半导体设备半导体行业深度报告：多维度复盘产业发展碎片化场景下辅芯片受益雷火竞技

　　2011-2021 年全球半导体市场规模的 CAGR 为 6.4%，2021 年同比增长26%至5559亿美元。半导体（semiconductor）材料是指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，半导体产品是用半导体材料制造的器件。根据SIA 的数据，全球半导体销售额从 1977 年的 35.5 亿美元增长到 2021 年的5559 亿美元，近十年的年均复合增速为6.4%；中国半导体销售额从2015年的986亿美元增长到2021年的1925亿美元，占全球销售额的 34.6%。

　　半导体产品包括集成电路、光电器件、分立器件、传感器四大类，2021 年占比分别为 83.3%、7.8%、5.5%、3.4%。根据 WSTS（The World SemiconductorTradeStatistics）的分类，半导体产品可分为集成电路（IC）、光电器件（O）、分立器件（D）、传感器（S）四大类，2021 年全球销售额分别为4630、434、303、191亿美元，在全球半导体销售额中的占比分别为 83.3%、7.8%、5.5%、3.4%。

　　2021 年集成电路中逻辑芯片、存储芯片、微处理器、模拟芯片的销售额分别为1548、1538、802、741 亿美元。集成电路（Integrated Circuits）包括模拟芯片和数字芯片，其中数字芯片包括逻辑芯片、存储芯片和微处理器（MPU微处理器/MCU 微控制器/DSP 数字信号处理器）。根据 WSTS 的数据，2011-2021年全球集成电路市场规模的 CAGR 为 6.5%，其中存储芯片和逻辑芯片的CAGR 较高，分别为 9.7%、7.0%；模拟芯片和微处理器的 CAGR 较低，分别为5.8%、2.1%。2021年全球集成电路销售额同比增长 28.2%至 4630 亿美元，其中逻辑芯片、存储芯片、微处理器、模拟芯片的销售额分别同比增长 30.8%、30.9%、15.1%、33.1%至1548、1538、802、741 亿美元。

　　逻辑芯片和存储芯片在半导体中的占比提升。从半导体市场规模构成来看，逻辑芯片和存储芯片的占比明显提升，分别从 2003 年的22.3%、19.5%提高至2021年的 27.9%、27.7%。微处理器占比从 2003 年的 26.2%降至2021 年的14.4%，降幅明显。模拟芯片占比相对稳定，由 2003 年的 16.1%微降至2021 年的13.3%。

　　2011-2021年全球半导体光电器件市场规模的 CAGR为6.5%，2021年同比增长7.4%至 434 亿美元。光电器件（Optoelectronics）包括半导体显示、半导体灯、光耦合器、光开关、图像传感器和其他光感应和发射半导体器件等。根据WSTS的数据，2011-2021 年全球半导体光电器件市场规模的 CAGR 为6.5%，其中2021 年同比增长 7.4%至 434 亿美元，占半导体的比例为 7.8%，相比2003 年的5.7%提升2.1pct。

　　2011-2021年全球传感器/执行器市场规模的 CAGR为9.2%，2021年同比增长28.0%至 191 亿美元。传感器/执行器（Sensors & Actuators）指电学特性被设计成与温度、压力、位移、速度、加速度、应力、应变或任何其他物理、化学或生物特性相关的半导体器件，包括温度传感器、压力传感器、磁场传感器、执行器等。所有光学传感器归类于光电子类别。根据 WSTS 的数据，2011-2021 年全球半导体传感器/执行器市场规模的 CAGR 为 9.2%，其中 2021 年同比增长28.0%至191亿美元，占半导体的比例为3.4%，相比 2003 年的 2.1%提升1.3pct。

　　从下游应用领域来看，计算机和通信占比最高，汽车2021 年增速最高。根据SIA的数据，2021 年全球半导体市场按下游应用领域来看，汽车增长38%至691亿美元，增速最高，占比从 2020 年的 11.4%提高至 12.4%，成为第三大应用领域。计算机和通信长期占据前两大应用领域，2021 年市场规模分别为1750、1706亿美元，占比分别为 31.5%和 30.7%。其他应用领域还包括消费电子、工业、政府，2021年市场规模分别为 684、669、58 亿美元，占比分别为12.3%、12.0%、1.0%。

　　2010 年以来全球半导体市场集中度提高。根据 IC Insights 的数据，2021年，不包括纯代工厂在内的全球前 50 家半导体厂商合计市占率为89%，相比2010年的81%提高了 8pct。前 5、前 10 和前 25 的公司在 2021 年全球半导体市场的份额分别比 2010 年提高 8pct、9pct、11pct 至 42%、57%、79%。整体来看，2010年以来半导体市场集中度有所提高，IC Insights 认为，随着未来几年的并购继续发生，顶级供应商的份额可能提高到更高的水平。2021 年前十大厂商分别为三星（13.3%）、英特尔（12.5%）、海力士（6.1%）、美光（4.9%）、高通（4.8%）。

　　半导体行业包括设计、制造、封测三个环节。设计环节主要根据终端客户需求设计出相应的电路图并最终输出版图供晶圆制造企业使用，在设计电路中需要使用自动设计软件 EDA，部分设计还需要使用授权的 IP 核。制造环节指由晶圆制造厂完成的前道工艺，包括氧化/扩散、光刻、刻蚀、离子注入、薄膜生长、清洗与抛光、金属化等七大工艺步骤，在制造过程中需要使用各类半导体前道设备和半导体材料。封测环节指由封测厂完成的后道工艺，包括贴膜、磨片、贴片、划片、装片、键合、测试等，在封测过程中需要使用各类封装材料和半导体后道设备。

　　半导体企业的经营模式分为 IDM（垂直整合制造）和垂直分工两种主要模式。IDM模式企业内部完成芯片设计、制造、封测全环节，具备产业链整合优势。垂直分工模式芯片设计、制造、封测分别由芯片设计企业（Fabless）、晶圆代工厂（Foundry）、封测厂（OSAT）完成，形成产业链协同效应。

　　2021 年全球晶圆代工市场规模增长 26%至 1101 亿美元，预计2026 年中国晶圆代工厂份额为 8.8%。根据 IC Insights 的数据，在 5G 手机的应用处理器和其他通讯设备销售的强劲助推下，全球晶圆代工（含纯晶圆代工和IDM 代工）销售额在2019 年下跌 2%之后，在 2020、2021 年分别增长 21%、26%，预计2022 年将继续增长 20%至 1321 亿美元，2020-2022 年是 2002-2004 年以来连续增长最强劲的三年。2021 年中芯国际和华虹增速高于行业，中国企业在纯晶圆代工市场的份额提高 0.9pct 至 8.5%，预计到 2026 年小幅提高至 8.8%。

　　晶圆代工市场高度集中，其中台积电市占率超过 50%。根据TrendForce的数据，2022 年二季度全球前十大晶圆代工厂的合计市占率达98%，其中台积电稳居全球第一，市占率为 53.4%；排名第二的三星市占率为 16.5%；其他厂商市占率均为个位数。

　　2021 年三家中国企业在全球半导体封装行业中排名前十。根据ittbank的统计，2021 年全球封测行业前五大厂商合计市占率为 63%，其中排名第一的日月光市占率 27.0%，安靠、长电分别以市占率 13.5%和 10.8%排名第二和第三。在全球前十大厂商中，中国 A 股公司长电科技半导体、通富微电、天水华天分别排名第三、第五和第六。

　　半导体上业主要包括贯穿设计制造封测的 EDA 软件，芯片设计所需的IP，以及晶圆制造和封测环节需要用到的半导体设备和材料。

　　EDA 是集成电路上游基础软件。EDA（Electronic Design Automation,电子设计自动化）是指利用计算机软件完成大规模集成电路的功能设计、仿真、验证等流程的设计方式，结合图形学、计算数学、微电子学、拓扑逻辑学、材料学及人工智能等技术。对于上亿乃至上百亿晶体管规模的芯片设计，EDA 工具保证了各阶段、各层次设计过程的准确性，降低了设计成本、缩短了设计周期、提高了设计效率。作为集成电路领域的上游基础工具，EDA 贯穿集成电路设计、制造、封测等环节。 2021 年全球 EDA 市场规模增长 16%至 133 亿美元，其中SIP 占比38%。根据ESDAlliance 的数据，全球 EDA 市场规模 2012-2021 年逐年增长，CAGR 为8.2%，其中 2020、2021 年连续两年保持两位数增长，增速分别为11.6%、15.8%，2021年市 场 规 模 达 133 亿 美 元 。 从 产 品 或 下 游 构 成来看，SIP （SemiconductorIntellectual Property）占比最高，2021 年为38%；CAE（Computer-AidedEngineering）占比也常年维持在 30%以上，2021 年为31%；IC 物理设计和验证2021 年占比 19%；PCB&MCM（Printed Circuit Board and Multi-Chip Module）和服务 2021 年占比分别为 9%和 3%。

　　2021 年美洲在全球 EDA 市场中占比 43%，2020 年中国EDA 市场规模为66亿元。根据 ESD Alliance 的数据，美洲是全球 EDA 最大的市场，占比长期维持在40%以上，2021 年为 43%；2021 年亚太地区（除日本）占比第二，为36%；剩余的EMEA（欧洲、中东、非洲）占比 14%，日本占比 7%。根据赛迪智库和华大九天招股书的数据，2020 年我国 EDA 市场规模为 66 亿元，同比增长20%，其中我国自主EDA工具企业在本土市场的营业收入约为 7.6 亿元，同比增长65%。

　　全球 EDA 市场三足鼎立。从竞争格局来看，全球 EDA 市场呈现三足鼎立格局，根据前瞻产业研究院的统计，2020 年 Synopsys、Cadence 及西门子EDA 合计占据全球近 70%的份额，在集成电路设计全流程上拥有优势，已形成完善的生态体系、较高的行业壁垒及较强的用户粘性，属于全球第一梯队。第二梯队包括华大九天等，在部分领域具有全流程工具或在局部领域具有领先优势。第三梯队企业主要聚焦于某些特定领域或用途的点工具，整体规模和产品完整度与前两大梯队的企业存在明显的差距。我国 EDA 市场集中度高于全球，2020 年前三大厂商合计市占率约 78%，其中本土的华大九天市占率约 6%。

　　IP（Intellectual Property）是指集成电路设计中预先设计、验证好的功能模块，通常由第三方 IP 供应商开发，并提供成熟的IP 模块给芯片设计公司用于集成，可有效缩短芯片设计周期并提升芯片性能。当前国际上绝大部分SoC都是基于多种不同 IP 组合进行设计的，随着先进制程的演讲，线宽的缩小使得芯片中晶体管数量大幅提升，使得单颗芯片中可集成的 IP 数量也大幅增加。根据IBS报告，以 28nm 工艺节点为例，单颗芯片中已可集成的 IP 数量为87 个；当工艺节点演进至 7nm 时，可集成的 IP 数量达到 178 个。

　　IP 核分为软核、硬核和固核三种。按照开发完成度，IP 核可划分为软核、固核、硬核三类,软核一般指使用硬件描述语言（HDL）形式提供给客户的代码文件，其中不涉及具体电路元件实现等功能，软核代码直接参与设计的编译流程，以HDL代码形式呈现；固核设计程度介于软核与硬核之间，用户可以根据需求重新定义性能参数，内部连线表可根据需求进行优化，最终以HDL 门级电路网表呈现；硬核是设计阶段最终产品，提供给用户光掩模图和全套工艺文件。从完成IP核所花费的成本来讲，硬核代价最大；从使用灵活性来讲，软核最高。

　　根据工艺流程，半导体设备主要分为制造设备和封测设备两类。半导体生产分为前道工艺（Front End）和后道工艺（Back End），其中前道工艺指在晶圆上形成器件的工艺过程，也称晶圆制造，后道工艺指将晶圆上的器件分离、封测的工艺过程。根据用于的工艺流程不同，半导体设备主要分为制造设备（前道设备）和封测设备（后道设备）两类，其中制造设备主要用于晶圆制造环节，包括退火炉、光刻机、刻蚀机、离子注入机、薄膜沉积设备、CMP 设备、清洗设备等；封测设备主要用于晶圆封测环节，包括划片机、裂片机、引线键合机、测试机、探针台、分选机等。

　　2021 年全球半导体设备销售额增长 44%至 1026 亿美元。根据SEMI 的数据，2021年全球半导体设备销售额为 1026 亿美元，增长 44%，2014-2021 年的CAGR为15%。2021 年中国半导体设备销售额为 296 亿美元，增长58%，占全球的29%，是全球最大的市场，2014-2021 年的 CAGR 为 31%，远高于全球的15%。

　　晶圆制造设备占半导体设备的比例超过 80%。根据半导体制造中前道工艺（晶圆制造）和后道工艺（封装测试）之分，应用于集成电路领域的设备通常可分为晶圆制造设备（前道工艺设备）和封测设备（后道工艺设备）两大类，其中晶圆制造设备市场占半导体设备主要市场份额，根据 SEMI 数据，2021 年全球晶圆制造（前道）设备市场占比为 85.4%，后道封装及测试设备分别占比7.0%和7.6%，预计 2022-2023 年晶圆制造设备占比继续维持在 86%左右。

　　薄膜生长、刻蚀和光刻设备为晶圆制造核心设备，其市场规模最大。对应主要工艺，晶圆制造设备主要包括氧化/扩散设备、光刻设备、刻蚀设备、清洗设备、离子注入设备、薄膜沉积设备、机械抛光设备等，其中光刻、刻蚀和薄膜生长设备市场规模最大。根据 Gartner 数据，2021 年全球半导体前道薄膜生长、刻蚀和光刻设备市场规模分别为 207 亿美元、200 亿美元和171 亿美元，位居前三。

　　全球晶圆制造设备由美、日、欧企业主导。2021 年全球前十大半导体设备公司中3 家来自美国，包括全球第一的应用材料；荷兰的ASML 由于其在浸润式DUV光刻机及 EUV 垄断地位在全球半导体设备企业中排名第二；日本有五家半导体设备企业排名前十，包括全球第三的 TEL。

　　根据工艺过程，半导体材料可以分为晶圆制造材料和封装材料。晶圆制造材料主要用于晶圆制造环节，包括衬底、光刻胶、光掩模、溅射靶材、湿电子化学品、电子特气、CMP 材料等。封装材料主要用于封装环节，包括基板、引线框架、键合丝、塑封材料、粘晶材料、底部填充料、锡球等。

　　2022年晶圆制造材料增速高于封装材料，在半导体材料中占比超过60%。根据SEMI的数据，2021 年晶圆制造材料市场规模约 400 亿美元，在半导体材料中占比超过60%。SEMI 预计 2022 年全球半导体材料市场规模将继续增长7%，其中晶圆制造材料和封装材料分别增长 8.4%和 3.9%。 半导体硅片是最重要的晶圆制造材料，2020 年占比超过30%。根据SEMI的数据，2020 年 349 亿美元晶圆制造材料中，半导体硅片为112 亿美元，占比超过30%；其他占比超过 10%的还有电子特气和光掩膜版；剩余材料的市场规模均低于30亿美金，占比个位数。

　　全球半导体增速与 GDP 增速的相关性提高，预计 2019-2024 年的相关系数为0.90。根据 IC Insights 的数据，2000 年前半导体处于快速增长阶段，与全球GDP增速相关性较低；2000 年后，全球半导体增速与 GDP 增速的相关系数逐渐提高，2000-2009 年为 0.63，2010-2019 年为 0.85，预计2019-2024 年将达到0.90，代表全球半导体增速与全球 GDP 增速高度线性相关。

　　半导体行业具有明显的周期性。通过分析 SIA 的半导体销售额数据可知，半导体行业具有明显的周期性，比如 1Q13-4Q14 景气上行（补库存，增速平稳），1Q15-2Q16景气下行（PC 需求疲软，2015 年 PC 销量减少 8%）；3Q16-2Q18 景气上行（手机、服务器存储容量升级等），3Q18-3Q19 景气下行（存储产能大幅释放，去库存）；4Q19-4Q21 景气上行（疫情增加了半导体需求，同时影响了部分供给，半导体缺货涨价），1Q22 至今景气下行（下游 PC、手机需求疲软，去库存）。从统计的十家半导体大厂的平均存货周转天数来看，顶峰出现在每轮周期的底部，同时呈现出走高的趋势，我们认为与近年全球供应链的不确定性有关。

　　半导体的周期性主要由于供需失衡，若产能出现意外受限会放大行业的波动。晶圆厂扩建一般需要 1-2 年才能释放产能，因此在需求增加时无法即时进行响应，同时由于晶圆产能相对刚性，在需求减少时也无法进行收缩，因此半导体行业会由于供需失衡而呈现出周期性：下游终端客户在需求增加时会进行补库存，带动晶圆产能紧张，为了保证供应抢占市场份额半导体设备，终端客户存在过度下单的可能；为了满足客户的需求，晶圆厂会加大扩产；经过一两年的产能建设，下游需求可能出现放缓，客户会通过砍单去库存；晶圆产能供过于求，缩减投资。在此过程中，原有晶圆产能若由于外部因素出现供给减少，比如2016-2017 年存储厂制程转换不及预期或 2020 年疫情导致的停产，将会放大下游重复性订单需求，从而放大行业的波动。

　　2012-2015 年费城半导体指数走势滞后于半导体基本面变化，2016 年后的两轮周期中领先约半年。自 2012 年以来，费城半导体指数走势整体强于纳斯达克指数。通过对比近三轮周期中费城半导体指数相对纳斯达克指数的收益和半导体月销售额的同比增速，可以看出在 2012-2015 年间，费城半导体指数表现滞后于半导体基本面变化，在半导体月销售额同比增速明显提高后，费城半导体指数表现才强于纳斯达克指数，反之亦然。但在 2016 年以后的两轮周期中，费城半导体指数均表现出领先性，比如 2019 年 6 月半导体月销售额同比增速触底，费城半导体指数从 2018 年 11 月开始连续跑赢纳斯达克指数；2021 年1 月开始半导体月销售额同比增速明显提升，费城半导体指数从 2020 年 9 月开始连续跑赢纳斯达克指数。

　　从产品类别来看，存储芯片的波动性最大。根据 WSTS 的数据，2011-2021年全球半导体销售额增速的最大值为 2021 年的 26.2%，最小值为2019 年的-12.0%。在各子行业中，存储芯片由于价格波动大，增速变动范围最大，2011-2021年增速的最大值为 2017 年的 61.5%，最小值为 2019 年的-32.6%。光电器件、传感器/执行器、微处理器波动性弱于行业整体，模拟芯片、分立器件波动性与行业整体接近。

　　从产业链环节来看，半导体设备销售额波动较大，半导体材料销售额波动较小。从 2015-2021 年来看，半导体设备销售额的增速波动较大，2017、2021 年的增速分别为 37.3%、44.2%，远高于半导体销售额的 21.6%、26.2%和半导体材料销售额的 9.6%、15.9%。从增速变化来看，半导体、半导体设备、半导体材料整体保持一致，不过半导体材料销售额波动幅度较小，且在上一轮周期中增速见顶年份为2018 年，晚于半导体和半导体设备的 2017 年。

　　不同周期中各半导体企业股价表现存在差异，与当期半导体周期催化因素有关。通过比较 SUMCO、应用材料、美光、联发科、英飞凌、台积电与费城半导体指数的股价走势，可以发现在 2016 和 2020 年的两轮半导体周期中，各公司的股价表现存在明显差异。其中，2016 年上涨中美光、应用材料、SUMCO 表现较好，主要是因为本轮周期的最大催化因素是存储芯片供需失衡带来大幅涨价，进而引发存储大厂进行大规模投资，在这轮周期中，存储及其上游是最大受益环节。2020 年上涨中联发科、台积电率先上涨，本轮周期中最大催化因素是疫情导致整个行业供需失衡，从而缺芯涨价。在本轮周期中晶圆产能紧缺，台积电是全球最大的晶圆代工厂，受益明显；联发科除受益行业趋势外，还受益于华为海思受限后的份额提升。随着晶圆产能持续紧缺，各大 IDM 和晶圆代工厂进行大额资本开支，应用材料从 2020 年底快速上涨跑赢费城半导体指数。

　　目前半导体处于景气下行阶段，预计 2023 年同比减少4.1%。根据SIA 的数据，全球半导体月销售额的同比增速自 2022 年 1 月以来持续收窄，目前处于景气下行阶段。同时，WSTS 在 11 月底更新了今明两年全球半导体市场规模的预测值，分别同比增长 4.4%/-4.1%至 5801/5566 亿美元，增速较8 月预测的13.9%/4.6%明显下调，细分品类中模拟芯片和 OSD 明年有望维持正增长，预计模拟芯片和分立器件明年分别增长 1.6%和 2.8%。

　　摩尔定律由英特尔创始人之一戈登·摩尔在 1965 年提出，是指集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过 18 个月到 24 个月便会增加一倍。根据摩尔定律，半导体厂商不断缩小工艺制程，从微米级发展到纳米级，摩尔定律是推动半导体技术发展的主要动力。 半导体工艺主要包括 BJT、PMOS、NMOS、CMOS、BiCMOS、BCD、HV-CMOS 等。BJT 工艺（Bipolar Junction Transistor，双极型晶体管）：1947 年，贝尔实验室制造出第一只点接触晶体管，1949 年肖克利提出PN 结和双极型晶体管理论；1951 年贝尔实验室制造出第一只锗双极型晶体管，1956 年德州仪器制造出第一只硅双极晶体管。双极性晶体管也称为三极管，由不同掺杂浓度的发射极、基极、集电极构成，包括 NPN 和 PNP 两种结构形式，属于电流控制器件，工作时涉及电子和空穴两种载流子的流动，通常用于电流放大型电路、功率放大型电路和高速电路。 双极型工艺制造流程简单、成本低、成品率高，在电路性能方面具有高速度、低噪声、高模拟精度、强电流驱动能力等优势，一直在高速电路、模拟电路和功率电路中占主导地位，但由于集成度低、功耗大，纵向尺寸无法随横向尺寸比例缩小，所以在超大规模集成电路 VLSI 中受到限制，20 世纪70 年代在逻辑运算领域逐步被 NMOS 和 CMOS 工艺取代。

　　PMOS 工艺（Positive channel Metal Oxide Semiconductor，P 沟道金属氧化物半导体）：PMOS 工艺出现在 20 世纪 60 年代，是最早出现的MOS 工艺，制作在n型衬底上，由源极、栅极、漏极构成，其中栅极主要是金属铝，属于电压控制器件，工作时依靠空穴导电。由于功耗低，PMOS 适合用于逻辑运算集成电路，但是空穴迁移率低导致 PMOS 速度慢，因此主要应用于手表、计算器等对速度要求低的领域。 NMOS 工艺（Negative channel Metal Oxide Semiconductor，N 沟道金属氧化物半导体）：NMOS 工艺出现在 20 世纪 70 年代初期，制作在p 型衬底上，由源极、栅极、漏极构成，其中栅极由铝逐步变为多晶硅，属于电压控制器件，工作时依靠电子导电。由于电子迁移率远高于空穴，NMOS 工艺出现后迅速取代了PMOS工艺。与双极型工艺相比，NMOS 的集成度更高，光刻步骤更少，因此成本更低。但是随着集成度的不断提高，功耗和散热成为限制芯片性能的瓶颈，NMOS 工艺在超大规模集成电路中的应用受到限制。

　　CMOS 工艺（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体）：CMOS 是将 NMOS 和 PMOS 制造在同一个芯片上，利用互补对称电路来配置连接 PMOS 和 NMOS 从而形成逻辑电路，静态功耗理论上接近零，于1963 年首次提出。1966 年美国无线电公司研制出首颗 CMOS 工艺门阵列集成电路，但由于当时工艺技术的落后，CMOS 工艺的集成电路不高，速度很慢，而且容易烧毁电路，CMOS并未得到大规模应用。直到 20 世纪 70 年代，雷火竞技LOCOS（硅局部氧化）隔离技术被发明，以及光刻、离子注入技术的进步，CMOS 在集成度、功耗、成本等方面的优势显现，20 世纪 80 年代 CMOS 工艺成为超大规模集成电路的主流工艺。

　　BiCMOS、BCD、HV-CMOS 等特殊工艺：特殊工艺主要来自两种及以上工艺的组合，可以集合各自的优点。其中 BiCMOS 工艺将双极型和CMOS 器件制造在同一个芯片上，目前主要用于 RF 电路、LED 控制驱动和 IGBT 控制驱动；BCD 工艺将双极型、CMOS 和 DMOS（扩散 MOS）器件制作在同一芯片上，由意法半导体在1986年率先研发成功，其中 DMOS 器件可以耐高压，适合高压功率部分，BCD 工艺主要用于电压管理、显示驱动等；HV-CMOS 将高压 MOS 和 CMOS 制作在同一芯片上，高压MOS器件可以承受高压，但电流驱动能力较弱，成本低于BCD 工艺，适合只需要驱动高压信号，而没有大功率要求的芯片，主要用于 ACDC、DCDC、高压数模混合电路、LCD 和 LED 屏幕驱动等。

　　半导体工艺遵循摩尔定律不断缩小制程，集成度不断提高。传统意义中，半导体工艺制程指栅极的宽度（Gate Length），遵循摩尔定律，半导体工艺制程不断缩小。1971 年英特尔微处理器 4004 采用 10um PMOS 工艺，集成2300 个晶体管；1974年英特尔微处理器 8080 采用 6um NMOS 工艺，集成6000 个晶体管；1978年英特尔微处理器 8086 采用 3um CMOS 工艺，集成 2.9 万个晶体管；1993 年英特尔奔腾60 采用 0.80um 工艺，集成 310 万个晶体管；2004 年英特尔奔腾4E 处理器采用90nm 工艺，集成 1 亿个晶体管；2022 年 AMD 锐龙7000 处理器中的CUP 核采用台积电 5nm 工艺，集成 66 亿个晶体管。与逻辑制程CMOS 严格按照摩尔定律推进不同，BCD 工艺朝着高压、高功率、高密度方向发展，制程缩进明显慢于CMOS工艺。

　　More Moore 路线继续缩小制程，新型晶体管被采用。2005 年ITRS（InternationalTechnology Roadmap for Semiconductors）首次提出“More Moore”和“MorethanMoore”两种方向，其中 More Moore 延续之前的整体思路，在器件结构、沟道材料、连接导线、高介质金属栅、架构系统、制造工艺等方面进行创新研发，继续沿着摩尔定律缩小数字集成电路的特征尺寸。在制程进入20nm 以下时，原有的Planar FET（平面场效应晶体管，一面有栅极）面临漏电和栅极对通道控制不足等问题，为了继续提高集成度，FinFET(鳍式场效应晶体管，三面有栅极)和GAAFET（全栅场效应晶体管，四面有栅极）被研发出来。英特尔最早于 2011 年推出商业化的 FinFET 工艺技术并应用于22nm 制程工艺，之后台积电、三星等厂商陆续跟进，工艺制程顺利推进到5nm。目前，台积电、三星均在积极研发 3nm、2nm 制程，除台积电 3nm 制程继续采用FinFET 外，其他预计均将采用 GAAFET。随着 GF 在 2018 年宣布退出 7nm 研发，全球10nm 以下制程的参与者仅剩台积电、三星、英特尔。

　　先进制程的成本快速提升且接近物理极限，先进封装获重视。随着工艺制程进入10nm 以下，芯片设计成本快速提高。根据 International Business Strategies（IBS）的数据，16nm 工艺的芯片设计成本为 1.06 亿美元，5nm 增至5.42亿美元。同时，由于先进制程越来越接近物理极限，摩尔定律明显放缓，侧重封装技术的More than Moore 路径越来越被重视。 2008 年台积电成立集成互连与封装技术整合部门，专门研究先进封装技术；2011年推出 2.5D 封装技术 CoWoS（Chip On Wafer On Substrate）；2014 年开始研发先进封装技术 InFO（Integrated Fan-Out）；2018 年公司宣布研发3D 封装技术SoIC（System on Integrated Chips），预计将在 2022 下半年完成初步验证；2020年公司将这些先进封装技术统一纳入 3D Fabric 技术平台，为客户提供更大的芯片设计灵活性。

　　半导体产业初期均采用 IDM 经营模式，终端大厂的半导体部门逐渐被剥离。半导体产业发展初期，除初创半导体企业外，终端大厂也通过设立半导体部门积极参与，且都采用 IDM 经营模式，需要自己建立工厂。随着产业发展，新产品的研发费用和新工厂的投资金额等大幅提高，以满足本公司半导体产品需求为主的半导体部门无法获得规模优势，在亚洲金融危机、互联网泡沫期间出现大幅亏损，各终端厂纷纷通过出售相关半导体业务或拆分为独立公司以改善财务报表。比如西门子 1999 年将半导体业务分拆为英飞凌，雷火竞技摩托罗拉2004 年将半导体业务分拆为飞思卡尔（2015 年被恩智浦收购），飞利浦 2006 年将半导体业务分拆为恩智浦。基于供应链安全和提升性能，部分终端大厂涉足半导体领域。从现在来看，虽然半导体独立供应商仍是主流，但越来越多终端大厂涉足半导体领域。我们认为，原来苹果采用自己的 A 系列芯片、华为采用自己的麒麟芯片等更多的是基于提高产品竞争力的角度，同时手机销量也使研发投入具有规模效应，所以涉足半导体领域更多的是基于商业逻辑；而现在，更多的终端大厂涉足半导体领域是基于供应链安全的考虑，除了手机这种大单品厂商外，汽车、家电等终端厂商也逐渐参与进来，且大部分采用 Fabless 的模式。另外，部分终端厂商也通过股权投资的角度加强与半导体厂商的合作关系。

　　安靠、台积电开创封测、晶圆代工外包模式，半导体产业开启分工协作模式。1968年安靠成立，专门从事半导体的封装测试业务。1987 年台积电成立，专门从事半导体的晶圆代工业务。半导体产业 Fabless 芯片设计+Foundry 晶圆代工+OSAT外包封测的经营模式形成。由于不需要进行大额的晶圆厂投资，越来越多的新企业采用 Fabless 模式，比如 1985 年成立的高通，1993 年成立的英伟达。另一方面，为了减轻折旧压力及获得外部晶圆厂先进技术，部分IDM 大厂通过剥离晶圆厂变为 Fabless 设计公司，比如 1969 年成立的 AMD 在 2009 年剥离了晶圆厂。为了综合 IDM 和 Fabless 两种模式的优势，Fab-Lite/虚拟IDM 经营模式逐渐盛行。IDM 模式拥有自己的晶圆厂，在产能保障和研发协同效率方面存在优势，但大额的晶圆厂建设若不能满载将存在较大的折旧压力，拖累企业经营；而Fabless企业由于不需要自己建厂，资金投入压力小，但在产能短缺时可能无法获得足够的产能保障，在部分产品研发效率上也低于 IDM 厂商，尤其是在特殊工艺方面。为了能提高研发效率和保证特殊工艺的获得，同时降低资金投入压力，部分厂商选择 Fab-Lite/虚拟 IDM 的经营模式，自建部分产线或自研工艺平台。一方面，传统 IDM 企业逐渐通过外部代工厂获得新增产能需求，比如ADI、安森美等；另一方面，传统 Fabless 厂商通过建设部分特殊产线拥有自建的产能，比如卓胜微、斯达半导等，或者通过自研工艺平台获得工艺优势，比如MPS、杰华特等。

　　全球前十大半导体厂商中 Fabless 企业数量增加。2021 年全球前十大半导体企业（不含纯晶圆代工厂）中，新进了两家公司，分别是中国台湾的Fabless企业联发科和美国的 Fabless 企业 AMD，取代了 2020 年的苹果和英飞凌。其中联发科销售额增长 61%，从第 11 位上升到第 8 位，AMD 销售额增长68%，从第14 位上升到第 10 位。总的来看，全球前十大半导体厂商中，Fabless 企业数量在增加，2000年全是 IDM 企业，2008 年首家 Fabless 企业高通进入全球前十大，2021 年Fabless企业增加到五家。

　　美国发明了晶体管和集成电路，是半导体产业的发源地。1947 年，全球第一个晶体管诞生于美国贝尔实验室，肖克利被誉为“晶体管之父”，1957 年美国第一个轨道卫星“探测者”首次使用晶体管技术；1958 年德州仪器的基尔比采用锗材料制作了第一块集成电路概念样品并申请了专利；1959 年，仙童半导体公司的诺伊斯发明了平面工艺技术，使集成电路可商业化生产。美国半导体发展初期主要依赖政府订单。之后这些早期培养的人才分散开来，在硅谷创立了众多半导体公司，包括有名的“八叛逆”创立的仙童半导体，以及从仙童半导体出来的员工创立的英特尔、AMD 等。 半导体产业已完成两次产业转移，近年产业链出现逆全球化趋势。第一次是1980s由美国转移到日本，产生了东芝、富士通等日本世界级半导体公司；第二次是1990s 从日本转移到韩国、中国台湾，这期间大规模集成电路开始生产，培育了三星、台积电等半导体公司。经过前两次半导体产业转移，半导体产业链形成了全球分工合作的模式。但随着这两年全球国际形势日益复杂，各国基于供应链安全考虑，均在加大本土半导体产业投资，引入本土供应商，出现逆全球化发展的趋势。

　　日本通过 VLSI 计划缩小与美国的差距。1973 年世界石油危机后，欧美经济停滞，美国逐渐减少在半导体领域的投资，此时美国对日本还有5 年左右的技术优势。而这期间，日本却加大了投资。1974 年，日本政府批准VLSI（超大规模集成电路）计划；1976-1979 年，日本成立“VLSI 共同研究所”，来自日立、三菱、富士通、东芝、日本电气的研究人员共同进行技术研究，共取得1000 多项专利。该计划的实施缩小了日本与美国的技术差异，之后 64Kbit DRAM 研发成功比美国早半年，256Kbit DRAM 研发成功比美国早一年。 20 世纪 80 年代日本半导体超越美国，达到历史顶峰。随着大型计算机的兴起，日本凭借高可靠 DRAM 产品不断抢占市场，20 世纪80 年代，日本公司在DRAM产品领域已全面领先，1986 年在全球 DRAM 的市占率达到80%，远远超过美国。1989年，日本集成电路产品的全球市占率达到 53%，领先于美国的37%。1990年，全球前十大半导体企业中有 6 家来自日本，分别是 NEC、东芝、日立、富士通、三菱、松下。

　　由于美国的打压和错过个人计算机，20 世纪 90 年代日本半导体由盛转衰。随着日本半导体崛起动，美日围绕半导体的贸易摩擦开始激化。1985 年，美国半导体企业提出反倾销诉讼，同年“广场协议”签订，日元升值；1986 年，美日签署半导体协议引入了价格监督制度并约定提高美国半导体产品在日本国内市场的份额；1987 年，美国宣布对含日本芯片的日本产品征收反倾销税等报复措施。另一方面，大型计算机逐渐向个人计算机转变，对 DRAM 的要求由高可靠性向快速更新且低价转变，但是日本企业未能及时调整战略，仍执着于研发寿命长、性能高的DRAM 产品，错过了个人计算机的时代。日本半导体产业由盛转衰，到2012年日本已经不存在 DRAM 企业。 目前日本仍在全球半导体产业中占有重要位置，尤其是半导体设备和材料领域。虽然现在日本半导体产业不如 20 世纪 80 年代，但仍然在部分领域占据重要位置。比如索尼是全球最大的 CIS 供应商，瑞萨是全球主要的MCU 供应商。另外，日本培养了一批优秀的半导体上游企业，在全球半导体设备和半导体材料领域举足轻重。在全球前十大半导体设备企业中，日本占据五家；在半导体硅片领域，日本信越化学和 SUMCO 合计市占率超过 50%。

　　政府支持+大财团参与，韩国 DRAM 技术超过美国和日本。二十世纪60 年代，主要参与半导体封测环节。20 世纪 70 年代韩国经济受到威胁，为此，韩国政府1973年宣布“重工业促进计划”；1975 年，韩国政府制定推动半导体产业的六年计划，建立了韩国高级科学技术研究院；1976 年，建立韩国电子技术研究所；1981年，韩国政府通过《半导体工业综合发展计划》以支持4Mbit、256Mbit DRAM的开发。同时，三星、现代、 也开始进军半导体。1986 年，韩国将4Mbit DRAM列为国家项目，将三星、现代、 组成联盟，该项目的研发成功，缩小了与美日之间的差距，也培养了企业的独立研发能力。1992 年，韩国与美日同期研发制造出64MbitDRAM；1995 年，韩国率先生产出 256Mbit DRAM。 抓住个人计算机兴起的机会，利用逆周期投资抢占全球存储市场。随着个人计算机的兴起，韩国三星等企业推出寿命短但价格低的DRAM 产品，迅速抢占日本产品的市场份额。之后韩国多次进行逆周期投资，即在需求不景气、DRAM 价格大幅下滑的情况下，与美日厂商大幅削减资本开支不同，韩国企业加大投资扩产，当市场回暖的时候抢占份额。二十世纪末韩国 DRAM 市占率超过日本，成为全球第一，且市占率持续攀升。目前，韩国三星、海力士仍然是全球前十大半导体厂商。

　　电子研究所吸收半导体技术后向企业界转移，中国台湾拥有全球最大的晶圆代工厂和外包封测厂。与韩国类似，基于成本考虑，20 世纪60 年代，美国半导体厂商在中国台湾设立封装厂。1974 年，中国台湾设立电子研究所，集中人力、物力、财力开始发展自主的半导体技术；1976 年，引进 RCA 5um 集成电路制造技术和设计技术；1978 年，电子研究所成功掌握 CMOS 技术，建成CMOS 集成电路示范工厂；1979 年，电子研究所向企业界转移生产技术和设计技术。20 世纪80 年代，中国台湾成立了联华电子、台积电、华邦等企业。目前，中国台湾拥有联发科、台积电、日月光等全球半导体知名企业。

　　经过第二次半导体产业转移，日本企业市占率下降，美国恢复至全球第一，日本以外的亚洲地区企业市占率上升。从半导体企业总部所在地区来看，日本企业在全球半导体市场的份额持续下降，从 1990 年的 49%下降到2021 年的6%；欧洲企业下降幅度低于日本，从 1990 年的 9%下降到 2021 年的6%；北美保持稳健上升趋势，从 1990 年的 38%上升到 2021 年的 54%；得益于韩国和中国台湾半导体企业的发展，日本以外的其他亚洲地区份额提升明显，从1990 年的4%提升到2021年的34%，半导体销售额 31 年的 CAGR 为 15.9%，约两倍于行业的8.2%。

　　美国在研发密集的领域保持领先地位，亚洲地区在资本密集和劳动力密集的领域领先。根据 SIA 的报告，在研发密集的 EDA/IP 核、逻辑、半导体设备、DAO（分立器件、模拟器件、光电子器件），美国市占率领先，2021 年分别为72%、67%、42%、37%；研发密集领域仅存储芯片市占率较低，为28%，明显低于韩国的58%。在资本密集的材料和晶圆制造领域，各国市占率差异较小，亚洲主要地区合计市占率约 73%。在资本和劳动力密集的封测领域，中国市占率最高，为38%。总的来说，在半导体价值链中，美国占比 35%，中国占比11%。

　　半导体衬底的研究始于 19 世纪，至今已发展至第四代半导体材料，各个代际半导体材料之间互相补充。 第一代半导体：以硅（Si）、锗（Ge）等为代表，是由单一元素构成的元素半导体材料。硅半导体材料及其集成电路的发展导致了微型计算机的出现和整个信息产业的飞跃。 第二代半导体：以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等为代表，也包括三元化合物半导体，如 GaAsAl、GaAsP，还包括一些固溶体半导体、非静态半导体等。随着以光通信为基础的信息高速公路的崛起和社会信息化的发展，第二代半导体材料显示出其优越性，砷化镓和磷化铟半导体激光器成为光通信系统中的关键器件，同时砷化镓高速器件也开拓了光纤及移动通信的新产业。 第三代半导体：以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化锌（ZnO）为代表的宽禁带半导体材料。具备高击穿电场、高热导率、高电子饱和速率及抗强辐射能力等优异性能，更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率电子器件，在半导体照明、新一代移动通信、能源互联网、高速轨道交通、新能源汽车、消费类电子等领域有广阔的应用前景。 第四代半导体：以氧化镓（Ga2O3）、金刚石（C）、氮化铝（AlN）为代表的超宽禁带半导体材料，禁带宽度超过 4eV；以及以锑化物（GaSb、InSb）为代表的超窄禁带半导体材料。超宽禁带材料凭借其比第三代半导体材料更宽的禁带，在高频功率器件领域有更突出的特性优势；超窄禁带材料由于易激发、迁移率高，主要用于探测器、激光器等器件的应用中。

　　基于成本优势，各类半导体衬底材料都朝着大尺寸方向发展。以半导体硅片为例，1964 年商用尺寸为 1 英寸，之后尺寸逐渐增大，1984 年量产8 英寸，2001年量产 12 英寸，主要是因为大尺寸硅片可带来显著的经济效益，比如12 英寸硅片的面积是 8 英寸的 2.25 倍，可使用率是 8 英寸的 2.5 倍左右，单片可产出的芯片数量增加，单个芯片的成本随之降低。目前半导体硅片商用的最大尺寸为12英寸，GaAs、SiC 商用的最大尺寸为 8 英寸。

　　与 Si 相比，SiC 在耐高压、耐高温、高频等方面具备优势，是材料端革命性的突破。SiC 击穿场强是 Si 的 10 倍，这意味着同样电压等级的SiC MOSFET 外延层厚度只需要 Si 的十分之一，对应漂移区阻抗大大降低；且SiC 禁带宽度是Si的3倍，导电能力更强。同时，SiC 热导率及熔点非常高，是Si 的2-3 倍。此外，SiC电子饱和速度是 Si 的 2-3 倍，能够实现 10 倍的工作频率。

　　与 IGBT 相比，SiC 可以同时实现高耐压、低导通电阻、高频三个特性。在600V以上的应用中，对于 Si 材料来说，为了改善由于器件高压化所带来的导通电阻增大的问题，主要使用绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）等为代表的少数载流子器件。IGBT 中，由于少数载流子积聚使得其在关断时存在拖尾电流，继而产生较大的开关损耗，并伴随发热。而 SiC 是具有快速器件结构特征的多数载流子器件，开关关断时没有拖尾电流，开关损耗减少 74%。

　　碳化硅的加入还可使得系统整体成本下降，以 22kW 双向OBC 为例，SiC 系统成本与 Si 相比，减少了 15%；同时能量密度是 Si 系统的1.5 倍，通过减少能耗每年可减少 40 美元左右的单位成本。

　　起步于内存，成就于处理器。英特尔成立于 1968 年，1971 年上市，早期以做内存为主，20 世纪 70 年代，内存市场占有率最高超过90%；20 世纪80 年代受日本企业低价策略冲击，公司经历内存危机；1985 年公司战略转型为处理器公司，1992年将处理器更名为奔腾（Pentium），同年营收约58 亿美元，成为全球最大的半导体公司。公司采用 IDM 经营模式。 “Wintel”联盟使英特尔在 PC 时代快速成长，“Intel Inside”家喻户晓。1981年 IBM 正式推出全球第一台个人电脑（PC）IBM 5150，采用微软的磁盘操作系统DOS1.0，配置英特尔 X86 架构 16 位处理器 8088；1985 年，东芝推出T1100，这款产品被其誉为“全球首款面向大众市场的笔记本电脑”。为了保持兼容性，大部分 PC 厂商采用微软的操作系统和英特尔的处理器，“Wintel”联盟在20世纪80 年代形成；1991 年，雷火竞技英特尔首次推出品牌标语“Intel Inside”，长期占据全球 PC 处理器 90%以上份额。

　　1986 到 2000 年英特尔成功转型，在 PC 时代迎接戴维斯双击。根据彭博的数据雷火竞技，随着 PC 推向大众，英特尔 FY00（财年截止日期：12 月最后一个周六）的收入是FY87 的 18 倍，净利润是 42 倍；2000-2011 年 PC 销量逐渐渗透完成，2011年销量达到历史顶点 3.64 亿台，FY11 英特尔收入和净利润分别是FY10 的1.6、1.2倍；FY21 英特尔收入和净利润分别为 790 亿美元、199 亿美元，是FY10的2.3、1.9 倍。从 PS 和 PE 估值来看，2000 年前整体呈上升趋势，在互联网泡沫期达到顶点，其中 PS 最高点为 1999 年的 5.6 倍，PE 最高点为2001 年的36.3 倍；2010年后 PS 估值区间为 1.5-3.5 倍，PE 区间为 7-15 倍。

　　1987 到 1998 年英特尔股价大幅跑赢纳斯达克指数，1999 年底股价相比1986年底涨幅达 95 倍。1987 年英特尔实现扭亏为盈，全年股价上涨89%，大幅优于纳斯达克指数下跌 5%的表现；1987-1998 年英特尔大幅跑赢纳斯达克指数。1999年为互联网泡沫时期，纳斯达克指数上涨 86%，英特尔仅上涨39%；截至1999年底，英特尔股价相比 1986 年底涨幅达 95 倍，而 2019 年底股价相比2010 年底涨幅为2.8 倍。

　　智能手机时代——成就手机处理器龙头高通，股价涨幅集中在通信标准确立的年份

　　将 CDMA 技术用于移动通信，3G 时代取代 GSM 成为主流。高通成立于1985年，1991年上市。1989 年公司将 CDMA（码分多址）技术用于移动通信，1990 年韩国与高通签署 CDMA 技术转移协议，CDMA 为韩国唯一的 2G 移动通信标准；1993年CDMA被美国电信工业协会采纳，成为行业标准。但从全球来看，2G 时代欧洲主导的GSM（全球移动通信系统）技术仍是主流。由于 CDMA 技术相比GSM 在通话质量、速率等方面具有优势，1999 年国际电信联盟将 CDMA 选做3G 技术，CDMA 技术成为3G时代的主流。 聚焦专利授权和手机芯片业务，成为全球手机芯片龙头。1999 年高通放弃手机业务和系统业务，专注于芯片技术研发，2007 年超越德州仪器，成为全球手机芯片第一大供应商，采用 Fabless 经营模式。根据 iSuppli 的数据，2007 年高通在全球手机芯片销售额市占率为 19%，2012 年攀升至 31%。根据Strategy Analytics，2021 年高通在手机基带处理器收入的市占率高达 56%。另一方面，由于掌握大量CDMA 技术专利，高通向通信厂商和手机厂商收取专利费，比如按照手机整机销售额的 3%-5%收取专利费。

　　1990s 标准形成期业绩估值双升，2002-2014 年随着智能手机普及进入业绩收获期。1990s 是高通推广 CDMA 技术的阶段，并于 1999 年取得标志性胜利雷火竞技。根据彭博的数据，高通 FY99（财年截止日期：9 月最后一个周日）的收入是FY93的23倍，净利润是 17 倍，FY93-FY99 收入和净利润的 CAGR 分别为69%、60%。同时，作为成功改写通信标准的挑战者，高通得到资本市场的高度认可，1999 年上涨25倍，PS 为 17.7 倍，PE 为 185.5 倍。2000 年后随着智能手机的快速普及，公司业绩继续增长，FY02-FY14 收入和净利润的 CAGR 分别为20%、29%，但该阶段估值呈下降趋势，PS 和 PE 分别由 2002 年的 5.5、43.4 倍降至2014 年的3.6 和11.0倍。

　　高通股价在 1999 年大幅跑赢纳斯达克指数，1999 年底股价相比1992 年底涨幅达118 倍。与英特尔 2000 年前连续跑赢纳斯达克指数不同，高通股价表现集中在有催化因素的年份，比如 1993 年 CDMA 技术被美国采纳，公司股价上涨119%，跑赢纳斯达克指数 104pct；1999 年 CDMA 技术被选为 3G 技术，公司股价上涨26倍，优于纳斯达克指数的 86%；FY04/FY05 公司净利率高达35%/38%，2004 年公司股价上涨 58%，优于纳斯达克指数的 9%；2008 年 3G 发布使3G 手机逐渐成为主流，因此虽然 2008 年纳斯达克指数下跌 41%，公司股价仅下跌8%。公司股价上涨幅度集中在九十年代，1999 年底相比 1992 年底涨幅达118 倍，而2014年底股价相比 2002 年底涨幅为 3.8 倍，2021 年底股价相比2018 年底涨幅为2.5倍。

　　存储芯片需求整体随数据量增加提升，但由于大宗属性存在明显周期性。1966年DRAM 由 IBM 发明，1970 年英特尔推出第一款成熟商用的DRAM 芯片C1103，之后TI、莫斯泰克等厂商入局，1987 年东芝推出全球首个NAND 芯片并于2007年提出3D NAND 架构。由于存储芯片具有大宗属性，产品可替代性强，又需要重资产投资，因此存储芯片具有明显的周期性，价格波动较大。

　　存储芯片从群龙混战走向寡头竞争，美光科技成为美国硕果仅存的存储公司。存储芯片竞争格局多次发生变迁：1970s，以美国企业为主，但市占率第一的企业从早期的英特尔变为后期的莫斯泰克，两家企业都曾占据全球80%以上的DRAM份额，1978 年莫斯泰克的员工出来创立了美光科技并于 1984 年上市；1980s，从美国向日本转移；1990s，从日本向韩国转移。1990s 后期到2010 年附近，随着存储厂投资额越来越大，规模效应对于抵抗周期风险越来越重要，存储厂进入产业整合阶段，退出、破产、兼并频发，包括 2009 年奇梦达破产、2012 年尔必达被美光收购，存储芯片进入寡头垄断竞争格局，主要参与者包括三星、海力士、美光、铠侠等。根据TrendForce的数据，2Q22美光DRAM市占率24.5%，NAND市占率12.6%。

　　收入受益数据量增加呈上升趋势，净利润和估值波动较大。随着PC、智能手机等应用的出现，数据量不断增加带动存储容量需求持续走高，公司收入在波动中整体呈上升趋势。但是存储价格周期性波动幅度较大，且固定资产折旧成本较高，公司净利润盈亏波动大，尤其在 2000-2012 产业整合期间。2013 年后随着寡头竞争格局形成，盈利的持续性有所改善，仅 FY16 略有亏损，但盈利规模仍波动明显。鉴于此，我们考察公司 PS 和 PB 估值情况，2000 年前估值较高，2000-2012年估值有所下降，2012 年后有所回升，2013-2021 年 PS 估值区间为1.0-3.2倍，PB估值区间为 1.0-3.8 倍，PS 和 PB 历史上最低值为2008 年的0.4。

　　美光科技擅长在行业低谷进行收购，之后随着存储价格上涨股价大幅跑赢纳斯达克指数。与三星逆周期建厂类似，美光科技通过逆周期收购实现低成本扩张。随着新增产能在存储价格上涨周期释放，公司股价明显跑赢纳斯达克指数，比如2013年公司股价上涨243%，纳斯达克指数仅上涨38%，费城半导体指数仅上涨39%。随着寡头竞争格局进入稳态阶段，大额收购机会相对较少，公司股价的超额收益在减弱，即使在 2016、2017 年存储芯片价格大涨的背景下也仅跑赢47pct、59pct。

　　显卡领域的后起之秀，发明 GPU。英伟达成立于 1993 年，1999 年上市。公司成立时全球有 20 多家图形芯片公司，三年后飙升至 70 家。20 世纪80 年代的图形显示适配器仅具有图像输出功能，图形运算完全依靠CPU，首款具有计算能力的图形芯片于 1991 年由 ATI 推出。1995 年英伟达推出自己的首款图形芯片NV1，由于兼容性不足，销量不佳，公司陷入困境，这次失败使公司意识到市场的重要性；1997 年推出支持微软 Direct3D 加速的图形芯片 Riva 128；1999 年推出的RivaTNT2 成为性能王者，奠定公司显卡地位，同年发明GPU，启用GeForce 品牌推出的全球首款 GPU 产品“GeForce256”具备硬件 T&L 处理能力，可降低CPU负载。将 GPU 的应用从图形图像处理推向通用计算，英伟达成AI 时代大赢家。2000年公司发布全球首款笔记本 GPU，并于年底收购 3DFX，成为显卡市场全球第一。2001年提出“黄氏定律”，即英伟达产品每 6 个月升级一次，功能翻一番。仅用作图形图形处理的 GPU 天花板有限，同时 CPU 在高算力时代力不从心，21 世纪初期英伟达有意将 GPU 推向通用计算。2006 年公司推出通用并行计算架构CUDA（ComputeUnified Device Architecture），使 GPU 能够解决复杂的计算问题；2012年ImageNet 计算机视觉识别比赛冠军使用了英伟达的GPU，充分展示了GPU在AI计算中的潜力；2015 年搭载 TEGRA X1 的 NVIDIA DRIVE 问世，NVIDIA 正式投身于深度学习领域。在 AI 和 GPU 互相成就的年代，英伟达成为大赢家。

　　2008 年受显卡门事件影响，2015 年后在 AI 产业化趋势和比特币挖矿潮中迎戴维斯双击。2000 年前后公司在显卡领域战胜竞争对手，随着2006 年ATI 被AMD收购，公司成为唯一一家仍在独立运营的 GPU 公司。在2008 年显卡门事件之前，公司发展态势较好，根据彭博的数据，英伟达 FY08（财年截止日期：1 月最后一个周日）的收入是 FY99 的 26 倍，净利润 193 倍，FY99-FY08 收入和净利润的CAGR分别为 44%、79%。由于 2008 年推出的 GPU 产生高温高热，导致花屏、白屏甚至无法开机，公司 FY09-FY10 出现亏损，FY10-FY16 业绩逐渐恢复。2015 年基于深度学习的人工智能算法在图像识别领域的准确率首次超过人类肉眼，AI 开始走出实验室，进入产业化。公司 FY16-FY22 收入和净利润的CAGR分别为 32%、59%，估值也在 AI 浪潮和比特币挖矿潮中快速走高，PS 和PE分别由2015 年的 3.6、24.2 倍提高至 2021 年底的 36.6 和103.7 倍。

　　英伟达股价在 2008 年前和 2015 年后大幅跑赢纳斯达克指数，2021 年底股价相比2014 年底涨幅达 60 倍。公司作为显卡领域的后起之秀，2000 年底收购对手3DFX成为行业第一，2006 年对手 ATI 也被 AMD 收购，1999-2007 年是公司行业地位不断提高的阶段，公司股价长期跑赢纳斯达克指数，即使在2000 和2001 年互联网泡沫时期，公司的年涨幅分别达 79%、329%。2008 年在显卡门事件冲击下，公司股价大跌 76%。2015-2021 年公司持续受益 AI 应用、比特币矿机对算力需求的增加，股价再次长期跑赢纳斯达克指数，2021 年底股价相比2014 年底涨幅达60倍。

　　碎 片 化 场 景 — — 辅 芯 片 更 为 受 益，德州仪器、英飞凌股价在2015-2021 年间表现较优

　　半导体需求由单品推动转向多点开花，辅芯片更为受益。从需求侧来看，半导体过去最重要的推动力来自 PC 和智能手机，根据 IDC 的数据，两者年销量的峰值分别为 3.6 亿和 14.7 亿。单品推动背景下，单机价值量最大的主芯片成为最大赢家，早就了英特尔、高通等全球巨头。在智能手机之后，尚未出现单品过亿的大终端，TWS 耳机虽然 2021 年销量达 3 亿台，但其仅是配套设备；汽车虽然有望成为下一代终端，但其全球销量不到 1 亿台，难以成就单芯片厂商。我们认为，TWS耳机、汽车、智能家居等都只是碎片化的物联网中的一部分，该阶段最明显的特点便是半导体需求多点开花，以模拟芯片、分立器件等为代表的辅芯片更为受益。德州仪器和英飞凌在聚焦汽车和工业市场后跑赢纳斯达克指数。与PC需要的CPU、手机需要的处理器等主芯片不同，模拟芯片、功率器件等属于辅芯片，单颗价值量不大，但应用范围和所需数量较多。除 PC、手机等大颗粒市场外，更广泛的应用于工业自动化、物联网、汽车电动化智能化等碎片化场景。德州仪器和英飞凌均在 2010 年后逐步聚焦汽车和工业市场，其中德州仪器在2012 年出售以手机和平板为导向的 OMAP 芯片业务，2013-2017 年大幅跑赢纳斯达克指数。英飞凌也在2012 年出售手机芯片业务，2015-2017 年大幅跑赢纳斯达克指数。

　　碎片化应用场景的公司股价在 2015-2021 年间表现较优，在2002-2014 年间表现弱于手机芯片厂商。2015 年全球智能手机销量同比增长10%至14.4 亿部，之后进入个位数增长甚至负增长，我们以 2015 年为分界线对比以手机、PC 大颗粒市场为主的公司和以工业、汽车、物联网等碎片化市场为主的公司。可以发现，2002-2014 年，以高通、思佳讯为代表的手机芯片厂商股价表现较优；2015-2021年，以意法半导体、德州仪器、英飞凌为代表的辅芯片厂商股价表现较优；英特尔由于集中在 PC 市场，在这两个阶段表现均比较一般；英伟达由于抓住了超算的需求，在两个阶段表现均较优，尤其是 2015-2021 年涨幅远高于其他公司。

　　2015-2021 年德州仪器股价的月涨跌幅波动较小。通过分析2015-2021 年英特尔、高通、英伟达、美光、英飞凌、德州仪器、意法半导体七家半导体公司的月涨跌幅情况，可以发现德州仪器波动幅度较小。从最大月涨跌幅来看，高通最大月涨幅达 51%，美光最大月跌幅达 33%，德州仪器最大月涨幅和最大月跌幅分别为16%和 13%，均远小于其他公司；从标准差来看，德州仪器最小，英伟达最大，代表德州仪器月涨跌幅波动较小；从月涨跌幅的中位数来看，英伟达为5.5%，远高于其他公司，剩余公司中意法半导体、德州仪器、英飞凌相对较高，分别为1.8、1.5%、1.4%。

　　1950s-1960s，我国晚于美国涉足半导体产业。1956 年研发出我国首只晶体管，晚于世界首只晶体管 9 年；1965 年研发出我国首只硅基集成电路，晚于世界首只集成电路 7 年。

　　1980s-1990s，政府主导，由国企通过合资企业引进技术。该阶段比较重要的包括 1986 年的“531 战略”、1990 年的“908 工程”、1995 年的“909”工程。其中 531 战略的目标是普及 5 微米技术、研发3 微米技术，攻关1微米技术，落实南北两个微电子基地，南方集中在江浙沪，北方集中在北京；908 工程要建成一条 6 英寸晶圆生产线，由无锡华晶承担，但由于审批、技术引进、建厂等环节拖延，2001 年才完成验收，投产即落后；909 工程要建成一条 8 英寸晶圆生产线，由上海华虹承担，也于2001 年完成验收。该阶段，国内初步具有一定的半导体生产能力，但对技术的吸收有限。

　　2000s-2010s，众多海归回国创业，但半导体产业发展受质疑。该阶段在硅谷从事半导体行业多年的人才开始回归创业，包括中芯国际、圣邦股份、兆易创新、澜起科技、汇顶科技等，国内半导体发展势头较好。但是随着2006年曝光、2003-2009 中芯国际在与台积电专利诉讼中失利等负面事件的影响，国内半导体产业发展受到质疑，政策和资金支持力度有所减弱，在摩尔定律背景下与国外的差距也进一步加大。

　　2010s 至今，美国限制加速半导体国产替代。2014 年我国印发《国家集成电路产业发展推进纲要》，设立国家集成电路产业投资基金，开始重新大力支持半导体产业。2018 年中兴通讯事件开始，美国对我国企业的半导体限制逐渐加大，华为、中芯国际等公司先后受到影响。在此背景，手机、家电、工业、汽车等国内终端厂商重视供应链安全，加速国产半导体导入，上一阶段成立的半导体企业获得了快速导入的窗口期。

　　我国集成电路产值 2010-2021 年的 CAGR 为 20%，其中设计产值占比提高。根据CSIA 的数据，我们集成电路产值从 2010 年的 1440 亿元逐年增至2021 年的1.05万亿元，CAGR 为 20%。其中 IC 封测产值的占比从 2006 年的51%降至2021 年的26%；IC 设计产值的占比自 2016 年首次超过封测，2021 年占比为43%；IC 制造产值的占比 2011 年最低降至 22%，之后逐年回升至 2021 年的30%。虽然我国集成电路产值不断增加，但净进口金额仍在攀升，2021 年达 2788 亿美元，创新高。

　　2021 年中国本土芯片产值占本土市场需求的比例仅16.7%，总部在中国的企业占比仅 6.6%。根据 IC Insights 的数据，2021 年中国芯片市场规模为1865亿美元，本土芯片产值仅 312 亿美元，自给率 16.7%，相比 2011 年仅提升4pct。而中国本土芯片产值中还包括总部不在中国的企业，总部在中国的企业产值仅123亿美元，在本土芯片产值中占比 39%，自给率仅 6.6%。IC Insights 预计到2026 年中国芯片市场规模将增长到 2740 亿美元，2021-2026 年的CAGR 为8%；本土芯片产值将增长到 582 亿美元，2021-2026 年的 CAGR 为 13.3%；自给率提高4.5pct 至21.2%。

　　SW 半导体收入增速在 2018 年触底后回升，2021 年底市值达3.19 万亿元。根据Wind 的统计，SW 半导体公司合计收入增速在 2018 年行业下行时仅8%，远低于2016、2017 年的 41%和 38%；2019-2021 年随着行业需求恢复和国产替代逐步兑现，收入增速逐年提高，2021 年为 37%，合计收入达 3439 亿元。随着上市公司数量增加以及收入的增加，SW 半导体公司合计市值在 2019-2021 年间快速攀升，2021年底市值达 3.19 万亿元；2022 年市值有所回落，截至2022 年11 月11日，SW半导体上市公司数量为 120 家，合计市值为 2.88 万亿元。

　　与全球龙头企业相比，我国封测环节差距最小。通过对比A 股半导体产业链上市公司和对应的全球龙头企业，可以看出我国封测环节差距最小，长电科技2021年的收入和净利润体量超过艾马克技术的 70%；功率器件方面，闻泰科技通过收购安世半导体缩小了与英飞凌的差距；EDA、半导体设备、模拟芯片、晶圆代工国内龙头不到全球龙头的 10%，CPU/GPU 这类具有生态属性的产品差距更为明显，不到 1%。

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