华辰资本半导体研究报告2019334页

©2019.03CelestialResearch华辰产业研究院1華辰資本CELESTIALCAPITAL专注中国产业结构升级与创新，聚焦新一代信息技术产业发展。2018年，在中国经济周期、产业周期、资本周期与政治周期四重叠加的特殊时期，本着“深耕产业、协同发展、价值驱动、重度赋能”的愿景，华辰资本（“华辰”）应运而生，致力成为中国最专业的创新型投资机构。华辰资本总部位于中国最具发展活力与科技创新的深圳，专注于包括云计算、大数据、人工智能、边缘计算、工业互联网、5G等新一代信息技术领域，通过扎实的体系化产业研究与理解能力，以产业研究、投资银行、战略咨询、产业基金等模式，为新一代信息技术企业提供企业融资、战略视野、市场协同，价值管理、供应链管理、资源整合等产业赋能。©2019.03CelestialResearch华辰产业研究院2一、产业分析...................................................................................................................................................................................................3◼基础概念◼产业链结构◼芯片的设计、制造与封装◼产业价值链◼历史沿革◼发展趋势◼集成电路应用◼微电子元件的应用比较◼商业演变二、市场分析...................................................................................................................................................................................................18◼全球市场规模◼中国市场规模◼特殊芯片市场规模◼竞争环境◼工艺制程市场特征三、企业分析...................................................................................................................................................................................................27◼英特尔◼高通公司◼台积电◼应用材料公司◼ARM公司目录一、产业分析©2019.03CelestialResearch华辰产业研究院4基础概念（1/2）产业分析|资料来源：公开信息、华辰资本整理图1芯片内部虚拟结构基础概念◼半导体概念：半导体是指一种导电性可受控制，范围可从绝缘体至导体之间的材料。在应用上分为集成电路、分立器件、传感器和光电子。其中90%的半导体均是集成电路的应用。◼集成电路：（integratedcircuit，简称IC），微电路（microcircuit）、微芯片（microchip）、晶片/芯片（chip）；◼芯片由集成电路经过设计、制造、封装等一系列操作后形成，一般来说，集成电路更着重电路的设计和布局布线，而芯片更看重电路的集成、生产和封装这三大环节。平时“集成电路”和“芯片”两者常被当作同一概念使用；图2封装完毕的芯片外观图©2019.03CelestialResearch华辰产业研究院5基础概念（2/2）产业分析|资料来源：公开信息、华辰资本整理工作逻辑◼晶体管构建与或非逻辑门，形成计算机的O/1运算：把电路中所需晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，使用三极管组成与或非等逻辑门，逻辑门和寄存器组合就可以形成各种各样加法器，触发器，从而形成各种基本电路，进而再组合就可以形成专用电路。图3电子元件图4元件互联的集成电路板©2019.03CelestialResearch华辰产业研究院6资料来源：wind、华辰资本整理产业分析|产业链结构图5芯片的产业链条芯片产业链结构◼产业链在围绕IC设计上有EDA和IP，在IC制造上有材料产业和芯片设备产业链，最终在终端应用方面不同领域有不同的芯片功能要求。◼EDA：电子设计自动化（ElectronicsDesignAutomaTIon），作为计算机辅助工具，EDA工具软件可大致可分为芯片设计辅助软件、可编程芯片辅助设计软件、系统设计辅助软件等三类。◼IP：又称IP核，调用IP核能避免重复劳动，大大减轻工程师的负担。◼材料：包括了高纯硅材料、金属靶材。◼设备：包括提纯硅的设备，芯片制程设备、切割设备、封测设备等。©2019.03CelestialResearch华辰产业研究院7产业分析|芯片的设计、制造与封装（1/4）芯片设计晶元生产芯片封装芯片测试资料来源：wind、华辰资本整理芯片的形成流程◼芯片设计：芯片设计是行业的顶端，包含电路设计、版图设计和光罩制作，主要环节是电路设计，涉及多元知识结构。芯片设计门槛高。◼晶元生产：难度在光罩光刻环节，随着芯片越来越小（10nm），结构越来越复杂（60-80层刻蚀），刻蚀要求越来越高。高纯度硅晶片的提纯和切割同样依赖于工艺技术。◼芯片封装：芯片封装是对生产完毕的IC晶圆片进行切割和接线焊接以及装测，整体工艺和技术难度不高。◼芯片测试：是对成品芯片进行检测，属于质量控制环节图6芯片的制作流程©2019.03CelestialResearch华辰产业研究院8芯片设计◼1.规格制定：在IC设计中，规格制定是最重要的步骤，规格制定分三个步骤。第一步：确定IC的目的、效能为何，对大方向做设定。第二步：察看需要何种协议，否则芯片将无法和市面上的产品相容。第三步：确立IC的实作方法，将不同功能分配成不同的单元，并确立不同单元间连结的方法，如此便完成规格的制定。◼2.硬体描述语言（HDL）：使用硬体描述语言（HDL）将电路描写出来。常语言有Verilog、VHDL等，藉由程式码便可轻易地将一颗IC地功能表达出来。接着就是检查程式功能的正确性并持续修改直到期望功能完成。◼3.模拟与逻辑合成：将确定无误的HDLcode，放入电子设计自动化工具（EDAtool），让电脑将HDLcode转换成逻辑电路，产生图7的控制单元合成电路图。之后，反覆的确定此逻辑闸设计图是否符合规格并修改，直到功能正确为止。◼4.电路布局与绕线：合成完的程式码再放入另一套EDAtool，进行电路布局与绕线（PlaceAndRoute）。在经过不断的检测后，便会形成图8的电路图。图中可以看到蓝、红、绿、黄等不同颜色，每种不同的颜色就代表着一张光罩。产业分析|芯片的设计、制造与封装（2/4）资料来源：申万宏源、华辰资本整理图7芯片的制作流程图8合成电路图图9电路布局与绕线设计©2019.03CelestialResearch华辰产业研究院9芯片制程：光刻与刻蚀，PN结◼PN结：PN结构成晶体管，形成单向电子运动构成半导体运行01逻辑。◼光刻工艺：集成电路的最小线宽取决于光刻设备的分辨率，它定义了半导体器件尺寸。光刻的工艺水平直接决定芯片的制程水平和性能水平。◼刻蚀工艺：将没有受光阻保护的硅晶圆，以离子束蚀刻。刻蚀工艺的提高在于不断缩小PN间的闸极；◼沉积工艺：包括化学沉积和物理沉积，形成多层的光刻和刻蚀立体结构，构成绝缘层或金属导电层；◼离子注入工艺：对硅基材料进行掺杂，形成P,N区，构成晶体管。◼抛光与测试：CMP工艺技术，通过将硅片表面突出部分减薄到一定高度来实现硅片表面的抛光处理。◼光罩层增加，刻蚀成本递增：在45nm和40nm的时候，设计的时候需要用到40层光罩，而到了14nm和10nm，光罩的需求量则上升到60层，刻蚀成本越来越高。产业分析|芯片的设计、制造与封装（3/4）图11光刻、刻蚀、离子注入形成PN结闸极资料来源：公开信息、华辰资本整理图10芯片光罩立体图与光刻图12金属沉积于抛光©2019.03CelestialResearch华辰产业研究院10芯片封装一、传统封装-占用较大的体积◼双排直立式封装（DualInlinePackage，DIP）：传统便宜的封装法。◼球格阵列封装（BallGridArray，BGA）：适合需要较多接点的芯片，成本较高且连接的方法较复杂，用在高单价的产品上。二、便携式设备采用的封装技术-占用空间小◼SoC（SystemOnChip）：在IC设计阶段时，将各个不同的IC放在一起制作成一张光罩，整合在一颗芯片中。体积小、功耗低，计算速度提高，但要求IC设计了解并整合各个功能的IC，SoC的设计成本提高。芯片距离接近也会影响各自信号传输，同时面临其他芯片专利及IP授权。◼SiP（SystemInPacket）：它是购买各家的IC在封装流程封装在同一个IC中，无IP授权这一步，大幅减少设计成本。应用：采用SiP技术的产品，如AppleWatch。产业分析|芯片的设计、制造与封装（4/4）图14SiP封装图15SIP封装（applewatch）资料来源：公开信息、华辰资本整理图13DIP封装和BGA封装©2019.03CelestialResearch华辰产业研究院11产业价值链◼IC设计处于产业价值链最高端（最主要的价值为知识产权费用），IC制造次之，价值链最低端是封测。国际上通用的芯片定价策略是8（硬件）：20（市价）定价法。在规模量产下，越新的工艺能够带来越低的芯片价格，从而带来越强的市场竞争力。◼劳动力密集型的IC封测业最先转移：技术和资金密集型的IC制造业次之，转移后会相差1-2代技术（1代时间为10-20年）；知识密集型的IC设计一般很难转移，技术差距显著，需要靠自主发展。我国处于价值链的封测端，但是随着智能手机出货量巨大带来消费级芯片的技术提高。资料来源：光大证券、华辰资本整理产业分析|产业价值链图16IC产业价值链价值链IC设计IC制造IC封测增加值高较高低要素特征知识密集型技术和资金密集型劳动密集型技术形态编码知识缄默知识物化技术技术诀窍（如工艺）物化技术产业转移状况转移保持1-2代技术差距最先转移技术差距小图17IC产业转移趋势©2019.03CelestialResearch华辰产业研究院12历史沿革◼1947年：贝尔实验室肖特莱等人发明了晶体管，这是微电子技术发展中第一个里程碑：集成电路。◼1963年：F.M.Wanlass和C.T.Sah首次提出CMOS技术，今天，95%以上的集成电路芯片都是基于CMOS工艺（互补式金属氧化物半导体（Complementarymetal–oxide–semiconductor）。◼1964年：Intel摩尔预测晶体管集成度将会每18个月增加1倍。芯片尺寸发展趋势◼指标改善：单位成本和开关功率消耗下降，速度提高。◼电源泄露：集成纳纳米级别设备的IC泄露电源成为主要问题。因此，对于最终用户的速度和功率消耗增加非常明显，制造商面临几何学的尖锐挑战。◼行业集中：制程越来越小，投资额越来越高。未来一条16nm先进制程的半导体代工厂投资额高达120-150亿美元，全球将只有Intel、台积电、三星这三家企业可以承担如此巨大的资本开支，其他企业已无力跟进，先进制造产能将快速集中。资料来源：wind、光大证券、台积电官网、华辰资本整理产业分析|历史沿革65nm40nm28nm20nm16nm10nm7nm5nm20062008201120142015201720182019E图19台积电半导体制程工艺发展图18IC的发展历程©2019.03CelestialResearch华辰产业研究院13资料来源：中信证券、华辰资本整理产业分析|图21制程工艺发展（二氧化硅栅极，HK金属栅极，FINFET,GAA）发展趋势图20半导体制程趋势现有技术◼65nm引入Gestrained沟道；◼45nm引入high-k值绝缘层/金属栅极（HKMG）；◼32nm第二代high-k