全球半导体产业框架与投资机遇

证券研究报告|产业经济深度 2023年3月16日 全球半导体产业框架与投资机遇 中观科技产业系列专题报告01 证券分析师 姓名：李浩 资格编号：S0120522110002 邮箱：lihao3＠tebon.com.cn 研究助理 姓名：张威震 邮箱：zhangwz5＠tebon.com.cn ►分析框架：全球半导体产业供给端由企业主导，需求端由下游应用领域主导，供给、需求和贸易共同创造了销售市场，需求波动向上传导的时间差造成了企业和渠道商的库存。企业的边际盈利能力变化传导到二级市场，与其他因素交织共同影响了股价波动。在整个框架中，技术是根因，技术迭代降低制造成本并创造下游电子设备需求，促进信息科技产业持续繁荣发展。 ►历史复盘：全球半导体产业从上世纪四五十年代在美国起源后开始蓬勃发展，在成长过程中历经了从美国到日本，从日本到韩国和中国台湾，以及再到中国大陆的三次产业区域转移。在此过程中，全球半导体产业分工不断细化，从IDM到Fabless，纯晶圆代工模式出现。同时，全球半导体市场下游历经多轮增长周期，从1976年的约29亿美元成长202倍到2022年的5832亿美元，下游已经渗入到消费电子、计算机、通信、汽车、工业等多个应用领域，成为信息科技产业和数字经济的基石。 ►成长与周期：全球半导体产业经过几十年的发展，已经从快速增长的成长行业转变为渐进式增长的成熟行业，成长性逐渐变弱，周期性不断增强。全球半导体产业格局集中度不断提升，头部企业成长速度放缓但盈利能力变强。周期性方面，我们从长期、中期和短期三个维度进行拆解：（1）在长期维度上，全球半导体产业主要受技术迭代因素影响，呈现出约10年左右的产品周期，宏观经济波动对这一特征进行加强；（2）在中期维度上，全球半导体产业主要受企业资本开支驱动，表现出约3至4年的产能周期；（3）在短期维度上，半导体销售市场短期供需错配导致企业库存波动，呈现出约3至6个季度的库存周期。 ►产业链：全球半导体产业链包括设计、制造、封测三大核心环节，和基础技术研发、半导体设备、半导体材料三大支撑环节，以及多种下游应用领域。在价值量分布上，呈现出“设计＞晶圆制造＞设备＞封测＞材料”的特征。在区域分布上，主要与各区域生产要素优势类型有关：（1）设计、设备等研发密集型环节，主要由美国、欧洲等区域主导；（2）材料和晶圆制造等资本开支密集型环节，主要由欧美以外地区主导；（3）封装测试等资本开支和劳动力密集型环节，主要由中国大陆主导。 ►市场结构：分地区来看，亚太地区在全球半导体销售额中超过60%，而中国大陆在亚太市场份额最高，2021年以1877亿美元销售额成为全球半导体产品最大消费地区。从供给端来看，美国在全球半导体市场供应端占据接近一半份额。分产品来看，集成电路占半导体产品销售额的比重维持在80%以上，其中逻辑IC和存储IC比重最高，MCU份额呈下降趋势。分下游应用来看，计算机和通信是主要应用领域，不同类型的半导体产品在下游应用领域的占比有所区别。 ►中国大陆现状：中国大陆半导体产业起步较晚，目前在全球市场份额第一且仍保持上升趋势。中国大陆在供给端较为薄弱，IC产值虽然快速增长，但自给率水平仍然不高。去除大陆之外厂商在内地的晶圆厂贡献的产值，中国本土厂商对市场的供给比例2021年仅为6.6%左右。此外，从进出口的角度看，中国大陆半导体产品贸易逆差仍在扩大，进口高端芯片、出口低端芯片现象仍然显著，半导体产品在整体进口金额占比也屡创新高。 ►海内外对比：从产业投资力度来看，半导体产业较为依赖研发投入，在全行业中研发支出占收入比重最高。分地区对比，美国在全球主要国家和地区中研发投入最高，中国大陆最低。对比中外半导体企业，中国大陆半导体产业链各环节龙头公司与海外龙头公司相比在收入规模与盈利水平等方面仍然存在一定的差距。 ►产业趋势：（1）长期来看，量子隧穿效应导致的物理极限和先进制程工艺成本陡增等因素致使集成电路沿摩尔定律发展的经验规律迎来瓶颈，台积电先进制程的新工艺收入占比提升速度不及前代、渗透速度或将减缓。集成电路进入后摩尔时代后，技术迭代速度放缓，中国有望通过先进封装和Chiplet等技术实现加速追赶。（2）中期来看，2020年新冠疫情大流行对全球半导体市场造成了先紧后松的局面，加剧了市场需求波动，企业端产能投放节奏受到一定影响，2023年产能周期大概率进入下行阶段。（3）短期来看，全球晶圆厂产能利用率已经回归到正常水平，WSTS预测2023年全球半导体市场或将萎缩4.1%至5566亿美元。（4）区域分工上，半导体产业的安全性和韧性日益成为全球各地区竞争焦点，美国通过“对内鼓励、对外合作、对华竞争”的半导体产业政策促进先进制程回归本土，同时限制中国半导体产业的发展。中国需要推出更适合当下环境的半导体产业顶层战略规划，以在日益动荡的地缘政治格局中实现半导体乃至整个信息科技产业的国产替代和自主可控。 ►投资建议：全球半导体产业步入成熟阶段，技术迭代速度放缓，中期产能周期和短期市场或将进入下行阶段，中国大陆半导体产业自给率水平提升空间仍然巨大，有望在未来几年中实现全球半导体产业早期的快速增长，建议关注本土半导体产业链设备、材料、功率IC设计、EDA、IP核、先进制程、先进封装等环节的头部优秀企业。 ►风险提示：下游需求不及预期风险；宏观经济增速不及预期风险；技术发展不及预期风险。 目录 CONTENTS 1、全球产业概况与分析框架 2、半导体的成长性与周期性 3、全球产业链价值量分布特征 4、全球市场现状与特征 5、中国产业现状与问题 6、全球产业趋势与中国投资机遇 目录 CONTENTS 1、全球产业概况与分析框架 1.1、全球半导体产业研究框架 1.2、全球半导体产业发展特征 1.3、从宏观总量到中观半导体产业 2、半导体的成长性与周期性 3、全球产业链价值量分布特征 4、全球市场现状与特征 5、中国产业现状与问题 6、全球产业趋势与中国投资机遇 半导体基本定义、术语范畴、分类维度 ►半导体（Semiconductor） �狭义上是指半导体材料，包括以硅（Si）、锗（Ge）等元素半导体（也是第一代半导体材料），和以砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化镓（Ga2O3）等化合物半导体材料（第二代至第四代半导体材料） �广义上是指基于半导体材料制造的各类器件产品 模拟芯片 集成电路 信号链类 电源管理类 放大器/比较器数据转换器接口芯片 时钟/定时芯片模拟开关等… 电源驱动IC充电/电池管理IC 交直流转换 过压保护电路等… 运算放大器、音频放大器等… A/D、D/A等… AC/DC、DC/AC、DC/DC等… ►集成电路（IntegratedCircuit，IC，中国台湾称为“积体电 路”），是指通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管 体 等有源器件和电阻器、电容器等被动元件及布线“集成、封装”半 逻辑芯片 通用芯片专用芯片FPGA等 CPU、GPU、DSP、TPU、DPU、NPU、BPU、DCU等… ASIC（AP、BP、CP、SoC）等… 在半导体晶片上，执行特定功能的电路或系统 导微处理器 MPU、MCU等 SRAM 产 ►芯片（Chip），通常就是指集成电路芯片，因此绝大多数时候，品 芯片、集成电路、IC等术语可以混用 ►按产品类型划分4大类：集成电路、分立器件、光电子器件、传感器 存储芯片 二极管 易失性存储（RAM） 非易失性存储（ROM）功率二极管 DRAM MRAM、RRAM等 FlashNORFlash NANDFlash EEPROM、PROM、EPROM等 SLCMLCTLC 3DNAND … ►除以上分类外，半导体产品还有多种分类维度，例如按照下游 需求场景可分为：民用级（消费级）、汽车级（车规级）、工业级、军工级和航天级等 分 立三极管 器功率器件件 被动元件 功率晶体管晶闸管等 电容、电阻、电感等 BJT、JFET、MOSFET、IGBT等 集成电路=IC≈芯片 半导体产品 电路、芯片大 致关系 半导体、集成 光电器件 光电导器件光伏打器件 半导体发光器件半导体受光器件 光敏电阻、光电二极管、光电三极管等 硅光电池（光伏电池）、光电检测器件、光电控制器件发光二极管（LED）、半导体激光器等 图像传感器、光电晶体管、光电倍增管等 传感器温度、压力、湿度、气体、离子、生物、磁场、声音、射线等各类信号传感器 基于供给与需求的视角半导体产业分析框架：供给↔需求，→市场→盈利→估值 ►供给端由企业主导；需求端由下游应用主导；供给、需求、贸易创造市场；市场影响供给与需求；技术迭代是根因 资本开支 产能 产业政策 企业消费者 宏观/政治/文化等 例如：通胀、信息安全、消费习惯… 区域分工、供应链安全… 稼动率高企 →扩产 产能利用率 库存 供给需求 库存 经销直销 渠道商/贸易商 消费政策 产品迭代 例如：消费补贴 由消费者与系统集成商共同推动 销量好、去库存→提升产能利用率 企业盈利、估值变化间接影响投资决策 市场Market 销量均价 销售额 盈利估值 企业股价/行业指数周期波动 技术迭代 ►产品价格影响消费需求 ►技术进步降低制造成本 企业 二级市场 电子整机 与系统厂商 IDM/Fab-liteFoundry IDM/Fab-liteOSAT IDM/Fab-liteFabless 芯片设计 芯片制造 封装测试 芯片成品 汽车 工业 原材料材料设备 医疗 军事/航空航天 其他… 需求端 供给端 通信/物联网 计算机/服务器 消费电子 半导体基础支撑 半导体产品制造 零部件/子系统 后道设备 材料/化学品 前道设备 IP/服务 EDA 基础科学研究 、技术储备 基础科研 基于供给与需求的视角半导体产业链：基础研究→中游制造/供给→下游市场/需求 政府、企业研发部门等 制造环节产能利用率、CapEx→上游设备、材料产能 宏观/政策，技术/下 游产品趋势… 发展历程：从电子管到晶体管，半导体产业的起源；从晶体管到集成电路，半导体产业的大发展 ►19世纪60年代后期开始的第二次工业革命，使人类进入了电气时代。电气时代以电子设备为载体，电路则是电子设备的核心 ►2022年12月29，台积电3nm正式量产 1946年 第一台电子管计 算机ENIAC诞生 1954年 德州仪器推出首款商用硅晶体管；贝 尔实验室发明第一台晶体管计算机 1965年 摩尔定律发表，全球半导 体按此规律演进 1969年 AMD公司成 立 1974年 三星收购韩国半导体50% 股份，进入半导体市场 1947-1948年 贝尔实验室发明点接触型锗三极管、双极型晶体管 1957年 仙童半导体在硅谷创立被认为是硅谷诞生标志 1958年 德州仪器发明第一款集成电路 1968年 英特尔在硅谷成立 1971年 英特尔推出第一款商用处理器Intel4004 2020年 台积电、三星量产5nm芯片 2007年 苹果推出iPhone，开启智能手机新纪元 2000年 张汝京从台积电出走，创立中芯国际 1993年 英伟达成立，专门从事显卡生产 1981年 IBM推出第一款个人电脑IBM5150，处理器为Intel8086 2022年 台积电宣布 3nm量产 2019年 ASML量产EUV光刻机，晶圆三 巨头宣布3nm研发和量产计划 2003年 台积电联合ASML成功研 制出浸润式光刻机 1999年 英伟达推出Geforce256， 提出GPU概念 1987年 台积电成立，首 创晶圆代工模式 1976年 日本实施“超大规模 集成电路研究计划” 请务必阅读正文之后的信息披露及法律声明9 模式创新：IDM→Fabless+Foundry+OSAT→Fab-lite，产业链分工的细化与商业模式创新 ►1987年，张忠谋创立台积电，开启专业晶圆代工（Foundry）模式 ►2022年，张忠谋：“全世界现在没有一个真正的IDM，IDM已经都变成