来源 :千帆竞渡电子研究


核心观点


景气度持续高涨,缺货涨价潮来袭。20年下半年以来,缺货涨价已成为半导体行业主旋律,缺芯甚至影响到下游终端市场正常运行。其中最严重的当属汽车市场,IHS预计二季度汽车减产将达130万辆。
与缺货涨价潮随之而来的是全球半导体景气度的持续高涨,2021年1月全球半导体行业销售额同比增速高达13.2%。WSTS、Gartner、IC Insights等各大机构纷纷上修预期,IC Insights更是预计21年全球半导体市场增速有望达19%。
那么缺货涨价潮起因如何,供不应求趋势预计将持续多久?本文从供需两大角度详细拆解,并基于长期视角探讨半导体行业未来机遇。
需求端:量化汽车、手机、矿机等下游市场驱动力。各下游市场缺货存在各自结构性的原因。正文中我们以最受关注的汽车与智能手机市场为例:
1)汽车:断崖式缺货将缓解,长期紧张持续。车用MCU紧缺是造成汽车断崖式缺货的主要原因,目前全球约70%的车用MCU由台积电生产,顶级供应商对台积电依赖度高。20年上半年,受疫情冲击汽车销量不佳,整车厂遵循JIT经营模式而大幅砍单,2H20汽车芯片占台积电营收比例由5%-6%降至2%-3%。而下半年开始汽车销量反弹超预期,整车厂重启拉货,但由于供应难以快速恢复,远无法满足市场需求。
不过一季度起,台积电将以超级急单方式插单生产汽车芯片,我们认为三季度起汽车严重缺芯可能将逐步缓解,但长期来看车用MCU、IGBT等功率器件仍将维持供需紧平衡状态。
2)智能手机:需求渐进复苏,各大厂商对21年指引乐观。20年上半年受疫情扰动,手机市场销量不佳。下半年全球手机市场快速复苏,再加之华为事件,各大手机厂加大了备货力度。但由于SOC供应商的准备不足,手机出货仍不及预期,参考舜宇光学的月度模组出货数据,11、12月的模组出货量降至4000万+,同比降幅在20%以上。不过进入2021年,中低端机型的套片供给快速改善,依旧缺货的芯片主要有旗舰机套片,CIS,电源芯片。
经历前期一季度的补库存浪潮后,当下手机市场需求端数据环比放缓,开始回归常态水平,展望后市,我们认为各大龙头厂商积极备货抢占市场蛋糕的动力不可忽视。当前各大手机厂的规划加总,一定程度上或超整体市场需求量。后续伴随着智能机竞争格局重回稳态,市场的不确定性将减弱。
供给端:产能为王,剖析各制程产能紧缺原因。与上一轮2017-2018年全球8英寸晶圆产能紧缺不同,本轮呈全线产能紧缺的态势。
5nm -7nm产能长期供不应求。由于高技术难度和研发成本居高不下,先进制程逐渐为少数晶圆厂垄断,目前仅有台积电、三星两家在7nm及以下工艺角逐。先进制程代工成为卖方市场,出于对高性能运算需求的驱使,一有更先进制程新产能爬出便遭苹果、高通、AMD、英伟达等瓜分,如PC、服务器、游戏机的CPU、GPU,矿机ASIC芯片等需求爆发,皆是5nm -7nm产能供不应求的关键推手。
10nm-20nm产能紧缺已有部分缓解。14nm主要用于生产4G手机处理器、服务器芯片、机顶盒芯片、安防芯片、物联网SOC等,且据IC insights数据,10-20nm产能占比在38.4%,为各制程产能中最大占比。未来伴随着5G渗透率提升,4G手机需求亦将下行,该制程段的产能紧缺将进一步缓解。
40-65nm工艺长期维持供需紧平衡,需求爆发与挤出效应加剧产能紧缺。40-65nm工艺制程需求旺盛,下游囊括车载MCU、CIS、IOT通讯芯片、Nor Flash等众多下游市场,长期以来维持供需紧平衡状态,而一旦有某市场需求快速爆发,便容易挤压整体产能造成缺货。进入21年以来,为缓解汽车严重缺货,台积电以超级急单方式插单生产汽车芯片,转移部分触控面板驱动IC和CIS用产能,导致CIS、WiFi蓝牙芯片、Nor flash等更为吃紧。
8英寸晶圆产能长期扩产不足,产能持续紧缺。8英寸主要用于生产模拟IC、功率器件、传感器芯片等,下游需求集中在汽车、工业、智能手机等。长期以来8英寸晶圆扩产力度较小,2016-2019年均复合增速在3.7%。且由于众多6英寸及以下尺寸晶圆厂被关闭或改建,增加8英寸晶圆产能负担。近两年来,8英寸主流晶圆厂产能利用率长期维持在90%以上。随着20年下半年以来各下游需求快速爆发,产能远不能满足供给。
库存需求共振,半导体景气持续度望超预期。半导体景气度持续高涨,但市场质疑库存水位过高之声不绝如缕。我们分别统计了半导体产业链库存、渠道库存、模组厂和终端下游库存情况,整体来看目前库存处于良性水位,如Q4半导体龙头库存达583.62亿美元,同比增长21.66%,达到历史高位。但库存周转天数从19年Q1的60天下降到20年Q4的43天。
且参考历史经验,新周期补库存的上行阶段一般持续4-5个季度左右。而本轮补库存周期刚刚开启,未来虽然或有小规模的调整,但大趋势将全年向上。同时,我们认为本轮半导体行业缺货涨价,并非仅有库存周期推动,更应该重视的是,当前迎来5G、AIOT、汽车电子等新一轮的需求爆发,半导体市场将迎来长达5-10年的需求周期。我们在正文中亦对汽车电子的晶圆需求做了详细测算。
与市场不同之处:
1、我们于本文中详细探讨了半导体缺货现状,从需求端梳理了汽车、手机、PC、服务器、矿机等下游市场结构性缺货缘由,并从供给端针对各制程产能紧缺原因进行了深度剖析。我们认为,疫情后下游需求集中爆发是本轮缺货涨价潮的导火索,因中美关系不确定性而带来的产业链恐慌性备货,则部分放大了需求的弹性。而5-7nm先进制程长期不足,40-65nm工艺长期维持供需紧平衡,8英寸(90nm以上)长期几无扩产,则导致供给难以及时响应。
2、针对投资者担忧的库存问题,我们也探讨了目前半导体全产业链库存情况。基于半导体产业链库存、渠道库存、模组厂和终端下游库存数据,我们认为目前库存处于良性水位,且参考历史经验,新周期补库存的上行阶段一般持续4-5个季度左右。而本轮补库存周期刚刚开启,未来虽然或有小规模的调整,但大趋势将全年向上。同时,我们认为本轮半导体行业缺货涨价,并非仅有库存周期推动,更应该重视的是,当前迎来5G、AIOT、汽车电子等新一轮的需求爆发,半导体市场将迎来长达5-10年的需求周期。

一、景气度持续高涨,缺货涨价潮来袭
1:全产业链缺货涨价,汽车市场最为紧缺
晶圆代工、封测产能紧缺,催动涨价潮来袭。自20年下半年以来,全球半导体景气度持续高涨,缺芯涨价潮越演越烈,涨价环节先由晶圆代工、封测环节,而后传导至芯片乃至终端产品。最早联电、格芯和世界先进等多家晶圆代工厂针对8英寸代工急单与新增投片订单报价上调约10%-15%,此后价格不断上调。而进入21年,涨价潮从8英寸蔓延至12英寸,据台湾Technews报道,联电21年年初调涨12英寸晶圆代工报价,涨幅视合作程度而定。台积电也于21年开始首次取消了对大客户接单折扣,目前订单排产至22年上半年。
封测端同样供不应求,打线封装、覆晶封装全面吃紧。20年四季度IC封测龙头日月光投控已对第四季度的封测新单和急单调涨约20%至30%,20年11月份再度宣布2021年1季度再调涨封测报价约5~10%不等。且公司于业绩说明会上预计,公司产能维持满载,打线封装短缺将持续至2021年。

涨价缺货更进一步传导至终端产品,其中受影响最大的当属汽车市场。汽车中需用到大量MCU及MOSFET、IGBT等功率半导体,如正常情况下MCU交期在8周左右,而目前英飞凌、恩智浦、瑞萨电子等国际大厂交期普遍高达24-52周。由于芯片短缺,下游本田、日产、丰田、福特、大众、通用等整车厂均相继发布停产或减产规划。此前IHS预计2021年一季度由于芯片短缺所引起的轻型汽车减产数量将达67.2万辆,近期更是由于美国德州暴雪及Renesas芯片厂火灾,预计二季度的汽车减产130万辆。

2:半导体行业景气度持续高涨
(1)全球半导体销售额持续高增
半导体行业缺货涨价对于景气度的助推显而易见,2021年1月全球半导体行业销售额同比增速高达13.2%。全球半导体产业自2019年下半年以来探底回升,2020年虽受新冠疫情冲击,但仍表现出较强韧性,且2020年下半年随着疫情受控,行业景气度持续高涨。从销售端高频数据看,2021年2月份全球半导体销售额395.88亿美元,同比增速达14.66%。其中中国市场137.35亿美元,同比增长18.91%。

机构纷纷上修21年全球半导体市场预期。从全年来看,WSTS于2021年3月份修正了全球半导体市场预期,预计21年全球半导体销售额达4882.74亿美元,创历史新高。同比增长由原来的8.4%上修至10.87%,此外,Gartner、IC Insights、IDC也纷纷上调了21年全球半导体销售额预测。其中,IC Insights更是表示,2021年一季度全球半导体市场环比将增长2%,若二季度环比增长3%,三季度环比增长8%,四季度环比持平,则21年全球半导体市场增速更是将达19%。其中主要由出货量增长17%,ASP增长1%所驱动。

(2)北美半导体设备商出货再创新高

半导体设备作为半导体产业链的最上游,是半导体产业景气度的风向标。同时,我们回顾历史数据可以发现,北美半导体设备出货金额与费城半导体指数呈强关联。因此观测半导体设备行业景气度对于预判半导体全行业周期有着重要的参考价值。从北美半导体设备制造商出货额来看,2019年10月以来持续17个月同比正增长,且21年1、2月份同比增长均在30%左右,绝对金额更是突破30亿美元。

晶圆厂产能扩张,半导体设备将持续维持高景气度。在全球缺芯潮泛滥之际,各大晶圆厂开始谋划产能扩张,台积电预计在接下来三年投入1000亿美元增加产能。英特尔也斥资200亿美元在亚利桑那州现有园区新建两家晶圆厂,并进军代工业务,预计工厂将于2024年投产。而海力士将投资1060亿美元在韩国建设芯片工厂,将于四季度动工,2025年建成投产。国内方面,中芯国际3月17日公告称将投资23.5亿美元,重点生产28纳米及以上制程芯片,预计月产能4万片12英寸晶圆,于2022年开始生产。虽然新建产线最早也需于2022年开始贡献产能,产能紧缺问题仍将持续。但新一轮高资本开支预示各大晶圆厂看好后期景气度,半导体设备出货额也将持续维持强劲。

半导体产业链持续缺货涨价新闻迭出,以及半导体销售额持续提升,均彰显此次半导体景气度之高涨。那么,此次半导体高景气度受何因素驱动?供不应求趋势将持续多久?我们将从供需两大角度详细拆解。并基于长期视角探讨半导体行业未来机遇。

二、需求端:量化汽车、手机、矿机等下游市场驱动力
从半导体产业下游需求结构来看,据IC Insights数据,计算机、通讯、消费为前三大下游市场,2019年占比分别为35.6%、35.6%、11.8%。而随着汽车电子化发展,汽车市场占比持续提升,自1998年的4.7%提升至2019年的8.7%。展望2024年,汽车市场占比将进一步提升至9.7%,凸显汽车电子的高成长性。而计算机、通讯、工业等市场,也将迎来应用结构的转换,5G等新兴应用同样将长期推动全球半导体持续成长。

1:汽车:断崖式缺货将缓解,长期紧张持续
虽然汽车电子需求正快速增长,但占半导体总产能比例有限。一般而言,由于车用芯片型号固定,需求稳定,并不易出现“缺货”现象。但此轮缺货潮却始于汽车行业的断崖式缺芯,究其原因,我们认为主要有以下几点:
(1)JIT经营模式无法灵活应对需求波动。汽车整车厂普遍采用JIT(Just in Time)经营模式,尽力减少库存水平。JIT生产方式起源于日本的丰田汽车公司,其基本思想是“只在需要的时候,按需要的量,生产所需的产品”,追求无库存或库存最小的生产系统,以降低成本,提高利润。采用该种生产模式,使得车企过去持续保持低库存,专注于成本效益。然而低库存在应对需求大幅波动时较为无力,易受供给端掣肘。
(2)20年下半年开始汽车销量反弹超预期。20年由于疫情冲击,上半年汽车销量不佳,车企上下游产业链及多家咨询机构对汽车市场预测悲观,整车厂开始向代工厂提出减产。
然而,下半年随着疫情逐渐受控,汽车需求快速复苏,尤其是中国市场快速反弹。中国汽车工业协会数据显示,2020年下半年,中国汽车销量强劲增长,自5月起销量同比增速均在10%以上,全年销量为2526.76万辆,同比下降仅为1.89%,远高于前期市场预测。整车厂前期库存储备不足,在应对需求快速反弹时,虽提出急单需求,但由于晶圆厂产能调整尚需时间,所以呈短期内断崖式缺货的态势,不少车企减产或停产。

(3)车用MCU为供应瓶颈,台积电产能分配至关重要。MCU短缺是当前车厂纷纷停产或减产的主要原因。汽车电子化发展对MCU需求大为提升,平均单辆汽车搭载超20个MCU以上。且每款车都依赖多家MCU供应商,如奥迪豪华SUV搭载的38个MCU采购自瑞萨、恩智浦等七家供应商。而整车厂对上游把控能力强,芯片供应商需建立较长时间的认证过程,因此短期内无法由某家供应商切换至另一家供应商,在MCU供应受限情况下,供给也只能依靠增加产能解决。

目前全球约70%的车用MCU由台积电生产,顶级供应商对台积电依赖度高。但由于整车厂在疫情期间大幅砍单,2H20汽车芯片占台积电营收比例由5%-6%降至2%-3%。四季度疫情缓解时,整车厂重启拉货,但台积电产能需提前预定,供应难以快速恢复,远无法满足市场需求,从而出现断崖式缺货的现象。

汽车严重缺芯预计有望于下半年缓解,但长期仍维持供需紧平衡状态。业界普遍认同的观点是汽车缺芯将于21年下半年迎来缓解,如中国汽车工业协会副秘书长李绍华认为,汽车芯片缺芯问题预计仍将持续半年以上,三季度有望进入新的供需平衡阶段。但是近期由于美国德州暴雪及Renesas芯片厂火灾加剧芯片紧张,IHS预计二季度的汽车将再减产130万辆。

从供应链角度来看,车载芯片晶圆厂生产平均需2-3月以上,封装环节需1月左右,而当前整体晶圆代工紧缺,芯片交货期延长至26周以上,且部分需求较大的组件更是延长达38周(9个月左右),因此当前芯片到整车生产周期至少需半年以上。
一季度起,台积电以超级急单方式插单生产汽车芯片,转移部分触控面板驱动IC和CIS用55nm工艺产能。近期台积电总裁魏哲家在一季报投资者会议上表示,车用芯片吃紧自三季度起可大幅改善。但长期来看,随着汽车电子化率提升,对车用芯片需求显著提升,我们预计SIC、IGBT等功率器件长期仍将维持紧张状态。

2:智能手机:需求渐进复苏,各大厂商对21年指引乐观
2020年作为5G手机大规模普及的元年,市场本预期会有较高增长。但疫情扰动影响了整体市场销量表现,也放缓了5G的渗透速度,全球5G渗透率仍在20%以下。而中国受疫情影响较小,5G手机渗透率达50%以上,引领5G市场发展。

需求快速复苏,但芯片供应不足。2020年下半年尤其是Q4,全球手机市场快速复苏,再加之华为事件。各大手机厂加大了备货力度。和汽车行业一样,手机芯片厂商,尤其是SOC供应商的准备不足,并未有充足订单储备。参考舜宇光学的月度模组出货数据,11、12月的模组出货量降至4000万+。同比降幅在20%以上,环比亦有显著滑落。

但与汽车行业不同,手机行业的流动性更快、周转天数更高,故品牌商一向有备库存的习惯,所以并未出现断崖式缺货的窘境。同时,由于海外市场仍以4G方案为主,而4G中低端芯片主要集中在10nm等相对不是那么紧缺的制程。所以进入2021年,中低端机型的套片供给有了快速改善,一季度的舜宇模组出货量亦有显著提升,其中2、3月同比增长高达50%以上。对于手机厂而言,我们预计小米在2021年Q1出货量达5000万台,同比增长69.92%,环比增长15.39%。

当下,虽然手机行业仍受缺货困扰,但相较前期缺货状况已有显著改善。目前依旧缺货的芯片主要有:旗舰机套片,CIS,电源芯片。据信达电子产业链调研,旗舰机处理器高通骁龙888在三星处代工良率不足50%;前期德州暴雪亦影响了高通RF Transceiver及三星CIS在三星德州工厂处的生产;此外快充需求的旺盛,使得手机Charger相关的电源芯片数量显著增多。
经历前期一季度的补库存浪潮后,当下手机市场需求端数据环比放缓,开始回归常态水平。展望接下来的手机市场,我们认为,手机行业整体出货量将回归2019年水平。但经历疫情洗礼,龙头厂商集中度将进一步提升。前期LG等三线手机厂牌官宣停产正是集中度提升的典例。同时,华为事件影响下,各大龙头厂商积极备货抢占市场蛋糕的动力亦不可忽视。不过,目前我们了解到各大手机厂的规划加总,一定程度上超出了整体手机市场需求量。后续伴随着智能机竞争格局重回稳态,市场的不确定性将减弱。


3:PC、游戏机:宅经济下需求快速爆发,景气度长期向好
“宅经济”方兴未艾,PC、平板电脑需求高涨。过去,PC、平板市场需求长期保持稳定,并伴随关键硬件的升级迭代呈现一定的周期性波动。而20年疫情催生居家办公、线上教育、在线娱乐等需求,自Q2起PC、平板出货量大幅提升。Q4全球PC销量达9159万台,平板销量达5220万台,均创近年来历史记录。PC约占半导体下游的35.6%,因此虽然20年疫情期间汽车、工业等下游不振,但PC、平板电脑需求高涨带动半导体市场维持正增长。
虽然市场普遍认为PC、平板电脑的爆发性需求主要受疫情催化,但我们认为,疫情后人们生活方式、生产方式已有改变。再加之数字货币狂潮对游戏电脑、笔记本的需求推动。2021年Q1,全球PC出货量达8398万台,同比增长达55.2%。虽然因一季度为PC传统淡季,出货量环比下降8.3%,但此次为2012年以来圣诞节后一季度下跌幅度最小的一次。

新品游戏机上市,需求爆发挤压台积电先进制程产能。疫情隔离期间,索尼和微软等游戏主机同样销量火爆。PS5和Xbox Series X/S于21年11月份正式开始发售起,便遭断货式热销,需求量远大于厂商生产规划。
PS5和Xbox Series X/S采用AMD定制化7nm处理器,由台积电代工。据台积电Q4主要芯片出货量预估表,PS5和Xbox Series X/S合计占用产能约12万片,约占台积电7nm产能的1/4-1/3。在游戏机供不应求的同时,AMD产能倾向PS5和Xbox Series X/S定制化芯片,导致锐龙5000系列处理器和Radeon RX 6000系列显卡等产能不足。不过Q1起,AMD调整了产能分配,目前锐龙5800、5600、3600等缺货现象有所缓解。

4:服务器:疫情期间服务器需求快速爆发,当前库存去化或接近尾声
疫情期间在线需求推升服务器市场。2020年上半年受疫情影响,在线会议、视频、游戏激发服务器需求,服务器出货量Q2快速攀升,同比增长达18%。服务器厂商在20年上半年对上游处理器和存储芯片大量备货。而下半年随着疫情好转,服务器市场进入去库存阶段,出货量同比持平且略有下滑。
作为全球服务器CPU龙头,我们也可通过英特尔DCG业务营收及预期跟踪服务器景气度,20年英特尔DCG业务表现基本与服务器出货量高度一致。而从21年一季度来看,Intel指引一季度的数据中心业务营收同比下滑25%;剔除NAND业务后,数据中心业务营收同比下滑15%,显示一季度仍承压。

从资本开支来看,20年FAMG四大云厂商资本支出持续提升,4Q20更是破历史记录,达到290.9亿美元,同比增长53%。但云厂商资本支出与服务器及英特尔DCG营收出现一定的背离,我们认为主要因目前政企端对服务器市场推动力更大。如英特尔DCG业务各细分部门中,政企云增速为-47%,招致整体DCG营收同比下滑7.48%。展望21年,云厂商资本开支依旧维持高增。如Facebook预计21年资本开支在210-230亿美元,同比增长38.97%-52.17%。

从较为高频的数据来看,服务器市场已有转暖迹象。信骅主要产品是服务器管理芯片,在服务器领域市占率较高,且自2018年以来其季度营收与Intel数据中心业务表现较为趋同,因此其月度营收和订单情况对服务器景气度或有一定的前瞻性。目前,信骅月度营收已经连续五个月(2020年11月-2021年3月)正增长,一定程度上反映出服务器市场的转暖迹象。同时,英特尔目前正在交付10nm服务器处理器芯片Ice Lake,并且一季度将增加出货量,随着新一代处理器的推出,将推动服务器新一轮需求。

5:矿机:虚拟货币市场热潮汹涌,ASIC矿机、高端显卡供不应求
虚拟货币价格节节攀升,挖矿需求火热。自20年9月以来,比特币持续走高,并带动以太币等其他加密货币同样价格节节攀升。相较9月份低点,比特币价格涨幅最高已达5倍之多,以太币价格涨幅最高同样也达4.6倍。随着虚拟货币的价格持续攀升,挖矿热潮汹涌,大量“矿工”投入资本进入挖矿市场。

ASIC矿机芯片采用先进制程生产,面临CPU、GPU产能竞争。比特币挖矿原理,即在单位时间内完成更多次的SHA256哈希值运算,直到找到产生特定哈希值的字符串。算力越高,获得比特币奖励的概率越大。对算力的追求推动了矿机的发展,从CPU、GPU到FPGA、ASIC芯片矿机,矿机的发展历程经历了四个阶段。自2013年起,ASIC矿机成为挖矿首选。ASIC芯片算法单一、重复性强、运算量巨大,算力是CPU和GPU的数万倍。

矿机ASIC均采用先进制程生产,如比特大陆ASIC矿机蚂蚁S19 Pro采用台积电7nm工艺芯片,神马M30S矿机采用三星8nm芯片,嘉楠采用中芯国际的N+1芯片。但全球先进制程长期维持供不应求,矿机ASIC芯片产能面临CPU、GPU竞争。目前专业矿机严重紧缺,如全球矿机市场龙头比特大陆官网显示,其第一批次S19j 90T矿机早已售罄,下一批发货时间预计需等到21年10月份。

高端显卡供不应求,价格暴涨。除比特币外,以太坊等虚拟货币矿机仍以显卡矿机为主,且与ASIC矿机动辄数万售价不同,“矿工”仅需自行组装显卡矿机或直接通过个人电脑便可挖矿,参与门槛较低,高涨的虚拟货币行情也吸引了较多个人矿主,显卡用量大为提升。此外,英伟达和AMD在20年9月和11月相继发布的RTX 30系列和RX 6000系列显卡新品,分别采用三星8nm工艺和台积电7nm工艺,性能大幅提升,但发售价提价幅度较小,极高性价比吸引大量游戏爱好者购买需求。
矿机与游戏本电脑等需求推动下,高端显卡价格暴涨。据我们从淘宝等平台统计,相比于发售价,如英伟达3060-3090各型号显卡涨价幅度高达107%-193%不等。

虚拟货币行情有望持续,矿机需求仍旺。对于挖矿参与者而言,挖矿纯收益=投入算力所获取的虚拟货币数量×虚拟货币价格-矿机成本及电费等。因此只要单个虚拟货币价格大于所投入成本,仍会不断有参与者涌入,矿机需求仍将持续高涨。下文我们以比特币为例:
从成本端来看,主要的成本即为矿机成本和电费等(忽略矿场折旧和人工成本等)。不过与普通设备考虑物理寿命不同,矿机的使用寿命实际上考虑的是经济寿命,只要矿机的电费支出和日均购买成本支出小于每日收益,便可持续使用。我们简单以1年作为矿机使用寿命进行静态测算。
以全球市占率第一的蚂蚁矿机旗下新品S19j 90T为例,其售价为36450元,算力为90TH/s,墙上功耗为3100W。目前全网算力为166.83EH/s,则所需该类矿机数量为185.37万台。以矿场主要所在地西南地区电费作为参考,则平均电费为0.4元/千瓦时。我们简单测算每年全网矿机成本为675.66亿元,电费成本为201.36亿元。目前一年可产比特币数量为32.85万个,则单个比特币成本为26.70万元(3.99万美元),如仅考虑电费可变成本,则比特币成本降至6.13万元(0.94万美元)。作为对比当前比特币价格约为37.28万元(5.8万美元),因此从静态角度来看,我们认为当前比特币挖矿仍是暴利。

那么如何研判比特币行情的持续性呢?我们回顾了近年来比特币价格走势,2013年以来经历了三次较大波动,主要受货币政策、监管政策和投资者情绪等因素影响。而当下,疫情后为刺激经济,目前全球货币政策偏宽松。且当前如特斯拉、Microstrategy等机构加速入场,助推虚拟货币市场热情。在监管政策不发生巨大变化情况下,虚拟货币价格中短期内有望维持在高位。

矿机需求对全球晶圆产能的挤压效应。自20年下半年以来,伴随着比特币行情的高涨,全网算力也大幅提升,从20年年中平均100EH/s提升至当前为166.83EH/s,增加66.83EH/s。若以S19j 90T为例,则需购买约74.26万台该款矿机。S19j 90T采用台积电5nm制程,据信达电子产业链调研,平均20台该类型矿机的算力芯片就会消耗一片12英寸晶圆,则全网算力增加至少需3.70万片以上先进工艺制程12英寸产能。

三、供给端:产能为王,剖析各制程产能紧缺原因
上文我们从需求端梳理了各下游市场结构性缺货缘由,但全球缺芯困境更多归咎于晶圆厂产能的不足。近年来全球晶圆厂产能仅维持小幅增长,参考IC Insights数据,2019年全球晶圆产能约为2.31亿片(等效8英寸),2020年约为2.48亿片,同比仅增长7.3%。
回顾历史,伴随着摩尔定律的发展,晶圆持续大尺寸化,从1965年诞生的2英寸直径晶圆(50mm),到4英寸(100mm)、5英寸(125mm)、6英寸(150mm)、8英寸(200mm),再到2000年12英寸晶圆开始成熟应用。12英寸晶圆厂逐渐成为主流,2020年全球总产能占比69%,而8英寸及6英寸占比分别为25%及6.0%。

与上一轮2017-2018年全球8英寸晶圆产能紧缺不同,本轮缺货呈全线产能紧缺的态势。目前仅有12英寸14nm-28nm制程略微缓解,其余如5-7nm先进制程、40nm-65nm成熟制程,以及8英寸产能仍有紧缺。

下表中,我们简单梳理了各主流制程所生产的芯片类型,接下来我们将分制程详细讨论各制程的缺货情况。

1:12英寸:7nm以下先进制程和40-65nm制程最为紧缺

5-7nm产能长期维持供不应求趋势。高性能运算需求驱使工艺制程不断微缩,不过由于高技术难度和研发成本居高不下,先进制程逐渐为少数晶圆厂垄断,目前仅有台积电、三星两家在7nm及以下工艺角逐。正是由于其稀缺性,一直以来先进制程代工为卖方市场,产能长期满载,一有更先进制程新产能爬出便被苹果、高通、AMD、英伟达等客户瓜分。

目前高通旗舰机处理器骁龙888选用三星代工,与台积电5nm芯片产能有限无不相关。而据信达电子产业链调研,骁龙888在三星5nm代工良率不足50%,制约了其产能释放;此外如前文所述,PC、服务器、高端GPU、矿机ASIC芯片等亦是7nm及以下产能长期供不应求的关键推手。

10nm-20nm产能紧缺已有缓解。14nm主要用于生产4G手机处理器、中低端显卡、服务器芯片、机顶盒芯片、安防芯片、物联网SOC等,且据IC insights数据,10-20nm产能占比在38.4%,为各制程产能中最大占比。未来伴随着5G渗透率提升,4G手机需求亦将下行,该制程段的产能紧缺将进一步缓解。

40-65nm工艺长期维持供需紧平衡,需求爆发与挤出效应加剧产能紧缺。如前文所述,40-65nm工艺制程需求旺盛,下游囊括CIS、WiFi蓝牙芯片、Nor Flash、MCU等。无论是CIS芯片面积持续增大,还是降噪耳机等高端应用驱动NORFlash用量提升,亦或是IOT需求爆发带动WiFi蓝牙销量增长,都是长周期的需求驱动力。

21年以来,为缓解汽车严重缺货,台积电以超级急单方式插单生产汽车芯片,转移部分触控面板驱动IC和CIS用产能,又导致CIS、WiFi蓝牙芯片、Nor flash等更为吃紧。如高通CSR蓝牙音频芯片交付周期已达33周以上。NOR Flash市场供不应求,经济日报报道,华邦电和旺宏于Q2再涨价两成左右。
为缓解成熟制程产能紧缺,晶圆厂加大投产。华虹半导体稳步推进12英寸扩产,预计21年年中投片可达3.5-4万片,至年底有望达5.5万片以上;此外中芯国际也在加大12英寸成熟制程产能。3月17日,中芯国际宣布和深圳政府拟以建议出资的方式经由中芯深圳进行项目发展和营运,该项目重点生产28纳米及以上的集成电路和提供技术服务,旨在实现最终每月约4万片12英寸晶圆的产能。预期将于2022年开始生产。

2:8英寸:长期以来8英寸晶圆厂扩产不足,产能持续紧张
8英寸晶圆下游主要以汽车、工业、智能手机、IOT等为主,从占比来看,汽车占比为33%,工业占比为27%,智能手机19%,其它则为白电、PC、平板等。从产品结构看,8英寸晶圆多以生产成熟制程和特殊工艺芯片为主。8英寸中MOS逻辑、模拟、分立器件、光电子占据绝大部分份额,占比分别为25%、22%、15%、16%。

8英寸晶圆产能紧缺,产能利用率持续满载。据IC Insights统计,全球8英寸产能排名前十的公司主要有台积电、联电等晶圆厂及意法半导体、英飞凌等IDM公司。从晶圆厂产能利用率来看,目前各大主流晶圆厂产能利用率持续位于高位,如20年4季度华虹8英寸产能利用率达104.4%,联电整体产能利用率也在99%。

从供给端看,8英寸晶圆产能紧缺原因主要为:1)长期以来8英寸晶圆厂扩产幅度较小;2)众多6英寸及以下尺寸晶圆厂被关闭或改建,增加8英寸晶圆产能负担。
基于成本和投资效益,长期以来8英寸晶圆厂扩产动力不足。一方面,由于12英寸晶圆相比8英寸晶圆面积更大,在材料和工艺成本适度增加的情况下可切割芯片数量越多,芯片成本可下降40%以上。另一方面,12英寸晶圆厂投资效率更高。建设5万片/月产能产线,130nm的8英寸产线所需设备投资约为14亿美元,而90nm 12英寸投资额约为21亿美元,因此等效8英寸产能规模下,90nm 12英寸产线相比130nm 8英寸产线所需投资额较少。晶圆厂更有动力建设12英寸产线。

二手设备难寻,8英寸晶圆厂扩产存在难度。由于晶圆厂逐渐向12英寸升级,也使得设备供应商不再供应8英寸新设备。新建或扩产8英寸晶圆厂,只能通过购买二手设备得方式扩充产能。二手设备供应商SurplusGlobal表示,行业需要2000-3000台新的或翻新8英寸设备来满足8英寸晶圆厂的需求,但可用8英寸设备不到500台。从全球TOP10晶圆代工厂产能看,2017年之后,包括12英寸在内,TOP 10厂商产能基本仅维持小幅增长。此外,即使8英寸产线当前开始扩产,也需要2-3年建设期,短期难以满足产能要求。

众多8英寸以下晶圆厂被关闭或改建,增加8英寸晶圆产能负担。近十几年以来,随着并购整合活动激增,且越来越多的厂商使用20nm以下先进制程技术生产IC器件,而大部分8英寸以下晶圆厂产线过于老旧,众多8英寸及以下晶圆厂关闭或升级为12英寸厂。据IC Insights数据,2009年以来关闭或改建晶圆厂数量高达100家,其中8英寸25家,但更多的则是6英寸及4英寸等晶圆厂,数量高达64家。6寸晶圆产线的关停,使得需求向8寸晶圆转移,进一步增加8寸晶圆产能压力。

3:8英寸供需前景判断,预计紧缺趋势持续至22年
影响8英寸晶圆后续供需前景的因素主要在于:1)剔除备货需求外,半导体下游的实际需求;2)8英寸晶圆产能供给的增幅;3)8英寸向12英寸转产的可能性。

需求角度,我们参考SUMCO指引判断下游晶圆厂需求。半导体硅片作为产业链最上游环节,受下游产业需求波动影响较大。且SUMCO作为全球半导体硅片龙头之一,其业绩判断具有一定的参考意义。根据SUMCO在2020Q4业绩说明会上的指引,由于汽车、消费市场需求快速复苏,21年8英寸晶圆需求预计将达2018年的峰值,即5.7百万片/月。供不应求趋势将维持至2022年。
供给角度,近年来8英寸晶圆扩产力度较小,2016-2019年均复合增速在3.7%。我们根据SEMI 2019年2月份对全球8英寸晶圆产能展望,预计20年-22年全球晶圆分别达6.0、6.2、6.4百万/月。但实际上由于2019年全球景气度下行及2020年疫情原因,8英寸扩产产能将低于SEMI此前预期。
综上,我们预期8英寸供不应求趋势将维持至2022年,而SUMCO在前期的业绩说明会中也给出了同样的判断。

四、库存需求共振,半导体景气持续度望超预期

1:产业链库存水位良性,一季度补库存动力仍在
自20年下半年起,半导体景气度持续高涨,全球半导体销售额及业内公司出色业绩均验证行业高景气度。但市场质疑库存水位过高之声不绝如缕:一方面,因担忧疫情、中美贸易等不确定性因素,产业链下游厂商为确保安全库存而增加下单;另一方面,华为遭美方制裁,给手机市场其他玩家留出抢夺市场蛋糕的机会,OVM等手机厂向供应链加大备货量。而供应链为争抢产能,造成向晶圆厂重复下单。
为精确统计全球半导体产业链库存情况,我们选取了31家具有代表性的全球半导体龙头上市公司。采用整体法测算其库存及周转天数。可见,2020年四季度行业整体库存达583.62亿美元,同比增长21.66%,环比增长3.38%,达到历史高位。不过,从库存周转天数来看,相较19年Q1,目前库存周转天数仍持续下降,从19年Q1的60天下降到20年Q4的43天。具体从产业链各环节来看,四季度库存提升的最大推力主要为制造环节,尤其台积电库存增加明显,Q4库存达48.88亿美元,环比增长29.56%。而Q1财报中,台积电库存54.29亿美元,环比增幅有所放缓。可见库存正在向产业链下游的设计公司转移。
渠道库存仍处较低水位。此外,针对20年下半年起产业链缺货涨价浪潮,也有市场质疑渠道方面为谋取暴利,刻意加大传播芯片短缺假象,而囤货惜售。我们统计了艾睿、安富利和大联大三大全球龙头分销商数据,从渠道库存的角度来看,20年下半年起渠道库存持续下滑,自Q1的87.74亿美金下降至Q4的81.36亿美金,库存周转天数更是由Q1的58天下降至Q4的43天,表明渠道库存亦处于较低水位。

为进一步探究库存压力是否积于模组厂和终端下游,我们也分别统计了歌尔股份、环旭电子、鸿海、广达等11家海内外代工龙头厂商,及苹果、小米、联想、戴尔等终端品牌厂商库存情况。
EMS厂商库存方面,Q3受疫情影响,有较多物料由空运转为航运,所以库存水位有大幅提升,但Q4库存便已大幅下降。同时库存周转天数亦有持续下降,自Q1的53天下降至Q4的36天。
品牌厂库存方面,联想、戴尔、惠普等PC品牌厂Q4库存有一定提升,但周转天数下降至31天,为历年正常水平。我们认为PC需求仍十分旺盛,品牌厂持续扩大21年生产目标。苹果和小米四季度库存均有一定提升,但周转天数均明显下滑,部分体现了四季度手机厂商为抢夺市场而备货的现象,但库存水位仍处良性水平。

为跟踪一季度行业库存水位,我们参考了TPC的最新报告数据。可见1、2月份行业整体库存水位仍在下降,目前仍处于安全水位。
(注:TPC是一家第三方咨询公司,每月更新订单情况和库存水平。其数据统计中采用打分制评估芯片库存水位情况,5分代表库存水位过高,1分代表严重供不应求。样本行业分别为,工业39%,汽车20%,通信20%,计算19%,手机29%,数据中心20%,其他12%。)

目前行业仍处于补库存阶段。由于市场需求变化到晶圆厂生产之间存在错位与时滞,即出现了库存周期。以最具代表性的半导体设计龙头公司库存水位来看,一般半导体库存周期为2-3年左右。自2Q18开始,行业处于去库存阶段,3Q19行业库存到达谷底,行业迎来短暂的补库存阶段,不过由于突发新冠疫情影响,产业链对未来需求判断不清,部分领域开启库存调整。不过20年3季度起,疫情消散,需求复苏,行业重新开始补库存,虽然目前库存水位有所抬升,但周转天数仍在下降。参考历史经验,新周期补库存的上行阶段一般持续4-5个季度左右。而本轮补库存周期刚刚开启,未来虽然或有小规模的调整,但大趋势将全年向上。

2:汽车电子、5G等新一轮需求周期驱动半导体市场长期成长
前文中,我们讨论了半导体行业的库存周期,每轮库存周期持续时间一般在2年左右,可以作为中期景气度指标作为投资参考。不过本轮半导体行业缺货涨价,并非仅有库存周期推动,更应该重视的是,当前迎来5G、AIOT、汽车电子等新一轮的需求爆发,半导体市场将迎来长达5-10年的需求周期。

1)电动化、智能化、网联化驱动车用半导体成长

汽车电动化势不可挡,年均复合30%以上成长增速。20年下半年以来,新能源汽车需求快速复苏,也是全球半导体紧缺的重要推力之一。中汽协数据显示,20年7月份起,新能源汽车销量快速反弹,且连续8个月维持高同比增速。且长期来看,受益节能环保需求驱动,新能源汽车将逐步替代燃油车市场。20年11月份,国务院办公厅印发《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》,到2025年,新能源汽车新车销售量达到汽车新车销售总量的20%左右。我们根据IDC数据预测,2025年中国新能源汽车销量将至少达542万辆,维持年均30%以上复合增速。

汽车电动化带来单车半导体价值量的大幅度提升。新能源汽车中半导体增量主要来自于传感器、MCU和功率半导体,其中,功率半导体为最主要增量。汽车作为封闭系统,内部的电力输出需要通过分立器件及功率MOSFET器件的转化实现,在混动和新能源车型中尤其重要。一般而言传统汽车的电池电压为12V,新能源汽车则大幅提升,纯电动车的动力电池电压普遍大于300V,根据Strategy Analytics和英飞凌统计,传统燃油车中功率器件的单车价值量约为71美金,而纯电动汽车(BEV)中功率器件的单车价值量约为350美金。可以看出,纯电动汽车中的功率器件单车价值量约为传统燃油车的5倍左右。

汽车走向智能化、网联化,自动驾驶级别提升。汽车智能化发展,尤其是智能座舱和自动驾驶技术,对汽车芯片的运算能力提出更高要求,且由于智能汽车需要处理大量的图像、视频等非结构化数据,因此对车载处理器的算力要求将呈现指数级增长。L2级以上需要更强的软硬件能力,半导体厂商和汽车厂商也在不断加大相关领域的投入,以特斯拉为例,该公司已经推出三代自动驾驶硬件,分别是2014年的Hardware 1.0、2016年的Hardware 2.0、2019年的Hardware 3.0,其中2019年搭载的FSD(全自动驾驶)芯片算力达144 TOPS,相较其上一代芯片的24 TOPS大幅增长。
算力增强可以支撑更多的信息处理,对未来L2-L3级的广泛应用起到更好的支撑作用。根据咨询机构IDC的预测,2024年全球L1级自动驾驶汽车出货量将达到约3495万辆,2020至2024年的CAGR为16.9%;而L2级自动驾驶2024年出货量达到约1843万辆,2020至2024年的CAGR为19.8%。

自动驾驶级别的提升会显著带动车载传感器市场的扩张。根据英飞凌的数据,L2级的单车传感器价值量在160-180美元,L2+则有近一倍的价值量提升至280-350美元,而L4-L5级别更是高达1150-1250美元。随着自动驾驶功能日益普及,其级别从L0到L2的逐步跨越,对环境感知要求的也在不断增加,车载传感器将会有量价齐升的机会存在。

在汽车电动化、智能化、网联化驱动下,新能源汽车对晶圆用量大幅提升。新能源汽车中相比燃油车,对功率半导体、MCU、CIS等需求大幅增加,经我们测算单辆新能源汽车中,IGBT等功率半导体用量约为0.4片8英寸片,MCU用量约为0.006片8英寸片,CIS用量0.02片8英寸片,存储用量0.0003片8英寸片,机车芯片用量0.023片8英寸片,则单辆新能源汽车8英寸wafer用量约为0.45片。这与SUMCO数据基本一致。

未来随着新能源汽车渗透率提升,预计至2024年新能源汽车对晶圆需求将达255万片/月(等效8英寸)。

2)5G手机渗透率持续上升,显著拉动半导体需求
智能手机进入存量时代,但5G手机渗透率持续提升。虽然智能手机已进入存量时代,但不可忽视5G手机渗透率提升对半导体市场的需求促进作用。在半导体各大下游市场中,通讯(手机)占比达35%左右,且预计2024年将超越计算机,成为最大下游市场。20年全球手机出货量12.80亿台,其中5G手机出货约1.99亿台,渗透率约为16%。具体来看,中国是5G市场的引领者,5G手机渗透率已达50%以上。据SUMCO综合Gartner,IDC,Omdia三家咨询机构数据预测,2024年全球5G渗透率将达70%,庞大的换机需求将推动整体半导体产业链稳定增长。

5G对存储和逻辑类芯片需求大为提升,是原来4G的1.7倍。相比于4G手机而言,5G手机DRAM由1-12GB升级为6-13GB,NAND由8-512GB升级至128-512GB,AP由4-8核升级为8核,CIS芯片由1-7个升级为4-7个。同时,5G手机还需额外外挂一颗基带芯片或集成于AP之中。5G手机对上述存储和逻辑类芯片需求的提升,也大大提升了12英寸晶圆的需求量。SUMCO测算,5G手机对存储和逻辑类芯片需求是原来4G的1.7倍。

5G推升PMIC及射频组件需求。相较4G手机而言,5G手机的SOC复杂度提升,为主处理器供电的PMU芯片需要升级;同时5G耗电量增加,所以大功率的Charger IC充电芯片也势在必行。此外,由于5G手机需要支持的频段数量增加,对射频组件的需求也大为提升。如据Skyworks数据,4G手机滤波器用量约为40个,而5G手机用量将增加至70个。

我们根据TechInsights三星S10手机拆解数据发现,S10 5G版本相比于4G版元器件价值量提升较多。如射频组件及电源管理增量分别为15美元和3美元。


本篇文章来源于微信公众号:  CINNO


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