半导体专题研究三：半导体制造产业链梳理.pdf

请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 海外市场研究 Page 1 证券研究报告海外市场研究 港股/电子元器件 Table_IndustryInfo 半导体专题研究三 2020年02月07日 Table_BaseInfo 一年该行业与恒生指数、标普500、纳指走势比较 相关研究报告： 港股专题：疫情的风险偏好冲击将很快过去 2020-01-27 港股1月投资策略：春季攻势 2020-01-08 国信证券-体育用品行业阿里线上2019Q4销售数据-20200106 2020-01-06 行业重大事件快评：从Nike二季度业绩看体育产业链投资机会 2019-12-24 2020 年港股投资策略：全面牛市的号角 2019-12-09 证券分析师：王学恒 电话： 010-88005382 E-MAIL： wangxuehguosen 证券投资咨询执业资格证书编码：S0980514030002 证券分析师：何立中 电话： 010-88005322 E-MAIL： helzguosen 证券投资咨询执业资格证书编码：S0980516110003 独立性声明： 作者保证报告所采用的数据均来自合规渠道，分析逻辑基于本人的职业理解，通过合理判断并得出结论，力求客观、公正，其结论不受其它任何第三方的授意、影响，特此声明。 Table_Title 海外市场专题 半导体制造产业链梳理 半导体制造是目前中国大陆半导体发展的最大瓶颈 半导体制造是目前中国大陆半导体发展的最大瓶颈。电脑 CPU、手机SOC/基带等高端芯片，国内已经有替代，虽然性能与国际巨头产品有差距，但是至少可以“将就着用”。而半导体制造是处于“01”的突破过程中。假如海外半导体代工厂不给中国大陆设计公司代工，那么中国的半导体产业将会受到很严重影响。 半导体代工厂三大指标 一是先进制程达到多少纳米。工艺制程反应半导体制造技术先进性，目前能够量产的最先进工艺是台积电的 5nm，国内半导体代工厂最新先进的是中芯国际的 14nm。此处的 14nm、5nm 是指芯片内部的晶体管的栅长，通俗讲就是芯片内部的最小线宽。一般情况下，工艺制程越先进，芯片的性能越高，特别是数字电路。 二是看晶圆尺寸。生产功率半导体主要使用6英寸和8英寸硅片，微控制器使用 8 英寸硅片，逻辑芯片和存储芯片则需要 12 英寸硅片，因此随着半导体技术的发展和市场需求的变化，目前硅片正向大尺寸趋势发展。 三是看产能。一般情况下，半导体制造厂商不会轻易扩产，产能在 1年左右的短期内是稳定的，当半导体景气度来临，产能决定公司的收入。截至2019年Q3，全球主要半导体代工厂产能排名：台积电、联电、中芯国际、世界先进、华虹半导体。 工艺制程不是越先进越好 一是上游IC设计费用越来越高。 二是工艺逼近极限，中游投资增加但边际效果下降。 三是三是客户从代工厂稳定性可靠性考虑。 技术路线符合客户需求客户希望代工厂的投入、发展方向符合客户技术发展方向；对现有工艺差异化技术需求。 扩大客户投资价值客户希望从每一代技术中获得更多价值，充分利用设计每个技术节点所需的大量投资。财务稳健确保供应客户希望代工厂的财务稳健，以满足未来十年芯片生产需求。 半导体代工增速超半导体行业增速 20132019年，全球半导体增长 34%，而 Fabless需求（对应代工厂收入）增加83%。 投资建议 我们认为，市场对芯片设计、半导体设备的认识已经很充分。而对半导体制造环节认识不够。同时，再加上半导体产业研究的高壁垒，导致资本市场对半导体制造是被动型忽视的。2020年是半导体制造的大年，我们继续推荐中芯国际、华虹半导体。 -30.00-10.0010.0030.0019/2 19/5 19/8 19/11恒生指数 标普500请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 2 投资摘要 本篇报告不同于一般的行业专题，我们从“产业链”梳理的角度，分析半导体制造产业情况。 关键结论 一、 半导体制造是目前中国大陆半导体发展的最大瓶颈。 二、 电脑 CPU、手机 SOC/基带等高端芯片，国内已经有替代，虽然性能与国际巨头产品有差距，但是至少可以“将就着用”。 三、 而半导体制造是处于“01”的突破过程中。 四、 假如海外半导体代工厂不给中国大陆设计公司代工，那么中国的半导体产业将会受到很严重影响。 五、 我们认为，市场对芯片设计、半导体设备的认识已经很充分。而对半导体制造环节认识不够。同时，再加上半导体产业研究的高壁垒，导致资本市场对半导体制造是被动型忽视的。 六、 2020年是半导体制造的大年，我们继续推荐中芯国际、华虹半导体。 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 3 内容目录 半导体制造产业链 . 5 制造(代工)是半导体产业的重点 . 5 硅片产业链 . 5 上游硅片市场规模 . 6 五大硅片厂垄断市场 . 7 半导体代工厂的三大指标 . 7 一是先进制程达到多少纳米 . 7 二是晶圆尺寸趋于大硅片 . 8 三是产能决定短期业绩 . 9 工艺制程不是越先进越好 . 9 先进制程和特殊工艺双向发展 .11 半导体代工需求旺盛 . 11 代工增速超半导体行业整体增速 .11 代工厂排名 . 13 美国垄断供应亚太垄断需求 . 14 集成电路是半导体最大组成部分 . 14 亚太是集成电路需求大户 . 14 美国主导芯片供应 . 15 行业前十主要在美国 . 16 上游设计领域机会 . 17 从应用领域看：消费、工业、车载难度提升 . 17 从产品分类看：晶体管越多功能越多难度越大 . 17 从公司角度看：合作伙伴越多越好 . 18 从规模角度看：聚焦细分领域不做产品多样化的公司 . 18 投资建议 . 20 中芯国际（0981.hk）：半导体代工龙头，看好先进制程 . 20 华虹半导体（1347.hk）：公司专注特色工艺，收入增速强于全球市场 . 23 行业投资风险 . 23 国信证券投资评级 . 24 分析师承诺 . 24 风险提示 . 24 证券投资咨询业务的说明 . 25 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 4 图表目录 图1：半导体产业链 . 5 图2：上游硅产业链 . 6 图3：单晶硅分类 . 6 图4：从硅矿到芯片制造流程 . 6 图5：全球半导体硅片市场规模（亿美元） . 7 图6：2018前5大硅片厂商 . 7 图7：全球主要半导体厂商工艺先进程度 . 8 图8：2018全球半导体代工厂按照工艺技术分布 . 8 图9：晶圆尺寸参数 . 8 图10：2018年不同尺寸晶圆占比 . 9 图11：晶圆尺寸占比走势 . 9 图12：2019Q3月产能，万片/月，等效8寸. 9 图13：IC design费用($M) . 10 图14：IC设计费用构成 . 10 图15：3nm以下晶体管结构从 FinFET到 GAA . 10 图16：EUV光刻机构造 . 10 图17：后摩尔时代半导体工艺发展方向 . 11 图18：后摩尔时代半导体工艺发展方向 . 11 图19：中国大陆半导体代工厂市场规模（亿美元） . 12 图20：全球Fabless代工需求（亿美元） . 12 图21：中国大陆Fabless代工需求（亿美元） . 12 图22：2010年半导体代工厂客户构成 . 12 图23：2017年半导体代工厂客户构成 . 12 图24：中国大陆半导体代工厂市场规模（亿美元） . 13 图25：全球前十大晶圆代工市占率 2019Q3 . 13 图26：半导体产品分类 . 14 图27：2018半导体产业构成 . 14 图28：2018集成电路构成 . 14 图29：2018全球集成电路销售分布 . 15 图30：IC设计公司分类 . 15 图31：2018年IDM模式IC设计公司份额. 16 图32：2018年fabless模式IC设计公司份额 . 16 图33：2018年全球IC公司市场份额（按照公司总部所在地划分） . 16 图34：芯片按功能分类 . 18 图35：大型半导体公司收入和营业利润之间缺乏相关性 . 19 图36：德州仪器营业利润率 . 19 图37：德州仪器收入构成 . 19 图38：恩智浦收入构成 . 20 图39：恩智浦器营业利润率（商誉摊销调整后） . 20 图40：英特尔收入构成 . 20 图41：英特尔营业利润率 . 20 表1：2018年全球fabless芯片设计前十名. 16 表2：市值100亿美元以上的 IC设计公司（20191025） . 17 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 5 半导体制造产业链 制造(代工)是半导体产业的重点 半导体制造是目前中国大陆半导体发展的最大瓶颈，电脑 CPU、手机 SOC/基带等高端芯片，国内已经有替代，虽然性能与国际巨头产品有差距，但是至少可以“将就着用”。 而半导体制造是处于“01”的突破过程中，假如海外半导体代工厂不给中国大陆设计公司代工，那么中国的半导体产业将会受到很严重影响。 本文主要讲半导体制造，涉及到半导体产业链有硅、代工厂。 图1：半导体产业链 资料来源：国信证券经济研究所整理 硅片产业链 硅是极为常见的一种元素，广泛存在于岩石、砂砾、尘土之中。 按照工艺类型，半导体硅片可分为抛光片、外延片和以SOI硅片为代表的高端硅基材料。 一般而言，8寸以下的集成电路产线用抛光片，45nm 及以下线宽的 12寸晶圆用外延片，SOI是一种新型工艺。 抛光片是应用范围最广泛，用量最大、最基础的产品，其他的硅片产品也都是在抛光片的基础上二次加工产生的。抛光片去除了表面残留的损伤层，实现了硅片表面的平坦化，可用于制作存储芯片、功率器件及外延片的衬底材料。 外延片是在抛光片衬底上生长一层单晶硅，这层单晶硅称为外延层；在外延层上注入基区、发射区等等。因为，在双极型器件和集成电路中，为了减小集电极串联电阻，以降低饱和压降与功耗。可用于通用处理器芯片、图形处理器芯片、二极管、IGBT功率器件的制造； SOI硅片能够减少寄生电容和漏电现象，消除闩锁效应。在MOSFET及其集成电路中，主要是为了降低导通压降与功耗，有时是为了隔离的需要。在 CMOS-IC芯片中，比较多地倾向于采用 SOI衬底片，主要是为了减弱或者避免闩锁效应，同时也可以抑制短沟道效应，这对于 ULSI 具有重要的意义，被用于射频前端芯片、功率器件、汽车电子等领域。 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 6 绝缘体上硅还用于航天电子、导弹等武器系统的控制和卫星电子系统的新型硅材料，实现了 CMOS 和双极电路的全介质隔离，具有无闭锁、高速、低功耗、高封装密度、抗辐射、耐高温（300度）优点。 图2：上游硅产业链 图3：单晶硅分类 资料来源：信证券经济研究所整理 资料来源：信证券经济研究所整理 硅片制造工序为：拉晶切片磨片倒角刻蚀抛光清洗检测，其中拉晶、抛光和检测为硅片制造核心环节。 半导体制造商在合格的硅片上刻电路（半导体制造），制造完备后再封装测试。 图4：从硅矿到芯片制造流程 资料来源：国信证券经济研究所整理 上游硅片市场规模 2018年全球硅片出货面积达 127.3亿平方英寸，同比2017年增长7.81%。 2018年全球硅片销售金额为114亿美（其中中国大陆半导体硅片9.96亿美元），同比2017年增长30.65%，其中每平方英寸单价为0.89美元，较2017年增长21%。 20162018全球半导体硅片市场销售规模 CAGR达25.75%。 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 7 图5：全球半导体硅片市场规模（亿美元） 资料来源：SEMI，国信证券经济研究所整理 五大硅片厂垄断市场 全球半导体硅片市场主要集中在几家大企业，行业集中度高，技术壁垒较高。2018前5大硅片厂商合计95%市场份额，行业前五名企业的市场份额分别为：日本信越化学市场份额 28%，日本 SUMCO 市场份额 25%，德国 Siltronic 市场份额 14%，中国台湾环球晶圆市场份额为 14%，韩国 SKSiltron市场份额占比为11%，法国Soitec为4%。 图6：2018前5大硅片厂商 资料来源：SEMI，国信证券经济研究所整理 半导体代工厂的三大指标 一是先进制程达到多少纳米 工艺制程反应半导体制造技术先进性，目前能够量产的最先进工艺是台积电的5nm，国内半导体代工厂最新先进的是中芯国际的 14nm。此处的14nm、5nm是指芯片内部的晶体管的栅长，通俗讲就是芯片内部的最小线宽。 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 8 一般情况下，工艺制程越先进，芯片的性能越高，特别是数字电路。 图7：全球主要半导体厂商工艺先进程度 资料来源：公司公告，国信证券经济研究所整理 从工艺制程组成看，全球 40%的半导体代工厂收入来自 40nm 及以下的先进工艺制程，这个比例将来会提升。 图8：2018全球半导体代工厂按照工艺技术分布 资料来源：IC Insights，国信证券经济研究所整理 二是晶圆尺寸趋于大硅片 目前，全球主要晶圆尺寸是6寸、8寸、12寸。 图9：晶圆尺寸参数 资料来源：IC Insights，国信证券经济研究所整理 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 9 生产功率半导体主要使用 6英寸和8英寸硅片，微控制器使用 8英寸硅片，逻辑芯片和存储芯片则需要 12英寸硅片，因此随着半导体技术的发展和市场需求的变化，目前硅片正向大尺寸趋势发展。 2018年全球12英寸硅片需求平均值要在 600-650万片/月，而8英寸硅片需求平均值在 550-600 万片/月。就技术角度来看，12 英寸硅片需求主要被 NAND和DRAM所驱动，从市场角度来讲，智能手机的存储量逐渐增长以及对数据传输的依赖，促进了固态硬盘（SSD）对原有机械硬盘（HDD）的替代；传感器在智能手机中的运用也起到了一定的作用。8 英寸硅片被更多的运用在了汽车电子领域，如ADAS系统与车载娱乐的普及，加剧了市场对逻辑电路以及高精度元器件的需求，长期来看8英寸硅片也依然有巨大需求。 图10：2018年不同尺寸晶圆占比 图11：晶圆尺寸占比走势 资料来源：SEMI，信证券经济研究所整理 资料来源：SEMI，信证券经济研究所整理 三是产能决定短期业绩 一般情况下，半导体制造厂商不会轻易扩产，产能在 1 年左右的短期内是稳定的，当半导体景气度来临，产能决定公司的收入。 截至2019年Q3，全球主要半导体代工厂产能排名：台积电、联电、中芯国际、世界先进、华虹半导体。 图12：2019Q3月产能，万片/月，等效8寸 资料来源：公司公告信证券经济研究所整理 工艺制程不是越先进越好 一是上游IC设计费用越来越高。先进制程满足为设备提供了良好的功耗比，但是 IC 设计费用越来越高，代际设计费用增速也越来越高。例如 7nm 芯片设计请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 10 成本超过3亿美元，华为mate20 麒麟980芯片就是用台积电的7nm 工艺制程，麒麟 980 是由超过 1000 名半导体工程师组成的团队历时 3 年时间、经历超过5000次的工程验证才成功应用。 IBS的测算要是基于3nm开发出NVIDIA GPU设计成本达 15亿美元。从芯片设计经济效益看，7nm是长期存在节点，5nm/3nm的功耗性能面积成本难达到平衡点，除非有超额的出货量来均摊成本。 图13：IC design费用($M) 图14：IC设计费用构成 资料来源：IBS，国信证券经济研究所整理 资料来源：IBS，国信证券经济研究所整理 二是工艺逼近极限，中游投资增加但边际效果下降 14nm 之前，每18个月进步一代的制程，性价有 50%的提升，14nm之后，趋势就已经逐渐衰微了。 例如，当处理器速度提升 1倍，但用户体验到的速度达不到 1倍。用户体验是一个完整系统，处理器性能发挥收到内存、系统软件、网络等限制。 工艺尺寸的升级需要光刻系统配合，7nm 后光刻系统已经从DUV转向EUV升级，投资成本急剧增加，例如三星 7nm 产线投资额 56 亿美元升级 Hwaseong的晶圆厂，需要8台EUV，每套EUV系统15亿人民币。 另外，工艺升级晶体管升级也要创新，14nm 开创了 FinFET，3nm 需要 GAA经晶体管结构，晶体管级的创新对代工厂的产线来说是彻底的改造。 图15：3nm以下晶体管结构从 FinFET到 GAA 图16：EUV光刻机构造 资料来源：EETOP，国信证券经济研究所整理 资料来源：EETOP，国信证券经济研究所整理 三是客户从代工厂稳定性可靠性考虑。 技术路线符合客户需求客户希望代工厂的投入、发展方向符合客户技术发展方向；对现有工艺差异化技术需求。