专精特新系列|半导体:向“专”而行“精”益求精

  半导体产业链呈全球化分工,中国大陆以承接低附加值的封测为主,制造端上游设备、材料、EDA工具及设计等与海外技术差距仍较大,面临海外供应链安全风险。我们认为,国产替代对于中国大陆在科技领域“破局”有着举足轻重的战略意义,同时也需通过“专精”企业的研发转化帮助企业在产业链核心环节“立新”。

  “破局”:中国半导体产业仍面临海外供应链安全风险,关键环节替代能力弱。中国大陆过去二十年历经了半导体产业“从无到有”的高速发展,根据中芯国际披露,国内已能实现28nm及以上的成熟制程量产,但“芯片-工艺-装备-材料”的配套供应链能力仍较弱,尤其部分关键设备材料如光刻机、光刻胶等与海外差距仍较明显,另一方面,缺乏配套供应链的生态支持也掣肘了芯片设计企业的发展,产业链上游仍面临掣肘于海外之“局”。

  “立身”:配套供应链国产替代仍为半导体产业链发展的主旋律。具体来看:1)半导体设备:总体国产化率在10%~20%左右,但关键环节、先进制程方面覆盖面较弱;2)半导体材料:整体国产化率在20-30%左右,不同环节分化较大,目前光刻胶、掩膜版等国产化率最低;3)半导体零部件:呈“碎片化布局”,机械类零部件国产替代进程较快;其他气/液路、电气、光学等零部件国产率在10%-50%不等;4)半导体设计:整体国产化率偏低,国内厂商从中低端产品切入,但高端产品仍依赖进口,MCU、车规级IGBT等产品国产替代空间大;5)EDA工具:整体国产化率在10%左右,作为半导体设计和制造环节的基础,EDA国产替代具有较大意义。展望未来,国产替代仍为中国大陆企业在科技领域的“立身”之本。

  “专精”:专精特新企业创新效率更高,更适合发挥“补短板”作用。我们总结了韩国半导体产业链发展历史,发现韩国以大量的中小企业围绕三星、海力士等大型晶圆制造企业构建了良好的上游设备、材料国产化的供应链生态。同时芯片设计领域的专精特新企业重视研发创新,人均专利数量较高,展现出较强的盈利能力。因此我们认为中小企业有助于激发创新能力,通过“专精”企业高效的研发转化对核心环节“立新”,填补中国大陆半导体产业链中的空缺。

  行业周期和国际局势波动风险、技术迭代和国产化进程不及预期风险、市场竞争加剧的风险、海外晶圆制造和上游领域制裁及中美贸易摩擦风险。

  产业链全球分工情况看,半导体产业呈现出分工(垂直分工、区域分工)和聚集(各环节高度聚集在不同区域)两大特征。

  ► 垂直分工:由于半导体行业的规模经济性,及晶圆制造扩产所需投资巨大,除部分实力强大的IDM外,多数企业存在将制造工序外包以节约成本的需求,由此产生垂直分工。

  ► 区域间分工和区域内集中:各个国家地区在产业链上扮演的角色不尽相同,各环节内呈现较高的地域集中度。根据SIA,在半导体制造端,目前约75%的产能集中在东亚地区(日本、韩国、中国大陆及中国台湾);而在设备、材料端,美国至少在5个子类拥有50%以上的市占率,日本公司在材料领域市占率较高;中国大陆和中国台湾在封测端市占率较高。

  另外,半导体设计、设备、代工、封测的产品创新附加值依次降低。中国此前主要承接制造端的需求,以低毛利、重资产投入的封测、代工为主,但通过代工封测的大量研发投入,目前国内企业已经获得相对可观的溢价回报。

  大陆晶圆代工产业起步慢,与海外先进工艺仍有较大差距。以逻辑制程为例,全球晶圆制造龙头台积电于2011年率先量产28nm技术节点,目前已进入3nm工艺开阶段,韩国三星也已宣布3nm工艺节点量产,而以中芯国际为首的大陆晶圆代工厂仍处于28nm工艺节点的量产阶段,目前14nm及以下工艺处于无法大规模量产的状态,与海外在代工制程上仍存在较大差距。

  除晶圆代工环节外,其他基础生产要素有如设备、材料、EDA工具(含IP)等在生产过程中也不可或缺,中国大陆虽然在过去二十年中历经了“从无到有”的高速发展,但在“芯片-工艺-装备-材料”的配套供应链能力仍较弱,目前国内在半导体设备和材料的主要环节均有突破,但短期实现完全的进口替代仍有较大难度,尤其在部分关键设备材料如光刻机、光刻胶及EDA设计工具环节与海外龙头的差距仍较明显。

  根据IC Insights,2021年中国芯片市场需求规模高达1870亿美元,而总产值仅312亿美元,仅占需求量16.7%。相比于2010年10.2%的供需市场比例,16.7%的芯片自给率已有显著提升,但供需缺口仍大,IC Insights预计2026年中国大陆芯片自给率有望达21.2%,中国大陆芯片自给率仍有望逐步提升。

  借鉴韩国产业链发展历史:半导体制造端上游更需要中小型企业的力量弥补,尤其针对市场规模小、壁垒较高、需要基础科学支撑的材料、设备、零部件领域。

  ►历史上韩国半导体产业起步较晚,自上世纪60年代起,依次经历了“萌芽-成长-稳定-转型”的四个阶段:1)韩国半导体企业最初仅主要从事劳动密集型的后道封装业务;2)70年代起,韩国政府先后建立了KAIST、KIET等科研机构,并出台扶持半导体产业的六年规划;3)1994年三星先于美日推出256M DRAM产品,标志着韩国半导体的技术水平和生产能力进入世界领先,此后三星等韩企也积极展开逆周期投资扩大产能;4)2019年日本限售半导体材料后,韩国于2021年提出“K-半导体战略”,继续推动全产业链转型升级。

  ►韩国政府在本国半导体行业发展中扮演上层引导角色:韩国政府借助出口导向战略指导产业发展,且顺势而为,在不同行业发展阶段出台不同产业规划。而对于具体企业,韩国政府以政策性贷款、税收优惠等方式鼓励企业技术研发,并组建官产学研联盟构建创新体系。

  ►韩国半导体产业以大企业财阀寡头竞争为主导,半导体设备材料中小企业与龙头伴生。三星、海力士已投资/收购大量半导体设备材料中小企业,并促进设备材料本地化采购。面对贸易摩擦,韩国政府通过政企联合形式,积极推动半导体核心零部件国产化,目前已取得一定成效,如韩国半导体材料公司Soulbrain已量产氢氟酸,Dongjin Semichem与三星电子合作研发EUV光刻胶通过三星测试等。

  资料来源:《韩国发展半导体产业的成功经验及启示》,汪超,张慧智,东北亚经济研究. 2018,2(05);杜渐.韩国半导体设备业发展策略研究[J].电子工业专用设备,2012,41(03):10-11.;中金公司研究部

  聚焦半导体上游各细分品市场,可以看到2021年不同赛道国产化率特点有所不同:

  ► 设备:整体国产化率在10%-20%左右。晶圆制造设备中,市场规模最大的核心设备光刻机国产化率低于1%,刻蚀、清洗等设备替代进程较快,国产化率分别在20%/30%左右;封装测试设备规模较小,国产率较低,如探针台、键合机等设备国产化率低于晶圆制造设备。

  ► 材料:整体国产化率在20-30%左右。晶圆制造材料中,硅片、湿电子化学品国产替代程度不及电子特气、靶材等,尤其在高端光刻胶、光掩膜版等领域国产化率几乎为零;封测材料中引线%,但封装基板、探针等仍较低。

  ► 零部件:机械类零部件国产化率>

  50%,替代进程较快;其他气/液路、电气、光学等零部件国产率在10%-50%不等。

  ► 设计:目前我国芯片设计整体国产化率偏低,国内厂商从中低端产品切入,但高端产品仍依赖进口。分产品类型来看,模拟芯片国产化率在12%左右,MCU国产化率约为16%,功率半导体领域高端产品仍有较大差距,其中车规级IGBT等产品仍未摆脱进口依赖,具有较大的国产替代空间。

  ► EDA:整体国产化率在10%左右,海外三大厂商占据国内主要市场。作为半导体设计和制造环节的基础,EDA国产替代具有较大意义。

  半导体晶圆制造工序复杂,各步工艺需要不同晶圆制造设备。芯片制造可分为硅片制造、前道工艺、后道工艺等步骤。其中,前道工艺是在已制备的晶圆材料上构建完整半导体电路芯片的过程,主要包含薄膜沉积、光刻、刻蚀、离子注入等几大工艺;根据SEMI统计,2021年半导体晶圆制造设备市场规模约875亿美元,在设备、材料等领域价值量最高。

  封装测试设备由封装设备、测试设备组成,种类较多且分散。根据SEMI,2021年全球封装设备销售额71.7亿美元,测试设备销售额78.3亿美元,两大类设备的具体细分如下:

  ► 封装设备:封装工艺各步骤分别需使用减薄机、切割机、贴片机等细分设备,其中按价值量看,键合机/切割机/焊线机市场规模分别占封装测试设备市场14%/13%/11%,为价值量最高的三类设备。

  ► 测试设备:后道测试可按照封装前后分为晶圆测试(CP测试)和成品测试(FT测试),均在封测环节完成。后道测试用到的设备主要包含测试机、分选机、探针台三类,三类设备价值量占封装测试设备市场比例分别为33%/9%/8%。探针台在CP测试中和测试机搭配使用,分选机则在FT测试中与测试机搭配使用。

  前道工艺是硅片表面的微纳加工过程,所需材料种类繁多。根据SEMI统计2021年晶圆制造材料市场规模约404亿美元,前道各工序所需材料如下:

  ►硅片:占晶圆制造材料价值量35%,是芯片制造的基底材料,按加工程度可分为抛光片/外延片/退火片/SOI(绝缘体上硅),其中外延片,退火片和SOI硅片是对抛光片的二次加工。

  ►电子特气:占晶圆制造材料价值量13%,应用贯穿离子注入、刻蚀、气相沉积、掺杂、扩散等多项半导体工艺制程,具有种类繁多、单一产品用量较小等特点。

  ►光掩模版:占晶圆制造材料价值量12%,是光刻中使用的载有IC版图的母版,光线经掩膜版衍射后照射至光刻胶表面,电路图形由此定像在硅片上。

  ►超净高纯试剂:占晶圆制造材料价值量7%,是在清洗,刻蚀等多个微电子/光电子湿法工艺环节中使用的各种高纯度电子化学材料的统称。

  ►光刻胶:占晶圆制造材料价值量6%,用于将掩膜版上图形转移到硅片等衬底上。光刻胶可分为正性/负性/化学放大光刻胶,其感光成分在光照下发生化学变化,引起溶解速率改变。

  ►CMP抛光垫/抛光液:占晶圆制造材料价值量3%/2%,用于CMP工艺。CMP抛光液中含有纳米级研磨颗粒用于抛光表面,抛光垫用于辅助抛光液流动带走材料碎屑,提高抛光质量。

  ►靶材:占晶圆制造材料价值量2%,是用溅射法沉积薄膜材料的原材料,由靶坯、背板/背管等部分构成,用于金属化工艺。

  半导体封装测试材料主要集中在封装领域,市场规模较小。根据SEMI统计,2021年半导体封装材料市场规模约238亿美元,封测工艺中主要用到的封装测试材料如下:

  ►封装基板:占封装材料价值量39%,是半导体芯片封装的载体,为芯片提供电连接、保护、支撑、散热、组装等功效,分为硬质封装基板、柔性封装基板两大类。

  ►引线框架:占封装材料价值量16%,是借助于键合材料(金丝、铝丝、铜丝)实现芯片内部电路引出端与外引线的电气连接,形成电气回路的关键结构件,起到和外部导线连接的桥梁作用。

  ►键合金属丝:占封装材料价值量15%,是连接引脚和硅片、传达电信号的零件,用以实现集成电路芯片与封装外壳的连接。

  ►陶瓷封装材料:占封装材料价值量10%,用于封装外壳等处的陶瓷材料,包括高温共烧陶瓷材料(HTCC)和低温共烧陶瓷材料(LTCC)两类。

  ►探针:全球市场规模约11亿美元,用于晶圆测试环节,通过连接测试机来检测芯片的导通、电流、功能和老化情况等性能指标。

  半导体零部件主要用于半导体设备,种类繁多且工艺复杂。半导体零部件企业的主要客户为半导体设备厂商及晶圆厂,下游客户按需可采购基础零部件自行组装,或直接购买集成度较高的模组和系统。半导体零部件按结构原理可分为如下类别:

  ►机械类:占零部件价值量38%,包括腔体、框架、钣金件、金属件、石英件、陶瓷件、喷淋头等。

  ►电气类:占零部件价值量14%,包括射频电源、射频匹配器、供电系统、工业电脑、热盘、工业传感器等。

  ►机电一体类:占零部件价值量14%,包括EFEM(半导体设备前置模块)、机械手、精密运动系统等。

  ►仪器仪表类:占零部件价值量2%,包括气体流量计、液体流量计、真空压力计等。

  ►光学类:占零部件价值量13%,包括光源、镜头、相机、探测器、光学传感器、光学元件等。

  核心关键设备突破难度较大。近年我国半导体设备企业通过内生研发、海外并购等方式,已取得了一些设备领域零的突破,但部分核心关键设备仍难以研制。例如前道工艺的核心光刻机,EUV光刻机基本由ASML一家垄断,上海微电子光刻机仅能覆盖90nm制程;其他半导体设备门类中,同样存在细分产品难以国产化的现象。

  先进制程覆盖能力偏弱。目前国内除光刻机外,各类半导体设备已在28nm制程节点布局相对完善,但更先进制程仍难以覆盖。国内各设备厂商虽已在先进制程处取得一定突破,但产线应用领域、设备细分门类覆盖完整度存在不足,且部分先进制程设备仍处验证阶段。

  国产替代进程分化,多数设备仍大量依赖进口。部分封装测试设备如电镀、切筋成型设备国内基本可实现自主供应,但封装测试设备总体国产化率仍低。如我国封测设备2021年整体自给率为5%-10%左右,低于晶圆制造设备10%-15%的自给率;测试设备也多由美日企业垄断,如美国Teradyne、Cohu和日本Advantest占据了2021年全球测试机市场约90%份额。

  封装测试设备价值量不高但具备重要性,国产替代动力不足。封测设备虽仅占半导体设备行业价值量的15%,但对晶圆厂运作效率、良率等决定性较高,一旦出现故障将同样造成重大损失。封装测试设备研发同前道一样涉及多学科技术,如测试设备即涉及光学、微电子、物理等交叉学科,但国内人才主要聚焦于前道制造设备,封装测试设备中有经验的人才较少。

  晶圆制造材料中电子特气、靶材等领域国产率较高,光刻胶等仍显不足。各类半导体晶圆制造材料中,2021年电子特气、靶材国产化率约为30-40%;硅片、湿电子化学品、CMP耗材总体国产化率约在20-30%,但较高端的12寸硅片国产化率不足5%;光掩模版、光刻胶国产化率均在10%以下,EUV光刻胶等细分国内更是接近空白。

  晶圆制造材料技术需要长时间深耕,工艺积累时间长。半导体晶圆制造材料分为配方型化学品和材料特性工艺品,其中配方型化学品需进行配方研发,不同配方间差异性较强,需要时间耕耘掌握其隐;材料特性工艺品中材料较多,每一种材料差异性较大,如靶材中需要对钨、钛、钽、铜、铝、钴等多种材料进行研究,每种材料均需较长的工艺积累。

  晶圆制造材料纯度较高、缺陷要求高。半导体晶圆制造材料纯度要求比传统行业呈指数级增长,对缺陷控制率要求也较高,如硅材料纯度要求在99.9999999%以上(9~11N),湿化学品纯度和净度需达到SEMI标准的C8以上及C12水平,而这些高纯材料国内主要依赖进口。

  材料上游供应较弱,产业难以形成联动。国内半导体材料上游生产能力较弱,如硅片上游电子级多晶硅,光刻胶上游树脂,抛光液上游研磨粒子,石英上游高纯石英砂等几乎为海外垄断,配套能力弱。

  不同封装测试材料国产化率分化。封装测试材料中已有部分品类基本实现国产替代,如引线%;引线框架等材料由于技术成熟,市场规模已趋于稳定。但封装基板、探针等封装测试材料国产化率仍低。以封装基板为例,其国产化率在5%左右,国内企业多为后发进入的PCB厂,封装基板品类集中在WBBGA、FCCSP等类别封装基板,先进基板如FCBGA基板、有源元件埋入基板等仍属蓝海市场。

  技术密集,对精度和可靠性要求较高。半导体零件尖端技术密集特性明显,有着精度高、批量小、多品种、尺寸特殊、工艺复杂、要求苛刻等特点,实际生产中需兼顾强度、应变、抗腐蚀、电子特性、电磁特性、材料纯度等复合功能需求。例如半导体级别滤芯,由于光刻工艺对较小污染物的控制苛刻,其精度必须达到1nm甚至以下,而其他行业精度要求则在微米级。

  多学科交叉融合,对复合型技术人才要求高。零部件研发涉及到材料、机械、物理、电子、精密仪器等跨学科融合,技术人员需要掌握涂层处理、材料特性及焊接加工等各类工艺难点。以静电吸盘为例,该部件研发需要关注陶瓷材料的导热性、耐磨性、硬度等材料性质,同时在结构设计和性能控制中需用到精密机加工、表面处理技术的知识。

  行业品类多样化、碎片化。半导体零部件市场高度细分,导致单一产品空间小、门槛高,因此领先半导体零部件企业多以跨行业多产品线发展策略为主,并购整合也成为龙头扩大规模的主要手段。

  下游支持力度较弱。下游设备处于国产替代加速期,加之半导体零部件上线验证程序复杂,弱轻易更改零部件易对性能影响较大,因此设备厂商对上游配套的支持较弱,无应用场景或无大规模采购。另外,由于设备、零部件厂商缺乏有效互动,国内厂商较难在长期产品迭代过程中积累Know-How,因此在模仿试制过程中通常只能做到形似。

  当前国际形势下,国内晶圆厂国产替代拉动半导体晶圆制造设备需求。一方面,Applied Material、Lam Research、KLA-Tencor等美国半导体晶圆制造设备龙头拥有举足轻重的地位,中美贸易摩擦为制造厂商的供应链安全带来不确定;另一方面,我们认为,国产设备厂商在产品竞争力方面逐步提升,国产化份额有望逐渐增加。结合目前国产晶圆制造设备替代率较低的现状,未来国产晶圆制造设备需求空间广阔。

  国内晶圆厂持续扩产,带动半导体晶圆制造设备市场持续景气。根据SEMI,2021年全球计划新建的29条半导体新产线条来自中国大陆,与中国台湾并列全球第一。而晶圆厂扩产带来的设备投资增长,是带动设备厂商业绩增长的直接动力。根据SEMI,2021年全球半导体设备销售额为1026.4亿美元,同比增长44%;而中国大陆市场销售额达296.2亿美元,同比增幅高达58%,快于全球。

  主流封测厂扩产下,封装测试设备需求增加。近年国内主流封测厂CAPEX稳步上升,2021年长电科技/通富微电/华天科技/晶方科技四家主流封测厂CAPEX分别增长30.86%/76.45%/81.79%/194.16%至43.58/64.05/55.35/3.65亿元,新产线涉及品类繁多,有望带动封装测试设备需求。

  Chiplet作为各类先进封装技术的集大成者,为未来芯片步入先进制程节点的技术发展趋势。Chiplet(芯粒)是将单颗SOC芯片的各功能区分解成多颗独立的芯片,并通过封装重新组成一个完整的系统。Chiplet让芯片IP具备了除软、固、硬外的第四种形态,芯片设计公司可以按模块根据性价比选择所需工艺制程(包括第三方芯片),在研发上也可以减少重复支出,从而实现更好的成本控制和更快的上市时间(Time to market)。Chiplet成本上的优越性,以及相比SoC芯片的良率、异构集成优势,使其为全产业链提供了新的发展机遇,近年来受到越来越多的关注。

  先进封装催生中道工艺,有望形成前封装测试设备联动。先进封装技术中,Bumping、TSV和RDL等新的连接形式取代了传统的引线键合,并且产生了用到类似前道工序技术的中道工艺。因此与传统封装设备相比,先进封装设备面临更丰富的封装功能、更细致的精度控制和更高的自动化水平等要求。

  国内半导体材料市场持续景气,中国大陆占全球份额稳步提升。全球半导体材料市场规模由2012年448亿美元增至2021年643亿美元,CAGR达4.1%;与此同时,中国大陆市场规模由2012年55亿美元增至2021年119亿美元,CAGR达9.0%,增速远超全球,中国大陆占全球半导体材料市场比例也由12.28%增至18.51%。我们认为,晶圆制造材料作为半导体材料的主要部分,在晶圆厂持续扩产趋势下,需求有望保持景气。

  海外供应链风险频出,国产替代迫切度上升。近年晶圆制造材料断供事件频发:2019年日本限制含氟聚酰亚胺(PI)、光刻胶,以及高纯度氟化氢(HF)三类材料对韩出口;2021年2月信越化学受地震影响向中国大陆多家晶圆厂限制或断供KrF光刻胶,上述事件对被断供方芯片生产影响均巨大。为分散海外供应链风险,国内对晶圆制造材料国产替代的意识有所增强,有望为国内晶圆制造材料厂商带来机遇。

  国产替代及封测厂扩产同样有望带动封装测试材料需求。我们认为对于当前国产化率较低的封装测试材料如先进封装基板、探针等,封测厂国产替代有望成为封装测试材料公司扩展市场的机遇,另外,国内主流封测厂CAPEX稳步上升,同样有望带动相关材料需求量。

  先进封装趋势下,封装测试材料需求结构分化。我们认为,先进封装市场对于片间连接需求较大,基板总面积需求将迎来较大增长。据SEMI预测,2019-2024年,基板的复合年增长率将超过5%;WLP电介质将以9%的复合年增长率增长最快;晶圆级封装采用的材料增速明显快于其他种类,其中WLP电镀化学品复合增速预计超7%,WLP电介质增速预期约9%。虽然先进封装对引线框架和键合丝线的需求较小,但长期来看,我们认为,如QFN、TO等传统封装形式发展至今规模化生产水平已较高,仍具备成本优势,市场规模有望维持稳定增长。

  半导体设备行业景气下,零部件厂商有望快速放量。根据SEMI,2021年中国大陆半导体设备市场销售额达296.2亿美元,同比增幅高达58%。我们认为,国内半导体零部件厂商在产品售价、供应链安全、上下游协作方面具备优势,未来获得半导体设备厂商认证机会可能性较大,随国内设备市场持续景气,有望实现快速增长。

  ►机械类:钣金件、金属件、腔体等技术壁垒较低的机械类零部件,已实现较高国产化率;静电吸盘、密封圈等相对较难的机械类零部件国产化率仍然较低,甚至不到1%。

  ►气/液路类:国内厂商已具备管路等相对简单零部件的国产化能力,但真空阀等高技术壁垒部件国产化率较低。

  ►光学类:LIMO(炬光科技)是ASML光场匀化器供应商,技术水平处于全球领先水平,但国产前道光刻机尚未规模商业化。

  半导体制造中小企业、专精特新企业具有更高创新资源投入密度。将A股半导体制造业中小企业、专精特新企业与大企业对照,我们看到中小企业/专精特新企业数量占比分别为48%/38%,营收贡献占比为8.3%/22.2%;中小企业与专精特新企业在平均ROE/ROA等盈利能力指标上,与大企业较为接近,但两者平均研发费用率为10.5%/10.5%,均高于大企业;中小企业研发人员人均专利数为1.15,同样高于大企业,证明中小企业与专精特新企业研发创新资源投入密度较大,专利产出效率较高。

  资料来源:Wind,公司公告,中金公司研究部。注:筛选标准为2017年工信部颁布的《中小企业划型标准规定》;数据截至2021年年报;营收单位为亿元。

  ► 专精特新企业盈利能力偏弱,政府资金投资扶持需求大。专精特新、A股半导体企业ROA/ROE/EPS均值分别为6.44%/10.46%/0.87元和10.07%/14.57%/1.37元,三项指标前者均低于后者。

  ► 专精特新企业创新成果转化为业绩的能力更强。专精特新企业在各项“销售收入/研发费用”比值相关指标上均领先A股半导体,证明专精特新企业研发成果转化为公司产品销售收入的能力较强。

  ► 专精特新企业专利密度更高。尽管专精特新企业规模、资源相对更少,但近五年独立获得的发明专利/实用新型专利数量均值高达74/99个,已接近A股半导体水平。专精特新企业在近3年/5年人均获得专利的四项指标上,高于A股半导体,证明专精特新企业创新成果转化率更高。因此,中小企业进入专精特新细分领域,其丰富创新成果有助于我国半导体产业链补链。

  图表17:2021年A股半导体制造上游专精特新企业盈利能力、创新效率数据对比

  考察决定中小企业是否适合进入的四个产业要素,可以看到半导体设备材料行业是中小企业实现产业突破的合适切入点:

  ►资源密度:半导体设备材料在芯片制造子行业中研发投入强度较大,且行业集中度高、国产化率低,国产替代需求强,创新企业切入的迫切度高。因此相比于资本/技术双密集型的制造行业和相对劳动密集型的封测行业,技术密集型的设备材料行业更适合中小企业切入。

  ►产业周期:不同于全球半导体产业处于成熟期,由于国内设备材料行业起步较晚,国内设备材料细分赛道多处成长期,技术迭代有望催生中小企业进入机会,如先进制程推动新设备材料需求、3D封装催生中道设备需求等。

  ►产业集中度:设备材料行业集中度高,全球CR5均在70%以上,且海外龙头占据国内市场主要份额,国产替代机会丰富。通过基金扶持、定向采购、建立产学研联盟等方式,国家政策正在给予中小企业打破垄断所需的资金、技术相关支持。

  ►产业链环节:设备材料行业处于产业链中上游,通过实施差异化、专业化的利基策略,中小企业议价优势将更加明显。

  半导体设计产业链上下游较为清晰,主要包括设计、晶圆代工和封装测试三大部分。半导体设计商根据客户需求设计出相应芯片版图后,交由代工厂根据设计版图进行掩膜制作和晶圆加工,最终由封装测试企业制作出最终产品形态。半导体制造和封测过程复杂,其中用到硅片、光刻胶、电子特种气体、溅射靶材等材料以及光刻机、离子注入机等设备。此外,电子设计自动化技术(EDA)贯穿了整个半导体设计和制造流程,可用于超大规模集成电路的逻辑设计、验证和物理设计等过程中,是撬动半导体行业的支点。

  集成电路市场快速发展,芯片设计占比超四成。我国半导体发展起步较晚,但受益于市场需求及有效的政策推动,多年来保持快速增长趋势。根据中国半导体行业协会数据,我国集成电路市场规模从2017年的5411亿元上升至2021年的10996亿元,年均复合增长率为19%;其中芯片设计领域的销售规模从1946亿元增至4519亿元,CAGR超过20%,占产业规模比例从35%提升至41%。随着人才的逐步积累和下游应用场景的多元化,芯片设计在诸多细分领域的工艺设计中实现突破。我们认为中国芯片设计行业主要具备轻资产运营、技术门槛高、国产替代趋势明显等特征,相关机遇有望推动我国领先的IC设计公司逐步对标海外龙头。

  我国芯片设计商多为轻资产模式运营,以实现产品的快速迭代和创新。从商业模式上看,芯片设计完成后的制造过程对工艺协同及设备等要求较高,初始投资成本较大。相比于全球龙头企业而言,国内厂商收入规模和产品数量相对较少,因此国内芯片设计商多采取Fabless模式运营,将制造、封装和测试的环节交由外协厂商,并实现芯片设计产品的迭代创新,财务上则表现为较高的资产收益率。Fabless模式初始投资规模和创业难度较小,主要依靠研发人员,因而企业运营费用更低,产品转型更加灵活。相比之下,德州仪器、美光科技、英特尔等国际龙头企业采取IDM或Fab-lite模式运营,均建设了自有生产线,产业链布局更加完善。

  芯片设计属知识密集型行业,技术门槛高,对创新型人才的需求提升。芯片设计下游应用市场上,消费电子、智能家居产品功能和形态不断丰富,汽车电子对能耗、体积、续航时间等提出更高的要求,催生芯片设计和制造流程更加复杂化。由于设计环节涉及物理、化学、计算机等多个学科,属于知识密集型领域,对人才的技术及综合素质要求较高。目前我国自主培养的有经验人才尚少,部分出国留学人才毕业后选择海外工作,人才流失率高,导致国内芯片设计人才缺口明显。同时,培养一个熟练工程师的周期较长,如IC硬件设计师入行需接近三年,独当一面完成新产品突破通常需近十年之久,成长周期较长。

  资料来源:IC修真院.数字设计ICer的成长四个阶段(2021),前程无忧,中金公司研究部

  海外龙头主导全球IC设计,国产替代趋势明显。根据Gartner数据,2021年全球芯片设计前十大厂商中有7家为美国企业,CR10为54.6%。数字芯片领域,高通、英伟达等国际龙头高度垄断,剩余市场空间较小,GPU、CPU等细分领域国产化率较低。根据赛迪智库,2020年我国EDA市场销售额约80%由Synopsys、Cadence、Siemens国际三巨头占据。相比之下,全球模拟芯片市场集中度较低,根据IC Insights统计,2021年全球第一大模拟IC厂商德州仪器市占率为19%,CR5仅为51.5%。中国半导体行业协会数据表明,我国模拟芯片自给率从2017年的6%提升至2021年的约12%,未来仍有增长空间。我们认为,功率芯片、模拟芯片和EDA等领域呈现出国产替代趋势,国内芯片设计商发展机遇大。

  从芯片产业链的全球竞争格局来看,在芯片设计环节,高通、英伟达、德州仪器等国际龙头占据绝大部分市场;在芯片制造环节,美国、欧洲和日本技术水平领先,高附加值的核心材料和设备我国目前仍然依赖进口,自主研发的光刻机和部分化学试剂存在明显短板;在封装测试环节,长电科技、通富微电、华天科技等国内企业全球排名领先,和海外差距相对较小。整体而言我国芯片设计企业面临的痛难点包括工艺材料、人才缺口和生态体系三方面。

  第一,EDA工具和材料设备水平不足掣肘芯片设计的发展。芯片设计和生产高度相关,EDA是芯片设计所需的重要工具,半导体设备和材料水平则决定了芯片设计能否成功大规模量产。而目前我国在半导体材料设备及EDA领域的市占率均较低,整体呈现出依赖进口的特点。

  ► 设备:模拟芯片多采用成熟制程,数字芯片受先进制程限制。半导体制造设备中刻蚀机、光刻机和薄膜沉积设备产值较大。刻蚀机领域,根据中微公司公告,其研发的等离子体刻蚀设备已达到5nm水平,在部分关键客户市占率已经进入前三;光刻机作为芯片制造中的核心高端设备,目前我国主要依赖从ASML等海外厂商的进口;薄膜沉积设备方面,根据Gartner数据,AMAT在PVD设备领域市占率达85%,CVD领域AMAT、Lam、TEL合计占比达70%。通常而言,模拟芯片产能主要集中于8寸和12寸晶圆,注重产品可靠性、稳定性和功耗等因素。成熟制程广泛应用于模拟芯片的制造中,国内华虹宏力等企业聚焦特色工艺市场,瞄准国际龙头渗透率相对较低的代工业务拓展市场份额,因而模拟IC受制造能力的影响相对较小。相比之下,部分数字芯片制造采用先进制程,而先进制程市场基本被台积电、三星和英特尔占据,国内鲜有企业涉及,限制了部分高端数字芯片设计商的发展。

  ► 材料:高纯度硅片保证芯片原本设计功能,光刻胶国产化率低。硅片在半导体材料成本占比大,目前逐步走向大尺寸。半导体制造对硅片的纯度、表面洁净度、平整度和杂质含量都有较高要求,芯片制程的提高对硅片的要求更严苛,制造难度更高。根据IC Insights数据,2020年信越化学、盛高、环球晶圆、Silitronic、SK海力士合计市占率超过85%,国内龙头沪硅产业仅占2.2%的份额,具有较大提升空间。此外,光刻胶作为核心材料之一,技术难度较高,验证周期长,目前海外龙头厂商JSR、TOK、信越化学基本在高端光刻胶实现垄断,我国厂商目前多聚焦于紫外宽谱、g/i线等低端市场,缺乏高端市场布局,制约了先进制程的探索和部分芯片的量产。

  ► EDA:设计环节的基础,头部企业高度垄断。从产业链视角来看,EDA工具贯穿行业全流程并扮演基础性角色,其“定期授权+技术服务”商业模式决定了高行业壁垒。根据华大九天招股书,2020年楷登电子、新思科技和西门子三大国际巨头占据中国EDA市场超80%的市场份额,华大九天排名第四,国内市占率约6%。而14nm以下的先进EDA软件由美国企业垄断,龙头通过获取代工厂高端生产线的实际运行数据优化EDA设计,进一步提升行业壁垒。

  第二,行业人才存在缺口,推高企业人工成本。根据中国半导体行业协会数据,2021年我国芯片设计从业人员合计22.1万人,人均产值207.6万元,人均劳动生产率同比明显提升。根据中国电子信息产业发展研究院等机构发布的《中国集成电路产业人才白皮书(2019-2020年版)》,2019年集成电路行业整体主动离职率为12.5%,细分领域中芯片设计离职率最低,为10.8%但同比提升了1.01 ppts。对于技术门槛较高且知识密集型的芯片设计企业而言,招聘有经验的员工而非应届毕业生更为有效,因此行业跳槽薪资迅速提升。根据科锐国际《2022年人才市场洞察及薪酬指南》,2022年集成电路热门岗位跳槽薪资涨幅较高,较高的薪资也推高了企业的人工成本。

  第三,市场生态体系的构建不完善,产业资源分散。对于芯片设计而言,其最终应用时需要与其他软硬件设施协作支撑整体的正常运行。由于开发自主的操作系统初始投入较高且难度较大,因此国产芯片往往需要购买相应版权,难以独立构建完善的产业生态体系。此外,我国芯片设计公司数量迅速增长,产业资源较为分散,低端产品恶性竞争导致利润率较低,高端产品则缺乏足够的人才和资金投入。根据中国半导体协会数据,2021年末我国芯片设计企业达到2810家,其中销售过亿元企业289家,前十大设计企业的销售额占比再次降至50%以下,集中度偏低。相比之下,欧美等国芯片设计市场集中度较高,龙头企业有较强议价权,高利润率也使得企业能持续研发创新,实现正反馈循环。

  资料来源:中国半导体行业协会,中金公司研究部;注:表中N代表企业年销售收入。

  芯片自给率低的现象主要表现在汽车、工业和通信领域,国产化仍有较大的发展空间。汽车芯片对安全性要求高,海外龙头企业和头部车企签订长单,竞争壁垒较强;工业芯片定制化需求较多,我国技术仍和海外存在差距;通信芯片同样多被欧美厂商占据,供应商粘性较强。我们认为,下游需求增长及国产替代机遇有望推动国内芯片设计商逐步提升市场份额。

  汽车电动化和智能化趋势带动单车芯片价值增长,海外龙头处垄断地位。根据IC Insights和Gartner数据,2021年纯电动单车半导体价值量964美元,相比传统燃油车提升95%;2020年全球汽车芯片前五大厂商英飞凌、恩智浦、瑞萨、德州仪器和意法半导体CR5超40%。车规级芯片对安全和耐用性要求较高且验证周期长,使汽车芯片国产化难度较高。我们认为,随着汽车智能化和电动化带动产业链重构,如下五大细分领域国内企业有望取得突破。

  ► 计算与控制芯片:在智能化需求下,32位车载MCU处理器占比逐渐提升,而车规级MCU技术门槛较高,目前我国高端MCU产品基本依赖进口。

  ► 模拟芯片:汽车是模拟芯片下游第二大应用场景,电动化和智能化趋势分别提升电源管理和信号链芯片市场规模。目前国外厂商占据主导,但国内企业研发投产正加速推进。

  ► 功率半导体:IGBT是国内企业重点布局的核心,目前已有部分企业具备国际竞争力;第三代半导体SiC应用愈加广泛,但目前我国和海外产业链差距仍较大。

  ► 传感器:图像传感器、毫米波雷达等均为热门赛道,海外企业技术和市场地位均处领先位置,国内激光雷达处于发展初期,我们认为车载摄像头需求增长有望带来国产替代机遇。

  ► 存储芯片:目前DRAM和NAND市场由三星、SK海力士和美光等外国企业占据,NOR FLASH国产化率高。我们认为,汽车存储系统水平的提高有望拉动存储芯片市场扩容。

  资料来源:奥迪官网,IC Insights,IHS,中国半导体行业协会,各公司公告,中金公司研究部;注:图示车型为奥迪纯电动e-tron GT。

  低端工业芯片逐步实现国产替代,中高端领域差距较大。工业芯片下游客户和应用场景较为分散,应用场景的温度、湿度、电磁场等因素都会不同程度影响产品的作用效果,导入需要一定时间。国际龙头多采取IDM模式,制造工艺独特,产业链一体化有助于降本增效,竞争壁垒较高,因而工业芯片呈现出明显的“强者恒强”特点。根据Gartner统计,美国、日本、欧洲2019年工业芯片产值占全球比例分别为46%、16%和14%,相比之下我国2019年工业芯片销售规模约33.6亿美元,占全球比例约7%。目前中低端工业芯片领域我国已逐步国产替代,但中高端工业芯片则主要依赖进口,技术和海外厂商存在差距,国产化率较低。

  以光伏逆变器为例,其首要目的是实现直流和交流电的转换。IGBT模块和电源管理芯片等半导体是重要的组成部件,根据固德威招股书,半导体器件占逆变器成本达到11%。具体来看,IGBT主要由英飞凌、安森美等公司垄断,德州仪器、意法半导体等企业占据模拟芯片较大市场份额。随着市场持续供不应求,国内厂商获得发展机遇,IGBT供应商斯达半导、士兰微均自主研发并量产光伏逆变器芯片以满足市场需求,但中高端技术和海外龙头相比依旧存在差距,尤其是大功率耐高压产品。电源管理领域相对而言集中程度稍低,国内圣邦股份、思瑞浦等龙头均布局LDO、DC/DC等业务,我们认为需求高景气有望促进国产替代加速。

  资料来源:ROHM官网,德州仪器官网,英飞凌官网,芯谋研究,公司公告,中金公司研究部;注:自给率及市占率为大致测算数据。

  通信芯片市场多处于寡头垄断格局,国内企业处于加速追赶期。随着移动通信技术的迅速发展和下游应用的复杂化,通信芯片的技术壁垒和供应商粘性增强,市场多被欧美企业垄断,但我们认为,物联网的普及和国内智能手机市占率的提升有望为国产替代带来机遇。

  ► 射频前端:根据Yole统计,2020年全球射频前端市场思佳讯、威讯联合、博通合计市占率65%,5G推动射频前端市场快速增长,为卓胜微等国内领先企业带来国产替代机遇。

  ► 光模块:根据OFWeek数据,光器件元件在光模块材料成本中占比73%,其中用于光模块的DSP芯片门槛较高,目前全球仅有博通、Inphi、Maxlinear等少数企业具有生产能力,市场份额集中,光电芯片呈现垄断格局。

  ► 蜂窝基带芯片:根据Counterpoint数据,2021年全球基带芯片领域高通、联发科、三星等海外厂商合计占据接近70%的市场份额,国内厂商海思、紫光展锐也是重要供应商。

  ► WIFI芯片:根据NXP数据,2019年全球WIFI芯片前五大厂商为美满、高通、赛普拉斯、联发科和博通,合计市占率接近75%,目前国产化率较低。

  推进高端芯片的设计研发成为共识,政策利好为专精特新企业创造发展条件。截至目前,国家和各地政府出台一系列政策支持集成电路产业发展,通过人才引进、研发补贴、减税降费等途径支撑芯片设计和制造的高质量发展,力求在重点产品和关键技术上取得突破。根据国务院印发的《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》,2019年我国芯片自给率约为30%,目标在2025年达到70%的水平;根据海关总署统计,2022年1-5月中国集成电路进口量为2320.7亿个,同比下降10.9%。我们认为,政策推动结合国内需求持续高景气,有望带动芯片中小设计商实现营收和市场份额的双增长。

  资料来源:国务院,国家发改委,国家统计局,工信部,中央网信办,深圳发改委,深圳市国资委,中金公司研究部;注:时间截至2022年6月。

  下游新能源车、光伏和AIoT贡献主要需求增长,产品多样化带动设计端市场扩容。在传统消费电子需求略显疲软的背景下,部分专精特新企业聚焦传统行业的智能化升级趋势,在新能源汽车、光伏、AIoT等领域设计出有市场竞争力的产品,成功切入下游客户。根据IDC数据,2020年中国IoT支出规模超过1500亿美元,预计2025年将达3069.8亿美元。在汽车市场上,随着汽车轻量化、电动化和智能化的趋势逐步推进,汽车芯片的需求也会随之提升。同时,光伏新增装机容量持续提升拉动IGBT市场增长。我们认为,下游应用增长带来更大市场空间,国内优秀设计公司有望抓住此轮机遇快速发展,实现业绩高增。

  ► 新能源汽车:电动化和智能化提升单车芯片用量。根据英飞凌数据,新能源汽车所用到的IGBT、SiC等功率器件是电路控制和电能转换的核心。此外,以雷达和摄像头为主的传感器作为汽车智能化的硬件支撑,单车价值量同样具有较高的提升空间。

  ► 新能源发电:国内厂商受益光伏、风电及储能市场的高景气。光伏和风力发电市场维持高增速,功率器件短期供需不平衡促使下游客户转单至国内厂商,带来相应国产替代机遇。根据Yole数据,2020年光伏占IGBT下游市场比例约为4%,未来有望持续增长。

  ► AIoT:市场需求多样,芯片设计细分市场可供专精特新企业切入。AIoT三大应用领域分别为工业自动化、智慧安防和智慧家居。根据Omdia数据,2018年我国已安装的专业安防摄像头3.5亿,部署AI算法的摄像头占比有望从目前的10%提升至2024年的63%。在智慧家居方面,根据Statista数据,2020年智慧家居全球规模276.49亿美元,预计2024年达471.19亿美元。AIoT渗透在工业产线数字化、家用机器人、家电、照明等多方面,为专精特新企业在细分市场的切入创造了相应条件。

  高等教育产学研结合,工程师红利逐步释放。根据教育部数据,目前我国在学总人数超4430万人,2021年高等教育毛入学率达到57.8%,进入普及化阶段。部分芯片设计商已建立了深度融合的产学研体系,充分发挥大学在技术研发和算法迭代上的优势,将理论转化为实际的产业创新,形成产学研联动的健康生态。高等教育入学率的提升带动了半导体相关毕业生数量的增长,使我国工程师劳动成本低于发达国家。我们认为,工程师红利逐步释放带动国内专精特新设计商加大研发投入,国产替代有望加速。

  综合考虑国产化率和毛利率等因素,我们认为功率IC、模拟IC和EDA适合作为专精特新企业的发展方向。目前,NAND、DRAM、MCU等领域行业较为集中且需要重资产投入,海外龙头企业市占率和议价权较高。相比之下,功率芯片、模拟芯片、EDA目前市场集中度相对较低,且毛利率较高,下游应用持续景气,目前已有部分国内企业取得一定突破。同时,上述三类产品国内和海外差距较大,对于产业链发展而言较为重要,综合考虑上述因素,我们认为功率芯片、模拟芯片和EDA未来国产替代空间大,适合作为专精特新企业的重点突破方向。

  资料来源:Wind,IC Insights,赛迪智库,IDC,WSTS,中国半导体行业协会,中金公司研究部;

  注:圆圈大小表示2020年中国市场空间大致测算数据,橙色部分为看好专精特新公司突破的领域。

  功率半导体是电子电力系统的核心部件,广泛应用于电子器件中。其主要用于改变电路的电压、电流、频率、导通状态等物理特性,实现对电能的管理。根据Omdia统计,2021年全球功率半导体市场规模441亿美元,预计2024年将超过500亿美元;其中国内2021年市场规模159亿美元,预计2024年达190亿美元,市场规模呈现快速上升的趋势。

  按功能特性拆分来看,MOSFET和IGBT的适用范围最广,2020年合计市场规模占整体功率器件比例超过70%。功率器件分为二极管、晶体管和晶闸管三类,其中晶体管又细分为IGBT、MOSFET和BJT。晶闸管属于半控制开关,适用于超大功率领域(电压3.3kV以上、容量1-45MV)的工业和能源场景。上述器件技术门槛相对较低,应用范围较窄,而电压控制型开关器件MOSFET和IGBT具有易于驱动、开关速度快、能耗低的物理特性;相比MOSFET,IGBT牺牲了一定开关速度,但导通损耗小,通态电流大,在高压、大电流的中大功率领域(电压1200V-6500V)是主流产品,这也是白色家电、工业、汽车所适用的主流功率器件。

  按下游应用领域拆分来看,功率半导体主要用于工业、汽车、消费和通信等场景,其中工业及汽车市场有望成为未来发展的主要推动力。根据Gartner数据,2017年工业、汽车、消费、通讯相关功率器件占比分别为34%、23%、20%和23%,占比相对均衡。而从增长视角而言,根据IHS数据,得益于工业自动化、可再生能源和电动汽车的蓬勃发展,主要下游应用领域中工业和汽车市场2016-2021年复合成长率最高,分别达到7.3%和8.2%。

  高端产品存在差距,下游需求高增推动国内龙头发展。目前国内企业在二极管和晶闸管领域已经开始广泛国产替代,但在MOSFET和IGBT领域和国外企业仍旧存在较大差距。根据Omdia数据,MOSFET领域英飞凌和安森美合计占据接近50%的国内市场份额,2020年国内龙头企业斯达半导IGBT全球排名第六,全球市场份额约为2.8%。目前下游新能源汽车、智能电网、工业及光伏/风力发电市场保持高速成长,同时国内企业和海外技术差距逐渐缩小,国产MOSFET大批量出货,IGBT产能持续爬坡。我们认为,国内龙头企业有望持续提升产品性能、发挥植根本土供应链的优势,逐步实现国产替代。

  汽车电动化是未来发展的最大动能,对专精特新企业研发和整合能力提出要求。根据麦肯锡咨询预计,2030年时50%的新车或为电动车,而新能源汽车比传统汽车消耗的半导体数量更多,其中功率半导体将成为最大增量,逆变器、DC/DC变换器、车载充电器和充电桩等应用场景用量增长较快。参考Strategy Analytics数据,轻混车(MHEV)相比燃油车半导体成本增加100美元,其中75%为功率半导体;纯电动车(BEV)半导体总成本695美元,其中功率半导体占比55%。新能源汽车的普及为国内企业提供了机遇,主逆变器(输出动力)、DC/DC(整车供电)、整流器(充电)为主要突破点,其对高耐用性和低损耗的要求对专精特新企业的研发创新能力提出要求,同时也要求设计商与整车厂商深度协同,我们认为长期有利于提升专精特新企业的盈利能力。

  模拟芯片是连接虚拟与现实的纽带,通常分为电源管理芯片和信号链芯片。模拟芯片主要是指由电容、电阻、晶体管等组成的模拟电路集成在一起用来处理模拟信号的集成电路,下游应用包括消费电子、新能源汽车等。根据Frost&Sullivan数据,2020年全球电源管理芯片市场规模328.8亿美元,占模拟芯片比例接近60%,是半导体行业芯片出货量最大的细分品类。电源管理芯片技术壁垒相对较低,国内企业布局较多,包括矽力杰、圣邦股份等;信号链芯片技术壁垒高,目前国内供应商份额占比较低,以圣邦股份、思瑞浦为主。

  中国是全球模拟芯片第一大市场,目前自给率较低,国产替代空间广阔。根据IC Insights,2021年全球模拟芯片市场规模达741亿美元,同比增长约33%,占全球半导体市场规模约13%。受益于汽车智能化、电动化趋势和工业数字化转型,模拟芯片出货量持续增加,IC Insights预计2022年市场规模有望达到832亿美元,2019-2022E CAGR达到15%。根据WSTS和中国半导体协会数据,2021年中国模拟芯片市场规模达到295亿美元,占全球39.8%,但模拟芯片自给率仅为12%。我们认为,随着新能源汽车在中国快速渗透及工业数字化转型,中国的模拟芯片市场增长速度有望高于行业平均增速,模拟芯片专精特新企业有望在消费及汽车、工业等高门槛领域获得更多市场份额。

  国际龙头占据主导,国内专精特新公司在细分赛道进行差异化竞争。电源管理领域,根据芯朋微招股书,截至2020年5月欧美企业在中国占据80%以上的市场份额,国内企业产销规模暂无法与TI、ADI等国际厂商相比。电源管理芯片下游应用广泛,创业门槛较低,但公司进一步成长需要具备跨产品线及跨行业的能力。目前国内布局电源管理芯片的企业较多,产品发展相对成熟。而在信号链领域,由于技术壁垒高,因此以国际龙头为主,部分国内专精特新厂商从消费电子和通信板块切入,例如芯海科技的健康体脂秤、智能手表等智慧健康产品。

  模拟芯片市场百花齐放,穿越周期。模拟芯片产品具备生命周期长、下游应用分散的特性,受单一下游市场需求波动影响较小,我们认为模拟芯片占总半导体市场规模有望稳定在13%左右。一方面,模拟芯片产品认证过程更复杂、周期更长,迭代过程受摩尔定律影响更小,因此最终达标产品生命周期也更长;另一方面,模拟芯片可使用的EDA更少,对工程师的要求更高,但制造方面则多采取成熟制程。模拟芯片下游应用广,几乎存在于各类电子产品中,汽车领域需求逐年增加。

  汽车类产品贡献主要增长动能,电源管理芯片增速较快。模拟芯片下游应用领域较为分散,主要包括通信、汽车、工业+(工业与政府等)、消费、计算机等大类,根据WSTS,各下游应用2020年市场规模占比分别为26.9%、22.5%、27.3%、13.2%、7.1%。从增速来看,汽车类产品目前仍为模拟芯片贡献主要成长动能,根据Frost&Sullivan数据,预计2020-2025年国内新能源汽车所需的电源管理芯片市场规模有望以16.6%的复合增速增长。电动化、智能化升级显著增加了模拟芯片单车价值量,应用扩展到ADAS、动力总成、MEMS安全防护、数字座舱等,单车价值量提升至约200美元。根据Strategy analytics,2020年全球电动汽车渗透率为7.7%,预计2025年将达20%,我们认为电动车及ADAS渗透率的提高有望推动汽车类模拟芯片打开更大市场空间。

  工业4.0时代模拟芯片作用突出,工业机器人为模拟IC带来新增量。工业4.0时代自动化、能耗管理能力要求大幅提高,根据WSTS统计,2020年工业领域(包含政府类)模拟芯片市场规模达152亿美元,IDC预计2021-2025年工业模拟芯片市场规模CAGR有望达4.5%,其中工业机器人已然成为重要的增量来源。根据工信部数据,2020年我国工业机器人总产量23.7万台,同比增长19%,2015-2020年CAGR达到48%,电子、金属制造、锂电池、食品饮料等众多工业生产中机器人应用比重迅速提升。我国目前工业机器人密度187台/万人,相比于日本的364台/万人仍有较大提升空间,自动化程度的提升也将伴随着上游模拟芯片的放量和升级,专精特新公司产品应用场景继续扩宽。

  专精特新公司依赖在头部客户、服务、供应链安全方面的优势快速成长。1)头部客户优势:模拟IC下游市场的头部客户对国产模拟厂商有较强的带动作用,国内模拟厂商靠近终端客户,有望实现产品快速迭代缩短技术差距。2)售后服务优势:国内厂商的FAE(现场应用专家)工作比国外龙头厂商FAE通常提供更多服务,产品导入过程主动承担更多支持来帮助应用厂商更新。3)供应链安全:随着供应链安全考虑逐步得到重视,终端厂商愿意给国内模拟芯片公司更多验证机会。大型终端厂商单品采购量大且对产品的价格容忍度更高,有意愿培养供应链上的成长伙伴。4)长尾市场机会:模拟芯片品类众多,长尾效应明显,国产模拟厂商可以从细分产品出发,通过更快的供货速度和更低的供应门槛切入长尾市场,获得成长机会。

  从专精特新企业发展的生命周期来看,“小而美”是起点,“大而全”是终点。发展初期公司资源有限,采取Fabless模式专注某一类产品。在细分领域胜出之后,通常会将收益持续投入研发,快速扩充产品线,考虑到模拟芯片重视know-how及产品研发周期,部分厂商会选择内生和外延协同发展逐步建立起产品目录护城河。在具备一定的全球竞争力时,公司切入高毛利率的高端产品,打破传统龙头企业的垄断地位,这不仅需要持续的研发支持,也需要公司采取IDM或虚拟IDM的模式运营,在把握核心技术的同时在性能和成本上不断优化。考虑到行业百花齐放、各美其美的特性,我们认为国内各细分领域都有望出现把握自身优势、有竞争力的专精特新公司,未来并购整合、内生外延发展并重或为中国模拟龙头企业成长的重要途径。

  EDA工具在复杂的芯片设计中起到关键作用,是关键的行业支点。EDA是电子设计自动化技术(Electronic Design Automation)的简称,EDA融合了信息处理、微电子技术、计算机技术等,以实现电子产品的自动设计。EDA广泛应用于集成电路设计、制造、封装各环节,是电子设计跨场景、跨流程应用的核心工具。芯片设计按照电路类型可以分为模拟电路设计和逻辑电路设计,两者在设计流程和工程师要求上有所差别,但基本流程类似,在前端设计中EDA提供芯片结构设计和验证,在后端设计中输出可制造的文件。

  EDA与产业链深度绑定,具有较高的竞争性壁垒。EDA设计工具与集成电路行业的运作方式结合,国际主流EDA工具厂商的商业模式包括“定期授权+技术服务”,以及面向高校、科研院所推广的教育应用。其中“定期授权”源自于晶圆厂PDK(Process Design Kit工艺设计工具包)的定期更新。EDA厂商对客户每一期的EDA工具租赁时长普遍在2-3年左右,因此EDA工具厂商的经营情况波动通常小于整体行业。跟随工艺进步而更新的晶圆厂PDK是EDA工具行业壁垒不断加高的核心因素,在使用先进制程制造的芯片设计中,这种优势尤为明显。

  EDA市场规模较小,但重要性高。根据赛迪智库,2020年全球EDA行业市场规模约为72.3亿美元。相比于全球半导体行业近5000亿美元的规模,EDA行业的规模较小,但其重要性高,与设备、材料共同构成了半导体产业的上游基础。2020年北美地区EDA市场规模约为29.6亿美元,占比41%。随着中国及周边国家和地区半导体产业的发展,亚太地区EDA市场规模在2020年超过北美,达到了30.4亿美元,市场占比从2018年的39%提升到了42%。另外,欧洲市场相对稳定,占比在17%左右浮动。

  行业前三企业高度垄断,国产EDA迎来机遇期。EDA工具的商业模式、用户粘性、上下游绑定的特点决定了行业集中度必然不断提高。根据赛迪智库,2020年全球EDA工具市场中前三大公司(Synopsys、Cadence和Siemens EDA)占到了77%以上,前五大控制了约85%的市场,剩余企业缺少布局设计全流程工具技术的综合实力,多在各自擅长的领域开发定制化产品,占据剩余市场份额。在国内市场,竞争格局与国际市场相似,2020年市场规模66.2亿元,前五大供应商市占率合计85.4%。国内半导体产业的蓬勃发展给我国EDA产业带来了巨大的市场空间,在吸引外部企业来华的同时也给国内EDA企业成长提供了肥沃的土壤。

  资料来源:赛迪智库,中金公司研究部;注:从里至外为2018-2020年。

  国内EDA发展过程坎坷,专精特新公司寻求突破。1986年全国17个单位的200多名专家研发出第一款国产EDA“熊猫系统”,但面对Synopsys等外国厂商产品的强大竞争力,刚诞生的国产EDA迅速沉寂,开始十几年的发展静默期。由于发展前期教育体系薄弱,人才流失严重,加之下游晶圆代工厂所面临的技术研发压力和攻关难度同样较高,进一步限制了EDA的自研进展。随着近年来国家大力支持叠加资本的涌入,EDA厂商年均成立数量呈上升趋势,部分国内企业在细分领域的全流程设计已经具备国际竞争力,如华大九天、概伦电子、芯华章等,逐步实现多点突破,由点到面的局势。

  后摩尔时代EDA工具行业迎来新的机遇和挑战,AI和云计算推动专精特新企业发展。后摩尔时代,芯片制程进步放缓,芯片设计面临大幅增长的成本,多样的数据和计算需求使得系统厂商对芯片有了更多的定制化需求,系统设计、人工智能、EDA工具逐渐融合。EDA工具将更加开放化和标准化,开源EDA作为一个创新方向,为我国企业发展带来了诸多机会。我们认为,我国拥有数量较多的芯片设计公司,为EDA工具的发展提供了一片沃土,产业与学界共同推进EDA开源,可观的数据为人工智能与EDA的结合提供了基础,充足的云计算资源可以为芯片设计所用,在追赶先进技术的过程中,这些技术创新、商业模式创新也为我国EDA产业创新带来了新的机遇。我们认为,国内EDA产业有望吸引和培养更多的人才,国产EDA企业在研发资金投入上也将得到持续有力的支持,星星之火也得以延续。

  ► 专精特新公司更新AI算法推动EDA工具自动化和智能化。AI技术的学习能力辅助降低芯片设计门槛,提高设计效率,缩短芯片上市时间。AI技术、深度学习(ML)与EDA方法学的融合是芯片设计的革命性的一步,目前商用市场在三者融合的道路上不断探索,主要有AI Inside和AI Outside两个方向,前者注重于EDA工具本身,应用AI算法赋能芯片设计;后者注重于人,让机器通过学习的方式积累经验,释放人工生产力。

  ► 云技术在EDA中的应用日趋深入,EDA工具上云的潜在应用场景待开发。传统的EDA IT架构往往采用本地数据中心的形式,采用远程桌面分配给各个客户端,并自己部署授权管理、运算节点和共享文件存储。但在芯片设计变得愈发复杂,本地小型数据中心算力和存储这两方面出现了瓶颈,因此不断有厂商尝试EDA工具上云,但实际应用范围还不够广泛。近年来,伴随相关技术方式的逐步成熟、用户使用习惯的改变,叠加应用云技术进行芯片设计研发方面的综合成本、效率优势,云技术正在EDA领域获得快速发展。

  芯片设计领域的专精特新公司是行业的活跃主体,创新能力强。我国芯片设计行业仍处于快速发展期,从规模上看,18%的芯片设计企业属于专精特新企业,贡献了6.0%的营业收入,专精特新企业的收入规模和总专利数量均小于大企业,但显著大于中小企业。从研发投入看,专精特新人均专利数最高,达到0.38个/人,展现出其重视创新研发的特征。从盈利能力看,专精特新企业平均ROE和ROA分别为17.8%和15.5%,均高于大企业均值,略低于中小企业均值