万字长文解析 | 寻找中国芯片之王

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(图片来源:摄图网)

作者|周迎 来源|商业模式观察家(ID:moshiguancha)

芯片,是中国经济乃至国家战略的短板。

前有华为、中兴被制裁,后有中芯国际购买ASML光刻机被美国阻挠,种种现实说明:中国欲成为真正的世界强国,必须拥有自己的半导体&集成电路完整产业链。

芯片产业链绵长而复杂,包括上游:原材料、设备、软件;中游:设计、制造、封装。当前,国产芯片的真实水平如何?

本文将从产业链角度出发全面解读芯片系列。

第一篇:制造篇

第二篇:设计篇

第三篇:设备篇

第四篇:原材料篇

一、芯片制造

因特朗普政府加强对华为的“制裁”,三星和SK海力士于9月15日停止向华为出售零部件(二者在DRAM存储芯片市占率合计达90%),除存储芯片外,5G、移动通信(AP)等系统芯片也将无法供应。

此前,曾因美国禁令影响,台积电断供,华为麒麟系列芯片成为绝唱。芯片产业链环环相扣,中国必须完善芯片产业链布局,补齐短板,掌握关键技术。

在全球半导体产业结构中,制造环节占比达58%,其次是设计环节26%,封测16%。全球最大的半导体厂商也都活跃在设计和制造领域,产值占到半导体行业总额的71%。

一颗芯片,30%左右的成本来自代工费,作为芯片产业的核心,制造环节可以说是串联起了整个芯片产业链。

在制造环节,有哪些正在崛起的中国选手?

芯片制造:自主之战

芯片制造的起点,源自德州仪器(简称TI)。

1930年,德州仪器诞生。历经石油勘探、军火供应商的转型,到1956年,杰克·基尔比发明了全球第一块集成电路。如今在模拟芯片领域,TI是绝对的霸主。2019年,TI以102亿美元的模拟IC销售额和19%的市场份额稳坐头把交椅。

而TI也被誉为半导体行业的“黄埔军校”,其中台积电创始人张忠谋,中芯国际创始人张汝京等行业内的顶尖人才均出自TI。

▌台积电:改写游戏规则

在全球芯片制造商中,台积电以超4 000亿美元市值,52%的市占率稳居第一,三星紧随其后,市值逾3 000亿美元,市占率17.8%。

德州仪器、英特尔、三星等芯片制造巨头均采用的是IDM模式,拥有自己的晶圆厂,设计、制造和封测全都自己做。台积电的出现,打破了这种行业垂直集成模式。

1985年,54岁的张忠谋辞去德州仪器副总裁的职务回到中国台湾,2年后便创立了台积电。

台积电的主营业务就是做晶圆代工制造,其创造性地将设计与制造板块分离开来,这种垂直分工的代工模式也被称为Foundry模式。

在规模上,台积电一家独大,吞食了全球一半的芯片代工市场,成为全球第一大芯片代工厂。在制造工艺上,更是精益求精,无人能敌。

制程,一般用来衡量芯片制造的发展水平。在芯片中,制程工艺越小,意味着在同等单位尺寸上集成的电路越复杂,性能越好。芯片面积越小,同一块晶圆切割出的芯片数量越多,制造商成本也随之降低。

但制程越小,技术门槛越高。在制造中,不仅面临电路泄露等风险,同时当芯片缩小到一定程度,集成的晶体管特性也将很难控制。技术之外,资金也是一道很高的门槛。制程的提升,资金消耗将指数级增长,如投资一条5nm产线,投资成本高达数百亿美元,是14nm的2倍以上,约是28nm的4倍。

步入赛道之初,台积电的工艺制程为3.0um与2.5um,落后当时的英特尔约2代。

此后10年,在大规模资本和研发投入下,台积电技术得以突破。台积电对先进制程工艺的追求,以几乎每两年一个代差的速度推进。

2011年,台积电开始量产28nm制程芯片,到2012年时,台积电在28nm制程芯片的市占率接近100%,至此开始远远地甩开其他对手。

2014年,台积电开始布局10nm,到2016年,10nm制程芯片成功量产。

2018年,台积电进入7nm时代,成为全球首家提供7nm芯片代工服务的制造商。截至目前,全球只有台积电和三星能够提供7nm制程芯片代工服务,市场供不应求,不过在市占率上,台积电仍遥遥领先,吃掉大量订单。

2020年二季度,台积电宣布5nm制程已进入量产阶段,其中5nm的N5版本,比N7的7nm工艺性能提升15%、功耗降低30%,晶体管密度提升80%。此外,2nm也已在谋划当中。

在先进工艺上形成技术垄断,台积电制造成本低,成品质量好,价格更便宜,这种技术先发优势让它不愁买家,订单源源不断。其中,苹果是台积电最大的客户,占其营收的17%,已连续4年独家代工苹果A系列芯片;其次是华为占比10%,因美国干涉,已于9月断供。此外,高通、英特尔、英伟达、博通、联发科等均是其稳定的核心客户。

2019年,台积电实现营收346.3亿美元,净利111.8亿美元,净利率高达32%。

▌中芯国际:中国“芯”希望

中芯国际是全球第五大芯片代工制造商,也是中国大陆最大的半导体代工企业,全球市占率约5.4%。

2000年,张汝京在上海张江创办了中芯国际。此后,便开始了国产芯片制造的技术追赶之路。

仅13个月,中芯国际第一座8英寸晶圆厂就正式建成投产。3年后,4条8英寸生产线,1条12英寸生产线陆续搭建。技术节点也从0.35um、0.13um,向90nm、65/55nm、45/40nm不断攻克。

到2017年时,中芯国际28nm制程芯片实现量产;2019年,中芯国际14nm制程芯片量产成功。目前国际上能制造出14nm芯片的仅有5家公司,分别是台积电、三星、格罗方德、联华电子和中芯国际。

历经20年发展,虽然规模和技术上与台积电仍存在差距,但中芯国际是大陆唯一一家能够提供该工艺芯片代工服务的厂商。

今年7月16日,中芯国际登陆科创板,耗时18天创下最快过会纪录;开盘暴涨246%,市值破6 000亿元;首发募资达532亿元,创下科创板开板以来的历史之最。

市场追逐中芯国际,更多看重的是它在中国半导体产业中不可替代的战略价值——中芯国际不只是一家代工企业,其背后更是承载着中国半导体产业自主化的重任。

在中芯国际合计231.4亿元的战略配售中,有29家机构参与,其中不乏国家集成电路大基金等国家队,海通、中金等资本参与。值得注意的是,还出现了一家新成立的投资基金“青岛聚源芯星股权投资”(有限合伙),由15家中芯国际上下游核心企业组成。

这支“亲友团”中,不仅有上游做材料的新阳、做刻蚀机设备的中微、做存储接口芯片的澜起,也有中游做设计的韦尔,下游芯片代工的客户等。

作为国内芯片制造核心企业,中芯国际串联起了整个产业链。当制造水平不断提升,通过相互扶持,将带动整个芯片产业上下游协同发展,进而实现上游设备、原材料、以及整个设计、制造、封测半导体产业链的自主可控。

2019年,中芯国际营业收入达31.2亿美元,净利润2.35亿美元,研发投入为6.9亿美元,占营收的22%。而固定资产达541亿元,占总资产的47%。

从营收结构来看,2019年中芯国际超过一半的营收来自90nm及以下先进制程市场,占全年营收的50.7%;66/65nm的营收占27.3%。而已经量产的14nm尚未体现规模效应,营收占比不足1%,同时面临着较高的折旧压力。

截至2019年,中国大陆的IC设计公司不少于1 300家,发展势头迅猛,这给我国本土晶圆代工业带来了绝佳的发展契机,对于中芯国际而言,也是一个利好机会。

未来,随着巨头对技术节点的追求越来越接近物理极限,未来工艺迭代速度将会逐渐放缓,这也为中芯国际的技术追赶争取到了更多的时间。

▌华虹半导体:市场黑马,另辟蹊径

当前芯片代工行业,大致分为3个梯队:

首先是由台积电、英特尔、三星组成的超级阵营,其次是以中芯国际为代表的第二阵营,而华虹半导体则处于第三梯队,成功挺进全球晶圆代工厂商前十。

华虹半导体于2005年在中国香港成立, 隶属于华虹集团,2014年在香港主板上市。与前两大阵营致力追求先进工艺的路线不同,华虹半导体走的是一条特色工艺路线。

公司坚持差异化的技术研发,主营嵌入式非易失性存储器、分立器件、模拟与电源管理、逻辑与射频等细分市场,技术覆盖1.0um至90nm各节点。此类业务对先进工艺尺寸的要求相对较低,属于特殊工艺制程,研发投入和资本开支压力相对较小。

目前,华虹半导体生产的芯片广泛应用于电子消费品、工业与汽车电子产品、通信、计算机中。从工艺节点来看,0.35um及以上工艺和0.13um及以下工艺制程是公司营收主力,占比51.20%和35%。

在发展规划上,华虹半导体实行了“8+12”战略。

在8英寸产线上,华虹半导体通过缩小存储面积等强化嵌入式闪存技术工艺,满足高端需求;在12英寸产线方面,2019年华虹无锡12英寸晶圆厂建成投片,主营功率器件代工,覆盖90~65nm工艺节点,针对的是新兴物联网与5G产品市场,而这也是全球首条12英寸功率器件的代工生产线、中国大陆最先进的12英寸特色工艺生产线。

目前,其8英寸平台合计月产能是17.8万片,而12英寸产线的月产能是6.8万片。

作为特色工艺领军企业,2019年华虹半导体共申请专利370项,累计中美发明授权专利超3 400件。

通过差异化的竞争,切入细分市场,华虹半导体真正做到人无我有,人有我精。2019年,华虹半导体实现销售收入9.33亿美元,毛利率30.3%,净利润为1.62亿美元。其中,中国区是公司营收最大的市场,占比58.5%;其次是北美,占比16.1%。

▌IDM模式

前面提到的台积电、中芯国际、华虹半导体采取的都是Foundary(代工模式),仅涉及制造环节。而国内也有一些企业,走的是IDM模式道路,集设计、制造、封测垂直一体化。

垂直分工和IDM模式,是当前半导体行业两种主要的发展模式。前者只负责设计、制造、封测的某一环节,可分为Fabless(设计)、Foundary(代工)、OSTA(封测)3种细分模式,后者则覆盖全产业链,相对规模较大。

华润微电子

在中国半导体前十企业中,华润微电子是唯一一家以IDM模式为主运营的半导体企业,当前市值达680亿元。

背靠华润集团,华润微电子涉及芯片设计、晶圆制造、封装测试,产品聚焦功率半导体、智能传感器与智能控制领域。

华润微电子前身是香港华科电子公司。1983年,香港华科电子公司建立了中国第一条4英寸晶圆生产线。此后,先后整合华科电子、中国华晶、上华科技等中国半导体先驱,华润微成功覆盖全产业链。

晶圆制造方面,目前华润微电子在无锡拥有3条6英寸生产线,1条8英寸生产线。其中,8英寸生产线年产能约73万片,6英寸生产线年产能约247万片,工艺覆盖1.0~0.11um制程晶圆制造。同时,在重庆还拥有1条8英寸半导体晶圆制造生产线,年产能约60万片。

今年9月,华润微电子宣布首条6英寸商用SiC晶圆生产线正式量产,这也是国内首条6英寸商用SiC晶圆生产线。

封测方面,公司在无锡、深圳拥有半导体封装测试生产线,年封装能力约62亿颗,此外还提供掩模制造服务。

2018年,华润微电子实现营收63亿元,其中晶圆制造收入26.74亿元,占公司营收的43%;封装测试收入7.9亿元,占公司收入的12.6%。公司研发投入为4.5亿元,占营收比例为7.17%。

士兰微

华润微电子之外,士兰微也是国内最主要的IDM模式公司。

1997年,士兰微成立。起初,士兰微是一家集成电路芯片设计企业,20多年来逐渐向IDM模式发展,力求全产业链覆盖。

2000年底,士兰微便开始筹划芯片生产,次年第一条5英寸芯片生产线在杭州建立。2003年,士兰微成功上市,此后便加紧建设6英寸芯片生产线。当前,在小于或等于6英寸芯片制造中,士兰微产能全球第5。

到2017年6月,士兰微8英寸生产线正式投产,8英寸生产线是士兰微迈向中高端的关键。次年,士兰微与厦门半导体共同投资的12英寸特色工艺芯片生产线正式开工,总投资达220亿元,计划建成2条12英寸90~65nm特色工艺芯片生产线和1条4/6英寸兼容先进化合物半导体器件生产线。

采用IDM模式,一方面能够更有效地整合资源优势,但另一方面相对资产偏重,在一定程度上公司经营利润存在波动。

2019年,士兰微实现营收31.11亿元,其中集成电路业务营收10.37亿元;分立器件产品业务营收15.18亿元;此外,公司研发投入大幅增加,相比去年同期增长21.7%,达到4.3亿元。

华微电子

华微电子成立于1999年,是国内功率半导体行业的排头兵。

功率半导体器件是电子产品的基础元器件之一,主要用于电能变换和电路控制。中国是全球最大的功率半导体消费国,市场空间占全球49%,居第一位。

华微电子主营功率半导体器件的设计、芯片加工、封装与销售,涉及家电、绿色照明、计算机与通讯、汽车电子四大领域。

目前,华微电子拥有4英寸、5英寸、6英寸、8英寸多条功率半导体芯片生产线,芯片加工能力每年达400万片。产品几乎覆盖功率半导体所有分支,品类齐全,包括IGBT芯片(一种新型电力电子器件,广泛应用于电机节能、轨道交通、智能电网、航空航天、家用电器、汽车电子、新能源发电、新能源汽车等领域)、MOSFET芯片和IC芯片等,处于国内行业领先地位。

在新基建领域,华微电子迎来机遇,产品可应用于新能源汽车充电桩、服务器电源、5G基站、工业互联网等。

据年报显示,公司2019年营业收入16.6亿元,实现归母净利润0.65亿元。

三安光电

在LED芯片行业,三安光电全球市占率第一,是绝对的龙头老大。

作为中国高端LED芯片制造者,三安光电成立于2000年,创立伊始依靠倒卖废钢铁起家。2011年,创始人林秀成结识了三明钢铁,双方合资成立了三安集团,此后正式进军电子行业,并以光电和LED为主业。

2002年,三安光电第一片外延片研制成功;次年,三安光电便研制出我国独立知识产权的LED芯片,打破了过去LED芯片全部依靠进口的历史;到2008年,三安光电借壳天颐科技成功上市。

2018年,三安光电LED芯片产量高达9 112亿颗,销量8 385亿颗,实力强大。截至2018年,公司LED芯片产能占到国内总产能的58%。

2019年,公司扩张速度加快。

2019年1月,公司引入战略投资者兴业信托、泉州金控、安芯基金,计划向三安集团增资不低于54亿元;10月,长江安芯以59.6亿元增资三安集团,长沙建芯向三安电子增资70亿元;11月,三安光电非公开发行募资70亿元,其中先导高芯出资50亿元,格力电器出资20亿元。

据年报数据,2019年三安光电实现营收74.6亿元,净利润12.98亿元。

此外,三安光电预期将自2021年开始大量出货用于iPad与MacBook的mini LED显示屏晶粒,预计最快将于2022年出货。

封装测试:不被“卡脖子”

芯片做好后,得从晶圆上切下来,接上导线,装上外壳,顺便还得测试,这就叫封测。2018年,全球半导体封测行业市场规模达560亿美元,其中封测代工(OSAT)达281亿美元。

中国在芯片封装测试环节,已具备全球竞争力。中国台湾老大哥日月光常年占据第一名,全球市占率22%;长电科技、通富微电、华天科技作为大陆三大封测巨头,囊括了全球1/4的市场份额,均成功跻身全球前十大封测企业。

▌长电科技:绝地重生

目前,长电科技是全球第3大封装测试公司。2018年,长电科技在全球封测市场的份额为13.14%,技术水平世界领先。

而长电科技的发展却很坎坷,曾一度濒临倒闭。

上世纪70年代,全国各地掀起了一股晶体管创业热潮。跟随潮流,1972年长江内衣厂转型,成立了江阴电子厂(长电科技前身),但转型后的江阴电子厂业绩惨淡。

1988年底,32岁的王新潮被提拔为该厂副厂长,接手了这个烂摊子。1年后,便将厂子的成品率从50%提升到了70%~80%。

1994年,江阴电子开展封测业务。2003年,长电科技成功上市,到2005年,长电科技旗下长电先进建立了国内首条晶圆级封装生产线。

2015年初,当时全球排名第6的长电科技花了7.8亿美元(约47.8亿元)对全球排名第4的封测企业星科金朋进行了收购,上演经典“蛇吞象”。而此举使其成功打入世界一流客户供应链,敲开了高端客户的大门。

目前,长电科技是大陆唯一能够做50mm尺寸以上封装服务的公司,公司已具备60×60mm超大倒装封装技术,110×110mm超大封装项目在研。此外,中芯国际是长电科技的第二大股东,长电科技全面覆盖所有芯片封装类型,高通、博通和海思均是其公司客户。

根据财报显示,2019年长电科技营收达235.26亿元,其中研发投入为9.69亿元,占营收的4.12%。

▌通富微电:强强联合

作为全球第6大封装测试公司,截至2019年第三季度,通富微电封装测试业务在全球的市场份额为5.9%。

通富微电成立于1997年,于2007年在深交所上市,公司前身是南通晶体管厂。

1990年,厂子经营困难,石明达临危受命担任厂长,将业务转向集成电路。到1994年,通富微电建成年封装1 500万块集成电路的生产线。此后,与日本富士通、美国AMD公司合资建厂,凭着过硬的产品,通富微电驶入发展快车道。

2016年,公司收购世界半导体巨头AMD苏州和马来西亚槟城工厂各85%的股权,两厂拥有领先的封装倒装技术,通过收购技术互补,通富微电成功切入高端芯片封装市场,先进封装销售收入占比超7成,而AMD也成为其稳定的第一大客户。

此外,在客户资源方面,世界顶尖半导体公司如德州仪器、意法半导体、英飞凌、富士通等均是公司大客户,国际客户占比超70%。

通过“内生发展+外延并购”的发展模式,通富微电成功跻身全球封测行业前十之列。

资料显示,2019年通富微电封装测试的集成电路多达230亿块,实现营收82.7亿元,同比增长14.5%;研发费用约7亿元,同比增长20%以上。

▌华天科技:成本决胜

作为三巨头之一,华天科技在全球芯片封装测试领域排行第7。截止到2019年三季度,华天科技全球封测市场占有率为5.4%。

2003年,华天科技成立。同年,公司完成塑封电路加工量9.6亿块,销售收入1.53亿元。

为开拓国际高端客户,2018年华天科技和华天电子集团以30亿元收购马来西亚Unisem(友尼森)公司75.72%流通股。后者成立于1989年,主营封测业务,拥有高通、科沃、思佳讯等众多国际知名客户,2018年销售收入达14.66亿林吉特(约24亿元)。此次收购,使得华天科技加快打入国际市场,优化了公司客户结构。

此外,相比于其他同行业公司,华天科技独具成本优势。华天科技工厂地处天水、西安、昆山,动力成本、土地成本、人工成本较低,由此节约了公司管理费用。近5年来,华天科技管理费用占营业收入比例均低于11%。优秀的成本管控让华天科技在毛利率上略高于其他两家封测巨头,是3家封测企业中净利润最高的企业。

据年度报告显示,华天科技2019年共完成集成电路封装量331.88亿只,同比上升24.19%;营收达81.03亿元,同比增长13.79%。其中,研发费用为4.02亿元,约占营收的5%。

二、设计篇

2018年,中国进口芯片4 175.7亿件,金额达2.184万亿元,超过石油1.59万亿元的进口总额,成为中国最大宗的进口商品。

一颗芯片的诞生,要经历芯片设计、晶圆制造、封装测试三大环节。按产业链划分,当前芯片生产有两种模式,IDM模式和垂直分工模式。

IDM模式下,企业有自己的晶圆厂,芯片设计、制造、封装测试全都自己做,一般来说企业规模很大,代表企业有英特尔、三星等。

垂直分工模式则更为普遍,企业仅专营一项业务,具体包括Fabless(无晶圆厂)模式和Foundry(晶圆代工厂)模式。Fabless模式只做设计,将其他生产环节外包,如英伟达、华为海思等;Foundry模式仅代工制造,如台积电、中芯国际等。

芯片设计领域,谁能扛起中国高端芯片大旗?

▨ 数据来源:CBInsights

全球格局:美国芯片霸主

芯片设计并不是从0开始,而是在常用设计模块上进行芯片功能添加。因此,芯片设计公司需要在获得授权后,才可在其芯片的IP核上进行芯片开发。

目前,世界主流的架构是ARM公司的ARM架构,以及英特尔主导的x86架构。几乎全球所有的手机芯片都无法离开ARM公司的芯片架构以及芯片指令集的授权。ARM不制造、不销售芯片,而通过开放的IP授权模式,成为全球尖端芯片架构的垄断者,在移动端处理器市场获得超过95%的市场占有率。

此外,芯片设计还需要专门的软件EDA,而该软件主要被Synopsys、Cadence和西门子旗下的Mentor Graphics三家公司垄断,全球市场占有率高达70%,而中国市场这三家公司的市占率高达95%。

架构和设备之外,在芯片设计开发上,全球格局仍以美国为主导。

据Gartner数据,2018年全球前五大芯片设计公司分别为博通、高通、英伟达、联发科、海思。美国公司包揽前三,中国台湾和大陆地区各占一席。另据IC Insights数据,2018年美国在全球IC设计领域(Fabless)市场的占有率为68%;中国台湾地区该市场占有率为16%,中国大陆为13%。

▌博通:买买买首席代表

作为行业老大哥,博通在IC设计领域常年稳居第一,2019年财年营收225.97亿美元,当前市值超1 200亿美元。

翻看博通的历史,其壮大的惯用手法是“并购”。

1991年,博通成立。但如今新博通集合了安华高、博通以及LSI三家半导体公司的业务。

1999年,惠普剥离芯片制造、电子测量等业务,成立公司安捷伦。2005年,KKR和Silver Lake资本联合从安捷伦手里花26.6亿美元买走半导体业务,改名安华高。

2013年,安华高开始一路并购。先是收购做光学元件的yOptics,加强在光纤产品领域的领导地位,而后并购芯片供应商LSI公司,成为主流芯片产品行业的关键角色。

2016年,安华高以总额370亿美元加股票并购Broadcom,并改名Broadcom Limited。一系列并购,使得新博通成功跻身半导体行业第一集团。

博通业务多元,从营收结构来看,其有线基础设施领域占据全球36%的市场份额,产品包括以太网交换芯片、数据包处理器等;无线业务占其半导体销售收入的1/3,主要产品包括Wi-Fi芯片、蓝牙和GPS芯片等,苹果和三星都是其主要客户,收入贡献比重达25%~30%,占无线通信业务的75%~80%。

2018年,博通曾出价1 300亿美元寻求收购高通,后出于国家安全考虑,被美国政府出面制止。

相比博通,高通则更为高调。

▌高通:绕不过的“高通税”

1985年,52岁的雅各布斯退休不到3个月,便在披萨店楼上租了一间办公室,和6位老同事一起创立了高通。而今,高通已成长为全球最大的移动芯片供应商。

在芯片产业链中,最会赚钱的当属高通,其主要靠两种方式赚钱:一是专利授权(QTL),二是手机芯片销售(QCT)。

在通信技术领域,高通依靠CDMA发家。在以GSM技术为主流的2G时代,高通主攻CDMA技术,凭借运营成本更低廉,能够提供更高质量的无线通信优势,到1993年时,CDMA被公认为行业标准。

高通在2G的CDMA技术中拥有90%的专利,在3G的WCDMA技术中有27%左右的专利,在4G的LTE技术中有16%左右专利,在5G中有8%左右专利。因此,任何手机厂商想要正常生产售卖手机相关产品都得向高通缴纳专利费。

而高通最广为熟知的还是旗下移动处理器芯片“骁龙”,主要应用于智能手机、平板、笔记本电脑。

骁龙处理器几乎是高性能手机的象征,尤其是其高端的8系列,更是每年安卓旗舰的标配。目前,骁龙835已经达到10nm制程,这颗指甲盖大小的芯片里容纳了30亿个晶体管。

世界几乎近一半手机装的都是高通芯片,国产机70%左右使用了高通的芯片,OPPO、vivo、小米等主流手机品牌均是其客户。目前,苹果、三星、华为的大部分高端机型,都使用自研芯片代替了高通芯片,但市场绝大多数品牌仍使用的是高通芯片。

2019年,高通营收约240亿美元(有47亿美元来自苹果的专利许可费),其中芯片业务收入146.39亿美元,移动处理器出货量6.5亿个(多数用于智能手机),占据全球1/3的市场份额;专利授权业务营收45.91亿美元,税前利润达29.54亿美元,利润率高达64.34%。

截止到2019年第三财季,高通累计研发投入已经超过了580亿美元,坐拥超14万项全球专利。

只要使用智能手机,就无法绕开高通。手机厂商每出货一部手机,除了支付高通芯片的费用外,还需要按照整机销售价格的3%~5%支付专利授权费给高通,这种专利授权模式在业界也被称为“高通税”。

而围绕着高通的专利诉讼也一直没有停歇。2019年4月,苹果与高通就专利争议达成和解,后者获得一笔47亿美元的一次性付款;今年7月29日,华为与高通和解,将一次性向高通缴纳高达18亿美元的专利费用。

在手机领域,高通占据CPU高地,而在PC领域,英特尔、英伟达则各占山头。

▌英伟达:5年暴增1 900%

7月8日,英伟达(NVIDIA)市值首超英特尔(Intel),成为美国“最有价值”芯片公司。当日市值破2 500亿美元,其股价在过去5年暴增1 900%。

英特尔掌握着PC芯片的命脉,约占90%的CPU市场份额,而英伟达则是显卡领域的个中翘楚。在电脑里,CPU用于逻辑运算,显卡主要用于图形处理,可协助CPU工作,提高整体运行速度。图形芯片供应商主要包括有两家:AMD(超微半导体)和英伟达。2019年,在独立GPU出货量方面,AMD市场份额为27%,英伟达则占有73%。

黄仁勋出身于中国台湾,在创建英伟达前,他曾是AMD的芯片设计师,后加入芯片公司LSI Logic做了销售。1993年,黄仁勋创立了英伟达。

早期,英伟达瞄准游戏市场推出的NV1、NV2都没有什么水花。随着图形芯片主流市场从游戏主机转向PC,视频游戏在PC中的分量也越来越重。1999年,英伟达发布了世界上第一块GPU——GeForce 256,极大推动了PC游戏市场的发展。

凭借GeForce系列显卡,英伟达在游戏市场所向披靡,稳坐显卡行业头把交椅。2014年开始,英伟达积极布局人工智能领域,主营游戏、专业可视化、数据中心和汽车四大业务。

目前,全球约有3 000家AI公司通过英伟达的芯片满足人工智能方面的需求,用于股票交易、在线购物、无人机导航等领域。其中不乏亚马逊、谷歌、微软等巨头。

据Gartner数据,英伟达拥有全球AI芯片市场约3/4的份额。据Gartner预测,AI芯片市场在2023年将达到340亿美元以上。

国内市场:中国“芯”崛起

尽管芯片设计领域,美国独占鳌头,但中国“芯”已不容忽视。在芯片设计领域,不乏联发科、海思、紫光集团等芯片设计龙头和新锐。

▌联发科:“山寨机之父”的逆袭

7月23日,联发科发布了“天玑720”5G系统芯片,而后市值顺势大涨超过新台币1.12万亿元,创18年来新高,并首次超过富士康位列第二,仅次于台积电。

联发科成立于1997年,是中国台湾老牌移动芯片设计厂商,早期的联发科实际是做DVD芯片的。高峰时期,中国大陆有60%的DVD使用的是联发科的芯片。

到2003年时,联发科才正式发力移动芯片市场,而此时的联发科在该领域知名度不高,其决胜的关键在于“低成本”。

当时的手机,普遍采用的是高通、德州仪器的芯片,成本很高,同时手机芯片厂商只提供芯片,其他方面需要手机制造商自己完成,由此导致手机制造成本高,周期长。

而联发科的出现,将尽可能多的功能集成到自家芯片上,为手机厂商提供一站式方案,不仅成本低,还缩短了手机研发周期,一时征服了不少手机厂商。

2007年10月,中国取消手机牌照核准制度,转而对手机颁发进网许可证。手机生产的门槛大幅降低,由此催生了大批山寨手机制造商,而它们很多使用的就是联发科的芯片。仅2009年上半年,联发科就销售了1.5亿颗手机芯片,赚得盆满钵满,但联发科也因此被贴上了“山寨机之王”的标签。

2010年时,联发科正式加入由谷歌的“开放手机联盟”,打造专属的Android智能手机解决方案,正式进军智能手机市场。到2012年,联发科发布了MT6589,其在图形能力、功耗方面创下许多业界第一。同年,联发科在中国大陆芯片出货量达到1.1亿。到2013年时,联发科几乎包揽了整个中低端市场。

如今的联发科,已发展成为全球前5大无晶圆IC设计公司,前10大半导体公司,全球每3部智能手机就有1台使用了联发科的芯片。

目前,国产四大巨头华为、小米、OPPO和vivo,均有不少机型搭载了联发科的芯片。自2020年开年,已有7款华为手机搭载联发科芯片。

▌华为海思:厚积薄发

海思创立于2004年,背靠华为,是中国大陆规模最大的芯片设计厂商。其前身是创建于1991年的华为ASIC(专用集成电路)设计中心,而当时的华为成立仅4年,可见任正非的深谋远虑。

说到海思,不得不提到其核心人物何庭波。何庭波毕业于北京邮电大学,攻读的是通信和半导体物理硕士,1996年,27岁的何庭波进入华为做了一名芯片工程师,而后成为海思研发管理部部长,直至海思总裁。

2004年,在华为研发投入不到10亿美元,员工有3万人的情况下,任正非给何庭波下达了一个艰巨的任务:每年4亿美元,2万人,全力研发芯片。

尽管海思占据了华为大部分资源,但研发过程却异常艰辛。

直至2009年,海思才推出第一款面向市场的手机芯片K3V1,采用110nm工艺,可适配小众的Windows Mobile系统,但在市场上毫无竞争力。2012年,海思发布的K3V3系列也因严重发热被嘲是“暖手宝”。

终于在2013年,海思推出芯片麒麟910,在工艺上可对标高通芯片骁龙。得益于麒麟芯片,当年海思首次实现盈利,营收达到93亿元。此后,海思在芯片研发方面进展飞速。2017年,华为手机出货量约1.5亿台,其中7 000万台用的是海思麒麟芯片。

2018年,麒麟980发布,作为全球首个采用台积电7nm制程的手机芯片,一颗指甲大小的芯片上集成了69亿个晶体管。而最新华为海思麒麟990 5G芯片集成了103亿个晶体管,成为国内首个集成度超过百亿晶体管的芯片。

另外,在安防芯片领域,海思占据了70%的市场份额,几乎已全部覆盖高中低三档产品。2007-2010年,海思相继拿下大华与海康两大订单,成为安防领域多媒体芯片真正的霸主。

目前,海思的芯片产品分为5大系列:一是用于智能手机的麒麟CPU芯片;二是用于数据中心的鲲鹏系列服务器CPU芯片,其华为鲲鹏服务器在中国移动、联通和电信中占有较大份额;三是用于人工智能场景的AI芯片组昇腾系列SOC;四是用于4G及5G连接芯片,天罡5G基站芯片、巴龙5G终端芯片已全面支撑华为的5G业务;五是用于视频监控、机顶盒、智能电视、物联网等芯片。

2019年,华为海思营收达120.11亿美元,已经超过英伟达;研发费用高达1 317亿元,占全年销售收入15.3%,近10年研发投入总计超6 000亿元。

而今,华为已经成为全球前五的IC设计公司,在技术上,已经达到7nm制程;在5G专利领域,华为拥有的专利数几乎是高通的2倍,5G芯片技术上走在世界前列。

据IDC研究报告,2020年Q2,我国5G智能手机出货量超过4 300万部,在5G芯片领域,华为海思是中国最大的5G处理器供应商,本季度占比达54.8%;其次是高通、联发科和三星,分别为29.4%、8.4%、7.4%。

▌紫光展锐:被低估的国产芯片巨头

紫光展锐是紫光集团旗下的芯片设计公司,是仅次于华为海思的中国大陆第二大IC芯片设计公司,全球第二大基带芯片厂商,也是全球仅有的5家能够提供5G芯片的厂商之一(其他4家为华为海思、联发科、高通、三星)。

紫光集团于2013年收购展讯通信,2014年收购锐迪科,并于2016年将两者整合为紫光展锐。合并后,紫光展锐业务范围覆盖移动通信和物联网领域的移动通信基带芯片、射频芯片、物联网芯片、电视芯片、图像传感器芯片等核心技术的自主研发。

目前,除了三星自家产品以外,紫光展锐是三星手机处理器和基带芯片的最大供应商。三星手机的中低端系列,芯片多是来自紫光展锐。

2018年,紫光展锐加速向中、高端产品线布局。其中,针对移动通信领域发布芯片品牌“虎贲”,针对物联网推出芯片品牌“春藤”。同年,紫光展锐营收73亿元,净利润2.55亿元。

在5G领域,紫光展锐表现不俗。

2019年2月,紫光展锐率先推出第一代5G基带芯片——春藤510;2020年2月,紫光展锐首颗5G芯片SoC虎贲T7520问世,该产品由台积电打造,是全球首款6nm EUV工艺芯片,年内可实现量产,或将带动紫光展锐从中低端向高端转型。2020年3月,紫光展锐获国家大基金注资22.5亿元,其估值超过600亿元。

紫光展锐也是典型的研发型公司,据悉,在紫光展锐4 500名员工中,有90%以上都是研发人员,这或许也是其能够快速成长的原因之一。

▌细分领域的“C位”选手们

2019年,中国芯片设计公司达1 780家,IC设计销售额首超3 000亿元。其中,除了在手机处理器芯片领域具有话语权的海思、紫光展锐外,在其他细分领域也踊跃出许多优秀的企业。

韦尔股份

韦尔股份是摄像头芯片的龙头。

成立于2007年5月,韦尔股份在2017年5月实现上市。公司的主营业务是半导体设计和分销。2019年8月,韦尔股份完成对北京豪威85.53%股权、思比科42.27%股权以及视信源79.93%股权的收购。

其中,北京豪威是图像采集类芯片(CIS)的头部企业,创立于2015年,前身是成立于1995年美国豪威。豪威在图像采集芯片(CIS)领域全球市占率15%,排名第三,仅次于索尼和三星(后二者市占率约60%~70%),其CMOS图像传感器在中高端智能手机市场占有较高份额;而思比科的CMOS图像传感器在国内中低端智能手机市场占有较高份额。

本次交易完成后,韦尔股份的半导体设计业务大幅提升,同时也获得了更多客户资源和业绩增长,现已成为CMOS传感器全球第三、国内第一的龙头企业。

2019年韦尔股份营业总收入136.32亿元,较2018年同比增加343.93%。其中半导体设计贡献营收为113.59亿元,占公司主营业务收入的83.56%。

中兴微电子

中兴微电子作为中兴通讯的子公司,是中国前十大IC设计公司,也是通信芯片的先行者。

1996年,中兴就成立了IC设计部,到2003年,中兴微电子正式成立。

中兴微电子是中国芯片布局最全面的企业之一,产片线包含无线通信、宽带接入、光传送、路由交换等。目前,中兴微电子拥有芯片专利超过3 900件,5G领域的7nm核心芯片已实现商用。

尽管2018年受到美国禁令的影响,营收有所下滑,但2019年中兴微电子营收达76亿元,同比增长75%;中兴集团总营收达到900多亿元,同比增长61%。除此之外,中兴在2019年拿到64个5G商用订单,与全球70多个运营商在5G方面达成了合作。

华大半导体

华大半导体成立于2014年,主营安全芯片和MCU(微处理器)。

MCU广泛运用于工业控制、医疗设备、远程控制、办公设备、家用电器、玩具和各类嵌入式系统中,它将处理器、内存和I/O等器件集成,减小了系统的尺寸,降低了设备的成本。

据IHS统计,中国MCU(微控制器)市场规模在40亿美元左右,其中大部分市场份额为国外厂商占据,自给率不足5%。而华大半导体在超低功耗MCU开发方面已经累积了相当的技术经验。

华大MCU产品线主要针对消费类电子与家电领域,如电子烟、家电电机控制、测温仪芯片等。据悉,自疫情爆发,华大为市场提供了2 500万颗测温仪芯片。同时,华大还提供中国ETC系统中车载OBU设备需要的MCU,目前ETC设备发行量已突破1.9亿台,高速公路收费站实现ETC全覆盖,为华大贡献了不少的需求量。

目前,华大半导体主要聚焦工业控制、汽车电子、安全芯片三大领域,其中,智能卡及安全芯片产品的出货量和销售额居中国市场第一,名列世界前五。旗下已有三家上市企业,包括A股上海贝岭和港股公司中电控股、晶门科技,总资产规模超过100亿元。

汇顶科技

汇顶科技则是指纹识别领域的王者,在指纹识别芯片、触控芯片设计领域市占率全球第一。

成立于2002年,汇顶科技的芯片设计主要应用于智能手机、平板电脑、笔记本电脑、汽车以及家居触控五大领域。客户包括华为、OPPO、vivo、小米、三星、谷歌、亚马逊、戴尔、惠普、LG、诺基亚等国际国内知名品牌。

在指纹识别芯片这一细分领域,中国占据绝对优势。其中,前五大厂商占据全球89%的市场份额,有三家是中国企业,分别是汇顶科技、思立微、信炜科技,市占率分别为39%、9%、5%。

2018年,汇顶营业额为37亿元,2019年增长到64亿元。预计到2020年全球指纹识别芯片市场规模将达到47.2亿美元,未来,伴随5G技术的发展,以及指纹识别的普及,未来指纹识别市场也将进一步增长。

兆易创新

兆易创新是存储芯片细分领域的领先者。

存储芯片分为闪存和内存,闪存包括NAND Flash和NOR Flash,内存主要是DRAM,其中DRAM和NAND Flash占据了存储芯片市场96%以上的份额。

在半导体行业市场,存储芯片大约占了1/3,而该市场主要被三星、美光、海力士等美日企业控制。我国每年在存储芯片的进口额达880亿美元,对外依赖度超过90%,在其中DRAM、NAND的自给率很低。

成立于2005年的兆易创新主营存储芯片、MCU、传感器,其中,存储核心产品Nor Flash国内市场占有率第一,全球排名第三,市占率为18.3%。   作为中国大陆领先的闪存芯片设计公司,2019年,兆易创新的NOR Flash芯片销售量近29亿颗,累计出货量100亿颗;MCU累计出货量超3亿颗。2019年,兆易创新实现营收32亿元,其中存储芯片收入为25.6亿元。

目前,兆易创新正逐步向NAND flash扩张,同时积极布局DRAM业务。5月12日,兆易创新宣布与领先的半导体IP供应商Rambus合作,达成DRAM内存专利协议,最快将在2021年实现DRAM存储芯片的量产。

澜起科技

2004年,澜起科技成立,并于2019年7月成为科创板首批上市企业,市值一度突破1 000亿元。

澜起科技,主要做内存接口芯片,是全球可提供内存接口芯片的主要厂商之一。同时,澜起科技还与英特尔及清华大学合作研发出津逮®系列服务器CPU,津逮服务器成为阿里云进军自主可控云的重要产品支撑。

在内存接口电路行业,澜起科技在全球服务器内存接口解决方案芯片市场销售占比近40%(截至2017年底);在服务器芯片市场,澜起津逮主要面向大客户市场,该市场占到整个服务器市场50%以上,每年出货量达127.9万台,对应的潜在市场规模约290亿元;针对机顶盒/Wi-Fi市场,澜起科技已推出面向智能语音、监控、智能电视等智能家居市场Wi-Fi芯片,有望未来在智能家居潮中占据一定市场份额。

2018年,澜起科技实现营业收入17.58亿元,净利润7.37亿元,毛利率超过70%。在2016-2018年,公司研发费用投入1.98亿元、1.88亿元和2.77亿元,占营收的比例依次是23.46%、15.34%和15.74%。

此外,芯片设计领域还有如纳思达、智芯微、格科微、全志科技、圣邦股份等优秀企业。

据中国半导体行业协会数据,2019年中国集成电路产业销售收入为7 562.3亿元,同比增长15.80%。其中,设计销售收入为3 063.5亿元,同比增长21.6%,占总值40.5%。

尽管很多领域被国外垄断,但中国芯片并没有想象中那么弱。

三、设备篇

全球近5 000亿美元的半导体销售额中,1/3花在了成本上。除原材料外,光是购买设备和建厂花费就近1 100亿美元。

动辄耗资上百亿元的芯片生产线,75%来自设备投资。

目前我国已是全球芯片消费量最大的国家之一,每年进口芯片接近2万亿元。而芯片国产的关键,在于设备,当前国产设备商的供应能力严重不足,半导体设备国产化率仅12%。

面对巨大的市场需求,以及国际禁售围攻,半导体设备国产化替代变得急迫起来。制造一颗合格的芯片需要哪些设备,当前国内芯片设备领域的“种子选手”又有哪些?

光刻机

半导体设备主要包括晶圆制造设备、封装设备、测试设备、其他设备等。

其中,晶圆制造设备市场规模最大,约450亿美元,占比80%;其次是测试设备约47亿美元,占比8%;封装设备约占7%。

而在晶圆制造设备中,最主要、价格也最昂贵的当属光刻机、刻蚀设备以及沉积设备,分别占晶圆制造设备投资的25%、15%、15%。

整个芯片制造,要经历扩散、光刻、刻蚀、离子注入、薄膜生长、抛光(CMP)、金属化的过程。在加工芯片时,光刻机的光束透射过画着线路图的掩膜,将线路图成比例缩小后映射到硅片上,然后使用化学方法显影,得到刻在硅片上的电路图。一台光刻机含上万个零部件,其内部运动精准程度的误差不得超过一根头发丝的千分之一。

无疑,自研芯片最大的技术壁垒,就在于光刻机。

目前,全球只有少部分国家能够生产光刻机设备,能够量产的仅荷兰阿斯麦(ASML),日本尼康、佳能三家公司。

ASML作为光刻机领域的龙头老大,占据全球75%的市场份额,并一举垄断了7纳米以上光刻机100%的市场。其一台7纳米光刻机售价就高达1亿美元,且有价难求,每年出货量仅有十几二十台。

2018年,中芯国际就曾花1.2亿美元(相当于2018年中芯国际一年的净利润)从ASML订购了一台EUV光刻机。按合同约定ASML本应在2019年底向中芯国际交货,但因为受到一些西方国家的阻挠,直到现在,ASML仍未完成交货。

除了ASML,尼康、佳能分别占据光刻设备市场11.3%、6.2%的份额。

反观国内光刻设备,在高端领域预计不久将实现“0”的突破。

目前,我国光刻工艺制程还处于较低水平。作为“全村希望”的上海微电子,国产光刻机技术国内领先,已能够量产90纳米制程的光刻机,不过与ASML的7纳米制程还相差甚远。

惊喜的是,上海微电子6月宣布已造出28纳米工艺沉浸式光刻机,在升级了光刻机技术后直接超越了日本佳能。同时,在11纳米光刻机的研制上,也已取得积极进展。

刻蚀机

光刻机把图案印上去后,需要刻蚀机对晶圆进行刻蚀,完整地将掩膜图形复制到硅片表面,选择性去除硅片上不需要的材料。

如果把在硅晶体上的施工比成木匠活,光刻机的作用相当于木匠在木料上用墨斗画线,刻蚀机的作用则相当于木匠在木料上用锯子、凿子、斧子、刨子等工具施工。

在半导体制程上,蚀刻是不可或缺的技术,占据芯片设备投入的20%,2018年全球刻蚀设备市场规模高达100亿美元。

放眼国际市场,刻蚀设备领域被三大巨头占领。其中,泛林半导体(Lam Research)占据55%的市场份额,独占半壁江山;东京电子与应用材料相当,市占率分别为20%、19%。3家公司几乎垄断了整个刻蚀设备市场。

中国当前刻蚀机制造的国产化率约为20%左右。其中有两家公司,已在该行业积累了不小的影响力,一是中微半导体,二是北方华创。

其中,中微半导体是国内唯一能够生产7纳米和5纳米制程刻蚀设备的公司。

2004年,60岁的尹志尧回国创业,在上海成立了中微半导体设备公司。曾在英特尔、泛林任职,后进入应用材料总公司任副总裁的尹志尧,行业经验丰富,但国内市场此时对半导体巨大的投入持保守态度,中微靠着政府资助艰难起步,尹志尧曾四处寻找风投……

3年后,中微终于生产出了第一台CCP(电容性等离子刻蚀)设备产品Primo DRIE,效率甚至比国外同类产品高出30%。

如今,中微旗下自研的7纳米介质刻蚀等离子刻蚀机已进入台积电生产线,成为国内首台进入台积电生产线的半导体设备。此外,其5纳米等离子刻蚀设备也已通过台积电认证,将用于台积电全球首条5纳米制程生产线。

据中微半导体公开信息,5纳米的等离子刻蚀机将在2020年实现量产。这也意味着,在半导体设备刻蚀机这一领域,我国终于达到了全球领先水平。

中微半导体2019年年报数据显示,公司2019年营收19.47亿元,同比增长18.77%;净利润1.89亿元,同比增长107.51%;其中,研发投入达4.25亿元。虽然当前整体规模还较小,但潜力巨大。

二是北方华创。北方华创由七星电子和北方微电子重组而成,是目前国内品类最全的半导体设备制造商。

产品包括刻蚀设备、沉积设备,还生产清洗设备。目前北方华创生产的半导体设备大多实现了28纳米供货,14纳米的半导体设备也进入生产线验证阶段。

沉积设备

半导体制造中的薄膜沉积是指在硅片衬底上沉积一层膜的工艺,这层膜可以是导体、绝缘物质或者半导体材料。

作为半导体制程工艺中一项非常重要的技术,沉积分为化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、其他沉积等,2018年分别占半导体制造设备投入的15%、4%、3%。

沉积设备壁垒高企,绝大部分市场由国外厂商占据。

据Gartner 2018年数据,CVD领域前三大厂商美国应用材料、Lam Research和日本东京电子占据全球74%的市场份额;PVD仅应用材料一家就占据了74%的市场份额;其他沉积设备领域应用材料、Lam Research和Aixtron 3家公司占据全球67%的市场份额。

该赛道的中国区选手,仍以中微半导体和北方华创为主。

中微半导体在其他沉积设备中,占据7%的市场份额,主要产品为MOCVD设备,目前已开发出第三代MOCVD设备,这是一种高端薄膜沉积设备,技术水平世界领先。

2018年,美国半导体产业咨询公司VLSI Research对全球半导体设备公司的客户满意度进行调查和评比,中微公司综合评分全球第三。其中,刻蚀设备排名第二,薄膜沉积设备排名第一。

北方华创在PVD和CVD领域均有触及,其中PVD全球市场占比1.4%。北方华创年报显示,公司PVD设备应用跨越90纳米至14纳米的多个技术带,12英寸PVD、ALD以及LPCVD设备已进入集成电路主流代工厂。

清洗设备

在整个半导体产业设备市场中,80%份额为晶圆制造处理设备,而在此环节中,清洗步骤就占到了整体步骤的33%。

在半导体制造中,难免会受到一些颗粒、有机物、金属或氧化物等杂质的污染,为了保证芯片良率,不仅要提高清洗效率,还需要在整个制程中进行频繁清洗。

清洗设备采购费用占到了晶圆制造设备的5%。2018年,全球半导体清洗设备市场规模约30亿美元。随着工艺升级以及良率要求的提高,清洗设备用量需求还将持续增加,预计2020年将达到35亿~40亿美元。

纵观全球清洗设备市场,日系企业占据主导地位,DNS、东京电子(Tokyo Electron)分别占据约60%、30%的市场,剩下则由美国Lam Research、韩国SEMES等企业瓜分,中国企业与国际水平仍有较大差距。

国内方面,北方华创、盛美半导体、至纯科技堪称半导体清洗设备的“三剑客”。

其中,北方华创设备品类最为完备,旗下不仅生产刻蚀设备、沉积设备,还包括关键设备:清洗机。

北方华创原有的清洗设备产品线基本覆盖泛半导体领域,其90纳米~28纳米产品均在中芯国际完成产线认证。

2017年,北方华创以1 500万美元的价格,实现对美国Akrion公司的收购,后者主要业务是硅片清洗,拥有丰富技术经验和客户积累。

美国Akrion公司自研的12英寸清洗机到2016年底时已累计流片量突破60万片,收购完成后,北方华创的清洗业务得到进一步补充,形成了涵盖集成电路、硅晶圆制造、先进封装等半导体领域的8~12英寸批式和单片清洗机产品线。

与北方华创不同,盛美半导体则主攻单片清洗设备。

成立于1998年,盛美半导体拥有独创的兆声波清洗(SAPS)技术、通电气泡震荡兆声波清洗(TEBO)技术,是国内唯一进入14纳米产线验证的清洗设备厂商,在清洗技术上已能与国际企业抗衡竞争,但在规模、研发投入等方面还远不及国际巨头。

在客户方面,盛美半导体与海力士有着长期合作关系,已进入知名半导体制造商长江存储、中芯国际、华力微电子、长电科技等企业生产线。

此外,还不得不提到半导体清洗设备的新星——至纯科技。自2000年成立,2017年成立子公司至微半导体,至纯科技开始切入清洗设备领域。

到2018年时,至纯科技半导体清洗设备业务营收达1.1亿元,约占总营收的16%。其清洗设备已获得中芯国际、万国半导体、燕东和华润等公司的订单。

以上3家公司的发展路线各不相同。北方华创通过收购,吸纳领先技术;盛美半导体通过自主研发实现突破;至纯科技则通过与国际厂商合作,补足短板。

总的说来,国产清洗设备已迎来发展良机,未来的天花板还很高。

测试设备

相较于晶圆制造设备,芯片测试设备市场规模较小,全球市场空间约为54亿美元。

测试设备主要用于芯片的封装测试,包括晶圆检测和成品检测两大环节。

其中,晶圆检测就是通过探针和连接线把芯片的引脚与测试机连接,测试机输入一个信号,检测输出信号是否正常;成品测试则是在芯片完成封装后,通过分选机和测试机对芯片进行功能和电参数测试。

测试通过后,一枚合格的芯片就诞生了。

根据SEMI数据,2018年国内集成电路测试设备市场规模约57亿元,其中测试机占63.1%的市场份额,分选机占17.4%的市场份额,探针台占15.2%的市场份额。

全球市场份额向巨头聚集,主要被美国和日本厂商占据。以美国泰瑞达和日本爱德万为首,两家企业合计的市场份额高达90%。其中,泰瑞达在SOC测试领域独具优势,而爱德万在存储器测试领域处于领军地位。

当前我国测试设备市场的主要格局,爱德万占据39%份额,泰瑞达33%,本土品牌长川科技和华峰测控各占3%。

长川科技成立于2008年,公司主要产品包括测试机、分选机、探针台和自动化生产线。

在测试技术方面,长川科技推出的第三代CTA8290系统,技术达到高端装备水平,已经可以实现国产替代;其自主研发的D9000数字测试机,技术也已达到国外主流数字测试机级别,国内技术排名第一,但目前还无法量产。

在分选技术方面,目前我国总体技术都比较落后,国内仅长川科技的技术勉强能跟上。

2018年,长川科技营收仅2.16亿元,其中分选机收入为1.18亿元,测试机收入为0.86亿元,规模还很小。

华峰测控刚于2月登陆科创板上市,募资10亿元用于集成电路测试设备和相关基地建设。其成立于1993年,前身为华峰技术。

目前,华峰测控已成长为国内最大的半导体测试机本土供应商,也是为数不多进入国际封测市场供应商体系的中国半导体设备厂商。2018年,华峰测控的半导体自动化测试设备销量为403台,平均单价为49万元。

此外,本土品牌精测电子、华兴源创也涉及检测设备业务。

离子注入设备

在半导体晶圆制造中,由于纯净硅的导电性能很差,需要加入少量杂质使其结构和电导率发生改变,从而变成一种有用的半导体,这个过程称为掺杂。

目前掺杂主要有高温热扩散法和离子注入法两种,其中离子注入占据着主流地位,其对电路的集成度、开启速度、成品率和寿命产生着重要影响。

离子注入设备在晶圆加工设备中的比重为5%。2018年,全球集成电路离子注入机市场规模约为25亿美元。

作为集成电路制造工艺中必不可少的关键装备,离子注入机开发难度仅次于光刻机,行业竞争壁垒高,行业集中度高。

整体而言,离子注入机市场主要由美国厂商垄断。根据前瞻产业研究院的统计,美国应用材料占据全球半导体制造离子注入机市场约70%的份额,Axcelis占据20%的份额,呈现寡头垄断的格局。

国内离子注入设备领域,最关键的公司要属万业企业。

万业企业成立于1991年,靠房地产起家。

2018年,万业企业3.98亿元收购凯世通公司100%的股权,后者主要业务就是离子注入机制造,且该公司在光伏离子注入机市占率全球第一。

同时,万业企业还通过入股上海半导体装备材料基金,投资飞凯材料、精测电子、长川科技等,以外延并购+产业整合的方式杀入半导体装备领域。

一面是巨大的蓝海,一面是海外巨头的垄断,当前芯片设备国产化虽然规模较小,但已势不可逆。

四、原材料篇

当前,半导体原材料市场仍是我国的弱项,未来,核心材料国产化替代潜力巨大。

就半导体上游原材料而言,包括制造材料和封装材料,其中,制造材料市场规模较大,每年超300亿美元,主要分为硅片、CMP材料(抛光材料)、光刻胶、光掩膜版、电子特种气体、湿电子化学品、靶材等,但当前国产化率均不超过25%。

原材料一直是中国半导体产业的弱项,随着国内芯片制造的崛起,核心材料国产化将进入发展加速期。

硅片

制造材料里,要数硅晶圆市场规模最大,每年约100亿美元,占到半导体材料成本的1/3。

硅广泛存在于岩石、砂砾中,硅晶圆的生产制造要通过:硅提炼及提纯、单晶硅生长、晶圆成型的过程,简单而言就是从沙子里提出硅来做成硅片。但半导体芯片对晶圆的纯度要求极高,硅纯度要达到99.999999999%,小数点后面就有9个9。

此外,晶圆的尺寸越大越好。直径越大,在一个硅片上经一次工艺循环可制作的集成电路芯片数就越多,每个芯片的成本也就越低。市场上,晶圆直径主要有4英寸(100mm)、6英寸(150mm)、8英寸(200mm)、12英寸(300mm)。其中,12英寸晶圆的市场需求占比超过70%。

但晶圆尺寸越大,对工艺技术的要求也就越高。当前,中国企业生产4英寸、6英寸的晶圆没有问题,制造8英寸、12英寸的晶圆则受到技术制约。

放眼国际市场,硅片市场的王者在日本,第一名是日本信越,第二名是三菱住友,两家日本企业占据12英寸晶圆市场50%以上的份额。世界第三则由中国台湾的环球晶圆占据,市占率20%左右。

日本企业在硅片市场表现强势,曾因此决定了“日韩贸易战”的走势:日本曾单方面停止向韩国出口硅片,导致后者无工可开。

中国在硅片市场的处境实际与韩国差不多,尤其是大尺寸硅片,绝大多数都需要进口。但是,中国的硅片生产企业在艰难的市场环境中毅然起步,近年来开始呈现出“反攻”的潜质。这里有必要提到3家公司。

其一是中环股份。中环股份是国内8英寸硅片的最大供应商,其8英寸硅片产能超过国内总产能的50%。2019年,中环股份天津工厂已能小规模生产12英寸硅片,其通过非公开发行募资50亿元,主要用于8~12英寸硅片的生产扩建。

这说明,中环股份在12英寸硅片的生产技术上已经获得突破,但生产能力和规模还有待提升。

其二是于4月20日科创板上市的沪硅产业。

沪硅产业旗下的上海新昇,主要攻关方向就是12英寸硅片的研发和生产。其在2017年实现技术突破,正式投产,2018年成为中国第一家实现12英寸硅片量产的企业,但供货量相较日本企业还有较大差距。

值得一提的是,沪硅产业并非一家真正的实体企业,而是一家投资平台,其营收主要由并购的几家子公司——Okemetic、上海新昇、新傲科技,以及控股的法国硅片厂商Soitec构成。

这样的组合好处是明显的:在沪硅产业的子公司里,Okemetic、新傲科技以8英寸硅片的生产为主,技术和产能较为成熟,属于盈利部分;上海新昇专攻12英寸硅片,技术和产能都不成熟,属于亏损部分。用盈利部分“供养”亏损部分,正是沪硅产业的核心战略目标。当然,即便如此组合,沪硅产业目前一年仍要亏损1亿~2亿元,可见高端突破战之惨烈。

其三是目前仍未上市的浙江金瑞泓。

浙江金瑞泓也是在2017年实现了12英寸硅片的技术突破,目前仍在产能爬坡的阶段。

中环股份、沪硅产业、金瑞泓构成中国在硅晶圆市场的第一梯队,整体羸弱但潜力巨大。

CMP材料

晶圆切割而成的硅片,需要经过光刻、离子注入等手段,最终制成各种半导体器件。但切割出的硅片,表面粗糙,要先进行抛光工艺,以及平坦化处理,以便后续添加电路特征,制造芯片。

因此,几乎每一片晶圆在生产过程中都会经历几道甚至几十道的CMP抛光工艺步骤。不同制程的产品需要不同的抛光流程,如28nm制程需要12~13次CMP,进入10nm制程后CMP次数将达到25~30次。

CMP材料占芯片制造成本的7%,每年市场规模约22.5亿美元。其中,CMP核心材料主要包括抛光垫、抛光液,占比分别为33%和49%。

首先,就抛光垫市场而言,由于CMP抛光垫具有较高的技术壁垒,市场几乎由美国的陶氏化学垄断,市占率接近80%,剩余市场主要由美国3M、美国卡博特、日本东丽、中国台湾三方化学瓜分。

中国大陆曾经甚至没有生产抛光垫的能力。直到2016年,鼎龙股份获得技术突破,实现抛光垫量产,打破了垄断。

其次,抛光液市场主要由美国卡博特、美国陶氏杜邦、美国Versum、日本FUJIMI、日本Nitta Haas、韩国ACE等企业瓜分。

国内的安集科技率先实现了抛光液的国产化,目前市占率接近3%。

光刻胶

光刻胶曾一度是二级市场的“红人”,受到众多机构和投资者青睐。但一直以来,光刻胶国产化率很低,仅为5%。

什么是光刻?光刻是将电路图形由掩膜版转移到硅片上,为后续刻蚀工艺做准备的过程。在整个芯片制造环节中,光刻是耗时最长、难度最大的工艺之一。耗费时间约占整个芯片制造的40%~50%,在芯片制造中,硅片往往要进行数十次的光刻。

而作为光刻过程最重要的耗材——光刻胶的质量和性能,将对芯片的性能、成品率及可靠性产生关键影响。

2018年,全球半导体光刻胶及光刻胶辅助材料销售额分别为17.3亿美元和22.3亿美元,占据半导体原材料总额的5%和7%。

就全球范围来看,光刻胶市场几乎是日本企业的天下,日本合成橡胶(JSR)、东京应化(TOK)、住友化学、日本信越垄断前4位。其中,日本的JSR作为全球最大的光刻胶巨头,市场份额占到30%左右,Intel、三星和台积电等都是其主要客户。

而中国企业在半导体光刻胶领域几乎没有生产能力,这一领域长期处于空白状态。随着国内晶圆厂的建设,国产半导体光刻胶市场也将进一步扩大,未来半导体光刻胶国产替代潜力巨大。

目前,该市场的中国选手主要有南大光电、雅克科技、上海新阳等半导体化学品业务开始向半导体光刻胶领域拓展的上市公司,以及苏州瑞红(晶瑞股份子公司)和北京科华等非上市企业。

中国市场谁能从中杀出重围,短期内尚难见到苗头。

光掩膜版

作为芯片生产制造过程中的核心模具,光掩膜是连接光刻机和硅片的纽带,而芯片刻制质量也与光掩膜直接相关。

光掩膜一般也称光罩,是半导体芯片光刻过程中设计图形的载体。光掩膜所起的作用类似于相片中的底片,由不透明的遮光薄膜在透明基板上形成掩膜图形,并通过掩膜版在芯片两面多次显影,俗称“曝光”,将图形转印到产品基板上。

据SEMI数据,半导体材料中成本占比最高的是硅片,占比32%;而光掩膜版,占比约12%。2018年,全球光掩膜版市场规模约40.4亿美元,预计2020年将达到42亿美元。

就全球范围来看,半导体光掩模市场集中度高,寡头垄断严重。该市场长期由美国Photronics、日本印刷株式会社、日本凸版印刷株式会社三家垄断,抢占了全球80%以上的市场份额。

而中国在高端半导体光掩膜版领域的生产能力较弱,“国内谁能率先突破”还不能妄自评断。

目前,国内除了晶圆代工厂,如中芯国际拥有自制掩膜版业务外,光掩膜版的制造主要集中在科研院所,包括中科院、中国电子科技集团等,以及少数已上市专业掩膜版制造商,如路维光电、清溢光电。但由于技术壁垒,国内自给率还很低,仍主要依赖进口。

电子特种气体

在半导体制造材料中,电子特气是仅次于硅片和硅基材料的第二大市场需求半导体材料,约占半导体材料成本的13%。2018年,电子特种气体市场规模约45.1亿美元,当前国产化率仅12%。

作为电子工业的关键原料,电子特气被誉为电子工业的“血液”,从芯片生长到最后器件的封装,几乎每一步、每一个环节都离不开电子气体。它的纯度和洁净度,将会直接影响到芯片的质量、性能和成品率。

目前,电子特种气体市场主要由美国空气化工、美国普莱克斯、德国林德集团、法国液化空气和日本大阳日酸株式会社5大气体公司垄断。

国内,这一领域的排头兵当属上市企业雅克科技,其通过国际国内并购切入这一领域。

2018年6月,雅克科技发布公告,完成发行股份购买科美特公司90%股权和江苏先科公司84.825%的股权。完成收购后,雅克科技持有江苏先科100%股权,而江苏先科的控股子公司——韩国UP Chemical就主要从事半导体前驱体电子特气的生产、研究与销售。同时,科美特的主要产品为六氟化硫和四氟化碳,主要用于电工高压输配电设备和半导体制造领域。因此,雅克科技通过并购成功向电子特气领域拓展。

2019年,雅克科技年度报告显示,报告期内公司营业收入18.32亿元,同比增长18.42%;其中电子特种气体营业收入3.95亿元,同比增长53.82%,占雅克科技总收入约21.57%,毛利率为50.89%。电子特气成为雅克科技新的利润增长点。

湿电子化学品

湿电子化学品,约占半导体材料成本的7%,全球市场规模约19亿美元。主要分为通用化学品(又称超净高纯试剂)和功能性化学品(以光刻胶配套试剂为代表),需求量占比分别为88%、12%。

在制造晶圆的过程中,主要使用高纯化学溶剂去清洗颗粒、有机残留物、金属离子、自然氧化层等污染物。

当前,全球湿电子化学品市场呈现三分天下的格局。

第一梯队,欧美老牌生产企业占据了市场约34%的份额。主要生产企业包括:德国巴斯夫,美国Ashland化学、Arch化学、霍尼韦尔公司等。

第二梯队,由日本企业占领,约占全球30%的市场份额。主要生产企业包括:日本关东化学、三菱化学、京都化工、住友化学等。

第三梯队,则由中韩企业占据,总体市场份额约35%。如中国江化微、晶瑞股份、台湾联仕、鑫林科技,韩国东友精细化工等。

国内生产湿电子化学品的企业,技术水平主要集中在6英寸以下,国产化率达80%;而8英寸及12英寸硅片需求的高纯化学品基本靠进口,国产化率约为10%。

但也有部分企业,技术水平达到了12英寸及以上标准,进入产能爬坡阶段,如晶瑞股份、浙江凯圣等。

溅射靶材

相较于其他主要半导体制造材料,靶材市场的规模较小,约为9.7亿美元,在整个半导体材料市场中的占比约2%左右。

溅射是集成电路制造过程中反复用到的工艺,而靶材则是溅射工艺中必不可少的重要原材料。

半导体用靶材主要用于晶圆导电层及阻挡层。半导体芯片对溅射靶材的金属纯度、精度等方面标准严苛,若杂质含量过高,形成的薄膜就无法达到使用所要求的电性能,且在溅射过程中易在晶圆上形成微粒,导致电路短路或损坏,将严重影响薄膜的性能。

全球靶材市场的研发和生产主要集中在美国、日本的公司,霍尼韦尔、日矿金属、东曹、普莱克斯、住友化学、爱发科等企业占据了主要市场份额。其中,日矿金属是全球最大的靶材供应商,靶材销售额约占全球市场的30%;霍尼韦尔在并购Johnson Mattey,整合高纯铝、钛等原材料生产厂后,靶材份额约占全球市场的20%。

虽然中国半导体靶材起步较晚,但却是整个芯片产业链上为数不多的能够国产化的行业之一。当前,该领域的国内厂商主要有:江丰电子、有研新材等。

江丰电子是国内最大的半导体芯片用溅射靶材生产商,在国产靶材领域率先实现了从0到1的突破,打破了美、日跨国公司的垄断格局。其主要客户为台积电、联电、中芯国际、索尼等。

而有研新材子公司有研亿金,主要产品为高纯金属靶材等,是国内规模最大的高纯金属溅射靶材制造企业。其钴靶材曾获得台积电验证通过,打破了台积电二十年来半导体用钴靶材没有第二供应商的历史。

尽管与国际领先厂商相比,我国芯片各环节技术仍存在差距,但不可忽视的是,国内芯片产业链正不断完善。目前对于国内半导体企业而言,可能最需要的仍是耐心。

编者按:本文转载自微信公众号:商业模式观察家(ID:moshiguancha),作者:周迎

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