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2020最热投资主线:半导体全产业链一览(扫盲篇)

2020-09-28  h0ping

「在中美贸易摩擦和科技对垒的大环境下,受国家大基金的全产业链战略投资扶持,和国产替代需求的推动,中国半导体产业迎来了投资与发展的黄金时期。2020年初至今,半导体整体板块已上涨35%,而半导体ETF(现更名为芯片ETF)今日收盘再度涨停,年初至今收益率高达66.3%。半导体已成为贯穿2019-2020最受资金热捧的科技投资主线。」

(本文篇幅较长,建议收藏使用 )

I. 何为半导体:

半导体指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料,最常见的有、锗、砷化镓、氮化镓、碳化硅等。其导电性可受控制的特性,可提升电子设备的计算能力,被广泛应用于集中电路、消费电子、通信系统、光伏发电、照明应用、大功率电源转换等多个领域。

半导体、集成电路、芯片的关系:

半导体是一种材料类别的统称。用半导体材料(如硅)制成半导体元件,再经过设计和加工制成一系列精密电路的集合体,即集成电路IC (Integrated Circuit)。而芯片则是内含单一或多种集成电路、由晶圆分割而成的硅片,是集成电路的载体

半导体芯片是现代科技电子设备的核心,从产品类型上看,主要包括四个部分:集成电路、光电器件、分立器件、传感器,其中集成电路占比高达80%以上,是芯片最主要的组成。

因此,集成电路与芯片密不可分,几乎等同。而当今半导体工业大多数应用的是基于硅的集成电路,故而三者在行业投资中常被互相指代

II. 半导体行业模式与产业链环节:

→ 从IDM到Fabless-Foundry-OSAT模式

早期的半导体行业为 “垂直整合制造模式”,又称IDM(Integrated Device Manufacturer),既负责芯片设计研发,也承担芯片制造与下游应用和销售,如传统的半导体巨头英特尔、三星等。随着行业发展和芯片的需求越来越广,由于半导体器件的制造需要耗资巨大的设备投入,且受上下游产业链供需关系影响,重资产叠加高风险,单一公司很难承包设计、制造到销售的全部环节,于是该行业衍生出了将设计与制造分离、各自集中化从事专业领域的 “垂直分工模式” --「Fabless-Foundry-OSAT模式」

无厂半导体公司(Fabless)专注于芯片的电路设计,设计完成后交由晶圆代工厂(Foundry)制造,再外包给第三方封测公司(OSAT, 全称Outsourced Assembly And Test, 外包组装与测试)进行封装测试。同时也存在IP核公司如ARM,完全专注于芯片设计,并将设计成果卖给其他公司,不参与芯片制造与成品销售。

如此,Fabless公司可以将精力和资金集中在集成电路的研发与设计上;Foundry晶圆代工企业可以同时为多个Fabless公司代工,以提高设备的利用率和规模化生产的效率,降低半导体生产成本,并研提高制造的工艺、布局设备投入与更新;OSAT封测产业则为上游产业链提供封装和测试。三个环节各司其职,各究其艺,共同推动半导体芯片的进步与发展。而半导体材料和设备则贯穿整个生产流程,支撑芯片的研发与制造,从上游发掘更多可能。

由此,半导体产业链分为两个上游支撑产业:材料与设备,和三个 以芯片/集成电路为核心 的生产链:设计、制造、封测。各环节联系十分紧密,相互依赖、制约,协同发展。

2020最热投资主线:半导体全产业链一览(扫盲篇)

(半导体产业链全景图;图片来源:新材料在线)

生产链三大环节中:

设计环节 — 资产投入最轻、毛利率最高,属人才技术密集型,国际水平差距最大;

制造环节 — 最重资产化、自动化程度高、技术含量高、设备迭代压力大、投资周期长;

封测环节 — 相对门槛较低、利润率最低、国产化程度最高,属劳动密集型。

2020最热投资主线:半导体全产业链一览(扫盲篇)

(图片来源:国泰君安证券)

一. 芯片设计 - 从终端产品看半导体设计细分领域

「根据中国半导体行业协会设计分会统计,2019年集成电路设计行业发展良好。销售总值保持增长,预计达到3084.9亿元,较2018年增长19.7%,首次跨过3000亿元关口。企业数量方面,截至11月份底,全国共有1780家设计企业,较去年同期增长4.8%。」-- CSIA中国半导体行业协会

芯片设计的流程大致为:确定项目需求 → 制定规格 → 系统设计 → 逻辑设计 → 电路设计 → 仿真模拟 → 制作光罩(光掩膜版)。设计版图和光罩制作完成后,交由制造厂商将版图设计转移到晶圆上。

半导体芯片四大类别(集成电路、光电器件、分立器件、传感器)中,集成电路市场规模约4100亿美元,占比84%。集成电路中,按市场占比大小,又依次为存储芯片、逻辑电路、处理器和模拟电路其中,CPU、GPU、DSP、FPGA、存储器、模拟芯片等高端通用芯片仍被国外垄断,国产占有率极低。

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2020最热投资主线:半导体全产业链一览(扫盲篇)

(一)集成电路:

1. EDA软件:电子设计自动化

随着芯片的设计与构造越加复杂精细,大型集成电路的设计需要大量、快速且精确的计算和优化,并准确地传递到制造环节。人工设计耗时耗力且错误率高,EDA(Electronic Design Automation)电子设计自动化软件便诞生了。虽然规模只占半导体市场的2%,EDA软件却连结IC设计与制造的纽带,被冠以“芯片之母”的称号。

在设计环节中,EDA软件可以辅助设计者使用编程语言进行芯片的功能设计和物理设计如布局、布线、仿真模拟、功能验证等,大量节约基础设计的人力与时间成本,提高设计效率和准确度。而人工智能和机器学习/算法的融入则使EDA从自动化向智能化进步,辅助芯片设计师更加快速准确地计算、决策出最优方案。EDA软件巨头Synopsys和Cadence相继发布了采用人工智能的设计工具,号称可以缩短芯片的设计时间高达10倍,芯片PPA(即性能Performance、功耗Power、面积/成本Area的综合标准)提升20%。

在制造环节中,EDA软件辅助设计和验证的芯片版图,能实现设计与制造之间的有效沟通,并提高签核效率。由于晶圆制造厂总在不断更新设备、开发新工艺,EDA的设计流程便需要在早期工艺研发中介入,根据新工艺和设计规则进行仿真模拟与验证。

我国EDA产业起步于上个世纪,但在国际竞争和 “造不如买” 的风气下,战略性地错过了发展机遇。目前只有华大九天等十余家EDA公司,2018年销售额3.5亿元,仅占全球市场份额0.8%。而全球三大巨头Synopsys、Cadence和Mentor,共垄断了国内95%、全球65%的市场份额。国产替代升级十分必要且空间巨大。

2. 存储芯片

据Gartner数据统计,2018年世界半导体市场销售规模约4767亿美金,同比增长13.4%。其中,存储器占比34.8%,近1700亿美金,增长27.2%,是全球半导体市场中占比最大的板块

存储芯片主要分为闪存芯片和内存芯片:闪存芯片以NAND Flash和NOR Flash为代表,数据不易失,主要用于储存资料。应用分散,如移动终端、硬盘、车载系统等;内存芯片以DRAM为代表,数据断电即丢失,作为处理器CPU数据进程的临时中转存储,频率高、速度快、便于读取,能极大提高CPU处理效率。主要应用于智能手机、电脑、云计算、服务器等领域。NAND FLASH和DRAM二者共占存储芯片市场的95%+。

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(图:存储芯片分类;来源:微信公众号 “谈芯” )

存储芯片存在产品同质化、市场高度集中的特点,据ICInsights数据,全球存储芯片市场的95%被韩国三星、海力士和美国美光科技三大巨头垄断。其中,三星占据市场份额最大,达44.5%,也正受益于存储芯片向上周期的带动,三星在2017和2018年超越英特尔,成为全球第一大半导体厂商。

存储芯片价格呈周期性波动,并对半导体整体市场具有同步影响目前正处于探底回升的阶段。根据Gartner数据统计,2019年,存储芯片价格低迷,全球销售额下降31.5%,占半导体市场总额的比例跌至26.7%,世界半导体销售总额也同比下降11.9%。19年7月开始逐步稳定,并预计将在2020年价格回升,进入上升周期。

世界半导体贸易统计组织WSTS预测,2020年全球半导体市场将同比增长3.3%,达4260亿美元,其中集成电路下的存储芯片预计增长15%,逻辑芯片增长2.9%美洲和亚太地区将为主要增长区域。2021年,预计在存储芯片的双位数增长率带动下,半导体整体市场也将增长6.2%。

相关上市公司标的:兆易创新(NOR FLASH闪存芯片)、北京君正、通富微电、国科微、紫光国微、深科技、澜起科技、太极实业

3. CPU - 中央处理器

CPU(Central Processing Unit,中央处理器)是电子设备控制与运算的核心,负责释放指令、处理数据,与逻辑芯片、存储芯片、FPGA等紧密相连。受益于半导体大规模集成电路的发展,CPU可以在更小更精密的芯片上实现更强大的功能,体积微小化,性能更稳定,是半导体微处理器的一种。

CPU设计的竞争在于性能、功耗、成本的比拼,和应用软件生态的融合。越高端/技术与生态垄断的CPU,利润空间越大,竞争力越强。目前CPU的顶级工艺制程在14nm,正在向10nm、7nm甚至5nm推进。多年来,全球CPU市场以英特尔为霸主,占据CPU市场8-9成的份额,AMD次而追之。前几日网传英特尔要对浪潮信息断供CPU,致浪潮信息股价跳水一度跌停,可见芯片领域的进口依赖和垄断竞争力。

相关上市标的:中科曙光、澜起科技、中国长城

4. GPU - 图形处理器

GPU(Graphics Proccesing Unit)是执行图像运算的微处理器,配合CPU分担运算工作,具有数百上千个内核处理器,可并行进行大量运算,计算速度很快,对运行分析、机器算法、深度学习、图像渲染等极有帮助。

GPU市场也高度垄断,Intel并不意外地占有63%整体市场份额(因为CPU大多自带集成GPU),其次是英伟达NVIDIA和AMD,各占比18%和19%。而在独立显卡市场,英伟达独占七成,其18年净利率高达35.34%。

相关上市标的:景嘉微

5. MCU - 微控制器

MCU (MicroController Unit,微控制单元)将简化版的CPU功能、内存、接口等都集成到一个芯片上,实现对电子设备的局部系统或智能仪表、民用家电等产品的控制,又称单片微型计算机。MCU与CPU、GPU在集成电路板块中共占比14%。

相关上市标的:兆易创新、紫光国微

6. DSP - 数字信号处理器

DSP(Digital Signal Processor)是能将模拟信号转为数字信号、专门针对数字信号相关处理的微处理器芯片。特点是小而精,具有专门的硬件乘法器,在处理数字信号相关的运算时非常快速、即时,低功耗、可编程。主要应用在通信、计算机、消费电子、军事等领域。

世界三大DSP芯片制造商德州仪器TI、模拟器件公司ADI和摩托罗拉Motorola公司占据市场绝大部分份额。国内相关标的极少。

7. FPGA - 半定制专用集成电路

FPGA (Field Programmable Gate Array,现场可编程逻辑门阵列)是专用集成电路(ASIC,为特定客户、特定系统、特定需求而设计制造的集成电路)领域的一种半定制电路。特点是可无限次重复编程,根据特定需求修改设计,既能配合其他芯片在各场景中增加灵活度与针对性,又可重复利用、节约硬件开销,弥补了定制电路的不足。主要应用在安防、工业、5G、人工智能等领域。

FPGA设计门槛高、研发投入大、技术壁垒高且被国外巨头垄断。除了世界最大的FPGA厂商 赛灵思Xilinx (市场占有率54%)能稳定维持20%左右的净利率外,其他厂商皆利润微薄甚至亏损。

国内相关上市标的:紫光国微

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(图片来源:中航证券金融研究所)

8. 触控与指纹识别芯片

受益于智能手机、平板设备、笔记本电脑、安防家居等电子产品的市场增长,指纹识别芯片的需求和功能性要求也逐渐提高。2019年全球指纹芯片出货量预计达9.9亿颗,同比增长12.5%。其中,随着OLED屏的渗透率提升,新型指纹识别技术 “光学式屏下指纹识别” 预计同比增长372%至2.8亿颗。

汇顶科技是全球指纹识别芯片的龙头企业,出货量全球第一位,2019年总营收64.68亿,其中83.68%为指纹识别芯片(54.12亿),15.98%为触控芯片,具备图像传感器设计、光学设计和相关算法领域的核心技术。

9. 射频前端芯片

射频前端芯片是手机通信中负责信息收发的核心组件,包括射频滤波器(占比约50%)、功率放大器(占比约30%)、低频噪声放大器、开关、调谐器等。全球市场被日美企业主导,2018年市场规模约150亿美金,预计2025年有望达到258亿美金,年复合增长率8%。目前世界前四大射频芯片厂商占据了约85%的市场。国产射频芯片市场份额很低,但受5G建设的大战略推动,成长空间巨大。

相关上市标的:卓胜微、韦尔股份、信维通信、麦捷科技

10. 模拟芯片

模拟芯片和数字芯片是分别处理模拟信号与数字信号的集成电路。模拟信号可以是自然界中的一切物理量,是连续变化的信息参数,如温度、湿度、压力、长度、电流、电压等。而数字信号是离散、不连续的信号。模拟信号通过提取一定的物理参数抽象化,可以转化为数字信号,以进行存储和处理,并将处理结果再次转化为模拟信号输出。

射频芯片、电源管理芯片和数模信号转换器,都属于模拟芯片。而CPU、DSP、FPGA等直接进行数据运算的属于数字芯片。

2018年全球模拟芯片市场规模约588亿美金,占全球半导体总额的12.54%。根据ICInsights数据预测,在未来五年内,模拟芯片的销售量预计将实现 6.6%的年复合增长率,在 2022 年达到 748 亿美元,是主要集成电路细分市场中增长最为强劲的类别。其中,电源管理芯片的比例最高,占比约50%。全球市场中,德州仪器TI是模拟芯片的龙头,领先占据市场19%的份额。

相关上市标的:圣邦股份、韦尔股份、卓胜微、华润微、闻泰科技、汇顶科技等。

(二)光电子器件:

光电子器件在半导体细分产品领域中占比约8.11%,是除集成电路外占比最高的分类。其利用半导体材料光电转换的效应特性,可制成LED(发光二极管)、光电探测器(光纤通信系统)、太阳能电池等。受益于苹果产业链、miniLED的需求带动、化合物半导体的产业布局,光电器件板块也是A股一个独立的投资热点。

相关上市标的有:三安光电、紫光国微、南大光电、帝科股份、光迅科技、至纯科技等。

(三)分立器件:

半导体分立器件是和 “集成” 电路相对的概念,泛指晶体二极管、三极管、特殊器件。产品包括功率半导体、晶振、电容电阻、超级电容等。分立器件占全球半导体市场约5.11%。

功率半导体分立器件目前以硅为主,成本较低、门槛不高。国产水平与国际差距较大,正在大力开发以第三代新型半导体材料氮化镓、碳化硅为主导的产业链布局

相关上市标的:韦尔股份、捷捷微电、扬杰科技、苏州固锝、华微电子、士兰微等。

(四)传感器:

半导体传感器是一种新型传感器器件,利用半导体材料易受外界条件影响并产生不同转化的特性。可分为物理传感器(光、电、压力、温度、声音等)、化学传感器生物传感器,广泛应用于工业自动化、机器人、智能家居、监测系统等。在半导体芯片市场中份额不大,约3%。

二. 代工制造

IC设计完成后,会制作一系列光罩(又称光掩膜版),每一层光罩都包含相应的电路设计。根据设计版图和光罩,制造厂商在硅片基板上制作出所设计的集成电路。

IC制造大致分为硅片制造和晶圆加工两部分。

(1)硅片制造:二氧化硅(沙子) → 纯化(氧化还原反应) → 高纯度多晶硅 → 拉晶 → 硅晶圆柱体(硅锭) → 切割 → 硅晶圆薄片 → 研磨 → 芯片基板

(2)晶圆制造:基板清洗 → 氧化(使硅片形成薄膜) → 涂胶(光阻液/光刻胶) → 光刻 → 曝光显影 → 刻蚀 → 清洗去胶(去除多余光刻胶) → 抛光 → 掺杂/离子植入 → 薄膜沉积。

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2020最热投资主线:半导体全产业链一览(扫盲篇)

硅晶圆柱体的直径越大(12英寸),技术难度越高,每个硅晶圆薄片能做出的集成电路芯片就越多,生产效率就越高,成本越低。光刻是晶圆制造中最核心的环节,耗费成本约为整个制造工艺的1/3,时间占据近半。

2018 年全球晶圆代工市场规模约为 642 亿美元,占全球半导体市场约15%。而台积电凭借先进的制程,一枝独秀占领 53.3%的市场份额,7nm工艺已实现量产,5nm和3nm也已提上日程。世界前五大晶圆代工厂占据市场约84%的份额。大陆的芯片代工厂商中,中芯国际、华虹半导体虽已跻身世界前十,但在制程工艺上仍有很大差距。中芯国际仅刚实现14nm级量产,将于明日7月7日在科创板开放申购,定价27.46元。受此消息带动和近期港股中芯国际的连续上涨,半导体板块也迎来了第二波投资热情。

相关上市标的:中芯国际(港股、科创板)、华虹半导体(港股)

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(2018年晶圆代工市场份额;来源:平安证券研究所)

三. 封装测试

晶圆制造完成后,需要经过减薄切割、贴装焊线、封装、测试等步骤,组装成最终的芯片成品。封测行业作为产业链加工的末端,行业毛利率不高,平均在20%左右,极度依赖上游设计与制造的出品需求。

我国封测行业起步较早,且不断通过收购整合技术和资源,在高端封装技术上已达到国际先进水平,在全球销售市场中占比年年攀升。据拓墣产业研究所数据,2020第一季度,世界前十大OSAT封测企业中,中国大陆三大封测龙头江苏长电(即长电科技)、通富微电、天水华天(即华天科技)分别排名第三、六、七名,共占前十大封测厂总营收的23.2%,营收增长率迅猛。而全球最大的封测公司是位于中国台湾的日月光半导体,独占市场份额23%。

相关上市标的:长电科技、通富微电、华天科技、晶方科技、深科技

(图片来源:中国半导体行业协会CSIA)

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(图片来源:头豹研究院)

四. 材料:

2019年全球半导体材料市场营收约520亿美金,大陆地区营收约86.9亿美元,占全球总营收的16.7%,同比增长1.9%,是全球唯一出现材料市场增长的地区。中国台湾受代工和封测业务的带动,营收规模达113亿美元,第10年蝉联全球最大半导体材料消费地区。

半导体材料主要包括 晶圆制造材料 和 封装测试材料。

(1)晶圆制造材料:包括硅片、光刻胶、光掩膜版、电子特种气体、湿化学品、溅射靶材、CMP抛光材料等。2019年全球营收328亿美元,是半导体材料的核心。其中硅片占比最大,约38%技术壁垒高国产率极低,极度依赖进口,日美占据了绝大部分市场份额。

(2)封装材料:包括引线框架、基板、陶瓷封装材料、键合丝、封装树脂、芯片贴装材料等。2019年全球营收192亿美元。国产以中低端材料为主,高端键合丝、封装基板、引线框架等高度依赖进口。

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(图片来源:公众号 “谈芯”;资料来源:Wind、太平洋证券)

光刻胶是引领A股半导体材料板块上涨的热点主力。由于一块芯片的制造需要经过数十次的光刻,每一次光刻都要根据光掩膜版的电路设计涂上光刻胶,经紫外线曝光后使其化学性质发生变化,再通过显影和刻蚀,将光掩膜版上的电路图形转移到硅片上,如此一再反复才能最终完成集成电路的晶圆制造。因此,光刻胶的纯度和性能要求非常严格,且技术壁垒极高,主要被日韩美供应商垄断。世界前五大光刻胶厂商占据全球约87%的市场,而全球大陆市占率却不足10%。随着国产替代的需求和晶圆制造厂的扩张,国产光刻胶的市场预期在年增速10%左右。

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(图片来源:公众号 “谈芯”;资料来源:SEMI,国元证券)

相关上市标的:

光刻胶:上海新阳、南大光电、飞凯材料、容大感光、晶瑞股份、雅克科技、强力新材

硅片:沪硅产业、中环股份;靶材:江丰电子、阿石创、隆华科技、有研新材;高纯试剂:上海新阳、江化微、晶瑞股份、巨化股份;电子特种气体:雅克科技、华特气体、南大光电;CMP抛光液:安集科技、鼎龙股份;其他:神工光伏、菲利华、石英股份

除了应用在集成电路产业链中的材料,狭义上的 “半导体” 材料包括:

(1)第一代半导体:以元素半导体 硅Si、锗Ge 为代表,应用于集成电路硅基芯片、晶体管等;

(2)第二代半导体:以化合物半导体 砷化镓GaAs 为代表,应用于移动通信;

(3)第三代半导体:以宽禁带半导体 氮化镓GaN、碳化硅SiC 为代表,应用于光电子领域。禁带概念较为复杂,简单理解就是禁带更宽可以获得更高的热导率、高抗辐射能力和高击穿电场,适应高温/高压/高电流/高频的通信与航空领域,也应用在5G、新基建中。

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(图片来源:半导体芯科技)

五. 设备

半导体设备贯穿在IC制造与封测的各个产业链环节,是半导体芯片先进制程的核心与瓶颈。根据SEMI国际半导体产业协会数据统计,2019年全球半导体设备制造业的销售规模达598亿美元,较2018年下滑7%。其中,在中国台湾地区的销售额激增68%,达171.2亿美元,成为全球最大市场;而大陆地区则以134.5亿美元的销售额继续保持第二。前15大厂商营收占总产值超过8成,且日美厂商占据了核心地位。尽管我国是半导体设备的消费大区,高端半导体设备却被进口厂商垄断。

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(图片来源:长城证券)

在半导体设备投资的价格占比中,晶圆制造设备投资金额巨大,占比70%,封测设备占比约25%。光刻机是其中价格占比最大、最为核心的设备。一个芯片的制造需要进行数十次的光刻,光刻机的精度和稳定性决定了集成电路的制程、功耗与性能。荷兰阿斯麦ASML是全球最顶尖的半导体光刻机设备厂商,具有独一无二的霸主地位,占据高端光刻机市场75%以上份额,平均一台光刻机售价1.2亿欧元(约合人民币9.6亿),全世界的顶级半导体制造厂都仰赖于ASML的光刻机设备。

相关上市标的:北方华创、中微公司

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(图片来源:平安证券研究所)

#半导体持续火爆# #A股放量大涨牛市来了吗# #半导体创新高#

【半导体产业链上下游联系紧密,细分领域错综复杂。行业投资应关注龙头企业和国产替代需求的方向,跟随国家发展战略把握中长线投资机遇。由于半导体板块目前还处于投资热情高涨、板块龙头联动普涨的局面,个人投资者也可以通过参与指数追踪产品如芯片ETF等,享受整体板块的增长趋势。】

下一篇文章,我们将分析半导体行业的重点企业,探讨半导体投资的实践学习


作者:郭伟松_鑫鑫投资

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