半导体行业研究:成长趋缓下的投资策略.docx
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1、(报告出品方/作者:国金证券,邵广雨、樊志远、赵晋)一.全球半导体行业的腾笼换鸟-强应用抢下弱应用产能的持续性1.1 电动/自驾驱动车用芯片的典范转移2021年全球车厂最大的噩梦就是缺芯减产,在全球疫情趋缓后,因消费者为怕染病减少搭乘搭捷运,公交,出租车,但转而采买新车及二手车,全球市场因此从2020年三季度开始大幅复苏,新能源电动车及L2以上ADAS燃油车的增量又远超传统油车,再加上NXP及英飞凌因美国德州奥斯丁8厂因2021年初暴风雪大停电而停产,日本Renesas厂因2021年3月火灾而停产,而电动车及L2以上ADAS及自驾系统渗透率的提升,更造成车用MCU(每增加一台自驾感测器,雷达,
2、激光雷达,毫米波雷达就需要一个MCU),电源管理芯片,电力功率等芯片缺口越来越扩大,因为结构性缺货,多家产业机构如BostonConsultingGroup,IHSMarkit,TrendForce的研究预测,1Q22全球车用MCU,模拟,电力功率芯片的交期仍超过40周或三个季度,估计2021年全球有将近IOoO万辆车的需求因缺芯停产而无法满足,这相当于贡献2022年超过10个点的增长。我们保守测算全球车厂营收在2022/2023年仍有9%/10%的增长,但全球车用半导体市场在2022/2023年却有24%/20%的同比增长。这对2022年全球半导体增长有2-3个点的贡献。每车芯片价值在202
3、2/2023年有近IO-15%的增长,而每车半导体价值因电动车(估计2035年有70%渗透率)及ADAS/自驾车(估计2035年有超过30%渗透率)的渗透率增加而提升,因先进制程芯片成本增加而提升,因芯片数量增加而提升(主要指模拟芯片),我们认为未来15年,全球车用半导体增长将明显高于车厂营收增长平均达10-15个点,全球车用半导体市场于2020-2035年复合成长率可能超过20%(1-3%CAGR来自于全球车市出货量的成长,9-11%CAGR来自于每车车用芯片数目增长,8-10%CAGR来自于芯片平均单价提升)。我们认为未来15年重点关注的强应用公司包括英伟达Orin的出租车自驾芯片系统,T
4、esla的乘用车FSD/D1自驾芯片系统,高通,地平线,黑芝麻的自驾芯片,Lumentum的激光雷达光源,WolfspeedzRohm及STMicroeIectronics的6/8碳化硅解决方案。图表3:模拟芯片增量,MCU芯片增值AveragenumberofMCUsvsAnalogchipspercar(actualsfromJanuary2002toNovember2021)I I I -O2,ds*fg OW1XfflS一6des 卜LSrW8s 9AwM92B v2gL- *TQ 3W-UarrtdsrtWNTdeSZ工WNL-UerLTdeS!.工LL-UBrOI.,deSovsO
5、L-Uer81Q60-f60-u9ffls8O-uerso.卜O-AWZO-Ur.as90-AWM90-Uaro.a92So-UBrMHJBr8.09as8Zo-Wer人驾到自驾,重点在成本及视觉/Al芯片技术:很多产业专家说未来的自驾车就像装了四个轮子的智能手机,以自驾技术的难度及半导体配谿而言,我们不同意这说法,我们认为自驾车像是装了四个轮子的智能AI服务器(如果透过远端控制软件来协作,自驾车队更像装了四个轮子的智能集群系统),Gartner在2019年四季度预测在2023年,全球有近74.6万自驾车,而目前使用激光雷达来作为视觉功能的SAEL4-L5的自驾车成本要超过10万美元,昂贵的激
6、光雷达感测元件价格5万美元以上,所以很难普及到自用车,像是特斯拉不使用激光雷达,但透过3颗前辂摄像头(60,150,250公尺视觉距离),1颗后辂摄像头(50公尺视觉距离),4颗前后侧边摄像头(80-100公尺视觉距离),12颗环绕车身的超音波感测器(感测距离8公尺),及一颗前谿雷达(160公尺视觉距离)推出的L3等级FSD自驾驶解决方案,整体额外自驾功能成本应该不超过2万美元。我们估计于2035年全球超过30%的汽车销量将具备L3-L5的自动驾驶功能,未来15年的复合增长率达到30-35%o1.2 服务器芯片的迭代加速我们估计全球服务器厂商营收在2022/2023年有5%/7%的增长,但全球
7、服务器半导体市场在2022/2023年却有20%/25%的增长。这对2022/2023年半导体增长各有4-6个点的贡献。每台服务器芯片价值在2022年有超过12%的增长,主要系AI智能服务器比重的提升对AIGPU需求也有提升,而Imel7及AMD5nm的CPU的芯片面积大增估计也对成本及价格进一步提升,PCIEGen5retimerz及DDR5zDDR5内存接口芯片的采用,都对每台服务器芯片有增量,增价效果。因为IntelAMDNvidia在云端,边缘运算,企业,政府,运营商端的技术叠代竞争加速,我们认为未来10年,全球服务器半导体增长将明显高于服务器厂营收增长平均达IO-15个点,全球服务器
8、半导体市场于2021-2035年复合成长率达20%(4-5%CAGR来自于全球服务器数量成长,2-3%CAGR来自于每台服务器芯片数目增长,12-14%CAGR来自于芯片平均单价提升)。根据美国半导体设备龙头应用材料的预估,从2020到2025年,全球每台服务器的半导体芯片价值将增加T音到5600美元,相当于20%的5年复合增长率。归因于每台服务器的芯片数量增加,芯片面积变大,良率变差,处理层数增加,交货周期拉长所造成的结构性缺货,TrendForce的研究预测,2022年3月全球服务器用FPGAz电源管理芯片,高速网络芯片,电力功率芯片的交期仍超过40周或三个季度。图表7:服务器芯片短料交期
9、周数Sener(RankingofComponentsbySeverityofShortage)RankIkmCompanyLeadlinifM:Week)FPGALatticearoud50PMICTexasInstiwetits.ADI(Maxim),Microchip400LANchipBroadcom40MOSFETOnsemiIntel7S叩PhireRapids:英特尔于今年三月份小量出货的新一代服务器芯片Intel7CPUS叩PhireRapidsz虽然是第一次改用Chiplet架构,但在整合四颗372mm2芯片(每颗芯片(tile)有14-20CPU核心)面积的Chiplets
10、后,整体56-80核心芯片面积估计高达1488mm2,是上个世代Icelake产品的三倍大左右,所以定价应该会比IceLake贵三倍左右,我们以为因为核心数不足,芯片面积过大,良率较差,成本高,ABF大载板缺货(层数变多,面积变大,良率变差)等因素,英特尔2022年要靠着SapphireRapids收回过去两年失去的给AMD份额,我们觉得还是有难度。那为何英特尔不改其CPU设计为小芯片架构,我们研究认为主要系英特尔的架构已经有2,4,8颗服务器CPUSocket插槽的主机版,如果每颗Chiplet的CPU有8颗芯片(Tile),那8个CPU的服务器主机板就会有64颗芯片(TiIe)要互相连结,
11、那CPU跟CPU,芯片跟芯片的沟通都要透过UPI通道(UltraPathInterconnect,最高传输速度可达16GTs),那UPI肯定会成为CPU芯片之间沟通的瓶颈。还有就是,英特尔整合了两个DDR5的控制芯片到一颗芯片(Tile)中,4颗芯片就是8个存储器通道,如果是8颗芯片,每颗芯片太小就无法容纳两个DDR5的存储器通道控制芯片,这样也会有瓶颈。而AMD是把存储器控制芯片放在中心的I/O控制芯片上,所以每颗CPU多加几颗芯片没有关系。而且,AMD的服务器架构主要用1,2颗服务器CPUSocket插槽的主板,如果每颗chiplet的CPU有8颗芯片(Tile),那2个CPU的服务器主机
12、版就仅有16颗芯片要互相连结,沟通上就简单许多。AI服务器拉升英伟达云端AI芯片需求:这几年因为Nvidia英伟达的GPU大量被使用在人工智能的云端辨识系统,从每台服务器加两片高速运算GPU卡,4片到8片GPU卡都有,让Nvidia在数据中心芯片市场的份额从2018-2019年的不到10%,到2021年的超过20%,全球人工智能服务器占比也逐年提升至2021年近10%,但光就AI推理及训练加速器而言,英伟达应该有超过95%以上的份额。英伟达的4nm芯片HlOO,芯片面积虽然812mm2,最大耗电量达700W,但其在浮点半精度,单精度,双精度稀疏及理论峰值运算都明显优于同业,为了让HlOO的DG
13、X人工智能服务器系统发挥效能,还要另外配备非常昂贵的320-640GBHBM(高频宽内存)给AIGPU使用,为了控制使用价格昂贵的HBM让总成本不要失控,英伟达决定在2023年初推自家的设计的ARMCPU(Grace)配合其高速NVIink通讯网络(500GB/秒传输速率),可以让CPU/GPU共同分享DDR4/5/HBM存储器达到快取一致性(CacheCoherency),我们认为未来哪家公司能率先推出AI服务器达到CacheCoherency,这就是未来AI服务器竞争者的决胜点之一。图表10:英伟达GraceCPU+GPUAl服务器架构AnewcomputingARCHITECTUREFO
14、RAianddatascienceH0M2IPOORbGPUB.0000ucCPU0G8sNVUNK5000MCMtm-Io-GPU2.000Guc38X30XlnCrttMSysIifnMimofytoGFU英特尔要自推AIGPU抢份额:英特尔今年要推出的AIGPU加速器PonteVecchio(1000亿晶体管,47芯片,tsmc5nmxl6z8核心二128核心(computetile),intel7nmx2640mm2(basetile)ztsmc7nmx2(link)x4再搭配2颗SapphireRapidsCPU的人工智能服务器系统,也需要庞大的DDR5DRAM及HBMDRAMo不同
15、于Nvidia的NVIinkzAMD的InfinityFabric这两者都是独家技术封闭架构,无法适用于CPU及GPU以外其他芯片的连结,Intel支持的CXL可消除CPU与设备、CPU与存储器之的传输瓶颈,创建一个可以支持AI,smartI/O、smartNICzCPUz存储器模组的接口,以服务下T弋的数据中心。可惜目前CXL是建立在PCIEGen5.0的实体及电子层的架构上,目前PCIEGen5/CXL最高只能提供64GBs的双向传输速率,跟Nvlink的500GBs,InfinityFabric的400GBs有6-8倍的差距,可能要等到PCIEGen6/CXL的128GBs技术问世才能进
16、一步缩短与Nvidia及AMD之间的差距。但从2019年3月13日开始,英特尔携手阿里巴巴、思科、戴尔,EMC.IBMz脸书Meta.谷歌、惠普、华为以及微软宣布成立ComputeExpressLink(CXL)开放合作联盟,而目前从Nvlink,InfinityFabricretimer的设计进度来看,要能够领先英特尔达到CacheCoherency似乎还是有很大的难度。1.3 WiFi7芯片将补足5G传输过慢的缺陷晶圆代工12成熟产能逐季疏解:归因于之前大部分12成熟制程工艺28-65nm产能被小尺寸显示驱动触控,射频收发器,摄像头感测芯片,影像信号处理器,MCU微处理器等所用,全球WiF
17、i5,WiFi6SoC出货始终处于严重供不应求,但2022年因消费性智能手机,笔电,TV需求转弱,我们预期12成熟制程产能将逐季释放到WiFi5zWiFi6,WiFi7的芯片生产,这将利好于WiFi芯片SoC及RF射频前端市场未来五年的加速放J,/新应用加速WiFi7迭代更新:元宇宙的VRAR,4K/8K超高清视频,低延迟游戏机,补足5G旗舰手机传输过慢的缺陷,将驱动3倍带宽WiFi7终端及路由器芯片的迭代更新,尤其利好于高通的XR芯片+WiFi67z晶晨的STB/TV芯片+WiFi67z高速游戏机+博通,瑞昱,高通,联发科的独立WiFi6/7芯片;WiFi7将驱动WiFi芯片市场结构性放量:
18、我们评估WiFi7的带宽比WiFi6增3倍加上摩尔定律微缩趋缓,这将带动WiFi7芯片在单价及芯片面积上大于WiFi6近50-100个点以上,这将形成一支大量消耗67nm芯片产能的需求怪兽;智能手机及商用/工业用/家用WiFi芯片市场国产替代偏低,未来潜力庞大:除了物联网WiFi已有国内芯片公司相继投入外,国内智能手机,商用/工业用/家用接入网及网关路由器WiFi芯片市场国产替代偏低(明显低于5%),以2025年全球45亿颗WiFi主芯片市场及射频放大器前端从整合到独立的增量市场来看,未来国产替代潜力庞大,尤其利好于国内及台湾地区WiFi芯片产业链公司如乐鑫科技,创耀科技,博通集成,翱捷科技,
19、晶晨股份,兆易创新,立积(射频前端),唯捷创芯(射频前端),及稳懋/宏捷科(WiFiRF晶圆代工)。2 .全球半导体芯片市场2023年增长将明显趋缓我们认为半导体下行周期有分两大类,一种是像1997年亚洲金融风暴,2001年Y2K后电脑更新停滞,2008年全球衍生性商品金融风暴的大规模的需求衰退。另一种是像2012,2015,2019年的需求增长减缓,配合半导体产能陆续开出而造成的供过于求及芯片价格下跌调整。虽然通胀严重到让各国政府央行接连升息,但半导体厂尽力将设备涨价,折旧,材料,人工,电力成本的提高来转嫁给需求更多产能的强应用客户;加上摩尔定律微缩大幅趋缓,芯片面积越来越大,良率越来越差,
20、我们预期未来20-30年全球芯片制造成本及晶圆代工平均单价将逐年攀升4-5个点或以上,我们将不再像过去30年因摩尔定律微缩加速而看到明显的芯片成本及平均芯片价格下降。我们因此测算未来10年(2021-2031)全球逻辑芯片营收将有10-11个点的复合增长率CAGR,高于过去10年复合增长率的5.9%o图表14:全球晶圆代工价格变化7,0006。LeSJHg9Z6OlC寸 99Z6OlCI 寸 OOOOOOOOOOOOOOOOOOOOO LeCO b LCXICO 寸 LCXlCO 寸 LcMco 寸 LcXJcO 寸 L6,0005,0004,0003,0002,0001,000TSMCUS$
21、/12”-SMlCUS$/12”UMCUS$/12心HuaHonqSeFCI融融3 .成熟制程晶圆代工/封测趋缓可期,先进制程相对稳定归因于海外及国内芯片设计客户因担心晶圆代工涨价而提前大幅建立库存将库存月数从过去的低于平均,2022年一季度的3.6/6.5个月,到2022年二季度预期将超过4.0/7.0个月,加上智能手机/笔电/电视/成熟型消费性电子等产品的出货量增长明显减弱,但受惠于许多强应用产品组合的迭代更新(电动自驾车,服务器,VR/ARz新能源及工业用,WiFi6/7)及反应设备,材料,电力,人工成本的涨价,我们估计2023/2024年全球晶圆代工营收同比增长10%12%,明显低于2
22、021/2022年的29%/28%,其中台积电及英特尔代工营收同比增长超过平均,其他如联电,力积电,中芯国际,华虹,世界先进,Globalfoundries营收同比增长低于市场平均,受惠于英特尔,高通,英伟达的5nm4nm3nm加单/转单,我们预期台积电2023/2024年平均单价将年增长5-10%,其他晶圆代工平均单价持平,行业整体平均产能利用率从二季度的100%,逐季下滑到1H23年上半年的90%左右。因为成熟制程,尤其是12晶圆产能利用率下滑,我们评估全球晶圆代工资本开支将从2021/2022年的55%/38%同比增长趋缓到2023/2024年低于10%的同比增长,或不排除步入同比衰退。
23、归因于智能手机/笔电/电视/成熟型消费性电子等产品的出货量增长明显转弱,加上台积电及英特尔积极布局抢入服务器高速运算GPU/CPU/FPGA的小芯片大载板封测业务及成熟制程芯片封测没有涨价空间,我们预测2023/2024年全球封测营收增长8%/8%,低于2021/2022年的25%/10%o(报告来源:未来智库)4 .半导体设计:把握弱应用向强应用转换的投资机遇4.1 智能化+缺芯潮驱动模拟芯片持续量价齐升需求端:汽车电动+自驾、工业自动化及5G通讯建设推动22年全球模拟芯片继续量价齐升。ICInsights预计2022年模拟芯片总销售额将增长12%至832亿美元,出货量同增10-11%。从需
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