山；分立 器件、光电子领域中，各大厂商不分伯仲；传感器领域同样如此，除博世以外，其他厂商竞争激烈。

　　总体上，全球晶圆制造代工市场由成熟制程（=14nm）和先进制程（14nm）组成。其中，成熟制程占 据约70%的市场份额，先进制程芯片制造占据约30%，并且高度集中于台积电和三星（图7）。 2020年，全球晶圆制造代工的总营收共计约5,000亿元。值得一提的是，作为老牌制造商，台积电积极 布局各个制程，并且都取得了较高的市场份额，尤其是在14/16–20nm和5nm，台积电约占据了约9成的份额。

　　参考各大公司年报、Yole、券商研报并进行案头研究后得到，2018–2020年，全球半导体封测营收 的年复合增长率为3%，封装和测试的增速也均为约3%，是一个稳定的市场。 • 封装：指的是实现芯片电路与外部器件电气连接，并为芯片提供机械物理保护，包括传统封装和先进 封装。 • 测试：将封装完毕的芯片进行性能、持久性等方面的测试，包括初始测试（Initial Test，在不同环 境下进行电气特性测试）和最后测试（Final test）