半导体国产化是持久战 —— 四大理由

半导体不会长期受制于人,当然也不会快速国产化,“速胜论”和“必亡论”都不对,是持久战.

  半导体不会长期受制于人,当然也不会快速国产化,“速胜论”和“必亡论”都不对,是持久战:

  第一:全球半导体增速放缓,而中国半导体仍然高增长。

  第二:中国市场需求大,国产化替代仍有 10 倍以上空间。

  第三:制造工艺落后很多,7nm、5nm、3nm 需要长期研发投入。

  第四:顶级芯片设计能力、架构、EDA 软件等中短期内还会受制于人。

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  全球半导体增速放缓,中国半导体增速超全球

  2019年全球半导体销售额4098亿美元,1999年为1494亿美元。过去20年年间全球半导体销售额复合增速为5.2%。

图1.jpg

  区间越短复合增速越低,说明全球半导体市场增速趋于放缓。按照不同时间区间的复合增速看,过去 20 年、15 年、10 年、9 年、5 年、3 年全球半导体销售额的 CAGR 分别为 5.1%、4.4%、6.1%、3.6%、4%、-0.3%。与市场的一贯理解的高科技行业的增长速度不同,从复合增速看,全球半导体市场增速并不高。

  另外,全球半导体销售收入季度增速是放缓的。要是不考虑 2008 年金融危机带来的波动性,季度同比增速放缓的趋势更加明显。半导体作为科技产业的基础已经有 73 年的发展历史,自从 1947 年贝尔实验室的第一个集成电路(只有 1 个晶体管)发明以来,全球半导体产业整体已经进入成熟稳定阶段。

  从季度、年度增速看,中国半导体产业的增速超全球。2009~2019 年,中国大陆半导体产业的整体增速超过全球,虽然全球半导体增速放缓,但是,中国半导体产业还在高速发展。中国半导体产业的年度增速超全球,2019 前三季度全球半导体销售额同比增速都是负值,而中国市场同期是正增长。

  中国半导体产业的年度增速超全球,2017~18 中国集成电路设计增长 26.1%、21.5%,而全球为 21.6%、13.7%。

  从细分领域来看:集成电路设计产业,增速更高。代工增速也超全球增速。

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  市场需求大,国产化替代仍有 10 倍以上空间

  2019 年全国进口集成电路 3055 亿美元,而 2018 年中国集成电路设计产业收入只有 2519 亿元人民币(含出口)。按照申万一级行业目录中的电子行业——半导体——集成电路,此分类中的 26 家集成电路设计公司为样本,26 家集成电路公司的 2018 年合计海外收入占比为 40.4%。

  我们假设全部中国集成电路设计企业的出口比例为 30%,内销为 70%。那么2018 年中国集成电路设计产业收入中只有 1763 亿元(251亿美元)销售给国内,而 2018 年中国集成电路进口额 3121 亿美元,是国内自给的 12.3 倍。

  所以,我们可以得出结论,假如国内芯片设计公司的供给,能替代巨额进口的需求,那么国内芯片设计公司的市场还有超过 10 倍的空间。

  具体到核心芯片领域,国产自给率更低,甚至为零。

  在全球半导体销售市场中,中国市场占比逐渐提升,到 2018 年中国市场占全球半导体销售额的 33.8%。随着中国市场占比逐渐提升,中国本土设计企业的市场空间会越来越大。

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  半导体制造工艺落后很多,需要长期研发投入

  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“0~1”的突破过程中,制造工艺落后很多。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。

  具体到细分产品领域,高端 CPU、GPU、FPGA 等芯片用 7nm 及以下的工艺,低端芯片现在也逐渐从成熟工艺转向先进工艺,所以,先进工艺是大陆半导体必须首先突破的“卡脖子”工程、是短板。

  五大硅片厂在垄断市场: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%。

  全球代工被台积电垄断:2019 年 Q3 全球十大晶圆厂排名为:台积电、三星、格罗方德、联电、中芯国际、高塔、华虹、世界先进、力晶、东部高科。

  国内代工龙头中芯国际排名第五,市场占有率 4.4%。贸易战加速中芯国际成长,也加速资本市场对中芯国际的认识。最近一年,在贸易战、美国对中国半导体发展各种限制的大背景下,市场逐渐意识到半导体制造才是核心资产,是不可或缺的资产。

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  半导体制造的五大难点

  第一,集成度越来越高 。

  在一颗芯片上集成的晶体管的数量,越来越多,从 20世纪 60 年代至今,从 1 个晶体管增加到 100 亿以上。电路集成度越高,挑战半导体制造工艺的能力,在可接受的成本条件下改善工艺技术,以生产高级程度的大规模集成电路芯片。为达到此目标,半导体产业已变成高度标准化的,大多数制造商使用相似的制造工艺和设备。开发市场成功的关键是公司在合适的时间推出合适的产品的能力。

  第二,对精度要求越来越高。

  精度高体现在关键尺寸(CD),芯片上的物理尺寸特征被成为特征尺寸,业内描述特征尺寸的术语是电路几何尺寸。通俗理解是,关键尺寸越小,工艺加工难度越大。关键尺寸从 1988 年的 1um,减小到2020 年的 5nm,减少了 99.5%。从此角度看,集成电路制造的难度在逐渐提升,难度提升的加速度也在变大。从晶体管结构图看,关键尺寸是晶体管的栅长。

  第三,单点技术突破难 。

  构成半导体制造工序的最小单位的工艺技术就是单点技术,或者组件技术。集成电路制造就是在硅片上执行一系列复杂的化学或者物理操作。

  复杂电路的制造工序超过 500 道工序,500 道工序相当于 500 个单点技术,并且,这些工序都是在精密仪器下进行,人类的肉眼是看不清楚的,给制造带来很大的困难。以最典型的 CMOS 工艺为例,涉及到以下步骤。

  第四,需要将多个技术集成 。

  结合单点技术,将电路植入硅片,构建此工艺流程的技术就是集成技术。例如在生产 DRAM 需要 500 道以上工序,该流程先在研发中心制定,且制定的流程是可以实际生产的。

  在制定工艺流程阶段,单点技术的组合方式是无限的,即使是制造同样集成度、同样精密度的 DRAM,不同半导体厂家采取的方式也各不相同。此外,不同的技术集成人员的工艺流程结构也不同。而集成技术的难点在于,如何在短时间内完成从无限的组件技术组合中,制定低成本、满足规格且完全运行的工艺流程。

  第五,批量生产技术 。

  将研发中心通过集成技术构建的工艺流程移交给批量生产工厂,在硅片上植入符合目标质量要求的半导体并进行大量生产的技术就是批量生产技术。真正严格意义上的精确复制基本是不可能的。即使开发中心和批量生产工厂的设备相同,在同样的工艺条件下也未必能够得到同样的结果。坦率地说,一般情况下难以得到相同的结果。

  这是因为即使是同样的设备,两台机器之间也会存在微小的性能差异。这种差异称作机差。机差可以说是半导体制造设备厂家在生产同一型号的设备时,因不可控因素的存在而可能产生的设备差异。随着半导体精密化程度的不断提高,机差问题也日益显着。也就是说,随着精密化程度的提升,需要实施高精度的加工,(此前生产过程中不会成为问题的微小的)机差都成了严重的问题。

  在批量生产技术方面,良率具有重大意义。良率就是植入晶圆片的半导体成品中合格产品所占比率。一般来说,刚从开发中心将工艺流程转移到批量生产工厂的阶段,批量生产工厂的良率几乎是 0%。而将成品率尽快提高到 100% ,并且长期维持接近 100%的成品率的技术,才是真正的批量生产技术。

  有时也会遇到成品率难以提高的情形。这时,有可能需要重新制定工艺流程。需要进行大规模调整时,该工艺流程就会被退回开发中心。更不幸时,则可能需要重新设计。这样,从开发中心最初制定的工艺流程到形成能使批量生产工厂获得高成品率的工艺流程,通常需要 5~10 次反复。

  “只要买了设备、排列好,按下按钮,人人都可以生产半导体”。这种观点是错误的,这种观点应用于其它行业有可能对,但是半导体制造是肯定错误的。

  结语:半导体产业是涉及多方面的,所有环节在短期全部国产化是不可能的,国产化的第一步是先摆脱“卡脖子”,然后才是全方位国产化。短期来看,顶级芯片设计能力、架构、EDA 软件等中短期内还会受制于人。但长久来看,半导体制造是大投入、长期积累的产业且国内芯片设计公司的市场还有超过 10 倍的空间,相信国产半导体不会长期受制于人。

文章参考自国信证券报告。

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