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四大趋势引领集成电路走向新时代

2019-11-24 18:29:20 浏览:3371

来源:东莞证券内容,谢谢。

集成电路的组成继续发展。集成电路(ic)是一种微结构,它可以通过采用特定的处理技术和互连小半导体晶片上的电路和封装中所需的晶体管、电容器、电阻器和其他有源和无源器件来执行特定的电路或系统功能。集成电路从最初的电子管到后来的晶体管,集成电路中的电子元件正在向小型化发展,同时元件也在成倍增加。随着铜互连、浸没光刻和3d封装技术等各种先进封装技术的不断出现,集成电路的线宽已经初步达到10微米的数量级,2018年大批量生产的集成电路的加工技术已经达到7纳米。同时,作为集成电路的衬底,硅晶片的直径已经从最初的1英寸(约25.4毫米)增加到当前的300毫米(约12英寸)。

信息交流活动是人类文明不可分割的一部分,人们在信息共享和交流中产生价值。进入21世纪,由于微电子技术的进步,液晶和等离子平板显示器已经逐渐取代阴极射线管显示器。图像感测、传输和显示都是在“固态”下进行的,这使得移动设备能够传输信息。微电子技术自1998年以来为人类创造了一个全新的信息世界,进入了最初的信息社会,使得集成电路在人类社会发展过程中做出了不可磨灭的历史贡献。

信息时代推动世界国内生产总值快速增长。在农业社会时期,世界国内生产总值的年均增长率仅为0.105%。自进入工业社会以来,年均增长率显著提高,分别达到1.585%和3.908%。自20世纪60年代大规模生产大规格集成电路以来,集成电路已经进入商业化阶段。随着个人电脑的普及,半导体存储器和微处理器得到进一步升级,推动个人电脑市场在20世纪90年代进入成熟阶段。21世纪初,随着互联网的广泛普及和移动通信时代的到来,消费电子已经取代个人电脑成为集成电路行业的另一个强大市场。可以说,集成电路与世界经济的发展密不可分。从1998年信息社会开始,世界国内生产总值的增长率跃升至6.622%,这表明了消费电子产品带来的新信息时代对世界国内生产总值的贡献。

目前,全球gdp增长与集成电路市场高度相关。根据ic insights数据,在这一时期之前的30年中,相关系数从20世纪30年代初相对较弱的0.63到20世纪90年代的负相关度-0.10不等(即基本上没有相关性)。2010-2018年间,全球国内生产总值增长与集成电路市场增长之间的相关系数为0.86,这表明相关性非常强,因为完美正相关为1.0。集成电路洞察的全球国内生产总值与集成电路市场的相关系数将达到0.95 in,反映了信息社会背景下消费电子需求对国内生产总值的贡献日益增加,以及国内生产总值增长与集成电路市场增长的相关性。

两个主要原因增加了全球gdp增长和集成电路市场之间的相关性。一方面,越来越多的并购导致集成电路制造商和供应商的减少,导致集成电路市场供应基础的重大变化。更多的并购导致了“强者将保持强势,弱者将消亡”,产业集中度提高,产业成熟度提高,从而促进了全球国内生产总值增长和集成电路之间更密切相关的市场的增长。另一方面,集成电路市场正逐渐转变为消费者驱动的市场。Ic insights认为,20年前,大约60%的Ic市场由商业应用驱动,40%由消费者应用驱动。然而,迄今为止,上述比例已经逆转。因此,随着以消费者为导向的集成电路市场的发展,全球国内生产总值在预测集成电路市场趋势方面变得越来越重要。

从世界国内生产总值的预期增长率看半导体工业的发展,世界半导体工业有望一路增长。费城半导体指数成立于1993年,是全球半导体产业繁荣的主要指标之一。元件库存主要涵盖半导体设计、制造、分销和销售的产业链。费城半导体指数与世界国内生产总值增长率有着相对明显的关系。这两个指标显示关键节点的性能相对一致。费城半导体指数对世界国内生产总值增长率有一定的预测。在几个关键节点上,世界国内生产总值增长率的拐点出现得更快。从侧面来看,可以说世界半导体市场与gdp增长率之间存在着明显的相关性。但是现在我们不得不从国内生产总值中倒退推动世界半导体工业的发展。根据国际货币基金组织的数据,2018年世界国内生产总值的实际增长率为3.00%,2019年世界国内生产总值的实际增长率预计为2.60%。然而,国际货币基金组织预测,世界国内生产总值的实际增长率将在2020年反弹至2.70%,到2021年达到2.80%。这表明,世界国内生产总值的实际增长率预计将触底回升。作为一个与世界国内生产总值增长率高度相关的费城半导体指数,费城半导体预计将分阶段触底,并在今年真实世界国内生产总值增长率反弹时提前上涨。根据wsts数据,2019年世界半导体行业市场的增长率将从2018年的13.7%下降到-12.1%,但2020年将上升到5.4%,这从侧面支持了我们的上述推测:世界半导体行业将在2019年见底,并在2020年出现逆转。

趋势2:中国已经成为世界上一个重要的工业市场,国内替代迫在眉睫。

世界集成电路的焦点已经从欧洲和美国转移到亚太地区。1986年,全球半导体市场根据区域分布的市场份额划分。日本是最大的区域市场,占全球半导体市场的39.7%,而亚太(日本除外)市场仅占7.8%。进入21世纪后,亚太(日本除外)市场继续保持快速增长。2000年,日本在全球市场的份额下降到22.9%,比1986年下降了16.8%。与此同时,亚太(日本除外)地区市场快速增长至25.1%,成为仅次于美洲地区的第二大地区市场。目前,美洲和欧洲地区市场分别占全球市场的31.3%和20.7%。随着技术的发展,亚太地区(日本除外)半导体生产的研发技术不断完善,半导体生产体系日益完善,半导体生产的重点转移到亚太地区(日本除外)。与此同时,进入21世纪后,亚太(日本除外)地区实现了快速的经济发展,人们的消费能力进一步提高,对半导体产品的需求增加。因此,世界半导体市场中心也转移到亚太地区。2016年,亚太(日本以外)地区市场已占全球市场的61.5%,成为全球最大的半导体市场区域。

中国是世界上重要的集成电路市场。经过多年的改革开放和投资促进,中国集成电路市场取得了长足的进步。同时,随着科学技术和经济社会的进步和发展,中国对集成电路的需求也在不断提高。从市场销售额来看,根据CCID顾问的数据,2000年中国集成电路市场销售额为975.3亿元。到2014年,将突破1万元大关,达到1039.3亿元,占全球市场的50%以上。2016年,中国集成电路市场销售额达到1198.59亿元,同比增长8.7%,保持良好增长势头。中国已经成为世界上最重要的市场。从产业角度来看,2002年至2018年,中国集成电路设计、制造、封装和测试行业复合年增长率为23.04%,销售额从2002年的268.4亿元增长到2018年的6532.00亿元。中国集成电路产业仍在经历两位数的增长。根据ic insights数据,全球半导体产业市场已达到4740亿美元,中国占全球半导体产业的19.57%,是全球重要半导体产业的所在地。

中国集成电路产业高度依赖进口。随着电子信息产业的快速发展和集成电路市场需求的不断增长,我国集成电路进出口规模迅速扩大。2008年至2018年,中国集成电路进口量和进口量从1354亿件和1292.72亿美元增加到4059亿件和3104亿美元。与去年同期相比,中国集成电路出口总额和价值从2008年的485亿美元和244亿美元增加到2018年的2103亿美元和837亿美元。可以看出,进出口保持了同步增长的势头,但集成电路领域整体贸易逆差的绝对值仍在迅速扩大,从2008年的1,049亿美元增至2,267亿美元。可以看出,集成电路工业仍然依赖进口。

“技术市场”不再可行,先进技术的封锁迫使国内自主创新。自贸易战开始以来,cfius的权力不断扩大,其他国家对美国技术企业的收购也不断收紧。中国对美国旨在吸引先进技术的直接投资受到限制。除了美国,德国等国家也采取了类似措施,限制中国通过海外并购获得先进技术。中国“以资本和市场换技术”的发展战略受到阻碍。在核心技术受到威胁的过程中,中兴和华为最为担忧。中兴通讯一度无法开展其主要业务活动。至于华为,由于其庞大的技术储备,它尚未发布任何停止运营的公告。西方国家的技术封锁政策限制了中国通过海外并购获得先进技术,但也开始迫使中国走自主创新之路。例如,中兴通讯增加了研发投资。在5g基站芯片方面,中兴通讯的7纳米技术芯片已经设计并批量生产,目前正在开发5纳米技术的5g芯片。中国在基础设施和工程师奖金方面有优势。电子行业预计将从中低端扩展,关键领域的国内替代趋势不可避免。

减税减负促进集成电路产业发展。2019年5月22日,财政部、国家税务总局发布了《集成电路设计与软件产业企业所得税政策公告》。然而,并非所有集成电路设计和软件行业公司都有减免政策,该政策中提到它们需要满足过去的相关政策条件。因此,这项政策的出台是该国支持本国核技术产业的一贯政策的延伸。最近,发生了许多美国政府将国内技术公司列为实体(包括已经实施和计划实施的公司)的事件。缺乏核心技术的企业容易被他人控制。国家实施企业所得税减免政策,减轻集成电路设计和软件产业负担,促进相关企业加大研发投入,掌握核心技术。

半导体行业有三种主要的运行模式:idm、无晶圆厂、eda和铸造。

Idm是芯片设计、制造和封装的结合体,有利于设计和制造的协同,发掘技术潜力。这是大多数集成电路企业早期采用的模式。然而,由于其规模大、管理成本高,目前只有少数企业能够维护,以英特尔和三星为典型代表。

无工厂是另一种直接面向市场的模式,指的是那些没有生产线设计的公司。通常,他们的初始投资规模小,创业难度低,转型相对灵活,因此受到大多数企业的青睐。然而,与idm相比,它们不能通过过程协调来优化。

Eda是提供芯片设计工具软件的代理,而ip授权是半导体设计的上游。一般来说,设计公司不需要设计每一个细节,可以通过购买成熟可靠的ip解决方案来实现特定的功能,从而缩短开发时间。因此,eda公司在某种程度上属于另一种芯片设计公司。

铸造模型完全负责制造或密封测试;它可以为许多无厂企业提供服务,不承担设计缺陷带来的决策风险,但投资规模大,维护生产线成本高。

中国集成电路设计行业占销售额的最大比例。中国集成电路设计行业销售额从2013年的808.8亿元增长到2018年的2519.3亿元,2016年超过密封测试行业37.93%,成为中国集成电路比重最大的行业,2018年设计行业销售额占集成电路行业的38.57%。制造业实现1818.20亿元增长20.27%,2018年增长27.84%。包装检测行业也保持平稳增长,从1098.85亿元增长到2193.90亿元,行业份额调整到33.59%。

在设计行业快速发展的背后,需要考虑高端产品和行业集中度的问题。芯片设计过程大致可分为规格制定、芯片细节设计、花布局、电路布局和掩模。大多数设计公司的运作模式是根据整个系统的开发需求定义、开发和设计集成电路产品,然后代表工厂生产,通过产品销售获取利润。目前,全球集成电路设计仍然由美国主导,但中国的集成电路设计产业近年来发展迅速。2018年,设计行业销售额达到2519.3亿元。这大约是2004年的30.91倍。2004年至2018年,工业销售复合年增长率为25.70%。尽管中国集成电路设计产业发展迅速,但仍存在一些问题。一方面,集成电路产品种类繁多,但缺乏高端核心芯片。中国在cpu、内存和高性能模拟芯片等核心通用芯片的设计基础薄弱。另一方面,中国有近1400家设计企业,但行业“整体实力薄弱”,集中度低。美国芯片公司占总销售额的80%以上,而中国十大集成电路设计公司仅占30%多一点。

制造业的发展需要时间来培养和提炼。芯片制造提供集成电路制造服务,但不进行产品设计。芯片制造需要高资本、技术和人才。特别是,它侧重于资产。原因是根据市场需求和技术发展趋势,制造合同制造商需要投资大规模建设晶圆生产线和升级换代技术。2004年,中国集成电路制造业销售额为181.2亿元。2016年,集成电路制造业销售额突破1000亿元,达到1126.9亿元。2018年,中国集成电路制造业销售额为1818.20亿元,同比增长25.56%。从2004年到2018年,中国集成电路制造业的复合年增长率为16%。展望未来,国内制造技术节点仍处于以SMIC为代表的14纳米R&D工艺中,这与三星和TSMC相差约两代,后者基本上处于7纳米的大规模生产中。

密封测试行业的技术壁垒相对较低,追赶速度相对较好。集成电路封装属于集成电路产品制造的以下程序。整个过程随着集成电路芯片技术的不断发展而变化。封装的主要功能是为芯片提供支撑和机械保护。为了消除不合格产品,标准的测量和筛选过程是测试。由于包装测试领域的技术壁垒相对较低,劳动力成本要求相对较高。在我国,集成电路封装测试行业发展态势良好,其在集成电路行业中的比重一直在35-40%左右。整个行业从2004年的282.6亿元增长到2018年的2193.9亿元,2004-2018年年均复合增长率为14%。未来,物联网将是半导体市场增长的主要驱动力。随着物联网产品比手机更薄、更薄、更小,完整的系统封装和系统模块集成能力将是密封测试企业的发展方向。

趋势3:摩尔定律遭遇瓶颈,从另一个角度看后摩尔时代的发展

过去集成电路的发展是摩尔定律的有效证明。摩尔定律首次被提到是在1965年。其基本论点是,在保持最低成本的前提下,集成电路的集成度和性能将在18-24个月的时间内翻一番。众所周知的10纳米和7纳米芯片是根据技术节点命名的。关键部件的关键参数称为特征尺寸,而具有一系列特征尺寸的技术称为技术节点。业界公认的科技节命名方法是新一代产品的0.7倍。从过去几十年的数据来看,集成电路的制造成本、芯片功耗和芯片性能都是按照摩尔定律发展的,因此它们的有效性一直在持续。

摩尔定律是由统计结果形成的,是对技术发展的合理推测。与其他科学学科不同,摩尔定律应该被理解为经济法,它是集成电路实际生产的结果。在该法提出后的一段时间里,集成电路的发展动力相对较强,每18个月左右重复一次。随着技术节点的不断探索,该过程的迭代速度已经减慢。根据国际半导体行业组织2015年联合发布的国际半导体技术路线图(itrs),随着集成电路尺寸的不断缩小,技术瓶颈制约着技术的发展。自15年前以来,产品更换率已降至24个月,预计这一比率将持续到2030年。

物理、功耗和经济成集成电路工艺发展瓶颈。集成电路性能、功耗及制造成本是评判摩尔定律是否有效其中较为重要的标准。目前主流芯片厂商的产品已经进入到10nm以内,遵循过往方法,即按比例不断缩小各元件尺寸已无法达到摩尔定律所指导的目的。从物理角度来看,集成电路尺寸已进入到介观尺寸材料的范围内,各种物理障碍都会成为集成电路发展的阻力,如杂质涨落、量子隧穿等。介观物理和基于量子化的处理方法是解决这些物理障碍的有效手段。但目前而言,这些技术在商业化上还尚未成熟,这将制约集成电路发展的一大因素。时钟频率是评估芯片性能的一个重要指标,其数值越大,性能越佳。因而,时钟频率的提升是在每个技术节点厂商都需要考虑的问题。但是钟频率提高的同时,功耗也会随之上升。目前每一技术节点在时间频率上都会有 20%的提升,而功耗也以一定的速率在增加。若将功耗保持在一个固定数值,即使是技术节点在不断的向前推进,时钟频率也得不到提升,甚至在某一节点开始下降。散热问题是功耗上升后所要面临的一大难题,在技

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