一、三个维度观测全球半导体格局演变
1、维度之一：从费半指数观测全球半导体格局
费城半导体指数（SOX）的发展阶段反应了全球半导体的走势与兴衰更替。费半指数涵盖全球半导体设计、设备、制造、材料等方向，其走势可以是衡量全球半导体行业景气程度的主要指标。费城半导体指数发行于在 1993 年 12 月 1 日，是衡量半导体景气度的重要指标之一。从费半指数长期历史来看， 简单的可以将其划分为三个大阶段。
第一阶段，PC 与互联网时代（1994-2009）：指数总体呈现周期大于成长的 走势，有明显的上下周期性波动。指数最高在 2000 年达到 1362 的阶段性高点，但随着互联网泡沫的破灭，随后出现了大幅下滑。技术进步的驱动力来自笔记本电脑以及宽带网络技术，由于处于互联网初期阶段，尚未有较多的统治级公司出现，行业经历了快速的潮起潮落的过程。与此同时，培育诞生了诸多半导体龙头，如三星，Intel，德州仪器等。
第二阶段，移动互联网时代（2009-2018）：经历 08 年全球经济危机后，行业回归长期成长。随着全球半导体产业的充分发展，以及通信技术的快速迭代，指数在这一阶段走出了近 10 年的长期增长，指数涨幅接近 10 倍。在这 一阶段，主要的驱动力来自移动互联网通信技术的升级（4G），叠加智能手 机市场的迅速扩大，全球半导体产值达到 3000 亿美元以上。在之前微软与英特尔形成的系统与芯片绑定的模式上，安卓与高通在移动端也形成了强大的联盟。芯片产业链中的设计、晶圆制造、晶圆代工、设备、材料等均出现了具有垄断性的公司。
第三阶段，5G 与 AIOT 时代（2018-）：目前在半导体产业链各环节中，整体竞争格局相对稳定，集中度普遍较偏高，随着摩尔定律的持续生效，龙头技术壁垒愈发难以被打破。在此阶段，费半指数也在持续创出新高，龙头公司景气度不减。目前处于移动互联网与下一时代的交汇期，当前 5G 与 AI 提供的增长动力已经显现，下游端可穿戴设备与物联网已有一定的增长趋势储备了足够的增长动能，叠加随数字货币、区块链等新技术对存储器的增量需求加大，全球半导体产值已突破 4000 亿元。未来随人工智能、物联网、区块 链等技术应用进一步落地，半导体市场份额需求有望进一步增长提升。
从费半指数成份股看，全球半导体的核心资产仍集中在美国。
为了保证费半指数能密切跟踪半导体市场发展，成份股于每年 9 月进行评估， 通过将符合标准的证券按照市值排名，将市值排列的前 30 名被成份股。其 中：
半导体设计厂商 17 家：高通、博通、英伟达、AMD、赛灵思、迈威科技等；半导体设备厂商 5 家：应用材料、拉姆研究、阿斯麦、卡伯特微电子、克里 科技；半导体制造厂商 2 家：台积电，科天半导体；
IDM 厂商 6 家：英特尔、美光、德州仪器、恩智浦、Qorvo、Skyworks。
从下游应用分布来看，以三星和高通为代表的厂商主要集中在手机和消费电子，以英特尔，博通，AMD 为代表的主要集中在 PC 和通信端。
2、维度之二：从 IDM 到 fabless+foundry，产业结构持续细化
当前半导体产业链中经营模式主要有三种，fabless 与 foundry 是 IDM 产业 细分的演化产物。当今全球半导体产业有三种商业模式：IDM（Integrated Device Manufacture，集成器件制造）是传统的半导体模式，即从设计，到 制造、封装测试以及投向消费市场一条龙全包的企业，称为 IDM 公司；Fabless 模式专注半导体内部设计，是将制造过程剥离的结果，技术行业壁 垒较相对最高，是芯片更新迭代的主要驱动力；Foundry 模式专注于芯片的 生产和制造，通常由精密制造产线支撑，而这种新模式出现的标志是 1987 年台湾积体电路公司（TSMC）的成立。
三种者模式各有优势，未来产业链仍将持续细分。从费半指数成分股的角度来看，目前三种模式下呈现出设计公司占比高，IDM 与 foundry 占比较少且集中度高的局面。从资本投入的角度看，芯片设计所投入的多为人力成本，固定成本较少，竞争门槛相对较低；而 IDM 与 foundry 均涉及芯片制造产线， 固定资产投入是巨大的。随着分工进一步细化，近年 Fablite 也趋于流行。Fablite 模式由 IDM 演变而来，是企业为了减少投资风险，轻资产化的一种 策略，IDM 企业将部分制造业务转为第三方代工，自身保留其余制造业务。目前全球半导体业中 Fablite 模式盛行，大多数的 IDM 几乎无一例外地执行 这个策略。
3、维度之三：全球产业链三次迁移
半导体产业起步于上世纪 50 年代，在 80 年前后逐步形成市场规模。1947年贝尔实验室采用锗材料研制出了第一只点接触三极管，奠定了微电子工业的基础，以晶体管的发明为标志，IC 产业诞生。60 年代中期，仙童半导体将硅表面的氧化层做成绝缘薄膜，发展出扩散、掩膜、照相和光刻于一体的平面处理技术，并实现了集成电路的规模化生产。70 年代“摩尔定律”得到 同行业认可，相关产品性能快速翻倍。
随着技术迅速提升，资本开支快速增加，垂直化分工是产业链转移的主要原因。半导体行业因具有下游应用广泛，生产技术工序多、产品种类多、技术更新换代快、投资高风险大等特点，叠加下游应用市场的不断兴起，半导体产业链从集成化到垂直化分工越来越明确，并经历了两次空间上的产业迁移。
迁移路径由美国至日本再到韩国、中国台湾，演化模式由垂直整合到系统化集成，再到垂直分工。起源美国:垂直整合模式 1950s，主要由系统厂商主导。全球半导体产业的最初形态为垂直整合的运营模式，即企业内设有半导体产业所有的制造部门，仅用于满足企业自身产品的需求。
转移日本：系统集成 IDM 模式 1970s，美国将装配产业转移到日本，半导体 产业转变为 IDM（Integrated Device Manufacture，集成器件制造）模式， 即负责从设计、制造到封装测试所有的流程。与垂直整合模式不同，IDM 企业的芯片产品是为了满足其他系统厂商的需求。随着家电产业与半导体产业相互促进发展，日本孵化了索尼、东芝等厂商。我国大部分分立器件生产企业也采用该类模式。
分工转移韩国、中国台湾地区，代工模式 1990s。随着 PC 兴起，存储产业从美国转向日本后又开始转向了韩国，孕育出三星、海力士等厂商。同时，台积电成立后，开启了晶圆代工（Foundry）模式，解决了要想设计芯片必须巨额投资晶圆制造产线的问题，拉开了垂直代工的序幕，无产线的设计公司（Fabless）纷纷成立，传统 IDM 厂商英特尔、三星等纷纷加入晶 圆代工行列，垂直分工模式逐渐成为主流，形成设计（Fabless）、制造 （Foundry）、封测（OSAT）三大环节。
二、国内半导体产业空间巨大，自主可控是长期趋势
1、自给率仍偏低，中高端核心技术仍有较大差距
中高端自给率偏低，全球排名中缺乏中国公司身影。贸易摩擦核心在于半导体技术，自主可控是唯一可行路径。大陆半导体市场在庞大产业需求缺口刺激下产业投资和产出均表现快速增长，但核心技术仍需要长期积累。IC insights 数据显示 2019 年上半年全球 15 大半导体公司全部为欧美、日韩和中国台湾公司，中国大陆没有公司入围。大陆作为全球最大市场却没有巨头公司，表明大陆半导体产业进口替代空间巨大，同时也面临很大的挑战，行业落后是不争的事实。
从 19 年排名来看，海思的排名不断提升，从整体水平来看，国内公司尚未形成竞争力。从全球领先企业格局来看，从事存储和逻辑电路的企业相对靠前，与半导体细分行业市场规模匹配。存储以三星、SK 海力士、美光为代 表，逻辑电路以 Intel、博通、高通为代表，晶圆代工以台积电为代表。在这 15 家半导体厂商中，包括 5 家美国公司，3 家欧洲，3 家韩国，2 家日本， 以及两家中国台湾地区的厂商。这些厂商中，有 10 家是 IDM，4 家 Fabless， 1 家晶圆代工厂。
总体而言，IC insights 预计 2019 年排名前 15 位的半导体公司的销售额将比 2018 年下降 15％，比预期的全球半导体行业总销售额下降 13％低 2 个百分 点。其中营收波动最大的为 SK 海力士，2018 年营收同比增长了 41%，为去 年 15 家中最高，2019 年预计同比下降 38%。
2、国内技术逐渐突破，部分细分领域发展进程加快
（1）IC 设计有望率先突破，未来面临两大制约因素
IC 设计少数企业形成突破，有望率先走向一线舞台。我们认为 IC 设计有望率先崭露头角，主要原因有：1、IC 设计固定资产投资门槛相对较低，以人 力成本降低；2、国内工程师红利凸显，设计人才充沛，人力成本降低；3、目前已有个别企业走向一线舞台，龙头标榜效应明显。根据相关上市公司财报披露，按照营收排名，华为海思目前已在芯片设计领域排名第五，2018 年 营收增速高达 34.2%，在同行中排名第一。但总体来看，设计行业的核心技术仍然在美国， 2018 年美国占了全球 IC 设计份额的 53%，中国占比为 11%。目前大陆 IC 设计已具备赶超国际公司的能力，未来将涌入更多的公司。
“一大多小”是国内 IC 设计现状，EDA 和底层架构是未来两大制约因素。国内 IC 设计企业从 2015 年起整体数量有了翻倍增长，呈现快速追赶态势，整体营收规模也有了快速增长。值得注意的是，在大部分芯片细分领域，自给率仍然很低，除去华为海思的营收规模超过 500 亿元外，其余公司收入最 高为 100 亿元，总体概况为一大多小。
在具体业务进行中，主要涉及两大核心关键技术受到国外的制约。EDA 设计 软件美国的三家公司（Synopsys、Cadence、Mentor）垄断了全球 65%和 国内 96%以上的市场份额，目前国内仅有 10 家左右公司有相关业务，全球 份额占比不足 1%。底层架构方面目前主要分为两大阵营：一个是以 intel、 AMD 为首的基于复杂指令集的架构 X86 架构，在个人 PC 端占绝对主导；另一个是以 IBM、ARM 为首的精简指令集 ARM/MIPS/Power，在移动设备 和物联网设备芯片中占绝对主导，其中在手机、汽车电子及 IoT 等领域中具 备绝对的话语权，ARM 架构芯片占手机市场份额约 90%。
（2）IC 制造市场高度集中，设备与材料被国际先进企业垄断
晶圆代工环节和所涉及到的设备材料集中度远高于 IC 设计，主要原因是制造过程中，涉及到巨大的固定资产投入，若技术无法做到全球领先，在投资周期内很可能无法盈利。晶圆代工方面，整个行业 CR3 接近 80%，台积电 占全球市场份额超 50%，其次为三星、格芯，国内最大的晶圆代工厂为中芯 国际，目前最高技术水平在 12-14nm 左右，今年随高端光刻机顺利投入产线， 未来有望进一步提升技术水平。
设备与材料方面，关键技术被欧美日垄断。半导体设备主要以欧美日企业为主，从分布来看，全球前 15 的半导体设备企业中，美国 4 家，日本 7 家， 欧洲 3 家，韩国 1 家。从营业收入的角度看，大陆半导体设备公司的市占率非常小，尚未在国际舞台上看到大陆公司的身影。美国的应用材料公司产品几乎包括除光刻机之外的全部半导体前端设备。荷兰的 ASML 是高端光刻机的全球第一，其研发投入与技术实力国内企业差距甚远。设备行业的整体集中度基本达到了 CR3 大于 90%。
国内设备企业规模普遍很小，技术差距较大。目前国内排名第一为北方华创，2018 年营业收入为约 4.75 亿美元，距离应用材料公司 140 亿美元的营收有 30 倍以上的差距，技术节点多数都还比较落后，大部分设备在 28nm 制程以上，在高端光刻机等核心设备生产仍依赖进口；国内先进企业中，北方华创的刻蚀机、PVD 等设备已达到 14nm 级别，氧化炉已经批量应用于中芯国际、华力微电子、长江存储等厂家；中微半导体刻蚀机的技术水平已经达到77nm，达到国际先进水平。
（3）IC 封测国内通过并购崛起，已有三家企业进入世界前十
IC 封测门槛相对较低，本土厂商逐渐崛起。目前国内已有三家企业进入世界前十，分别是长电科技、华天科技、通富微电，按照市场份额来看，分别排在全球第三、六、七名。由于封测产业对规模化要求较高，相对于设计与代工，国内封测企业目前排名相对靠前，主要采用的方式是加大研发投入以及并购整合。整体行业目前集中度略低于设计与代工，随着并购持续进行，未来集中度有望进一步提升。2018 年全球 OSAT（Outsourced Assembly &Test，外包封装测试）前十大厂商市占率超过 80%，行业高度集中。因为 OSAT 与 Foundry 在产业链上紧密关联，依靠台积电在 Foundry 市场超过 50%份额的垄断地位，中国台湾地区在 OSAT 市场也扮演着主导角色。
行业分工细化，OSAT 成为主要生产模式，未来先进封装技术是提升芯片效 能的增量动力。IDM 与 OSAT 是目前半导体封测产业的两种主要模式。IDM 企业芯片产业所有环节均自己完成，OSAT 企业仅提供中后段的封装测试代 工服务。随着轻资产的设计公司的不断增长，推动 OSAT 企业快速发 展,OSAT+Foundry 的模式成为半导体行业发展的主要模式。随着 IC 设计趋于复杂与制程工艺不断提升，封装环节的技术提升，有望为芯片的性能提供额外的附加值，提高半导体产品价值的同时降低成本。目前先进封装演进方向主要分为减小尺寸的方向，主要实现方式是 FC、Fan-out、Fan-inWLP 和 Bumping,和异质结融合的方向，主要实现方式是 Sip、3D 封装和 TSV，通过这两类型技术，实现在更小尺寸里集成更多功能，同时实现更高的封装效率。而 Fan-out 和和 Sip 系统级封装是目前被公认的在这两个方向上具有最 大增长潜力的封装技术。
3、受益政策支持与资本助力，国内半导体有望取得长足发展
（1）以史为鉴，国家政策支持是半导体的必要条件
回顾美日韩成功经验，政府大力支持与基础技术研发必不可少。从全球产业发展的角度看，目前中国正处于世界第三次半导体产业转移的浪潮中，回顾历史美日韩发展的成功经历，离不开政府的统筹规划与资金政策的大力支持，以及对基础技术研发的高度重视。
美国半导体产业自上世纪 50 年代以来，历经行业起步、发展、全球化，政府扮演着重要角色。起步阶段：半导体技术研发投入大，美国政府通过直接采购和研发资助的方式助力美国半导体公司完成初步积累；发展阶段：70 年代后期面临日本的崛起，美国政府通过一系列特殊的税收优惠政策，并从国际政治上对日本进行施压，通过一系列法案建立政府与民间的合作关系；全球化阶段：采取保护性贸易政策打击国际对手，保护本土半导体企业。
日本半导体产业成功的核心因素：政府主导核心企业集体研发+选择正确的 发展方向+对基础技术的高度重视。起步阶段：1963 年日本电气公司获得美国仙童半导体的平面技术授权，日本政府要求其进行行业内分享，随后诞生了三菱，夏普，京都电气，半导体产业得到快速发展。发展阶段：八十年代，日本政府决定开发体积更小，性能更强的超大规模集成电路，发起全国范围内规模最大的企业间合作，由日立，三菱，富士通，东芝，日本电气牵头，将大量的精力投入到基础技术中，团队协调与技术融合是成功的关键。从1980 到 1986 年间，日本半导体产业全球市场份额从 26%上升至 45%，美 国为 42%。当时在存储芯片领域，日本电气，东芝，日立三家公司份额超过 90%。全球化阶段：02 年日本政府再次发动技术合作，11 家公司共同研发 系统级芯片，目前日本在部分细分领域已经做到几乎垄断，sony 的 coms 传感器几乎垄断高端市场，信越化学在半导体材料如硅晶圆，光刻胶等领域占据绝对优势。给我们的启示：首先有明确清晰的规划，其次联合国内企业顶尖人才共同研发避免了大量重复投入，不急功近利，重视基础技术的研发。
（2）产业链向国内市场转移，“双增”现象显著
市场总体呈现产业规模与贸易逆差“双增”的现状。我国半导体产业起步时间相比于发达国家落后近 30 年，但随着市场化进程加快，目前产业规模增速远高于全球增速，连续多年保持两位数以上。可以看出，整体的产业链在向国内转移，同时国内需求也在逐年上升。
在产业规模逐渐扩大的同时，半导体贸易逆差也在同步扩大，主要有量，价，技术三方面原因：1，国内工业制造业需求、居民消费需求快速增长，国内 需求端增速超过海外市场，尤其对于高端产品的需求增速加快；2，低端产品与中高端价差过大，从进出口商品总价值上看，半导体贸易逆差仍在扩大；3，反应在量价上背后的核心因素是技术的突破不足，由于集中度过高的行业属性，大部分核心技术仍掌握在国外个别公司手里。由于上述原因，我国半导体产业整体仍处于规模大但技术低的阶段。
（3）政策资本大力支持，未来成长空间巨大
国内产业政策长期大力度支持无疑。自 2016 年以来，国内开始出台了大量政策，包括中央、地方促进第三代半导体产业的发展。在国家集成电路产业投资基金之外，多个省市也相继成立或准备成立集成电路产业投资基金，目前包括北京、上海、广东等在内的十几个省市已成立专门扶植半导体产业发展的地方政府性基金。
多方面资本聚集，为产业发展提供长期支持。
国家大基金二期成立，持续投入力度不减。
……
半导体目前是我国首要支持产业，未来成长空间巨大。根据我国《中国制造2025》规划目标，到 2020 年，集成电路产业与国际先进水平的差距逐步缩 小，全行业销售收入年均增速超过 20%，企业可持续发展能力大幅增强。移动智能终端、网络通信、云计算、物联网、大数据等重点领域集成电路设计技术达到国际领先水平，产业生态体系初步形成。16/14nm 制造工艺实现规模量产，封装测试技术达到国际领先水平，关键装备和材料进入国际采购体系，基本建成技术先进、安全可靠的集成电路产业体系。到 2030 年，集成电路产业链主要环节达到国际先进水平，一批企业进入国际第一梯队，实现跨越发展。当前我国半导体产业的自给率才只有不到 15%，根据《中国制造 2025》的目标，计划 2020 年自给率达 40%，2050 年达到 50%。
三、5G+AIOT 是未来核心赛道，将驱动半导体产业新一轮爆发
1、深度学习大幅提升 AI 芯片算力，是拉动半导体增长的重要引擎
AI 芯片是传统芯片的异构与叠加，在专项计算中性能远超传统芯片。AI 芯片 指针对 AI 算法的 ASIC（专用芯片） ，传统的 CPU 都可以拿来利用执行 AI算法，但是速度慢，性能低，无法实际商用。例如自动驾驶需要识别道路行人红绿灯等状况，CPU 的速度远远无法满足，若用 GPU，在图像识别过程 中计算速度会成倍增加。但单纯的 GPU 功耗较大，而且处理数据单一，因 此 AI 芯片是在原有 CPU 的基础上，增加了相应的 GPU 单元，用来计算神 经网络带来的深度学习算法。在图像识别等领域，常用的是 CNN 卷积网络、 语音识别、自然语言处理等领域，主要是 RNN，两类算法虽然不同，但本质 上，都是矩阵或 vector 的乘法、加法，然后配合一些除法、指数等算法。
AI 芯片算力大约 3 个月翻倍，核心提升在于底层架构。相比于摩尔定律（每 18 个月芯片的性能翻倍） ，AI 训练所需的算力大约 3 个月翻倍，而提升算力的关键是芯片设计，特别是底层的架构设计。目前来看，传统的芯片架构已经难以满足 AI 应用的需要
目前主流的架构分为四种：1、通用类芯片，如 GPU、FPGA 等；2、基于 FPGA 的半定制化芯片代表如深鉴科技 DPU、百度 XPU 等；3、全定制化 ASIC 芯片代表如 TPU、寒武纪 Cambricon－1A 等；4、类脑计算芯片代表 如 IBM TrueNorth、westwell、高通 Zeroth 等。
未来深度学习将成为拉动半导体需求的重要引擎，有望实现年化 47%的增 长。包括 IC 厂商和互联网企业在内，越来越多的厂商开始投入研发或已经推 出 AI 专用芯片。根据 Gartner 统计，AI 芯片在 2017 年的市场规模约为 46 亿美元，而到 2020 年，预计将会达到 148 亿美元，年均复合增长率为 47%。
2、5G SoC 迎来性能爆发增长，未来存量替换与增量终端并存
5G 网络基建期正值高峰，移动端芯片组性能爆发增长。芯片组包括射频集 成电路(RFIC)、系统芯片(SoC)、专用集成电路(ASIC)、蜂窝芯片和毫米波 (mmWave)集成电路。通讯巨头公司许多都在构建调制解调器、RF 前端，或 两者兼得，其中设计的是低于 6GHz 的频谱，并支持 100MHz的信封跟踪(ET) 带宽。5G SoC 性能形成突破的主要原因：CPU 性能的进一步提升，制造工 艺降低至 7nm 以下；GPU 方面，对于图像处理的能力大幅提升；NPU 方面 采用了新的架构。以华为麒麟 990 为例，各方面的提升如下：
5G 终端数量快速增长，SoC 增量与存量并存。GSMA 预计，到 2025 年 5G 连接数量将达到 14 亿，占中国和欧洲连接总量的 30%左右，占美国连接总 量的 50%左右。下游行业应用将成为 5G SoC 发展的主要驱动力。面对多样 化的场景需求，5G 终端将沿着形态多样化和交互多元化发展。在 5G 商用元年，终端的类型和数量已远远超过预期，未来仍会有更多的增量空间及存量替换。相比于 2014 年的 4G 商用元年，市场上只有 4 款 4G 终端，而截止到 今年 9 月 10 日，5G 终端数量已有 136 款之多，对于 5G SoC 的需求有极大 的促进作用。
3、多平台互通成主流趋势，物联网布局掀开半导体另一增长动力
物联网是未来半导体产业的最重要增长动力。IOT 将接替移动互联网成为下个时代的主题，主要原因来自以下几点：智能手机增量有限，来自于功能接近饱和；随通信技术迭代，5G 商用万物互联从技术上已经可以实现；以华 为鸿蒙系统为代表，操作系统已经转向多平台化；AI 技术爆发式发展，相关 技术已经在逐步适配 IOT。
全球范围内，物联网终端数量高速增长。截止 2019 年，全球物联网设备连 接数量达到 110 亿个，其中，消费物联网终端数量达到 60 亿，工业物联网 终端数量达到 50 亿。根据 GSMA 预测，2025 全球物联网终端连接数量将达 到 250 亿，其中消费物联网终端数量达到 100 亿，工业物联网终端数量达到 140 亿，占全球连接数的一半以上。物联网未来主要实现两类功能：对真实物体信息的采集、识别和控制；通过终端通信，将采集到的数据信息传输至决策服务端，并进行决策。主要模块分别为，硬件模块，固件系统模块，应用模块，数据模块，通信接入模块。随着模块数量的爆发式增长，将直线拉动相关半导体需求。
未来应用于物联网的半导体芯片将以针对性与安全性为核心。对于 PC 和手 机 SoC，一系列产品通常可以大量出货上亿片，而物联网意味着要面临各种各样的产品提出很多种解决方案，面临着严重的细分化问题，虽然部分芯片的需求量很大，但总体来说种类散乱，虽然整体规模很大，单一产品或者系列产品的需求量可能并不大，定制化是亟待解决的问题。其次，物联网时代面临的安全问题，源于多终端越和链接通路，因此物联网芯片就有了更多要求，安全性是首要保证。在多样化的背景下，安全问题不同以前可以统一解决。
巨头公司提前布局，从流量争夺到构建生态体系。互联网的增速放缓，发展到一定程度，to B 业务才是增长的主要驱动力。从目前来看，美国的 to B 市 场非常成熟，而国内做 to C 业务的公司不到 to B 的十分之一，这也给巨头们留下了很大的增长空间。发展路径为从无线网络基础设施和基站到智能手机再到物联网设备应用，5G 有望提供一个完全互联的移动世界，其市场范 围从联网汽车、智能城市、智能手机到物联网(IoT)设备，无处不在，从流量 端的争夺，到构建生态体系，科技巨头以在物联网重点布局。
来源：半导体行业观察
