半導體行業(yè)專題研究報告之供給篇：解構半導體行業(yè)景氣|附完整報告下載
報告出品方/作者：長江證券，莫文宇、楊洋、鐘智鏵
跟蹤與研判半導體行業(yè)供給端景氣：由表及里
立足于產業(yè)鏈價值分配，我們從中國大陸、中國臺灣地區(qū)、日本半導體整體發(fā)展情況進 行跟蹤，發(fā)現(xiàn) 2020 年下半年日本集成電路生產者成品庫存指數、存貨率指數均快速下 滑，在生產端受地震、火災等影響同樣下滑的情況下仍與工業(yè)生產指數、生產者出貨指 數拉開較大差距，我們認為，這與當前全球缺芯的情況相匹配。結合需求篇報告分析內 容，我們認為這或將預示行業(yè)下一輪景氣周期將在供需失衡、真實需求快速擴張的共振 中開啟。進而觀察晶圓代工企業(yè)營收變化、設備廠商營收與展望，我們認為供給端同樣 顯示行業(yè)長期景氣成長的趨勢。
復盤“缺芯”：半導體供應鏈系統(tǒng)的精密性
一方面，汽車銷量回升、智能化、電氣化趨勢讓汽車半導體進入量價齊升的快速通道， 然而需求側智能手機、平板電腦、筆記本電腦、個人 PC、可穿戴設備等多種消費產品 需求快速增加已搶占大量產能，汽車芯片相對穩(wěn)定、長期、毛利相對較低的特性使其在 產能爭奪中不占優(yōu)勢，汽車缺芯的苗頭已起。
另一方面，生產過程漫長的半導體產業(yè)鏈在產業(yè)鏈轉移中被劃分到了全球，完成一個完 整的生產流程需要多個國家的企業(yè)合作，類似于精密的芯片生產過程，芯片制造在宏觀 視角下同樣是一個高度精密的全球系統(tǒng)。疫情、暴雪、地震、火災乃至國際事件的不確 定性，都對全球半導體供應鏈這個高度精密耦合的系統(tǒng)帶來了巨大挑戰(zhàn)。
真實需求持續(xù)釋放，“缺芯”全面蔓延，供給端成平衡修復關鍵
我們認為，多種外部因素之下，全球半導體供應鏈這一精密系統(tǒng)的穩(wěn)定性已岌岌可危， 同時真實需求疊加壘高安全庫存以應對產能緊缺的超額訂單進一步擠占產能，行業(yè)整體 供需已逐步失衡，呈現(xiàn)“需求旺盛→搶占產能+天災削弱有效產能→產能緊張→超額訂 單→產能進一步擠壓→原材料漲價&缺芯&芯片漲價→進一步下超額訂單以維持經營→ 產業(yè)鏈庫存環(huán)環(huán)放大”的循環(huán)。目前半導體行業(yè)已在 5G、AIoT、新能源車等多種終端 的帶領下走入新一輪成長期，考慮過去每一輪新終端引領的行業(yè)成長期，需求的釋放在 正常情況下難以中止，因此供需恢復緊平衡的關鍵落在供給端上。從產業(yè)鏈進一步轉移、 未來核心市場地位、龐大工程師紅利、國家與社會的大力支持等角度看，我國半導體產 業(yè)未來有望在全球供給緊張這一關鍵機遇窗口中深度受益。
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由表及里，我們如何跟蹤與研判
半導體行業(yè)供給端景氣？
2020 年以來疫情肆虐，全球經濟的正常運行，如消費、基建、供應貿易、技術交流，都 受到了不同程度影響，一度嚴重干擾了半導體行業(yè)的正常運轉。隨著“宅經濟”加速了 全球數字化轉型，云服務、服務器、筆記本電腦、游戲和健康醫(yī)療的需求不斷上升，5G、 物聯(lián)網、汽車、人工智能和機器學習等快速發(fā)展，經濟復蘇帶來多種下游需求回暖，疊 加行業(yè)并購事件帶來行業(yè)備貨需求大增驅動下，全球半導體開始呈現(xiàn)快速復蘇的態(tài)勢。延續(xù)我們近期發(fā)布的需求篇報告的論述，未來半導體行業(yè)需求端景氣有望在 5G、AIoT、 新能源車等多種終端和應用的驅動下實現(xiàn)長期成長，那么相應的，供給端應也能夠跟蹤 與反映行業(yè)的景氣上行。
據 CSET 測算，全球半導體產業(yè)鏈的整體價值分配主要落于晶圓制造（38.4%）、設計 （29.8%）和晶圓制造設備（14.9%），因此我們將主要從這幾個環(huán)節(jié)跟蹤半導體行業(yè)整 體的景氣情況。同時，由于半導體行業(yè)整體同許多制造類似，數十年來存在產業(yè)鏈轉移 的整體趨勢，我們將主要關注成長性相對較強的中國大陸地區(qū)、中國臺灣地區(qū)和日韓。
制造封測兩旺，我國集成電路行業(yè)整體規(guī)模持續(xù)上升。2020 年 Q1~Q4 我國集成電路制造銷售額快速增長，各季度規(guī)模達 574.4、916.2、1143.6、 1144.2 億元，同比增長 25.2%、22.6%、24.8%、21.6%，全年規(guī)模達 3,778.4 億元， 同比+23.34%；封裝測試端成長同樣迅速，2020Q1~Q4各季規(guī)模達451.4、514.6、594.6、 999.5 億元，同比增長 15.1%、20.3%、18.8%、20.6%，全年規(guī)模達 2,560.1 億元，同 比+19.12%。IC 設計受疫情阻礙技術交流、產品交付等影響，整體增速相對較低，但各 季仍保持了同比 5%以上的增長。整體而言，我國集成電路產業(yè)呈現(xiàn)制造端先行、封測 端緊隨的特點，在當前全球晶圓制造產能持續(xù)緊缺、各國大力發(fā)展晶圓制造的背景下， 未來趨勢或將保持。
中國臺灣地區(qū)則總體呈現(xiàn)出 IC 制造占比大、2020 年 IC 設計成長異軍突起的特點。一 方面，中國臺灣地區(qū)擁有臺積電、聯(lián)電、力積電、世界先進等多家全球主要晶圓企業(yè)， 整體產能占比大，高度受益于本輪供貨緊缺行情，2020 年疫情影響下營收整體較 2019 年上升一個臺階；另一方面，聯(lián)發(fā)科為首的中國臺灣地區(qū) IC 設計企業(yè)也在本輪 5G 浪 潮、國際科技事件中得到新的成長動能，整體增速遠超封測端，與制造端的規(guī)模差距也 有一定縮小。
從日本地區(qū)集成電路相應指數或可側面驗證行業(yè)景氣周期的來臨。日本地區(qū)集成電路企 業(yè)在 MCU、模擬電路、傳感器等多種細分品類具備優(yōu)勢，這些產品覆蓋消費電子、網 絡通信、家用電器、汽車等多種應用領域，因此或可反映半導體整體供需情況。
日本集成電路工業(yè)生產指數與生產者出貨指數一般同向變化，整體趨勢一致；生產者庫 存指數、成品存貨率指數類似。而觀察 2014 年至今日本集成電路相應指數變化，我們 認為 2016 下半年日本集成電路生產、出貨指數與庫存、存貨率指數出現(xiàn)較大背離，反映了當年在下游智能手機 4G 化推進、多攝開始滲透和藍牙耳機（Airpods）等多種終 端需求爆發(fā)的驅動下的庫存去化，隨后開啟了超 2 年的行業(yè)整體景氣期。同時，與全球 半導體月度銷售金額相比較，我們同樣可以發(fā)現(xiàn) 2016 年下半年是上一階段景氣周期的 起點，因此我們認為日本地區(qū)集成電路相應指數或可一定程度反映全球行業(yè)景氣情況。
而根據近期數據，我們發(fā)現(xiàn) 2020 年下半年日本集成電路生產者成品庫存指數、存貨率 指數均快速下滑，在生產端受地震、火災等影響同樣下滑的情況下仍與工業(yè)生產指數、生產者出貨指數拉開較大差距，我們認為，這與當前全球缺芯的情況相匹配。結合需求 篇報告分析內容，我們認為這或將預示行業(yè)下一輪景氣周期將在供需失衡、真實需求快 速擴張的共振中開啟。
進一步從晶圓制造中的晶圓代工產業(yè)分析，2021 年第一季全球晶圓代工市場需求依舊 旺盛，面對終端產品對芯片的需求居高不下，客戶傾向加大拉貨力度，使晶圓代工產能 供不應求狀況延續(xù)，因此預估各業(yè)者營運表現(xiàn)將持續(xù)走強，據 TrendForce 預估第一季 全球前十大晶圓代工業(yè)者總營收同比增速達 20%。
其中，臺積電 5nm 制程投片量穩(wěn)定，營收貢獻維持近兩成；7nm 制程需求強勁，包括 超威（AMD）、英偉達（NVIDIA）、高通（Qualcomm）、聯(lián)發(fā)科（MediaTek）等訂單持 續(xù)涌入，估計 7nm 營收貢獻將小幅成長至三成以上。由于 5G 與 HPC（高效能運算） 應用需求雙雙提升，加上車用需求回溫，預估 2021Q1 臺積電整體營收或將再創(chuàng)新高， 年增約 23%~26%，達 127~130 億美元。
從臺積電、聯(lián)電、世界先進月度營收再上臺階的增長態(tài)勢來看，新成長周期或將開啟。 通過觀察臺積電等中國臺灣地區(qū)主要晶圓廠月度營收數據，我們認為 2019 年初中國臺灣地區(qū)晶圓制造企業(yè)或已在下游逐步復蘇的帶動下經營情況開始改善，隨后景氣度在 2020 年疫情帶來的多種終端需求下延續(xù)至今，帶動月度營收規(guī)模再上臺階。同時，觀 察 2015 年以來臺積電、聯(lián)電、世界先進月度同比增速，我們認為其成長期或具備一定 規(guī)律性，周期約為 6~12 月，與下游需求的供應變化較為符合，而目前，雖然 2020 年 全年都保持了較高增速，但整體增速同樣呈現(xiàn)跟隨下游景氣下行的趨勢，或為周期的下 行階段。展望 2021 年，中國臺灣地區(qū)晶圓制造企業(yè)或將在下游需求（如服務器、2021 年手機新機型、可穿戴設備、新能源車）旺盛、整體供給短缺的驅動下再度延續(xù)成長態(tài) 勢。
設備端同樣能反映半導體行業(yè)整體景氣度的變化。2020 年底至今半導體產能供不應求， 邏輯 IC 及內存同步缺貨，帶動各大廠積極擴產。2021 年 2 月日本半導體設備的銷售額 同比增長 8.8％，環(huán)比增長 3.7％，這是連續(xù)第二個月增長。北美半導體設備同比增長了 32.0％，環(huán)比增長 3.2％，達到 31.35 億美元，連續(xù)第二個月創(chuàng)歷史新高。據 SEMI 晶 圓代工廠及 DRAM 廠今年的投資重點在于擴建 EUV 產能，包括臺積電、英特爾、三星、 SK 海力士等已向 ASML 預訂了 EUV 曝光機，其中，臺積電及三星下半年加快 3nm 晶 圓代工產能建設，三星及 SK 海力士正在加緊 1a nm DRAM 產能的擴充。
設備資本開支計劃積極，半導體行業(yè)整體景氣上行。2021~2022 年，大部分 晶圓廠投資將集中于晶圓代工和存儲部門。在大幅投資推動下，預計今年晶圓代工支出 將增長 23％，達到 320 億美元，預估 2022 年將持平。今年整體存儲芯片支出有個位數 增長，達到 280 億美元，DRAM 將超過 NAND Flash。2022 年，全球半導體設備市場 將在 DRAM 和 3D NAND 投資的推動下出現(xiàn) 26％的增長。據 SEMI，在 2020～2022 年 內，全球晶圓廠每年將增加約 100 億美元的設備支出，最終將于 2022 年超過 800 億美 元大關、達到 836 億美元規(guī)模，創(chuàng)下歷史新高。
協(xié)同效應強勁，產業(yè)鏈在制造端擴張的帶動下一同成長。2020 年 半導體設備廠商中排名第一的依然是 AMAT，但從未來發(fā)展情況來看，ASML 超越 AMAT 的可能性很大，特別是以臺積電、三星和英特爾為代表的龍頭企業(yè)在未來幾年將在先進 制程芯片制造方面大力投資，給 ASML 的 EUV 設備提供了更大的發(fā)展空間。英特爾宣布將在 7nm CPU 的制造中大量使用 EUV，還將在亞利桑那州的兩個新建晶圓廠中引入 EUV 曝光設備。排名前 15 位的半導體設備公司整體業(yè)績都非常亮眼，充分體現(xiàn)出了 2020 年全球半導體設備市場的火爆。
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復盤“缺芯”：半導體供應鏈系統(tǒng)的精密性
疫情帶來的需求爆發(fā)，智能終端開啟產能之爭
如需求篇所述，受全球疫情阻礙復工復產、限制線下渠道銷售影響，2020 年上半年智 能手機市場無論是需求端還是供應鏈都面臨巨大的挑戰(zhàn)，這直接影響了 2020 年上半年 智能手機的銷售情況。2020 年 Q1、Q2 全球智能手機出貨量為 2.76、2.78 億 部，同比分別大幅下滑 11.70%、16.00%。但隨著我國疫情率先受控、各領域順利復工 復產，疊加下半年蘋果、華為、小米等手機品牌商積極發(fā)布 5G 新機型，我國手機銷售 情況快速恢復，帶動全球智能手機出貨量快速回升。據 IDC，2020 年 Q4 全球智能手機 出貨量達 3.86 億臺，同比增速已實現(xiàn)回正，達 4.30%，增速創(chuàng) 2017 年 Q2 以來新高。
同時，隨著 5G 進入商用期，5G 手機出貨量、滲透率持續(xù)增加，新一輪的換機潮愈演 愈烈，有效帶動各類半導體器件實現(xiàn)量價齊升。2020 年全球手機出貨量約為 12.80 億臺，其中 5G 手機約 2.55 億臺，滲透率達 19.93%；我國 2020 年 5G 手機出貨量達 1.63 億臺，占全球 5G 手機出貨量達 63.83%，我國成為全球 5G 手機出貨增加的主要來源。同時我國 5G 手機 2020 年滲透率高達 55%，遠超全球水平， 這大大提振了 5G 手機相關半導體的銷售情況。
快速滲透的 5G 手機將成為射頻等半導體器件的新增長動力。5G 應用滲透率擴大，尤 其5G手機需要的半導體含量約為4G手機的1.7倍，部分芯片用量更是倍增（據SUMCO 估計）。此外伴隨多鏡頭趨勢，導致電源管理 IC、驅動 IC、指紋識別芯片、圖像傳感器 （CIS）等需求持續(xù)旺盛。隨著 2020、2021 年 5G 手機滲透率的提高， 手機半導體市場規(guī)模同比將增加 7%、23%，并在 2021 年超過 4G 手機成為手機半導體 銷售的主要來源。
同時，國際事件的阻礙加大手機、安防供應商囤貨力度。自 2019 年中以來，國內手機 主要提供商 H 芯片采購持續(xù)受限，這促使其在 2020 年 9 月前持續(xù)以較大力度進行芯片 采購以儲備未來產品產能。同時，預期其或將面臨芯片短缺導致的手機等產品出貨不暢， 部分國內外主要競爭者持續(xù)加大芯片采購力度、密集發(fā)布 5G 新機型以準備應對市場空 白后的競爭。另一方面，對國內晶圓制造龍頭 S 的限制也引發(fā)了對未來芯片供給的擔 憂。在多種因素疊加之下，產能搶占成為必選項，手機、安防相關的芯片如 APU、射頻、 電源管理、驅動 IC、CIS 芯片等多種芯片產能需求進一步放大。
同時，從去年開始，疫情催生了居家經濟大爆發(fā)，并帶動了筆電、平板、電視、游戲機 等終端裝置需求大增：
靈活易用、高效便攜的平板電腦切中遠程辦公需求的痛點，同時長時間居家也催生 了家庭影音娛樂中對平板電腦的需求，無論是消費者需求還是品牌商的推廣都助 推了平板電腦的全球出貨量突破過去數年的低點。2020 年第三、四季度全球平板 電腦出貨量達 0.48、0.52 億臺，同比+24.90%、+19.50%，增長態(tài)勢強勁，全年 出貨量也達到了 1.63 億臺，扭轉了此前下滑的頹勢。
強勁的居家辦公需求，尤其視頻會議的需求也促使筆記本電腦銷量增加，同時在圖 像傳輸和存儲性能等方面進行升級改進。2020 年全球筆記 本出貨量達 2.27 億臺，同比大幅增長 32%。同時 2020 年起全球部分企業(yè)宣布實 施遠程辦公，而遠程辦公需要穩(wěn)定、流暢、清晰的視頻會議，同時兼顧正常辦公的 使用，因此為了提升視訊會議質量，以及同時滿足使用者的工作與個人娛樂需求， 筆電品牌廠憑借商務筆電的基礎，著眼 AI、攝像頭、音效、背景雜音、視訊畫質進 行改善，大大促進了筆記本電腦市場需求的釋放。
同時，部分需求并不是單純因為疫情而導致的需求大增而復蘇——未來平板電腦、 筆記本電腦市場還將會借助全球在線教育的蓬勃發(fā)展，生產力工具使用以及影音 游戲等娛樂需求的提升而繼續(xù)保持增長趨勢。以 Chromebook 為例，據 Strategy Analytics2020 年 Chromebook 出貨量達 3,370 萬臺，同比增速高達 86%，然多數 教育市場需求仍未被滿足，未來再加上中南美洲與亞太地區(qū)的國家也陸續(xù)引進，整 體需求或將持續(xù)釋放。
居家經濟的盛行也為個人 PC 的恢復注入生命力。曾經連續(xù) 6 年呈現(xiàn)下滑頹勢的 PC 市場，經歷了 2019 年的微增后，在 2020 年沒有發(fā)生此前行業(yè)預估的衰減， 反而迎來逆轉。2020 年全年，全球 PC 市場出貨量近 3 億臺，同比增長 12.37%。其中，2020 年第四季度全球 PC 出貨量同比增長 27.60%，達到 9,159 萬臺，而上一次 PC 市場年增幅如此之大還是 2010 年 Q1 時創(chuàng)下的 24.76%的增 長率。PC 正像手機一樣成為人手一臺的生產力工具，預計居家辦公、在線學習等 新常態(tài)催生的新需求還將繼續(xù)顯現(xiàn)。
5G 手機、基站建設帶來大量射頻芯片的晶圓需求，同時可穿戴設備、筆電、平板、PC 等多種終端的大量銷售也對處理器、存儲器、電源管理 IC、驅動 IC、藍牙芯片等各類 芯片提出更大的需求。而這些芯片主要采 8 寸晶圓生產，導致 8 寸晶圓產能開始吃緊。
從結果而言，以晶圓代工龍頭臺積電的營收結構占比看，一方面是 5nm 先進制程產能 滿載。臺積電 5nm 制程主要用于生產手機處理器、基帶芯片、高性能運算等對性能及 功耗要求均非常高的產品，在 5G 手機新品密集發(fā)布、整體出貨滲透率持續(xù)提升的拉動 下 5nm 產能持續(xù)供不應求，其中主要系蘋果 A14 芯片占據了大量產能，同時 AMD、國 內龍頭 APU 廠商、三星、高通對臺積電 5nm 制程產能需求也非常大。由于蘋果 iPhone 12 系列銷售情況優(yōu)于預期，A14 應用處理器委由臺積電以 5nm 制程量產，2020Q4 5nm 制程的營收占比快速提升，自 2020Q3 的 8%提升至 20%，預期 2021Q1 高端制程的產 能仍然緊張。
一方面是 2020Q3、Q4 智能手機營收環(huán)比持續(xù)提升，Q2、Q3 車用電子、消費電子環(huán)比 均下滑。智能手機在 5G 的驅動下保持了 2020 年下半年兩個季度的快速增長，同時 2020Q2、Q3 車用電子、消費電子在智能手機相關需求的擠壓下營收環(huán)比下滑，這意味 著相應產能分配的減少，產能緊缺開始向這些產品蔓延。
傳統(tǒng)汽車新升級+產能受擠壓，“缺芯”之火點燃
技術進步為傳統(tǒng)終端煥新生，汽車回暖擴大需求。作為未來有望在智能化、新能源加速 滲透下成為半導體行業(yè)增長動力核心的終端，汽車的銷售也在全球經濟情況持續(xù)好轉、 新能源技術不斷發(fā)展的帶動下快速回升。越過 2020 年年初的低谷后，全球汽車市場快 速回暖，以我國為例，汽車月銷售量從 2020 年 2 月的約 31 萬輛在 4 月份快速回升到 超 200 萬輛，整體已恢復到疫情前的水準。同時，新能源車在全球加速推進碳中和的浪 潮中受到熱捧，同時以特斯拉、蔚來、理想等品牌為首的新能源車企持續(xù)推出續(xù)航里程 更大、性價比更高的產品，使得新能源車銷量持續(xù)走高。
一方面是汽車市場在短暫下行之后的快速恢復，同時新能源車作為新終端整體需求快速 擴張，另一方面是在智能化、電氣化趨勢下，汽車電子系統(tǒng)價值量將持續(xù)提升。隨著電 氣化以及智能化應用的增多，汽車電子系統(tǒng)無論是安裝的數量還是價值仍在不斷增長之 中。據羅蘭貝格估算，預計 2025 年一臺純電動車中電子系統(tǒng)成本約為 7,030 美元，較 2019 年的一臺燃油車的 3,145 美元大增 3,885 美元，而其中新能源驅動系統(tǒng)成本較燃 油車增加約為 2,235 美元，是電子系統(tǒng)價值量增加的主要來源。
而汽車電子系統(tǒng)的核心是汽車半導體。汽車半導體是指用于車體汽車電子控制裝置和車 載汽車電子控制裝置的半導體產品。按照功能種類劃分，汽車半導體大致可以分為主控 /計算類芯片、功率半導體（含模擬和混合信號 IC）、傳感器、無線通信及車載接口類芯 片、車用存儲器以及其他芯片（如專用 ASSP 等）幾大類型。未來新能源車中電動力系 統(tǒng)、車聯(lián)網系統(tǒng)、自動駕駛系統(tǒng)乃至相關聯(lián)的充電樁、換電站、智能路燈（兼?zhèn)浠尽?城市安防、充電樁等功能）在新能源車快速發(fā)展的帶動下將有效拉動相應半導體市場的 增長。
據英飛凌預估，48V/輕混合動力汽車、插電式、混合動力或純電動車功率半導體 價值量未來有望達 90 美元/臺、330 美元/臺，以其預計 2030 年全球約 0.27 億臺 48V/ 輕混合動力汽車、0.32 億臺插電式、混合動力及純電動車計算，車載功率半導體市場空 間便達 130.17 億美元。同時，自動駕駛的進步也將帶來汽車半導體價值量增加，2030 年 L4/5 自動駕駛系統(tǒng)組件（攝像頭模組、雷達和 Lidar 模組、傳感器融合、 傳動裝置等）價值量可達 1,150~1,250 美元，遠超 2020 年 L2 約 160~180 美元、2025 年 L2+的 280~350 美元。
汽車銷量回升、智能化、電氣化趨勢讓汽車半導體進入量價齊升的快速通道，然而需求 側智能手機、平板電腦、筆記本電腦、個人 PC、可穿戴設備等多種消費產品需求快速 增加已搶占大量產能，汽車芯片相對穩(wěn)定、長期、毛利相對較低的特性使其在產能爭奪 中不占優(yōu)勢，汽車缺芯的苗頭已起。
疫情、暴雪、地震、停電、火災：黑天鵝下精密系統(tǒng)的 脆弱性
過去數十年半導體產業(yè)持續(xù)在進行產業(yè)鏈轉移，同時價值量大、戰(zhàn)略意義強的特點使得 每一輪轉移都并不徹底。從歷史發(fā)展進程來看，自 20 世紀 60 年代半導體產業(yè)在美國 發(fā)源以來，全球半導體產業(yè)因產業(yè)鏈進一步細化和應用市場需求變化，經歷了兩次產業(yè) 轉移，催生 Foundry、Fabless、封測公司等半導體企業(yè)模式。
20 世紀 70 年代起，美國將半導體系統(tǒng)裝配、封裝測試等利潤含量較低的環(huán)節(jié)轉 移到日本等其他地區(qū)。日本半導體產業(yè)由此開始積累，并借助家用電子市場對半導 體技術及產量的需求不斷完善產業(yè)鏈，最終在家電領域實現(xiàn)突破，由此產生了半導 體產業(yè)的第一次產業(yè)轉移。該次轉移成就了索尼、東芝、日立等知名企業(yè)。這期間， 擁有芯片設計和生產能力的 IDM 得到快速發(fā)展。
20 世紀 80 年代至 90 年代，因日本經濟泡沫破滅、投資乏力等原因，日本的半導 體產業(yè)開始沒落。中國臺灣的臺積電和聯(lián)電兩家晶圓廠的誕生，推動美國、日本半 導體產業(yè)由 IDM 模式逐漸轉變?yōu)?Foundry 模式。在半導體應用從家電到個人計算 機的轉型過程中，中國臺灣著重發(fā)展半導體制造技術，在半導體產業(yè)鏈中占據了關 鍵地位，韓國則聚焦存儲技術，由此產生了半導體產業(yè)的第二次轉移。該次轉移成 就了中國臺灣的臺積電和聯(lián)電，韓國的三星、海力士等企業(yè)。
20 世紀末至 21 世紀初，日本、韓國、中國臺灣逐漸將封測產能和部分晶圓制造產 能向土地、人力成本更低的中國大陸、東南亞，由此產生了半導體產業(yè)的第三次轉 移。
由于打造單獨的半導體產業(yè)鏈成本高昂，在歷次產業(yè)鏈轉移之中，美國保留了最核心的 設計和設備制造能力以及大量的 IDM 晶圓廠，歐洲、日本則培育出眾多在功率器件、模 擬芯片、MCU 等較為出色的 IDM 企業(yè)，日本還掌握了較多核心設備和材料的環(huán)節(jié)，韓 國存儲產業(yè)規(guī)模龐大，同時還在向晶圓制造發(fā)力，中國臺灣則強于制造封測，中國大陸 和東南亞則主要為封裝測試環(huán)節(jié)。這種產業(yè)鏈轉移使得生產過程漫長的半導體產業(yè)鏈被 劃分到了全球，完成一個完整的生產流程需要多個國家的企業(yè)合作，類似于精密的芯片 生產過程，芯片制造在宏觀視角下同樣是一個高度精密的全球系統(tǒng)。
高度精密的系統(tǒng)往往較為脆弱，外部影響放大效應顯著：
疫情：2020 年疫情阻隔了國際貿易、人員交流，來自日本的晶圓乃至全世界各地 的原材料可能因封城減少生產、物流成本高企等原因難以順利抵達晶圓制造廠；而 來自英國的晶圓可能在東南亞便受到疫情影響難以找到足夠的封測產能，來自美 國的設備工程師可能難以進入日韓境內進行晶圓制造設備的維護。環(huán)環(huán)相扣下，全 球半導體產業(yè)鏈在 2020 年上半年整體運作艱難。
在疫情帶來的供給受限、需求大增等多種因素之下，半導體全產業(yè)鏈供給情況逐漸嚴峻， 供需失衡從上游材料端逐步向下游蔓延。以信越化學為例，由于金屬硅（系有機硅的主 要原料）在需求旺盛的情況下供不應求價格持續(xù)上升，同時甲醇和催化劑鉑的價格也在 上漲，疊加物流和輔助材料等成本也在上升等因素，信越化學于 2021 年 3 月 3 日公告 公司所有有機硅產品價格上漲 10%~20%。一方面，硅片在晶圓制造中的成本占比超 40%，其價格變動對晶圓制造影響巨大，另一方面，信越化學在全球半導體硅片市場中 占比達 27.58%（2018 年），排名全球第一，其漲價一定程度上反映了硅片供需情況， 同時也有可能影響競爭者的價格策略。環(huán)球晶圓月度營收自 2020 年 8 月后同比增速持 續(xù)上行，也反映了全球硅片產品供需兩旺的趨勢。
隨后，中游晶圓制造端也在多種因素之下受限：
國際形勢：同時，國際事件的持續(xù)惡化，也加劇了全球供應鏈運作的混亂和阻滯。
停電：2020 年 12 月 3 日，存儲大廠美光位于中國臺灣桃園的晶圓廠發(fā)生停電事件， 停電時間約 1 個小時，該廠占美光產出的 30%以上。
暴雪：受 2021 年 2 月美國境內暴雪引發(fā)的大規(guī)模停電影響，三星電子德克薩斯州 奧斯汀晶圓廠被迫關停。三星奧斯汀晶圓廠的邏輯芯片主要工藝技術為 14nm、 28nm、32nm 等，約占三星邏輯芯片總產能的 28%。此次，該工廠除承擔三星電 子的處理器和 OLED 顯示屏驅動芯片、SSD 主控芯片的生產以外，還負責代工高 通的 14nm 處理器和射頻芯片，以及幫特斯拉代工部分車規(guī)級芯片。據 Trendforce， 預估三星整座廠房產能利用率須至三月底才會恢復至 90%以上，受自然災害影響， 本輪芯片產能下降將致使今年第二季度全球智能手機產量減少約 2%。除三星電子 外，英飛凌、恩智浦、應用材料等也關閉了相關廠房。
地震：2021 年 2 月中旬日本福島縣近海發(fā)生里氏 7.3 級地震，全球車載芯片市場 份額排名第三的日本瑞薩電子，在與福島縣相鄰的茨城縣內的那珂工廠受地震影 響被迫停電。為了確認無塵車間內的生產設備和芯片產品是否完好無損，瑞薩電子 在地震后關停工廠的生產線。
干旱：2021 年初以來，中國臺灣地區(qū)面臨近年來較為嚴重的干旱，當地經濟管理 部門于 2021 年 2 月要求新竹、苗栗及臺中工業(yè)用水戶節(jié)水 11%；嘉義及臺南工 業(yè)用水戶要求節(jié)水 7%。而晶圓制造過程中需要用到大量水資源，以臺積電為例， 其日均用水量約為 15.6 萬噸，受節(jié)水要求的中部科學園區(qū)、南部科學園區(qū)合計日 均用水近 10 萬噸。水資源的緊張也使得中國臺灣地區(qū)晶圓制造企業(yè)正常經營面臨 一定壓力。
火災：2021 年 3 月 19 日，日本車用半導體巨頭瑞薩電子的那珂工廠發(fā)生火災， 導致該廠 N3 大樓的 12 寸產線停產。據瑞薩電子預計，停止 N3 大樓生產所產生 的財務影響約為每月 130 億日元（此前預計為 170 億日元；如果 N3 產能需要 1.5 個月才能恢復到 100%，預計財務影響約為 175 億日元，如果需要 2 個月才能恢 復，財務影響預計約為 240 億日元）。瑞薩電子統(tǒng)計總共 23 臺設備受損，其中 11 臺設備將在 4 月內采購，有些設備可能要到 6 月以后才能采購。在 N3 大樓內生產 的產品中，大約 2/3 可以在技術上替代內部生產或外包。如果 N3 大樓 1.5 個月的 生產能力是替代生產的，瑞薩預計大約 100%的產品將被外包，或 82%的產品可 以在替代內部工廠生產。火災波及的終端芯片 66%為汽車用芯片，34%為基礎設 施、IoT 芯片；若按芯片類型分，64%為 MCU，34%為 SoC，2%為 Analog。
半導體供應承壓的表現(xiàn)先為交期逐步延長。2021 年 2 月，交貨時 間（芯片訂單下達到實際交貨的時間）自 2017 年開始收集數據以來，平均首次延長至 接近 15 周，突破記錄以來新高（上一輪交付延遲發(fā)生在 17~18 年中）。
面對需求旺盛+供給不確定性大，IC 設計企業(yè)開始加大備貨力度，超額訂單加劇了晶圓 制造產能的緊張。一方面，在下游智能手機、平板電腦、筆記本電腦、可穿戴設備、游 戲機、電視、新能源車等全方位需求爆發(fā)下，IC 設計企業(yè)有更大動力進行產品備貨；另 一方面，由于天災、國際事件頻發(fā)，全球 IC 設計企業(yè)擔憂供應鏈安全，紛紛加大備貨 力度，甚至出現(xiàn)超額訂單現(xiàn)象以提前準備產品防止供應鏈斷裂，這進一步擠壓了晶圓制 造端的產能，加劇了晶圓制造產能的緊張。同時，封裝產能也持續(xù)滿載，封裝大廠日月 光 2020 年 Q4 產能超 80%，公司預計打線產能短缺持續(xù)整個 2021 年。
產能緊張、供應不暢，隨后便是漲價潮逐步蔓延。自 2020 年下半年以來，多種芯片供 應持續(xù)緊缺，主要為各類 MCU、電源管理 IC、驅動 IC、功率半導體等以 8 寸晶圓+成 熟制程為主的產品；漲價原因多為晶圓、封測、上游原材料漲價，凸顯全球半導體供應 系統(tǒng)目前面臨的空前挑戰(zhàn)。以中國臺灣地區(qū)企業(yè)月度營收為例，主要銷售手機 SoC 的 聯(lián)發(fā)科，主要銷售 MCU、PMIC、DDIC 等芯片的盛群、聯(lián)詠、松翰等企業(yè)在 2020 年中 至今月度營收同比增速逐步上臺階，或為相關芯片量價齊升所致。
除 MCU、PMIC、DDIC 等相對成熟的產品外，存儲器方面三星、美光等存儲大廠產能 相繼受到影響，同時下游對存儲器的需求在智能終端、服務器等需求的帶動下持續(xù)旺盛， 存儲器也應聲而漲。2021 年初 DRAM 價格持續(xù)上漲，以 DRAM:DDR3 4Gb 512Mx8 1600MHz 現(xiàn)貨平均價為例，其相對 2020 年低位價格漲幅一度達 137.45%，隨后雖有 小幅波動，整體漲勢仍然較好；NAND Flash 在服務器建設旺季到來之時也開始逐步上 漲。據 TrendForce 預測，存儲器 2021 年二季度或迎來全面上漲。
當部分利潤較低的產品其利潤開始無法覆蓋漲價，乃至漲價也難以拿到芯片時，缺貨開 始影響下游。一方面是缺芯與漲價，毛利相對較低的車載產品競爭力較弱，獲取產能的 優(yōu)勢在不加價的情況下有一定不足；另一方面是同樣精密的車企供應鏈管理系統(tǒng)難以快 速適應。
在汽車產業(yè)中，以周密的制造計劃為基礎，按計劃需要確定每次訂貨量的“just in time”制造方式已經滲透到各家公司。對于整車廠來說，如果確定要生產某款車型， 其半導體訂單至少在 6 個月前就要敲定，方便芯片代工廠及時統(tǒng)籌客戶需求，提前布局。此外，車載產品驗證要求嚴格、認證周期長等特點也讓車企難以快速切換供應商。目前， NXP（恩智浦）、高通、意法半導體、英飛凌的車用芯片都面臨原材料緊缺現(xiàn)象，制造產 能吃緊，造成博世等上游供應商的集成模塊 ESP（電子穩(wěn)定程序系統(tǒng)）、ECU（電子控 制單元）等生產進度受限，最終傳導至整個汽車產業(yè)鏈條。
半導體的供給不暢已經導致日系、德系汽車的產量，在今年 1-2 月份的增速出現(xiàn)了遲緩。斯巴魯公司宣布，在 1-3 月份，將減少 4 萬 8000 輛汽車的制造，占到全年制造計劃的 5%。福特則預計今年芯片短缺對利潤的影響可能高達 25 億美元，通用汽車預計影響在 20 億美元左右。而據 IHS 推測，今年第一季度的全球汽車制造量將減少 100 萬輛。據 美國伯恩斯坦研究公司預計，2021 年全球范圍內的汽車芯片短缺將造成多達 450 萬輛 汽車產量的損失，相當于全球汽車年產量的近 5%。
缺芯仍在蔓延，下游企業(yè)加大備貨力度或將進一步擠占芯片產能。車企以外，家電乃至 手機也開始受到產能緊缺的影響，各類 MCU、電源管理 IC、CIS、驅動 IC 不同程度地 影響了家電、手機、游戲機等產品的生產。2021 年 4 月，小米向消費者發(fā)布小米電視 及 Redmi 電視部分產品型號官方建議零售價調整說明，表示在顯示面板、芯片等多種 電視核心零部件價格持續(xù)大幅波動下，相應產品價格將做出調整，并預期未來較長一段 時間內核心部件報價仍會持續(xù)走高。
多種外部因素之下，全球半導體供應鏈這一精密系統(tǒng)的穩(wěn)定性岌岌可危，同時真實需求 疊加壘高安全庫存以應對產能緊缺的需求之下，行業(yè)整體供需已逐步失衡，呈現(xiàn)“需求 旺盛→搶占產能+天災削弱有效產能→產能緊張→超額訂單→產能進一步擠壓→原材料 漲價&缺芯&芯片漲價→進一步下超額訂單以維持經營→產業(yè)鏈庫存需求環(huán)環(huán)放大”的 態(tài)勢。接下來我們將進一步分析，供給側為何難以經受這種外部事件擾動，乃至造成了嚴重的 芯片荒。
產能新增緩慢：材料、工藝、效率與重資產投資的均衡
如前文所述，全球半導體供應鏈是一個高度精密的系統(tǒng)，精密往往意味著容錯率低。對 于半導體產業(yè)鏈，產能的緊張是其容錯率低的重要原因，也是本輪供需平衡在需求擴張 +外部沖擊下快速失衡的主要癥結。然而，半導體產業(yè)鏈的核心供給端在晶圓制造，而 晶圓制造是一個重研發(fā)、重資本投入、長周期的產業(yè)，產能的建設無論是計劃還是實施 都需要大量的時間與資本，每一輪擴產都需要時間與市場的釋放來消化。這也造成了本 次供給端應對需求擴大、外部事件頻發(fā)時騰挪空間小的局面。下文將從先進制程與成熟 制程、12 寸與 8 寸兩個角度分析晶圓制造緣何產能緊張。
大量資本投入+建設時間限制先進制程產能擴張。在摩爾定律的推動下，元器件集成度 的大幅提高要求集成電路線寬不斷縮小，導致生產技術與制造工序愈為復雜，制造成本 呈指數級上升趨勢，尤其在光刻環(huán)節(jié)，光刻機的精度決定了電路線寬的大小，因此光刻 機成為推動晶圓制造發(fā)展的關鍵，目前光刻機經歷了五代發(fā)展已經到了 EUV 階段，成 本持續(xù)提升。光刻環(huán)節(jié)以外，晶圓制造企業(yè)也可以采用多重模板工藝，重復多次薄膜沉 積和刻蝕工序以實現(xiàn)更小的線寬，但這將使得薄膜沉積和刻蝕次數顯著增加，意味著集 成電路制造企業(yè)需要投入更多且更先進的光刻機、刻蝕設備和薄膜沉積設備等，造成巨 額的設備投入。隨著技術節(jié)點的不斷縮小，集成電路制造的設備投入呈 大幅上升的趨勢。以 5nm 技術節(jié)點為例，其投資成本超 150 億美元，是 14nm 工藝的 兩倍以上，28nm 工藝的四倍左右。
資本的投入和生產的管理，不僅是晶圓制造企業(yè)生產經營的重要環(huán)節(jié)，更是晶圓制造行 業(yè)中保持領先地位的重要保證。隨著制程持續(xù)演進，能參與競爭的廠商越來越少，目前 能提供 7nm 及以下先進制程的晶圓代工廠僅有臺積電和三星，尤其今年受北美大客戶 A14、國內大客戶新 5G 芯片拉動，臺積電 5nm 產能持續(xù)滿載。
龐大的前置投入促使晶圓制造企業(yè)選擇面積更大、單片晶圓芯片產出效率更高的 12 寸 片進行生產，而在成本、工藝最優(yōu)解驅動下，成熟制程目前主要在 8 寸片上制作。由于 并非所有半導體器件都能夠利用 12 寸晶圓所能提供的成本節(jié)約優(yōu)勢，部分產品仍處于 向 12 寸晶圓轉移的適配過程中，而 6、8 寸晶圓廠可通過產能多年工藝經驗積累和設備 折舊優(yōu)勢，以更優(yōu)的成本方案制造多種類型非邏輯電路產品（例如專用存儲器，顯示驅 動器，微控制器，RF 和功率器件，以及基于 MEMS 的產品，例如加速度計，壓力傳感器等）來盈利。同時，諸如 CIS、Wifi、射頻等未來物聯(lián)網的主要芯片，以及新能源車中 大量配備的功率器件，使用成熟制程已經足夠滿足要求，未來先進制程+成熟制程或將 是主流方向。
晶圓尺寸升級持續(xù)，全球 6、8 寸晶圓廠數量收縮。隨著行業(yè)將 IC 制造轉移到更大的晶 圓廠中的更大晶圓上，IC 制造商的數量持續(xù)減少。據 IC Insights，截至 2020 年 12 月， 共有 63 家公司擁有和經營的一座 8 寸芯片廠。有 28 家公司擁有和運營 12 寸晶圓廠。此外，在這些制造商中，12 寸晶圓產能的分布是重中之重，五個最大的制造商控制著全 球 12 寸 IC 產能的約四分之三（74％）。
全球新增 8 寸產能、功率&化合物半導體產能緩慢，目前 8 寸產能在下游需求不斷增加 的驅動下持續(xù)處于供不應求的狀態(tài)。即便晶圓代工廠、IDM 想要擴大 8 寸產能，由于目 前全球半導體設備廠商的 8 寸設備出貨量已逐步被 12 寸設備替代，這些廠商無法快速 擴大 8 寸產能，目前晶圓廠多數僅能利用現(xiàn)有工廠空間提升生產效率，或是改善瓶頸機 臺、租賃二手設備等方式進行有限度的擴產。同時由于行業(yè)擴產意愿以及設備供給不足， 8 寸硅片產能有限，全球占比不到 3 成。受新能源汽車以及消費電子產品出貨量快速增 長驅動，功率器件需求上升，導致 8 寸硅晶圓以及相關晶圓代工的價格上漲并或將進一 步傳導至下游領域客戶。
而在新冠肺炎疫情大流行之前，許多代工廠的 8 寸晶圓廠產能利用率就已經很高。因為 宅經濟的發(fā)酵，使得個人電腦及消費性電子產品的銷量大爆發(fā)，這讓各種芯片有了突破 性的需求，這使得各 8 寸晶圓廠的產能持續(xù)呈現(xiàn)滿載，以用來生產新的產品，這也就給 供應鏈帶來了壓力。
雞蛋放在同一個籃子里——高度依賴臺積電的影響
目前，前五大晶圓產能廠商每家企業(yè)月產能至少為 150 萬片。2020 年，前五大廠商總 產能占全球晶圓產能的 54%，較上年上升一個百分點。相比之下，在 2009 年，排名前 10 位的晶圓產能占全球總產能的 54%，排名前 5 位的晶圓產能占 36%。
前五大晶圓產能中，僅三星與臺積電有代工產能，其余主要系存儲產能。三星的晶圓裝機容量最大，每月有 310 萬片 8 寸當量的晶圓，這相當于全球總產能的 14.7%。排名第二的是臺積電，月產能約 270 萬片，占全球總產能的 13.1%。美光排名 第三，月產能略多于 190 萬片，占全球的 9.3%。排名第四的是 SK 海力士，月產能接 近 190 萬片，占全球 9%，其中八成以上用于 DRAM 和 NAND 芯片。排名第五的是鎧 俠，月產能 160 萬片，占全球 7.7%，其中包括為西部數據提供的大量 NAND 芯片。截 至 2020 年 12 月，行業(yè)內 5 家最大的純晶圓代工廠——臺積電、聯(lián)電、格芯、我國晶圓制造廠商 S 和力晶(包括 Nexchip)的總產能約為每月 510 萬片，約占全球晶圓代工廠 總產能的 24%。
12 寸產能前 10 主要包括 DRAM 和 NAND 閃存供應商，例如三星，美光，SK Hynix 和 Kioxia/WD；全球最大的四家純晶圓代工廠臺積電，GlobalFoundries，聯(lián)電和力晶（包 括 Nexchip）；以及業(yè)界最大的微處理器制造商英特爾。這些公司提供的 IC 類型受益于 使用最大尺寸的晶圓來最大程度地攤銷每個芯片的制造成本。
此外，他們有能力繼續(xù)在 新的和改進的 12 寸晶圓廠產能上投入大量資金。8 寸尺寸類別的晶圓產主要用作模擬/ 混合信號 IC 和微控制器的純晶圓代工廠和 IDM。截至 2020 年 12 月，在三個晶圓尺寸 類別中，只有臺積電全部居于 TOP10。在 2020 年臺積電擁有最大的 8 寸晶圓產能，在 12 寸晶圓產能中排名第二，僅次于三星。
經營多年掌握先進技術與龐大產能的臺積電是全球半導體供應鏈中極為重要的一環(huán)。臺積電 25%的業(yè)務來自蘋果公司，同時臺積電還為其他芯片制造商或無晶圓 廠芯片設計商生產芯片，如博通、高通、英偉達、AMD 或德州儀器。這些公司又為全球 各領域下游企業(yè)供貨，覆蓋消費電子產品、通信設備和汽車零部件公司等。
以車載芯片為例，從晶圓應用分布來看，去年車用占全球 8 寸晶圓需求比重約 33%，占 12 寸晶圓需求比重約 5%。臺積電車用芯片主要來自 8 寸晶圓制造，包括 CMOS 圖像 傳感器測、電源管理芯片、微控制器（MCU）、射頻元件、微機電（MEMS）、功率分離 式元件等，都是汽車和電動車不可或缺的零件。當前，全球主要 8 寸晶圓廠包括臺積電、聯(lián)電、世界先進，國內晶圓制造廠商 S、華虹半導體、華潤微等，但 MCU、CMOS 圖 像芯片等仍高度依賴臺積電產能。
全球車用芯片大廠還包括恩智浦、英飛凌、瑞薩電子、意法半導體、德州儀器、博世等， 但瑞薩、恩智浦、英飛凌等主要廠商近年來都已經逐步把部分產品外包給臺積電代工， 這使得當臺積電產能告急時，這些車載芯片廠商產能也將受到一定影響。
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“缺芯”全面蔓延，供給端成平衡修復關鍵
復盤 2020 年中至今的全球缺芯，我們認為，需求側智能手機、平板電腦、筆記本電腦、 個人 PC、可穿戴設備等多種消費產品需求快速增加搶占大量產能，同時汽車也在電氣 化、智能化的浪潮下持續(xù)升級，對芯片產能提出了更多的需求，進一步加大了芯片供給 側的壓力。
在供給側，我們認為，由于生產過程漫長的半導體產業(yè)鏈在產業(yè)鏈轉移中被劃分到了全 球，完成一個完整的生產流程需要多個國家的企業(yè)合作，類似于精密的芯片生產過程， 芯片制造在宏觀視角下是一個高度精密的全球系統(tǒng)。疫情、暴雪、地震、火災乃至國際 事件的不確定性，都對全球半導體供應鏈這個高度精密耦合的系統(tǒng)帶來了巨大挑戰(zhàn)。當 供給側的正常供應節(jié)奏被打亂，供需平衡在需求側的快速擴容下面臨巨大挑戰(zhàn)。產業(yè)鏈 迫于產能的受限和疫情下生存經營的壓力，開始下超額訂單以提高安全庫存乃至維持正 常出貨，這以倍數放大的需求進一步破壞了制造端的正常運行節(jié)奏，供需平衡被打破， 缺芯、漲價從手機到汽車、家電持續(xù)蔓延。
因此，我們認為，多種外部因素之下，全球半導體供應鏈這一精密系統(tǒng)的穩(wěn)定性已岌岌 可危，同時真實需求疊加壘高安全庫存以應對產能緊缺的超額訂單進一步擠占產能，行 業(yè)整體供需已逐步失衡，呈現(xiàn)“需求旺盛→搶占產能+天災削弱有效產能→產能緊張→ 超額訂單→產能進一步擠壓→原材料漲價&缺芯&芯片漲價→進一步下超額訂單以維持 經營→產業(yè)鏈庫存環(huán)環(huán)放大”的循環(huán)，供需失衡或將持續(xù)至今年下半年至明年年初。而 目前半導體行業(yè)已在 5G、AIoT、新能源車等多種終端的帶領下走入新一輪成長期，考 慮過去每一輪新終端引領的行業(yè)成長期，需求的釋放在正常情況下難以中止，因此供需 恢復緊平衡的關鍵落在供給端上。
未來，從產業(yè)鏈進一步轉移、未來核心市場地位、龐大工程師紅利、國家與社會的大力 支持等角度展望，我國半導體產業(yè)有望在全球供給緊張這一關鍵機遇窗口中深度受益。
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