一篇3万字的研究报告,解读全球IC产业变迁和国内企业投资进度!

2018-04-27
 引言


前几天看到一篇电子元器件行业深度研究报告——《产业转移趋势显,见证中国“芯”机遇》。


这份报告,出自长江证券分析师莫文宇团队。芯师爷觉得这么全面深刻的研究,必须分享给电子行业的朋友们。


莫文宇,长江证券电子行业高级分析师,美国佛罗里达大学电子工程硕士,3年证券行业从业经验。



报告要点


IC产业概况及产业化转移进程

从1958年第一块集成电路发明开始,IC产业经历起源于美国,发展于日本,加速于韩国、台湾的历程,21世纪以来,中国逐步成为IC产业发展的一份子。日、韩、台三地在经历了引进先进技术期后,发展了适合自身的产业发展模式,不论是日本的自主研发,韩国的市场把握,还是台湾的专注分工,都使其成为了全球IC产业的中坚力量。回顾整个发展史,处于集成电路发展新周期的中国该如何利用好这次产业转移浪潮是值得我国IC企业深思的问题。

全球IC产业商业模式变革

经历了三次产业变革的IC产业从一开始隶属于系统公司到集成一体IDM,再到Fabless、Foundry与IP供应商相继涌现,最终形成了IDM与专业分工两大模式。随着IC产业制程工艺越接近极限值,各大厂商在制程跟进与生产投资上的投入今非昔比,IDM企业纷纷采取轻资产化策略,转型为Fablite, 甚至是Fabless。如今,无论是IDM,还是专业分工里的Fabless、Foundry都呈现大者恒大的格局,中国企业欲拥有一席之地仍需找准合适发展模式

国内IC制造企业的投资进度与步伐

自2014年以来,IC制造产业是国家集成电路产业投资基金投资的主流方向,再加上近年来各大企业并购投资频繁,资金运作在制造业成了重要一环。各大IC制造大户都在纷纷投资并购,致力于扩充实力、扩张布局。尽管大陆企业在晶圆代工技术层面还有一定差距,差异化经营、多领域扩张、跟进生产技术都是未来投资的重要方向。看准方向着重投资、抓住时机合理布局、将投入形成产出才能让国内IC制造业迎头赶上




全球IC产业主导地位更迭



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芯片产业转移历史概况


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。但在日常生活中,“集成电路”和“芯片”两者常被当作同一概念使用。

自美国德州仪器(TI)在1958年发明了世界上第一个集成电路后,双极型和MOS型集成电路也随之出现并引领集成IC产业(芯片产业)蓬勃发展。与大多产业相同,IC产业也完成了由西至东的转移之旅。这六十年间,IC产业从1960年开始经历起源于美国,发展于日本,加速于韩国台湾的历程,在2015年后,中国逐步成为IC产业发展的一份子。


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创新为先得芯片“鼻祖”-—— 美国


在产业发展的初级阶段,美国集成电路产业经历着日新月异的变化。据《麦克科林》(McClean)表明,20世纪60年代,美国将主要研究成果运用于国家军事建设,军用集成电路市场占比高达80%~90%。直到上世纪90年代初期,军用集成电路产品仍然占据着集成电路总市场的近半壁江山,比例仍有40%左右。随着90年代末期集成电路在民用电子领域的渗入,CPU、存储器和模拟器件等运用扩宽了新的一片市场,英特尔和德州仪器等美国企业借由PC普及的契机进一步发展壮大,巩固了美国在全球集成电路市场的霸主地位。

事实上,美国早期的集成电路企业大多选择纵向一体化(IDM)的组织架构,即企业内部可完成设计、制造、封装和测试等所有IC生产环节。这样的组织架构使得企业具备生产环节顺畅、制造时间缩短等优势,但也形成企业资产投入太重、规模庞大、变通不畅等缺点。


一直稳坐IC产业世界第一的美国,因为日本在DRAM上的大力赶超于1986年被拉下了宝座。此次 “DRAM”之争的战败给美国IC产业敲响了警钟,美国于1989年底组建了“国家半导体咨询委员会”,力求发展IC设计技术,提供高附加值、创新性强的集成电路产品。随后,美国一举夺回了全球IC产业霸主的地位。

20世纪90年代,全球化进程加快、国际分工概念深化和美国集成电路市场需求旺盛促使美国企业考虑将中低端环节剥离,并逐步向亚洲区域转移。顺应第三次产业结构变革浪潮,美国市场涌现了一大批结构轻盈、反应迅速的无工厂芯片设计企业(Fabless),而处于芯片生产链中下游的利润较低的制造环节大多被分配给亚洲新兴企业。




随着轻资产化趋势的渗透,部分美国IDM企业实行了结构转化或者制造外包的转变。再加上,选择在美国制造扎根并建立生产线的企业也少之又少,仅仅有Intel,Samsung,GlobalFoundries等企业。在这样的背景下,美国IC产业逐步褪去制造的内核,大多倚靠研发力量推进产业前进。尽管,美国的轻资产化趋势受到多方质疑,但不得不承认美国老牌一体化IC企业和新兴的设计企业一直在推进整个行业的进步。至今, IC企业聚集的“硅谷”仍不断地给美国提供创新技术;IC产业和其他电子信息产业成为美国经济增长的助力器。


1、英特尔:引领行业为先导,摩尔速率创奇迹


英特尔公司自成立之初就成为了集成电路领域的代名词。伴随着摩尔定律应验半个世纪之久,英特尔用实力捍卫了定律的真实性,其技术的革新速率之快在行业内早已是不争的事实。在20世纪80年代初期,英特尔的业务面不仅由微处理器作为支撑,还涉及存储器等方面。然而,日本企业在DRAM领域的赶超逐渐成为英特尔在存储器市场上的阻碍,其低价格、大规模的策略给英特尔沉重一击。由于DRAM市场份额的加速蚕食,英特尔在1985年后做出历史上极其关键的决定——放弃DRAM,转战微处理器。成功的战略转型给英特尔的业绩增长加足马力,创造了多次业绩爆发点。




自1985年转型以来,英特尔以其产品优势实现一次又一次的业绩爆发。尽管,深受半导体行业周期性与经济周期的双重影响,英特尔还是保持着销售额稳步增长的趋势,多次增速大于50%,负增长率年份屈指可数。



英特尔自成立以来一直秉承着摩尔定律的信条,特别是在2006年,更是提出“Tick-Tock”(每两年时间更新处理器微架构与制程)来督促公司走在行业技术的前列。英特尔的技术精神是其实现产品提升和业绩释放的关键所在。



步入14nm,甚至是10nm后,摩尔定律的实用性大大下降。技术的再度突破再也不像研发前期那样轻而易举,两年时间不再适用于尖端技术的实现。尽管如此,英特尔只要始终保持技术至上的态度便会一直助力其稳坐世界第一之位。


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“引进+自主”结合的半路强国 —— 日本


1、IC产业发展时期


日本集成电路产业的可以追溯到20世纪50年代。从二战后的百废待兴到80年代的IC第一强国,再到现在全球化下的格局重组,日本在集成电路产业经历了从小到大、从弱到强的演变。在这风雨六十载的岁月里,日本在芯片领域大刀阔斧的改革都是历史、市场推动的结果,把握时机、合理转变、自主创新等一系列措施都有值得我们借鉴学习的价值。




2、早期产业模式


发展初期,日本IC产业主要以“引进赶超”、发展民用电子和瞄准市场动向为指导进行发展。一方面,“引进赶超”模式符合日本企业保守严谨的特点,将已经形成的独创性研究拓展至应用领域能极大的减少风险。另一方面,日本采用民用电子市场的潜在需求刺激技术和集成电路产业良性发展。相比于美国的军用半导体产业,曾因二战禁止涉足军事建设的日本在民用市场上因祸得福。



3、日本超大规模集成电路(VLSI)项目


20世纪70年代,一是日本被迫向美国开放其国内计算机和半导体市场,二是美国IBM 公司正研发具有高性能、小体积特点的计算机系统,Future System。这两件事催化了日本政府进行自主研发芯片,缩短与发达国家差距和抵抗美国企业侵蚀市场的决心。


1976年,日本通产省组织富士通、日立等五大公司与日本工业技术研究院电子综合研究所和计算机研究所联合打造日本超大规模集成电路(VLSI)项目,项目共投资737亿日元。


该项目划分了两大实验室:联合实验室和企业实验室。联合实验室着重研究适用于任何企业的通用技术,不涉及企业的核心特有专利;成员企业研究室致力于项目的实用性研究,着眼于计算机和信息系统的研发。



在项目运行的四年里,100多项专利给日本企业成功助力,给未来日本新型芯片的研发打下了坚实牢固的基础。




4、成败DRAM


英特尔公司成功研发“通用型MPU”,一举将半导体产品市场从“专用型”推向“通用型”。通用型MPU的研制不仅帮助英特尔公司成为半导体行业的佼佼者,也给个人电脑普及埋下种子。PC市场的扩大撬动了DRAM存储器需求膨胀的大门。整个市场都在等待着更高质量、高性能DRAM存储器的出现。 在VLSI项目中,日本企业早已对DRAM 有了深刻的了解,1980年就成功制造出高水准的DRAM制造设备,为实现DRAM升级与量产蓄积力量。DRAM时代的到来顺势助力日本稳步跻身集成电路强国之列,甚至给日本带来赶超美国的绝佳机遇。


自1980年起,经历了近十载自主研究的日本在80年代初期逐步实现了集成电路的国有化。这段期间,日本集成电路进出口呈现进口保持平稳、出口逐步上升的态势,并且出口总额自1980年后超过总进口额。




日本集成电路的发展,特别是DRAM的批量化生产,促使其本土电子市场得到满足。在1986年,尽管全球集成电路市场经历两年的萎缩期,日本借机超越美国,成为世界市场占有率第一强国。从1980至1986年期间,美国的半导体市场从61%下降到43%,而日本由26%上升至44%。1986年至1990年日本集成电路生产额保持6.3%的平均增速,1990年至1992年保持9.9%的增速。


然而DRAM的通用性也成为了将日本拉下宝座的关键因素,DRAM技术一旦通用,日本原先保有的研发优势被规模经济下的价格优势所取代。作为“亚洲四小龙”的韩国也开始在集成电路上实现弯道超车,引进大量DRAM设备,运用通用技术抢占市场。特别是,90年代中后期,三星电子的“双向型数据通选方案”得到美国半导体标准化委员会(JEDEC)的认可,其DRAM成为与MPU匹配的对象,被认定为行业标准。新标准的制定无疑对日本集成电路产业造成二次冲击,原有大型生产线需要按新标准设计DRAM,失去了最优抢占市场的时机。从此,日本集成电路产业进入“衰退期”,让位予新进的韩国、台湾企业。



5、产业集群 九州硅岛


九州地区是日本IC产业生产的聚集地,被称为日本“硅岛”,记录了日本各个时代IC阶段的变迁。九州因其水电资源、人力充足和航空优势受到日本政府和产业界的关注,脱颖而出,成为集成电路发展首选地。




1967年,三菱电机在熊本县建立了第一家生产厂,标志着九州地区正式与“芯片”关联起来。九州半导体地区完成了产业集群完美蜕变:从一开始的纵向一体化为主到结合本土优势合理分工;从零星的IC企业到高峰时期各大业内核心企业入驻,达到650家企业协同发展;从单纯劳动密集的IC生产到延生至IC设计研发;从低端IC产品转变高附加值专用电路。‘’


目前,九州地区占据着日本半导体产业三分之一的产值,也仍是各大IC企业的驻地首选。其中,IC设计企业是九州地区的主力军,既包括大型纵向一体化公司的设计企业——索尼LSI设计公司、日立超LSI系统九州岛开发中心、东芝微型电子工程公司等,也包括单纯IC设计企业NEC。当然,在福冈市和北九州岛市还遍布许多新兴的设计公司,据统计同设计有较强关系的企业已达120个。但是2016年4月14日的九州地震着实给众多IC企业予以重击。


九州地区的成功让日本政府开始了解到集群效应的重要性。自2001年起,日本政府共实施了19个产业集群计划。在设立专门主管机构、制定相关法律法规、提供基金支持、培育人才等措施的合力作用下,日本全国各地都形成各自领域的产业集群带。


6、新趋势导向:专用电路


尽管,在全球半导体企业排行榜前列已经很难再看到日本企业的身影,但日本的电子实力绝不仅仅落脚在消费领域,其IC元器件产业、半导体设备产业和半导体材料产业仍具有极高的水准。近些年,日本的电子元器件板块正经历着向专用领域——图像传感器、汽车电子和功率半导体——上转变。日本IC产业在慢慢摸索新兴应用的道路上继续展现实力。


➤CMOS图像传感器

目前,CMOS传感器的市场老大非索尼莫属。以其多年深耕摄影机业务的经验,索尼在图像传感器方面的实力早已不言而喻。2010年时的索尼图像传感器业务在业内还仅仅是还不起眼的小将,全球排名第六,份额7%;2012年,索尼因其全球首款“堆叠式结构”CMOS图像传感器,“Exmor RS”声名鹊起;2015年,在摄影与智能手机上的高像素领先技术助索尼拿下全球35%的市场份额。



CMOS业务现已是索尼四大主业之一,给在智能硬件上败下镇来的索尼重整雄风。加上像佳能、松下等日本企业的市场份额,日本企业在CMOS上的领先优势愈发明显。未来CMOS。CMOS的应用范围早已不局限于智能终端,开始逐步向汽车、安全和医疗等方向延伸。


➤汽车电子

新能源汽车的兴起将汽车电子的需求推向极致,微控制器(MCU)巨擘瑞萨电子也借机在汽车领域大显身手。MCU通过控制电动机输出指定的扭矩和转速,驱动车辆行驶来完成操作。MCU具备将电池的直流电能转换为所需的高压交流电、并驱动电机本体输出机械能。



目前,瑞萨早已剥离掉冗杂的业务结构,仅留下两大业务部门,分别是汽车半导体和泛用半导体。在2015年,瑞萨的汽车操纵系统业务仍保持平稳势头,但受制于泛用半导体业务与的下降颓势,总营收的下降趋势不可逆转。由于恩智浦收购飞思卡尔与英飞凌收购国际整流器公司(IR)两大并购案的双向夹击,瑞萨由全球汽车半导体第一滑落至第三,但其在该领域的领先优势并没有减退。特别是,对于现在大热的ADAS,瑞萨早在2014年11月6日就已正式发布用于ADAS及自动驾驶的MCU,在该领域树立起新标杆。


➤功率半导体

功率半导体器件是能处理高电压,大电流的半导体器件。功率半导体器件逐步迈出传统领域(通信、计算机等)的范围,向新能源、智能电网等新兴范畴延伸。在追求节能减排的当下,功率半导体杀出重围,成为业界新宠。


功率半导体器件的发展经历了三个大阶段:硅晶闸管、IGBT(绝缘栅双极型晶体管)和SiC化硅)。尽管,各大厂商都开始在SiC上布局,IGBT的应用前景依然十分广阔。根据Markets And Markets最新报告表明IGBT 的市场规模预计达到82.56亿美元, 2015年到2020年以9.5%的复合增长率增长;并且预估了未来全球十大IGBT厂商,日本强势拥有五席。



日本三菱一直在IGBT模块是市场中占有极大份额,2015年全球IGBT模块市场达40亿,三菱市场以26%稳居第一,同为日本的富士电机占12%排名第三。三菱电机在全球功率半导体市场中也有24%的份额,在机车领域更是超过50%。


在2016年PCIM亚洲展上,三菱电机推出三款应用于轨道牵引和电力传输,以及电动汽车领域的功率模块,都搭载了第7代IGBT。三菱研发的第7代IGBT模块既能提高产品热循环寿命和功率循环寿命,还能降低热阻。 日本企业不仅仅布局传统IGBT,还积极加速SiC的应用进度。三菱电机已开始引入混合SiC产品,即IGBT芯片用传统的单晶硅,续流二极管用SiC,恢复特性特别好,开关频率高,节能效果更好。


日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)于2015年6月11日宣布,将在功率电子领域启动运用GaN及SiC的功率电子新研究,力求在新方向上领先。


7、东芝:适应时代平稳延拓,把握NAND险境突围


东芝的集成电路之路要追溯到上世纪70年代,为了抢下汽车引擎的开发先机,率先研发了TLCS-12A系列微处理器。再到后来,受到英特尔NOR Flash的影响,东芝转而进行闪存产品的开发,开发出了盛销至今的NAND闪存。东芝也乘势在IT行业大展身手,其半导体业务一直稳居世界前列,成为日本IC产业元老级的支柱。


纵观二十载的沉浮岁月,东芝虽不曾经历急速爆发的时期,但在小风小浪中平稳发展、扎实推进,共实现五次业绩释放。




除了相应的市场行情与畅销产品造就了业绩点,产能与销量的匹配更是助攻了每次的辉煌胜利。自1993年起,东芝拥有了第一条生产线;到今天Fab5与新Fab2的建立,东芝在产能推进上一直都保持着高度的敏锐性。除了2008年全球经济危机大环境的影响,在厂区建成后的一到两年内,东芝几乎都完成了一次业绩释放。




作为NAND闪存的创始者,东芝的IC产业将绝大部分的精力都花费在NAND领域。近几年移动电子设备需求持续上涨,再加上SSD市场扩大,东芝社长田中久雄更加看好NAND闪存的未来潜力,他预估到2020年全球市场规模将是2013年的10倍。但随着三星电子、美光、SK海力士等企业的闪存崛起,东芝也逐渐表现出力不从心。在市场份额方面,根据DRAMeXchange的报告表明,2015年第四季度,三星电子NAND闪存强势占领近三分之一的份额,以33.6%昂首称雄,而东芝仅占18.6%。在技术方面,三星的2D NAND闪存工艺已经达到14nm;但在3D NAND闪存上,三星与东芝水平持平。



、为了实现NAND闪存领域的再度突破,东芝建立新Fab2旨在提高3D NAND闪存的产能,目前主要生产48层3D NAND闪存,今年有望率先达到64层技术。



虽然价格较高,64层NAND闪存比 48层NAND闪存容量高30%,因此每单位容量会比48层版的便宜。对于扩充数据储存容量,加快处理速度,64层NAND闪存更具优势,东芝也有望借64层技术的提前量产实现半导体业务下一个增长点。


8、富士通:合理整合业务范畴,淡化半导体辟蹊径


富士通以通讯技术发家,在计算机时代也频频展现其技术优势,伴随着日本集成电路产业的崛起,也开始涉及半导体研究。




从20世纪70年代后期的初探时期,到八九十年代的飞速发展,时至今日富士通半导体板块早已不是业务核心,逐渐淡出其战略规划。90年代后期,日本集成电路行业萧条与美韩台三国IC攻势凶猛使富士通半导体业务连年萎缩。特别是21世纪后,富士通半导体逐渐让位于其他企业,消失于全球排行榜前列。2015年,纵观富士通全年销售分布,通信与解决方案等软件产品是其业务大头,而半导体业务仅贡献5%。




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借机超越的后起新秀 —— 韩国


萌芽于1965年的韩国IC产业,在80年代中期至90年代初开始了从技术引进到自主研发的道路。韩国IC产业从一开始就找准了市场动向,成功选择通用性强的DRAM存储器作为产业发展重点。一方面,注重学习的韩国企业在政府的有力帮助下一举成名,并秉承着高速研发的势头在DRAM领域不断革新。另一方面 DRAM市场的大规模生产趋势给想在IC市场占有一席之地的韩国有了可乘之机,拥有投资、结构、技术优势的韩国企业一一在IC领域名声大噪。特别是在三星电子的关于DRAM“双向型数据通选方案”被认定为行业标准后,韩国IC产品遍及世界的序幕至此拉开。随后,韩国IC产业从“独领风骚”的DRAM存储器界成功衍生向多点开花的非MEMORY领域。截止今日,韩国已成为全球第二大系统芯片大国。



1、全产业链模式

韩国的IC产业发展主要是受益于封装、制造环节转移的浪潮,其中最早在韩国扎根的是位于下游的封装环节,后期慢慢移步到中游的制造环节。20世纪90年代,顺应全球无晶圆模式的兴起与韩国政府在研发上给予政策支持,IC设计企业也显露头角。




除开设计、制造和封装这三大环节,韩国也在半导体设备和半导体材料两方面加速国产化进程。根据韩国半导体产业协会统计,韩国半导体设备国产化率从1993年8%上升到2015年30%,满足自给需求、降低成本。




整个IC环节,韩国企业都有相应布局,形成了以三星为核心,配套产业链全覆盖的成熟格局。


2、三星电子:背靠DRAM跻身领先,多点拓展稳实力


三星电子成立于1974年,经营初期三星只是小规模生产芯片;一直到1983年,在当地财阀的资金扶持下,三星一边从美国小型半导体公司获取技术一边建立研究小组并真正开始大规模生产。半导体业务也成为了三星电子全球布局中的重要一环。