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科技基建，自主创芯——详解全球半导体制造行业格局西南证券研究发展中心电子行业研究团队刘言（S1250515070002），陈杭2019年2月18日半导体制造目录一、全球半导体制造市场规模及竞争格局二、半导体制造制程技术分析28纳米是生命周期相当长的节点先进制程技术之FinFET与GAA代工第一梯队台积电和三星以及IDM第一梯队英特尔半导体制造代工第二梯队：联华电子、格罗方德、中芯国际、Towerjazz三、半导体制造全球巨头化合物半导体代工巨头之稳懋半导体和三安光电全球半导体制造市场及行业格局中国半导体制造行业情况先进制程技术之FD-SOI半导体市场全球经济相关性半导体受全球经济影响波动较大，且相关性越来越强根据IHSMarkit的统计，2017年，全球半导体市场的营收规模为4290亿美元，较上年增长21.6%。成长主要是由于存储器市场的供不应求导致价格上涨，仅存储器部分的年增长率高达58.8%，非存储器部分年增长率为10.3%；作为资金与技术高度密集行业，半导体目前形成深化的专业分工、细分领域高度集中的特点，因此半导体受全球经济影响波动较大，且相关性越来越强。预计未来几年，全球经济仍将保持稳定增长，年增长率维持在3%左右，因此预计半导体市场的景气度也如以前一样，维持3%左右的增长率。全球半导体营收预测及年增长率全球GDP及年增长率数据来源：IHSMarkit,AMFT,4Q17，西南证券整理数据来源：Gartner，西南证券整理0%1%1%2%2%3%3%4%65,00070,00075,00080,00085,00090,00095,0002015201620172018E2019F2020F2021F全球GDP（十亿美元）年增长率-5%0%5%10%15%20%25%010020030040050060020142015201620172018E2019F2020F2021F全球半导体营收预测（十亿美元）年增长率半导体市场下游应用半导体下游应用市场情况——手机和PC市场最大，汽车与IoT增速最高2017年全球半导体收入增长是由于DRAM平均销售价格的上涨，以及对于模拟，闪存和逻辑的强劲需求。WSTS预计2018年IC产业市场将达到4370亿美元，比2017年增长7％。IC领域的市场增长情况（以亿美元计）数据来源：ICInsights，西南证券整理手机和个人电脑目前仍是芯片业的最大市场。根据ICInsights的数据，2017年全球手机和个人电脑IC销售额占IC市场总收入的45%，但是2016-2021年均复合增长率分别为高个位数和低个位数。相较之下，汽车和物联网市场规模虽小，但是增长势头强劲，预计2016-2021年均复合增长率将超过13%。汽车半导体器件正侵占晶圆代工厂的产能根据德州仪器、IHS等公司的数据显示，每辆汽车的半导体产品平均含量从1990年的62美元增长到2013年的312美元，到2018年增长至350美元。IHS预计到2022年该数字预计将达到460美元。多年来，博世、恩智浦、安森美半导体、瑞萨、意法半导体、德州仪器和其它有自家晶圆厂的IDM厂商主导着汽车行业。通常，汽车芯片都是在200mm和300mm晶圆上制造的。数据来源：与非网，西南证券整理半导体市场汽车电子半导体产业链制造牵头半导体制造位于半导体产业链中游数据来源：wind，西南证券整理从半导体产业链角度来看，半导体材料和设备位于产业上游，是整个半导体行业的支撑产业，中游为半导体的制造，其中集成电路的制造最为复杂，又可以分为设计-制造-封测三个环节，而集成电路制造的资金和技术壁垒是最高的。下游为半导体各类细分市场的应用，比如PC、通信、消费电子、汽车、工业应用等。半导体产业链制造牵头芯片制造整个产业链：设计-制造-封测数据来源：西南证券数据来源：华芯投资，西南证券整理芯片制造全产业链示意图国家产业基金承诺投资产业链占比芯片制造工艺流程集成电路制造工艺流程如今建设一条12英寸芯片生产线的投资已经很高，少则30-50亿美元，其中仅半导体设备的投资占70%以上。根据2017年美国加州UCBerkeley大学的理论数据，一条月产12英寸硅片，5万片的生产线，需要50台光刻机，10台大束流离子注入机，8台中束流离子注入机，40台刻蚀机以及30台薄膜淀积设备等，估计各类设备的总计台(套)要超过500个。晶圆制造工艺流程图数据来源：西南证券新建产线制造资本支出新建产线资本支出中半导体设备支出占比高达80%新晶圆制造厂从建立到生产的周期大概为2年；一般在第20个月的时候开始进行设备搬入安装、测试、试生产；一条新建产线最大的资本支出来自于半导体设备，资本支出占比高达80%，厂房建设占比仅20%。新建产线各项目时间节点规划新建产线资本支出占比拆分数据来源：中国产业信息网，西南证券整理数据来源：中国报告网，西南证券整理芯片行业运作模式半导体芯片行业的三种运作模式：IDM、Fabless和Foundry数据来源：电子说，西南证券整理半导体产业链垂直分工半导体产业链垂直分工模式日趋成熟，产业链更加细化上世纪60年代，早期企业都是IDM运营模式（垂直整合），这种模式涵盖设计、制造、封测等整个芯片生产流程，这类企业一般具有规模庞大、技术全面、积累深厚的特点，如Intel、三星等。随着技术升级的成本越来越高以及对IC产业生产效率的要求提升，促使整个产业逐渐向设计、制造、封装、测试分离的垂直分工模式发展。这种垂直分工的模式首先大大提升了整个产业的运作效率；其次，将相对轻资产的设计和重资产的制造及封测分离有利于各个环节集中研发投入，加速技术发展，给新玩家一个进入行业的切入点，例如技术水平较低的封装检测、设计突出的Fabless等。晶圆代工的出现降低了芯片行业准入门槛数据来源：与非网，西南证券整理数据来源：台积电，西南证券整理半导体产业链垂直模式日趋成熟纵观前十大半导体企业变化，IDM仍有强劲的生命力在上世纪90年代，全球半导体公司大多是日本公司，前十名企业中占据50%，而且全是IDM公司；2016年，前十大半导体企业中出现了高通、博通等设计公司，表明晶圆代工+设计公司的发展模式在数字逻辑集成电路领域中取得了巨大的成功；在2016年设计公司取得巨大成功的背景下，前十大半导体公司中有7家是IDM公司，占比前十大收入的80%。数据来源：华润微电子，西南证券整理全球前十大半导体公司演变情况设计企业IDM企业设计企业IDM企业全球设计公司2010年销售收入为635亿美元，2017年增长至1000亿美元，年均复合增长率高达6.7%；全球IDM公司2010年2043亿美元，2017年达到2636亿美元，年均复合增长率高达为3.7%；不同的是设计公司7年来持续增长，而IDM公司是有降有增，这里面增长包含存储器产品的涨价。代工厂的出现促进了半导体设计公司的发展数据来源：华润微电子，西南证券整理-5%0%5%10%15%20%25%30%35%05001,0001,5002,0002,5003,00020102011201220132014201520162017全球Fabless企业销售收入（亿美元）全球IDM企业销售收入（亿美元）Fabless增长率国际上设计公司与IDM的规模对比晶圆制造行业特点晶圆制造行业特点：先进技术节点工艺制程掌握在少数几个公司手中晶圆制造行业一个典型的特点就是先进技术节点工艺制程掌握在少数几个公司手中，130纳米技术全球有近30个公司可以量产，但是到了14纳米技术仅掌握在6个公司手上，未来5纳米技术水平预计只有三星、台积电、英特尔三家有能力实现量产；中芯国际是世界上为数不多的几个可以提供完整的从成熟制程到先进制程的晶圆制造解决方案的纯晶圆代工厂之一。中芯国际0.35微米到28纳米工艺制程都已进入量产，14纳米FinFET工艺正在研发中。数据来源：中芯国际，西南证券整理晶圆制造行业特点晶圆代工全球市场全球纯晶圆代工营收预测数据来源：IHSMarket，西南证券整理据IHSMarkit统计，2017年全球纯晶圆代工市场营收为530亿美元，同比增长7.1%。预计到2021年，纯晶圆代工市场营收将达到754亿美元，2016年到2021年的年复合增长率为9.1%，超过同期全球半导体市场的2.8%。01020304050607080902015201620172018201920202021≤5nm8/7nm10nm16/14/12nm20/18nm28/22nm45/40nm65/55nm90nm0.13/0.11μm0.15μm0.18μm0.25μm0.35μm0.50μm+全球纯晶圆代工营收预测（单位：十亿美元/年）从技术节点演变角度来看，28/22纳米及以上相对成熟制程凭借高性价比依然拥有较大的市场规模，存量上基本保持不变或轻微下降，但是由于28/22纳米以下先进制程的市场规模逐渐扩大，成熟制程的市场占比会不断下降。总的来说，目前代工市场还是主要以成熟制程为主，先进制程占比不断提高，2017年28/22纳米及以下先进制程市场占比仅38%，预计到2021年可以达到56%。晶圆制造行业集中度不断提高全球晶圆厂产能集中度不断提高。2009年全球前五名晶圆厂总产能占全球总产能比例仅36%，2017年这一比例上升至53%；2009年全球前十名晶圆厂总产能占全球总产能比例仅54%，2017年这一比例上升至72%；同样，前十五名晶圆厂总产能占比从2009年的64%上升至2017年的80%，前二十五名晶圆厂总产能占比从2009年的78%上升至2017年的89%。2017年全球集成电路晶圆厂集中度数据来源：ICInsights，西南证券整理2009年全球集成电路晶圆厂集中度晶圆制造行业集中度晶圆制造竞争格局台湾贡献了全球最大的代工产能台湾贡献了全球最大的代工产能，仅台积电一家在2018年上半年就占据了全球晶圆代工市场的56.1%，联华电子市占率为8.9%，两者加起来总共占据了65%的市场规模；中芯国际是我国最大的晶圆代工厂，占据了我国超过晶圆代工市场的58%。华虹半导体是全球领先的200mm纯晶圆代工厂，主要面向1微米到90纳米的可定制服务，根据IHS的数据，按2016年销售收入总额计算，华虹半导体是全球第二大200mm纯晶圆代工厂。2018年上半年全球晶圆代工市场格局2017年中国晶圆代工场格局数据来源：中芯国际，西南证券整理数据来源：中芯国际，西南证券整理台积电,56.1%格罗方德,9.0%联华电子,8.9%三星,7.4%中芯国际,5.9%Towerjazz,2.2%力晶,1.6%世界先进,1.5%X-Fab,1.0%中芯国际,58%华虹宏力,16%华力半导体,10%华润微电子,7%武汉新芯,6%先进半导体,3%制程分布产能分布全球各地区产能分布情况2017年全球已经安装运行的晶圆厂总产能为17900千片/月（折合成200mm晶圆当量），其中300mm产能为11600千片/月，占比64.8%，200mm产能为5000千片/月，占比27.9%。从各地区分布来看，台湾排名第一，总产能为4000千片/月，其中300mm晶圆产能占比高达73%，28纳米及以下制程占比为37%；韩国排名第二，总产能为3600千片/月，其中300mm晶圆产能占比高达86%，28纳米及以下制程占比为81%；中国产能位居全球第五，总产能为2000千片/月，其中300mm晶圆产能占比高达47%，28纳米及以下制程占比为35%。2017年各地区晶圆厂不同制程产能分布情况2017年全球各地区全球晶圆产能情况（千片/月）0%20%40%60%80%100%120%20nm20nm≤-28nm28nm≤-65nm65nm≤-0.2um≥0.2um050010001500200025003000350040004500300mm200mm≤150mm折合成200mm晶圆当量数据来源：ICInsights，西南证券整理半导体格局