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覆盤:中國半導體發展的三個階段

作者:方正證券陳杭

通過覆盤近三年美國的三輪芯片封鎖,我們總結出中國半導體發展的三個階段:

第一輪封鎖:2019年5月限制華爲終端的上遊芯片供應商,目的是卡住芯片下遊成品

第二輪封鎖:2020年9月限制海思設計的上遊晶圓代工鏈,目的是卡住芯片中遊代工

第三輪封鎖:2020年12月限制中芯國際上遊半導體供應鏈,本質是卡住芯片上遊設備

我們看到美國的封鎖是順着產業鏈一直到最上遊的底層供應鏈

華爲作爲中國科技的豐碑,其產業鏈極爲複雜。我們試圖從四個角度:應用、生態、芯片、穿透,層層遞進,逐步進階來理解華爲,並藉此窺探國產半導體產業集羣的未來機遇。

應用視角看華爲:成長飛輪上的華爲

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我們基於亞馬遜原始飛輪的核心思想,覆盤華爲過去30年「起承轉合」的業務發展過程,率先提出華爲作爲中國乃至全球領先的無邊界擴張的科技巨頭,其業務擴張路徑同樣符合飛輪模型的底層算法。本節旨在通過借鑑該理論,從四個層次構建華爲成長的飛輪模型,以應用的視角來探尋華爲的業務軌跡和成長邊界。

(1)底層飛輪(起):主要是指ToG的運營商業務。運營商業務是華爲故事的起點,完成了原始積累,在經歷2G起步、3G追趕、4G同步後,並實現5G超越。公司的通信設備產品完整佈局基站接入網,傳輸網以及核心網絡全產業鏈。經過4G多年的積累,2017年華爲首次超過愛立信成爲全球最大電信設備運營商,2019年運營商業務收入2967億元。5G時代公司制定行業通信標準,搶佔先發優勢。華爲的運營商業務是完成原始積累的業務,並通過研發不斷提高運營商業務地服務質量,形成正向循環,帶動飛輪的高速旋轉。

(2)第二層飛輪(承):主要是指ToC的消費者業務。消費者業務以智能手機爲核心硬件,向外輻射手機配件、個人電腦和平板電腦、可穿戴設備、智能家居產品等硬件終端,以及互聯網應用等,核心在於打造人的數字化與互聯化。華爲消費者業務的成功同樣適用於我們提出的「4A」護城河理論,始於顏值:來自外觀極致設計和工藝;癡於交互:華爲在光聲觸等人機交互領域逐漸成爲創新的引領者;忠於生態:打造消費者業務全場景智慧化IoT生態系統;成於運營:全球視野下極致的供應鏈管理體系。華爲致力於爲消費者打造全場景、智慧化的極致體驗,進一步提高了客戶滿意度。

(3)第三層飛輪(轉):主要是指ToB的企業業務。企業級業務志在拓展萬億新藍海,華爲基於在運營商業務中積累的能力,拓展ICT產業,2018年營收突破100億美元,年複合40%增長,中國區營收超過500億元,雲夥伴數量增長近1倍,在線用戶增長15倍,在該領域已經遠超本土競爭對手。公司攜手上萬家公司合作共贏一起分享成功成果。通過「無處不在的聯接+數字平臺+無所不及的智能」,致力於做數字中國的底座。企業業務通過打造數字平臺爲底層飛輪提供了有力支撐。

(4)第四層飛輪(合):主要是指提供底層基礎設施的ToT業務。全棧+全場景芯片是華爲2C、2B、2T業務的底層技術支持。1、麒麟是全球領先的國產SoC芯片,主要面向華爲智能手機。2、昇騰AI芯片採用「達芬奇架構」,實現全場景覆蓋,同時爲2C的消費類產品、2B的服務器、2T的IoT終端提供AI解決方案。3、鯤鵬芯片主要用於泰山系列服務器,爲雲計算業務提供強大算力。4、5G芯片包括終端基帶芯片(巴龍系列)和基站核心芯片(天罡芯片)是數字世界的內核。華爲To T業務聚焦構築全棧的平臺能力和端到端服務能力,並開展全方位生態合作,成爲前三大飛輪正常運轉的有利支撐。

生態視角看華爲:鯤鵬/鴻蒙生態

華爲四大應用場景的實現源自於硬件與人的交互,而隱含在硬件與人之間的軟件起到了重要的聯結、優化作用。華爲以服務器爲窗口,以鯤鵬芯片爲基石,將產業版圖擴展到虛擬化、大數據平臺、存儲、數據庫、中間件、雲服務、管理服務等軟件場景,塑造了宏大的鯤鵬生態體系。

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開發者是鯤鵬生態持續擴張的核心動力,華爲「基礎軟件」方向的發展爲開發者賦能。華爲推出CloudIDE助力開發者部署鯤鵬雲原生應用,向開發者提供按需配置、快速獲取的工作空間,幫助開發者者掌握軟件遷移、編譯構建和系統優化的能力等。華爲打造面向B端的開源操作系統openEuler,奠定了鯤鵬軟件生態的基礎平臺。

基於CloudIDE開發平臺和openEuler操作系統,華爲與優質合作夥伴不斷對鯤鵬生態增磚添瓦,與用友網絡、金蝶國際合作聚焦於ERP領域的發展,與中國軟件、太極股份合作推動數據庫建設,與東方通、普元信息等合作着力於中間件發展,與金山辦公、萬興科技合作推進辦公軟件領域國產化發展等。

鴻蒙生態潛力巨大,HMS助力華爲乘風破浪。在鯤鵬生態茁壯發展的當下,華爲也在逐步構建消費電子領域的鴻蒙生態。在消費電子場景下,華爲構建面向C端的「鴻蒙生態」,並通過HMS搭起應用APP與鴻蒙OS之間的橋樑。就像GMS爲Android生態保駕護航一樣,華爲的「鴻蒙」也需要HMS爲其優化與第三方APP的交互來提升用戶的使用體驗,從而助力華爲海外市場的持續拓展。

芯片視角看華爲:芯片自主設計的進階

華爲生態的基石來自於芯片支持。硬件設施需要芯片控制其功能的實現,軟件需要依照芯片架構確定其開發方式,芯片是華爲生態實現的底層基礎。從應用場景到底層芯片,華爲完成了「終端-生態-芯片」的產業佈局。圖片

在ToG場景,華爲對終端基帶芯片(巴龍系列)和基站核心芯片(天罡芯片)持續迭代,抓住5G基建帶來的歷史機遇。

在ToC場景,華爲麒麟是全球領先的國產SoC芯片,以智能手機爲核心窗口,向外輻射手機配件、個人電腦和平板電腦、可穿戴設備、智能家居產品等硬件終端,以及互聯網應用等。

在To B場景,華爲鯤鵬芯片奠基了openEuler生態,服務於服務器場景,主要用於泰山系列服務器,爲雲計算業務提供強大算力。

在ToT場景,華爲升騰AI芯片採用「達芬奇架構」,實現全場景覆蓋,同時爲2C的消費類產品、2B的服務器、2T的IoT終端提供AI解決方案。並且,華爲還有專注於家庭場景的凌霄系列芯片,專注於視頻編解碼的IPSoC芯片等。

作爲中國自主芯片研發的代表企業,華爲的芯片開發代表了中國該領域的最高水平,是中國擺脫芯片技術依賴的強大支撐。然而,芯片設計並不是一蹴而就,華爲在芯片架構和EDA軟件方面也需要依賴其他廠商的技術支持。華爲的芯片設計需要ARM的IP核授權,需要Synopsys、Cadence、Mentor三家高端EDA軟件工具,即使有部分國產預備廠商,但先進製程仍難以滿足需求。

穿透視角看華爲:正在崛起的中國半導體產業

華爲海思的芯片經過20多年的發展已經在衆多領域達到世界頂級水平,芯片設計作爲產業鏈的一環,還需要來自臺積電製造代工環節的支持,而支撐整個製造代工環節的關鍵一環則是半導體六大核心設備(光刻機、刻蝕設備、鍍膜設備、檢測設備、清洗設備、離子注入機等)。

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把華爲半導體元器件分爲五大板塊(SOC芯片、面板、存儲芯片、CIS、通信射頻芯片),通過對每一細分板塊產業鏈進行穿透式分析,我們認爲在產業鏈一體化協作體系下,設備、製造、材料等三大國產半導體公司集羣將迎來歷史性機遇。

對於SOC芯片,以麒麟990系列爲例。目前,全球EDA工具市場基本被Synopsys、Cadence、Mentor等三巨頭瓜分,這就導致了國內集成電路設計公司幾乎100%採用國外的EDA工具。代工環節支撐麒麟系列生產的主要爲臺積電,其當前產線上半導體六大設備主要爲:光刻機(ASML、佳能、尼康)、刻蝕設備(應用材料、泛林)、沉積設備(應用材料)、檢測設備(科磊半導體、泰瑞達)、清洗設備(科磊半導體)、離子注入機(Axcelis)等。

對於面板,以OLED爲例,其生產廠家主要爲三星、京東方,但其產線上的尖端設備多爲國外進口設備。LTPS-AMOLED工藝流程融合顯示面板行業的諸多尖端技術,尤其是TFT陣列和Cell成盒兩段工藝,包含衆多複雜工藝,關鍵設備基本由美國、日本、韓國企業所壟斷。蒸鍍是OLED的核心全球蒸鍍機(尤其蒸鍍封裝一體機)生產幾乎被Canon Tokki獨佔。美國Coherent公司更是在AMOLED技術前段核心製程工藝擁有絕對領先優勢的LTPS退火的線束準分子激光系統供應商。在面板材料方面,玻璃基板的生產也長期以來由美國的康寧(Corning),日本的旭硝子(AsahiGlass)所壟斷,其中康寧的市場份額接近50%。

對於存儲芯片,存儲芯片作爲半導體產業鏈的最大下遊,在整個集成電路市場中佔比最高,市場集中度也最高。全球存儲芯片市場份額基本由前三巨頭壟斷(三星、美光、海力士)。存儲芯片的生產設備與SOC芯片類似,主要爲光刻機(ASML、佳能、尼康),刻蝕設備(應用材料、泛林)、沉積設備(應用材料)、檢測設備(科磊半導體、泰瑞達)、清洗設備(科磊半導體)、離子注入機(Axcelis)等。

對於CIS,在供應商市佔率分佈方面,Sony與三星仍是全球最主要的CIS元件供應商,兩家公司聯手共計近七成市佔率。豪威科技作爲中國國內CIS元件的知名廠商,生產CIS元件的代工廠有中芯國際、臺積電、華虹、華力等,以上代工廠產線上的核心設備包括:刻蝕設備(應用材料、泛林)、沉積設備(應用材料)、清洗設備(科磊半導體)等。

對於射頻前端,射頻前端模組主要由射頻開關、LNA、PA、濾波器、雙工器五部分構成,其中,高端濾波器和PA被國際巨頭壟斷。濾波器主要有SAW和BAW兩大類,在SAW濾波器市場中,前五大廠商(Murata、TDK、TAIYOYUDEN、Skyworks、Qorvo)佔據了95%的全球市場,而BAW濾波器市場基本被Broadcom所壟斷。全球PA市場絕大部分份額也是被Skyworks、Qorvo、Broadcom、Murata佔據,合計市場份額爲96%。由於模擬器件對工藝要求較高但對製程要求較低,目前全球射頻器件龍頭廠商大多採用IDM模式,而國內射頻器件廠商則以Fabless爲主。國內主要射頻代工廠商三安集成核心設備主要包括:刻蝕設備(應用材料、泛林)、沉積設備(應用材料)、清洗設備(科磊半導體)等。

通過對各個半導體元器件的拆分來看,華爲已經在其領域做到了極致,但是半導體產業鏈不可能由一家公司完全承擔,當今世界已經形成一體化協作體系,這個體系不應也不可逆轉,但也需要國產半導體供應鏈的共同努力建立完備生態。半導體行業作爲全球化分工的行業,未來必將面對產業鏈的共同發展。站在智能世界的入口,半導體產業的機會將遠大於競爭!

爲了應對這種生存環境的鉅變,中國半導體工業也進行了三輪大級別的調整:

第一個階段:終端廠帶動上遊設計和封測。

我們將半導體分爲上中下遊,其中最下遊的就是fabless和封測,芯片下遊與終端廠(手機、電腦等)直接綁定,所以我們看到2019年華爲被美國列入實體清單後,將相當部分的芯片訂單轉移到國內「備胎」供應鏈,直接顯著推動了國產芯片設計(模擬、數字、射頻、存儲)和封測公司收入、業績的加速增長。除了採購國產供應鏈,華爲海思依據其多年深厚的專利積累和研發,在芯片設計的多個領域都做到了世界一流水平,整個芯片設計行業因爲外部壓力引來了一次大級別的拉動,這是2019年開啓的A股半導體牛市背後的原因。

第二個階段:fabless帶動上遊晶圓代工廠。

由於全球所有晶圓廠包括臺積電都採用了大量美國技術(半導體設備、材料、EDA/IP),美國對華爲的第二輪實體清單限制直接針對Fab代工,此時中國半導體產業的主要矛盾已經從缺少芯片成品,到缺少芯片代工。在海外Fab廠不能爲華爲海思提供晶圓代工後,國產晶圓廠成爲替代必選方案,中芯國際經過多年的發展,在國產fabless巨頭的通力配合下,已經在2020年量產了14nmFinFET工藝,並向N+1節點過渡,這是中國集成電路行業歷史性突破,成爲全球第三家FinFET fab成員,代表了工藝調校方面的階段性突破,也爲國產成熟工藝fab廠提供了經驗

第三個階段:晶圓廠帶動上遊設備和材料。

在FinFET工藝陸續突破之際,2020年末美國新一輪實體清單直接指向了fab中芯國際,因爲半導體設備是晶圓廠的底盤,而美系設備商大約佔據了一條fab產線的50%份額(PVD、刻蝕機、CVD、Imp、Clean、Furnace),AMAT、LAM、KLAC都是全球壟斷級別的設備巨頭,在先進節點工藝上依舊無可替代。但是在成熟工藝節點,國產和日本設備可以實現相當程度的替代,當下擺在中國半導體工業主要矛盾已經不是缺少工藝,而是缺少半導體設備和材料。由於歐洲ASML的DUV光刻機(.13um -7nm)一直無阻礙供應中國,所以未來中國半導體工業的核心矛盾就是從根技術(半導體設備、材料)上補短板,實現真正的供應鏈安全。

在國產替代+週期復甦的雙重驅動下,看好設備、製造、材料等三大國產半導體公司集羣將迎來歷史性機遇。

基於此,未來中國半導體將走向成熟工藝、走向雙循環、走向根技術

1由單純追求先進工藝-> 迴歸成熟工藝 (「新55nm」遠大於「舊7nm」)

2由外循環-> 內外雙循環(去A化,而不是國產化)

3補短板由幹技術-> 根技術(設計、製造其實不是根技術)

圖片我們重申推薦半導體的三個層次,建議關注:

1、缺芯片設計:韋爾股份、卓勝微、晶晨股份、聖邦股份、匯頂科技、兆易創新、瀾起科技、紫光展銳、恆玄科技、芯原股份、思瑞浦

2、缺代工封測:中芯國際、華潤微、華虹半導體、聞泰科技、長電科技、深科技、晶方科技、華天科技、通富微電、士蘭微、揚傑科技、捷捷微電

3、缺設備材料:北方華創、中微公司、華峯測控、屹唐半導體、至純科技、芯源微、萬業企業、盛美半導體、精測電子、中環股份、立昂微、安集科技、江豐電子、滬硅產業、雅克科技、神工股份

風險提示:中美貿易摩擦加劇引發新一輪封鎖;半導體下遊需求不及預期;產品研發和工藝推進不及預期

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