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半导体现状最全分析,机会在哪里?

2019-08-10来源:中国育婴网

来源:内容来自「国盛郑震湘团队」,谢谢。


编者按:过去几年,半导体产业风起云涌。一方面,中国半导体异军突起。另一方面,全球产业面临超级周期,加上人工智能等新兴应用的崛起,中美科技摩擦频发,全球半导体现状如何?未来的机会又在哪里从国盛郑震湘团队这个报告,我们可以获取一些基本面的了解。


一、半导体—十年产业投资大机会


中国半导体市场规模占全球比重持续提高。据中国半导体行业协会等统计,2017年受存储器涨价影响和物联网需求推动,全球半导体收入约4122.21亿美元,同比增长16%。预计2018年全球半导体收入将达到4779.36亿美元,实现连续3年稳步增长。其中,中国为全球需求增长最快的地区。2017年国内半导体销售额为1102.02亿美元,同比增长19.9%。随着5G、消费电子、汽车电子等下游产业的进一步兴起,叠加全球半导体产业向大陆转移,中国将持续成为全球最大和贸易最活跃的半导体市场。预计2018我国半导体销售额再增20%,达到1322亿美元。


我国集成电路市场增速全球第一。2016年我国集成电路销售额624.98亿美元,2017年为828.15亿美元,同比增长32%,是全球集成电路产业增速最快的区域。预计2018再增20%,达到993.1亿美元。统计2000年以来18年间集成电路产业销售规模年均增速,中国CAGR为20.6%,全球CAGR为4.8%。中国集成电路产业持续扩大,在全球的占比持续提高,已成为全球主要消费市场。

中国半导体市场增速在17Q3至18Q1曾短暂低于全球增速,主要由于国内存储器产业仍处于突破初期,而本轮半导体景气度主要推手为存储器产业,所以导致国内产业增速短暂低于全球增速,但长期来看我国半导体产业占全球比重提升的大趋势没有改变,长期增速将始终维持较高水平。

产业第三次转移,中国占比不断提高。从我国半导体产业迁移历史来看,各细分板块均经历了技术突破、份额提升、国际领先三个阶段,其中光伏、显示面板、LED等泛半导体产业经过多年发展,均已达到国际领先水平。目前半导体封装测试、IC设计等产业已经站稳脚跟,进入份额提升期。半导体制造、设备、材料等方面,我国相关技术不断突破,有望在区域聚集属性下,重演产业迁移之路。


从晶圆制造厂地域分布来看,据PWC统计,2016年我国晶圆制造厂共计170家,封测厂共计123家。其中,晶圆厂制造主要分布在东部沿海、西北地区和南部沿海,三者产能占比为56.8%、10.5%和8.5%。江苏晶元制造厂共计54家,数量全国居首,上海和广东晶圆厂分别为18和14家,分居二三。封测厂方面,东部沿海集中度更高,产能占比62.2%。其中江苏、上海封测厂数量为20和18家。



26座晶圆厂在建,12寸是目前的主流建设方向。根据前瞻产业研究院,目前我国晶圆厂在建产能涉及12家公司、15个项目,投资额合计4399.9亿元,在建产能超过81万/月。预计2018年将贡献约50万片/月产能,届时我国12寸晶圆产能增幅将达到78%。12寸投资规划方面,据SEMI统计,主要涉及6家企业8个项目,规划投资额约为7812.3亿元。项目主要集中在北京、成都、重庆及江浙一带。主要代表:华力上海12寸新厂在建、SMIC北京12寸厂扩建、海力士无锡12寸厂扩产中、英特尔大连12寸十月流片。




二、全球半导体周期分析


2.1 供给:硅片剪刀差-供需有望长期维持健康结构


我们17年3月推出独家核心逻辑“硅片剪刀差”,领先产业判断2016年以来硅片供需剪刀差带来半导体行业8年一遇景气行情。


2.1.1最核心材料钳制产能释放


硅片供需关系有望持续维持健康结构。从硅片面积需求量来看,2017年硅片需求量为9.04亿平方英寸/月,至2022年可达10.51亿平方英寸/月。从不同尺寸来看,12寸硅片需求扩张幅度最高,预计2022年将达661万片/月。8寸硅片紧缺情况也在蔓延,需求量将从2017年的486百万片/月增长至2022年的500万片/月。150mm及以下的需求正在放缓,预计2022年需求量不足324万片/月。


硅片平均价格将持续上涨。台湾半导体硅晶圆龙头环球晶董座徐秀兰在18年11月表示,2019年硅晶圆供需仍紧,价格持续看涨。12吋硅晶圆合约价格涨幅约6~9%;8吋的合约价格也会在高个位数。“看好2019年硅晶圆供需仍紧,价格持续看涨,是非常健康的一年。


全球第一大半导体硅晶圆厂商SUMCO也表示,除了预期硅晶圆价格,2018-2019年将持续调涨外,也预期硅晶圆恐将缺货缺到2021年,因为已有客户针对2021年之后的产能供给进行协商。


SUMCO预计,12寸硅片继2017年价格大涨20%后,2018价格亦将再度调涨20%,并且2019年硅晶圆价格续涨已成定局,2020年市场可能仍供不应求;“当前顾客关心的重点已经不是价格多少,而是能否确保取得所需的硅晶圆数量,部份客户已开始就2021年的供给量进行协商,有意签下长约。”


2.1.2摩尔定律放缓+数据时代来临,放大剪刀差


大数据+人工智能是核心,物联网提供了数据基础,云计算解决数据处理问题,5G便利了数据传输,存储芯片解决算力匹配及存储,共同引领了新一轮的TMT创新浪潮。数据的产生、存储、传输和处理,都要映射到芯片的需求,微观层面看到的就是终端设备含硅量提升和半导体公司需求的持续增长;


数据中心、移动、汽车、IoT市场需求扩大催生终端设备硅含量持续提升。美光统计了四大应用的潜在成长空间,汽车市场将从CY17的25亿美元增长至CY21的59亿美元,成长2.4倍。此外,移动、数据中心、IoT市场也将在四年间分别成长1.2倍、2.1倍和1.7倍。受此影响,据IC Insights,十年来终端设备硅含量增长9个百分点。预计2021年继续增长至28.9%。

摩尔定律放缓,进一步放大硅片剪刀差。摩尔定律正逼近物理极限,在冯诺依曼架构没有变化之前,芯片性能提升的放缓和数据需求几何级数式的增长之间矛盾将日益凸显。在芯片体积无法进一步有效缩小的情况下,对芯片的需求将加剧硅片剪刀差。



存储器是本轮景气周期的主要推手,占增量70%以上。从全球集成电路市场结构来看,全球半导体贸易统计组织预计2018年全球集成电路市场规模达4015.81亿美元,相较于本轮景气周期起点2016年增长了1249亿美元。而存储器18年市场规模达1651.10亿美元,相较2016年增长了883亿美元,占增量比重达71%,是本轮景气周期的主要推手。

2.1.3 存储器位元需求是硅片偏紧的最大驱动因素


300m紧缺主要由各类数据相关应用驱动,其中存储器位元需求增长速度已超越制程及工艺进步速度,是硅片紧张的最大驱动因素!也是硅片剪刀差传导下来最为受益的通用型品种!


其中DRAM的制程工艺在进入20nm以下后速度明显放缓、我们判断未来几年对硅片的需求量持续偏紧。而NAND由于处于2D向3D迁移过程中、预计3D良率爬坡后会有一段时期对于硅片需求下降/波动,但从长期来看增速仍将由全面替代HDD、云计算、消费电子容量升级等因素所驱动。


SUMCO分品类对12寸硅片需求在未来数年根据PPP-GDP指数小幅增长来测算,出现较大缺口也仍然是确定性事件。未来四年硅片紧缺延续,逻辑芯片、DRAM、NAND、其他逻辑芯片和测试级对12寸硅片的需求量均突破100万片/月,主要原因为头厂商扩产幅度不大,3D-NAND良率提升带来的需求增长。


从龙头厂商SUMCO最新公布客户存货及周转指数来看,厂商周转天数持续下降同时在自身出货量相对稳定情况下客户硅片存货持续下降,表明硅片紧缺程度持续。



2.2需求:第四轮硅含量提升


2017-2020年我们即将进入第四个全球半导体硅含量提升周期,下游需求的推动力量是汽车、工业、物联网、5G通讯、AI等,数据是核心。2017年全球半导体销售产值突破4000亿美金,我们预计,这一时期,全球半导体销售产值首次突破5000亿美金大关。


半导体硅含量代表电子系统中半导体集成电路芯片总价值占电子系统价值的百分比,可用来衡量半导体的渗透率。如果从下游需求分析,硅含量就是下游需求中半导体芯片的渗透率。


根据全球半导体硅含量趋势图,从第一款半导体集成电路芯片发明以来,直接推动着信息技术发展,我们一共经历着3个完整的发展周期,目前正在进入第4个发展周期。


  • 1)第一个周期,上个世纪60年代到90年代,全球半导体的硅含量从6%提高到23.1%,第一周期市场空间增长500亿元,由PC 电脑、大型机等需求推动;

  • 2)第二个周期,2000年到2008年,全球半导体的硅含量从17.3%提高到22.4%,下游需求推动的力量是笔记本、无线2G/3G通讯等,带来1000亿美元市场空间,随后进入衰退期;

  • 3)第三个周期,2010年到2014年,全球半导体硅含量从21.1%提高到26.4%,下游需求推动的力量是智能手机为代表的移动互联网产品,市场空间再增750亿;

  • 4)2017-2020年全球进入第四次半导体硅含量提升,此轮将提升到30-35%,下游需求的推动力量是汽车、工业、物联网、5G通讯等。



我们结合半导体硅含量提升趋势图与60年全球半导体产值对过去的三轮提升周期进行回顾。我们可以清晰看到,从第一款半导体集成电路芯片发明以来,直接推动着信息技术发展,我们一共经历着3个完整的发展周期,目前正在进入第4个发展周期:工业、互联网、移动互联网、泛物联网



第四波硅含量提升周期的三大核心创新驱动是5G支持下的AI、物联网、智能驾驶,从人产生数据到接入设备自动产生数据,数据呈指数级别增长!智能驾驶智能安防对数据样本进行训练推断、物联网对感应数据进行处理等大幅催生内存性能与存储需求,数据为王!


所有数据都需要采集、存储、计算、传输,存储器比重有望持续提升。同时传感器、微处理器(MCU/AP)、通信(RF、光通讯)环节也将直接受益。我们强调,第四次波硅含量提升周期,存储器芯片是推动半导体集成电路芯片行业上行的主要抓手,密切关注大陆由特殊、利基型存储器向先进存储有效积累、快速发展进程。


2.2.1 人工智能持续驱动服务器硅含量提升


人工智能市场不断成长,拉动上游半导体需求持续提升:

  • 数据时代对服务器需求增长,服务器出货量提升;

  • 服务器市场结构变化:AI训练需求对高性能服务器出货量的拉动;

  • 性能需求对芯片价值量的拉动:

  • 并行计算对GPU的拉动;

  • 数据量指数级增长拉动存储器需求;

  • 运算效率催生In-Memory Processing对存储器性能要求的提升带动ASP的提升;

  • 摩尔定律放缓,但性能需求持续提升,多路CPU有望重演多核CPU成长路径。


具体对本轮服务器内存景气周期进行分析,Intel服务器平台转换和七大互联网龙头数据中心建设是16-17年的需求动能。而随着IoT、AI(尤其智能安防)和智能驾驶时代到来,边缘计算的快速成长带来的性能需求将成为中长期半导体的成长驱动!数据中心对服务器的需求成为整体服务器市场出货成长的关键。近两年来数据中心的服务器需求预计在2020年前规划将继续维持每年二至三成的年增率。


我们对服务器配置、物料成本进行拆解,主要从CPU、DRAM、SSD等核心元器件用量及价格方面进行测算:

  • CPU方面,目前双路(两颗物理芯片)CPU几乎已成服务器标配,而IBM、惠普等厂商均早已推出8路,甚至16路CPU服务器,保守估计高端服务器平均CPU规格为4路英特尔E7芯片,官网单价为8898美元,合计成本超35000美元。

  • 内存方面,考虑到目前市场上个人工作站内存配置范围一般为32GB至512GB,保守估计低阶服务器仅使用128GBDDR4内存。而高阶服务器方面,服务器厂商Supermicro(彭博“间谍门”乌龙事件所指公司)早已与2017年年初就已推出4TB(32组128 GB)服务器产品,不考虑ECC特性,目前2400MHz 128GB DDR4内存价格约为1200美元,4TB成本将达38400美元。

  • 硬盘方面,随着服务器处理数据量激增,保守估计单台服务器配置0.6至8TB固态硬盘,成本约为900至5600美元。


进一步考虑主板、散热、电源、线缆、机架等器件成本,综合来看,一般服务器物料成本范围大致为6000至90000美元水平,而存储成本占比大约为40~50%,并且呈现出越高阶服务器中存储成本占比越高的趋势。



人工智能训练用服务器主要成本在GPU。在上述对一般服务器进行详细拆解之后,我们进一步拆解侧重于并行计算的AI训练用服务器,以业界龙头英伟达推出的DGX-1服务器为例,其使用了8颗Tesla P100加速芯片,京东单价为44999元,合计成本近36万元,成本占比约为70%。18年3月,英伟达发布了其最新一代服务器DGX-2,官方售价250万元,其中16路Tesla V100加速卡成本超百万元,带有16x32GB HBM显存,1.5TB高性能服务器DRAM+30TB NVMe NAND Flash存储合计成本约为32万元。可以看到,GPU仍旧占成本比重70%左右,但存储占成本比重由上一代的14%提升至目前的20%,符合我们提出的“越高阶服务器中存储成本占比越高”的观点。



高性能服务器带动服务器市场加速成长。产业信息网数据显示,2017年传统服务器出货量达650万台,预计传统服务器出货量增速将延续往年趋势,在低个位数百分比水平波动,2025年出货量有望超8百万台。高性能服务器方面,2017年出货量达480万台,预计增速将始终保持在两位数水平,2022年出货量或将超越传统服务器,2025出货量有望达到1100万台。



我们进一步对服务器用DRAM、CPU、GPU等核心元件市场空间进行测算。


服务器DRAM市场空间展望达300亿美元,位元单价下滑助力渗透率提升。传统服务器方面,单机DRAM用量预计将平稳增长,2025年或将接近0.5TB水平。考虑到目前市场上高性能服务器DRAM配置已达单机4TB,保守估计2025年高性能服务器平均单机DRAM用量达到2018年初发布的DGX-2水平,约为1.5TB,结合前文出货量测算以及DRAM位元价格逐步下滑的假设,预计2025年服务器DRAM市场空间将达到300亿美元。



有望复制多核心CPU成长之路,多路CPU渗透率将稳步提升。随着摩尔定律演进放缓,单颗CPU核心数增加周期拉长,单颗CPU性能提升逐渐逼近瓶颈。我们认为多路多核CPU将复制单路多核CPU的成长路径,考虑到目前HPC双路CPU已成标配,16路CPU也已推出,保守估计2025年平均每台HPC服务器将使用3.5颗CPU。市场规模方面,结合HPC需求的增长,2020年服务器CPU市场规模或将达1000亿美元。



AI浪潮将开启GPU时代。部分侧重于AI训练的服务器,相较于CPU,对于GPU的依赖度更高,我们统计了各大AI龙头服务器配置,包括英伟达DGX、Facebook Big Sur、国产浪潮部分型号,均普遍使用了8路至16路GPU。我们保守估计HPC单机GPU用量将逐步接近2颗,结合目前专用计算卡价格,预计高性能运算服务器GPU市场空间有望在5-7年达到1000亿美元。



2.2.2汽车电子核心驱动在于ECU量价齐升


我们认为汽车电子零部件及半导体器件含量提升的核心逻辑在于ECU(电控单元)数量及单体价值齐升,车用半导体市场规模有望长期稳定增长

  • 汽车市场结构改变:各国政策驱动新能源汽车出货占比提升;

  • 电控单元数量提升:电气化、智能化、新能源化推动车用芯片及OSD(光学器件、传感器、分立器件)数量提升;

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