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半導體芯片是數(shù)字經(jīng)濟的核心,是現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基石。
半導體產(chǎn)品涉及的技術(shù)十分精細復雜。價值鏈主要包括設(shè)計、制造、封裝環(huán)節(jié),上游設(shè)備、材料、設(shè)計軟件等也不可或缺(圖1)。
注:1. 研發(fā)是價值鏈上的一大重要環(huán)節(jié),但由于無法實現(xiàn)量化,在下文中不作詳細展開;資料來源: 案頭研究
整體上,中國在半導體的設(shè)計和制造鏈條中起步較晚,積累相對薄弱。
值得一提的是,在部分芯片的設(shè)計,以及封測環(huán)節(jié),中國代表性企業(yè)正在加碼追趕,并且取得了一定的成效。
在國家政策加碼和國產(chǎn)化提速的雙重因素下,半導體融資數(shù)量大幅上漲,從2018年的263起到2021年的498起。在這個過程中,B輪及以后的融資比重增加,投資市場隨半導體企業(yè)的成長一同成熟。
在承上啟下的關(guān)鍵階段,隨著半導體相關(guān)的產(chǎn)業(yè)支持政策頻頻出臺,和下游的廣大市場需求,將促進中國半導體企業(yè)迎來新一輪發(fā)展。
在洞察全球半導體的概況后,我們將聚焦中國在半導體的價值鏈各個環(huán)節(jié)的參與情況,包括當前面臨的挑戰(zhàn)和機會、不同環(huán)節(jié)的市場地位以及主要玩家。
我們發(fā)現(xiàn),中國廠商在通訊芯片、模擬芯片與OSD設(shè)計、成熟制程制造與封測環(huán)節(jié)獲得了較多的營收(僅指與半導體有關(guān)的收入)。
2020年,全球范圍內(nèi),主要的中國大陸半導體企業(yè)(中國大陸企業(yè)是指在各細分市場有公開信息的主要企業(yè))在封裝和測試環(huán)節(jié)的市場占比約17%,頭部企業(yè)如長電科技、通富微。
此外,成熟制程制造同樣創(chuàng)造了較多的營收,中國廠商在全球市場中的占比約為11%,代表企業(yè)有中芯國際。
最后,在通訊芯片和模擬芯片設(shè)計方面,中國廠商的全球市場份額都在10%左右,代表企業(yè)有海思、韋爾等。
中國廠商在前端設(shè)備市場處于起步階段,市場份額普遍較低。Gartner和相關(guān)公司招股說明書顯示,2020年,全球晶圓設(shè)備市場總規(guī)模達到了4200億元。
其中,中國大陸企業(yè)(包括上海微電子裝備集團、芯源微、北方華創(chuàng)等)在沉積、刻蝕設(shè)備上與全球領(lǐng)先企業(yè)差距較小,開始獲取份額,有望在5-10年內(nèi)趕超世界領(lǐng)先水平;而光刻、離子注入、測量等儀器則還有較大差距,在較長時間內(nèi)應(yīng)用場景限制在非關(guān)鍵生產(chǎn)步驟,或非先進制程。
2018年以來,中國半導體材料企業(yè)持續(xù)擴充自身產(chǎn)能,相關(guān)產(chǎn)品也在加速推進:中國大陸企業(yè)(包括硅產(chǎn)業(yè)集團、立昂微等)在硅片、氣體材料中逐步獲取市場份額。
硅片是半導體制造的核心原材料,2018-2020年,中國大陸的硅片市場規(guī)模從約30億元穩(wěn)步上升至42億元左右,年均復合增長率為16%,硅片賽道的領(lǐng)先企業(yè)有中環(huán)股份、江豐電子等。
從芯片生產(chǎn)到器件封裝,幾乎每一個步驟都離不開氣體材料,因此,在所有原材料中,氣體材料的市場需求僅次于硅片。在國內(nèi)半導體市場蓬勃發(fā)展的背景下,2018-2020年,中國大陸氣體材料的年均復合增長率達到了20%,增速約是全球市場的3倍,后者為7%。
由于中國起步較晚,所以,EDA/IP方面的技術(shù)能力和人才短缺,市場占有有限。
我們通過案頭研究后發(fā)現(xiàn),2020年,中國大陸企業(yè)(包括華大九天、概倫電子等)EDA/IP在全球市場中的占比僅為2%。類似的情況也出現(xiàn)在邏輯芯片和射頻EDA工具等子行業(yè),預計需要10-20年實現(xiàn)追趕。
這背后需要長時間與晶圓制造廠(Foundry)聯(lián)動的設(shè)計數(shù)據(jù)庫積累,以及相關(guān)人才投入,才能逐步提升產(chǎn)品競爭力。
IC設(shè)計和IDM方面,Gartner半導體市場份額分布情況指出,中國在通訊芯片和模擬芯片設(shè)計中已獲取一定的市場份額,然而,其他細分領(lǐng)域,諸如存儲芯片、其他邏輯等市場占有非常有限。
其中,云計算廠商(阿里,騰訊,Baidu等)對于計算和存儲芯片有著巨量的需求,從定制化性能、成本控制等目的出發(fā),云計算廠商積極參與到芯片設(shè)計是大勢所趨,已成為一股不可忽視的力量。
McClean報告表明,當前,中國廠商在成熟制程代工市場已經(jīng)建立了一定的市場份額。
2019年,中芯國際實現(xiàn)14納米FinFET量產(chǎn)。中國廠商除了擴大成熟制程產(chǎn)能,如中芯國際在內(nèi)的部分廠商仍致力于在先進制程領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破。展望未來,中國廠商依然需要鞏固成熟制程的市場份額并穩(wěn)定主要收入來源。
2018年以來,中國廠商在封測環(huán)節(jié)增長迅速,在全球范圍內(nèi)呈現(xiàn)出一定的競爭優(yōu)勢。
基于Gartner報告中的全球規(guī)模數(shù)據(jù),2020年,中國大陸企業(yè)在全球封測市場中的總份額達到了17%,其中,封裝環(huán)節(jié)占比為19%,測試環(huán)節(jié)為9%。
未來,國內(nèi)封測企業(yè)持續(xù)發(fā)展的同時,需要緊跟全球行業(yè)發(fā)展的趨勢,例如與上游晶圓代工廠在先進封裝上的緊密合作。
在芯片設(shè)計環(huán)節(jié),中國企業(yè)正加速步入快車道。
縱觀主要的芯片類別,中國廠商在存儲芯片、模擬芯片已建立起了一定的競爭力;CPU/GPU/ASIC處于快速起步階段,面臨一些供應(yīng)鏈及生態(tài)風險。
從內(nèi)部結(jié)構(gòu)看,主要包括NAND(閃存芯片)和DRAM(內(nèi)存),前者用于SSD固態(tài)硬盤和手機,后者用于PC,這兩種芯片的主要廠商均已實現(xiàn)量產(chǎn)。
技術(shù)能力方面,NAND在追趕全球領(lǐng)先水平,DRAM與全球領(lǐng)先水平尚有差距,正在迅速追趕中。性能方面,NAND性能與全球接近,DRAM仍有一定的差距。
今后,隨著中國主要廠商的產(chǎn)能逐步放量,預計在存儲芯片的市場地位還會上升,滿足國內(nèi)存儲需求。
除了主流的NAND的DRAM,利基市場的NOR Flash由于設(shè)計和制程門檻較低(專利已放開,主流制程65nm)也吸引了眾多國內(nèi)公司進行探索。
廣泛應(yīng)用于消費電子、汽車及工業(yè)電子。技術(shù)能力方面,眾多廠商已實現(xiàn)商用,大多數(shù)廠商聚焦于生產(chǎn)細分品類產(chǎn)品,所以中國市場提供的產(chǎn)品種類較少,但是,已經(jīng)進入量產(chǎn)的細分產(chǎn)品的性能接近全球水平。
模擬芯片主要使用28nm以上的制程,今后,在價格低、服務(wù)靈活的優(yōu)勢下,國產(chǎn)模擬芯片若持續(xù)開展功能性創(chuàng)新,預計將滿足國內(nèi)龐大的市場需求。
CPU是電子計算機的主要配件之一,常用于服務(wù)器和PC。Gartner 2020全球半導體終端市場份額顯示,2020年,全球CPU市場規(guī)模約5000億元,中國芯片設(shè)計公司營收總占比為7%。
技術(shù)能力方面,多家中國廠商已經(jīng)推出了服務(wù)器、桌面CPU等產(chǎn)品,并應(yīng)用于政務(wù)、高性能計算、工控等商用場景。但整體國內(nèi)廠商在穩(wěn)定性,兼容性方面仍在追趕中。CPU生態(tài)依賴X86和ARM架構(gòu),且對于先進制成的追求較高,因此,中國廠商面臨很大的供應(yīng)鏈挑戰(zhàn)(包括上游EDA/IP設(shè)計工具,下游代工廠的先進制成服務(wù),以及終端軟件的適配)。
今后,隨著國產(chǎn)CPU廠商的產(chǎn)品生態(tài)趨于完善,中國廠商有望逐步小幅度提升市場占有率。
包括圖顯GPU和計算GPU。技術(shù)能力方面,少數(shù)廠商實現(xiàn)量產(chǎn),僅有一款產(chǎn)品達到最先進的7nm制程,并且仍處于初步商用階段。
GPU先進制程供應(yīng)鏈面臨一定的挑戰(zhàn),自建生態(tài)尚未大規(guī)模建立,依賴英偉達CUDA軟件生態(tài)。我們觀察到,新成立的數(shù)家GPU公司擁有強大的技術(shù)團隊,有助于加速國內(nèi)GPU發(fā)展。
主要運用于服務(wù)器,分為AI訓練和AI推理。2020年,中國AI訓練芯片市場規(guī)模約46億元,AI推理約25億元。
技術(shù)能力方面,多家中國廠商完成量產(chǎn),實現(xiàn)商用,其中,最先進的產(chǎn)品達到了7nm,少數(shù)玩家在AI訓練、推理芯片領(lǐng)域的性能接近了全球領(lǐng)先水平。和GPU的情況類似,AI/ML ASIC依賴先進制程,但是,生態(tài)體系以自建為主,對于外部的依賴較少。
在強大的資金、技術(shù)能力的支持下,大型云計算服務(wù)商(CSP)正積極參與ASIC產(chǎn)品研發(fā)和應(yīng)用,我們建議,云計算服務(wù)商需要明確自身定制化要求,從而提升在自研芯片領(lǐng)域的投資效率。
從下游應(yīng)用領(lǐng)域來看,在中國,消費電子與汽車電子是大部分芯片廠商的發(fā)力方向。
展望未來,我們預測,2020-2025年,兩大市場將保持約15%-20%的高速增長態(tài)勢。
當前,中國半導體投資市場逐步轉(zhuǎn)向中后期項目,設(shè)計仍是主要投資環(huán)節(jié),包括計算芯片、汽車半導體等(圖2)。
注:1. 其他包括Pre-IPO 輪、戰(zhàn)略融資和( 非) 控制權(quán)收購;2. 天使輪包括種子輪。資料來源:CV source ;云岫資本: 創(chuàng)道硬科技研究院;案頭研究
在總投資規(guī)模中,投向設(shè)計的比例約70%,位列所有細分賽道首位。在建立本土半導體產(chǎn)業(yè)鏈的政策影響下,上游材料與設(shè)備吸引了新的投資熱點,從2019年的13%快速提升至2020年的19%。
在設(shè)計環(huán)節(jié)中,得益于下游廣闊的應(yīng)用增長和國產(chǎn)替代,以及電動車的放量和智能化、網(wǎng)聯(lián)化趨勢,計算芯片(主要包括GPU、ASIC)及汽車半導體成為投資熱點。
本文節(jié)選自貝恩公司發(fā)布的《中國半導體白皮書》, 編輯中略有改動,經(jīng)授權(quán)刊載。