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深刻报告:华为芯片谁来制造?

2019-11-10 09:00

4166.com,【电工电气网】讯

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半导体行业的最初业态是被称为“IDM”的经营模式,就是芯片设计、芯片制造、封装测试全部由一家公司完成,别人插不上手。英特尔如此、过去的AMD如此、三星也如此!然而随着半导体行业的不断进化发展,台积电诞生了、联电诞生了、GF诞生了、中芯国际诞生了,晶圆代工企业纷纷独立。另外,封装测试企业独立出来,如日月光等。半导体正式由一体化演化为三个细分行业。

自主创芯·产业报国

1987年,人到中年的张忠谋在台湾创办了台积电。但成就台积电的却是英特尔的安德鲁·格鲁夫,是他将订单交给了制造工艺落后英特尔两代的台积电代工,奠定了台积电起点。从此,世界半导体行业就出现了一个细分行业:晶圆代工业。晶圆代工业最为重要的作用是为那些小规模的芯片设计公司提供了方便的制造资源平台,从而也成就了多家著名的芯片设计公司,例如高通、英伟达等。如果安德鲁·格鲁夫活到现在看到当前英特尔的现状肯定会后悔:当初太大意了,一时善心给英特尔增加了这么多竞争者!


晶圆制造制程水平反过来制约芯片设计

华为海思的芯片经过20年的发展已经在众多领域达到世界顶级水平,甚至在部分领域领跑全球。

时至今日,晶圆代工业已经成为半导体行业的重要行业,台积电2017年的营收已经排进全世界半导体企业的第三名。更关键的是台积电的晶圆制程水平是全世界最先进的制程之一,它已经与英特尔、三星持平甚至略微超出,因此世界顶级的芯片设计公司都选择在台积电代工。

但是,海思只参与了芯片的设计环节。

大陆半导体分进合击:晶圆制造崛起,芯片设计开花

芯片设计只是装个产业链的一个环节,还需要上游的芯片架构+芯片EDA的支持。

中国大陆半导体行业在芯片设计、晶圆代工、封装测试三个细分行业中竞争力依次增强。其中封装测试行业的江苏长电已经排进世界第三名;在晶圆代工方面大陆也在急速追赶,12吋晶圆制造线已经成为全世界的集中地;然而,芯片设计的传统领域仍处于劣势,新应用领域正在迎头赶上。中芯国际、华虹半导体等也已经成为业界知名企业。最为尖端的芯片设计IP部分,中国最为薄弱,但ARM也已经在中国设立了合资企业。

芯片产业链全景图

西方的担忧正变为行动

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一体化的IDM半导体已经演变为芯片设计、晶圆代工、封装测试的分工模式,正因为有了分工,中国半导体行业则采取分进合击的策略,依次从难度较低的封装测试、晶圆代工环节起步,逐步追赶世界先进水平,而在芯片设计领域则利用中国市场的广度和贴近新应用的优势,从细小处突破!而这给了西方半导体巨大的竞争压力,西方正在采取例如贸易、技术转让等多种手段限制中国半导体的成长。

更为重要的是,设计好的芯片需要制造代工环节,这才是半导体的命门和最大门槛!

目前华为的高端芯片制造几乎全部交由台积电完成,模拟芯片的制造也几乎被海外巨头垄断。

所以,未来华为的芯片由谁来制造?

1、先进代工:中芯国际、华力微

2、IDM:闻泰科技、三安集成

3、成熟代工:华虹半导体、和舰

4、特色:士兰、台基、捷捷、杨杰

5、存储:长江存储、兆易、君正

本文来自于6月1日外发60页重磅深度报告

《半导体自主可控全景研究》

报告PDF全文,请联系西南电子团队

半导体制造——产能制程落后,中芯为首齐发力

半导体制造主要分为逻辑芯片、存储芯片制造等。逻辑芯片领域,台积电、三星等承接产业转移的机遇,建立了较强的先发优势,但中芯国际、华虹半导体等大陆晶圆代工企业正在加速追赶,产线规模不断扩大、制程技术不断提高。存储芯片领域长期为三星、海力士、美光等企业垄断,进入壁垒高,国内以长江存储、合肥长鑫为代表的企业已经建立产线、全力攻坚产能爬坡与良率提升。射频芯片方面,尽管Skyworks、Qorvo等国际巨头瓜分了大部分市场,但唯捷创芯、慧智微、中科汉天下等国内企业已经实现阶段性技术突破,市场份额也在逐步提升。

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1.1逻辑芯片:产能两头在外,先进制程落后

在半导体芯片行业,企业模式主要分三种,IDM、Foundry和Fabless。IDM被称为垂直设计和制造企业,是指从设计到制造、封装测试以及投向消费市场一条龙全包的企业,这种模式在逻辑芯片的代表性厂商有英特尔,在存储芯片的代表性厂商有三星、海力士、美光等。Foundry是代工厂,是指不做设计和下游营销,专注加工工艺的整合和产能的提升,最典型的是台积电。而有的公司专注设计,没有加工工厂,业务基本外包给代工厂,称为Fabless,在逻辑芯片领域有AMD、高通、博通等。纳米制程是针对IDM和Foundry而言,Fabless没有工厂,不需要担心纳米制程的问题。他们只需要选择合作对象,给他们设计的芯片进行代工,所以更先进的制程是IDM和Foundry执著追求的目标,一旦掌握了最先进制程技术,意味着可以最早占领市场,形成先发优势,对后进入者可以实施价格打压,维护自己的垄断地位。

半导体制造环节资金壁垒高。产能的扩张需要新建大量厂房和引进大量设备,一般新建一个12英寸生产线需要上百亿元的资本投入。产线建设完成后也需要经过长时间的产能爬坡才能达到大规模生产,因此在厂线使用初期,高额的折旧摊销也会对利润带来侵蚀,因此半导体制造资金壁垒高。半导体制造环节由最初的IDM模式向当今的晶圆代工演化,这使得相当多的公司可以从大量的设备投入、研发费用中解放出来,专注半导体的设计。

半导体制造环节技术壁垒高。在半导体制造环节,除了半导体设备本身极具技术难度之外,各个环节设备之间的工艺配合以及误差控制需要大量的经验积累。一般集成电路生产需经过几十步甚至上千步的工艺,在20nm技术节点,集成电路产品的晶圆加工工艺步骤约1000步,在7nm时将超过1500步,任何一个步骤的误差放大都会带来最终芯片良率的大幅下滑,因此半导体制造行业是一个高度精密的系统工程。因此,在建立先进制程生产线时,需要投入高额的研发费用。

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据IHS Markit统计,2017年全球纯晶圆代工市场营收为530亿美元,较上年增长7.1%。随着无生产线的Fabless商业模式的流行及越来越多的IDM公司对纯晶圆代工厂的先进节点产品制造上的依赖,领先的纯晶圆代厂的营收将持续性增长。预计到2021年,纯晶圆代工市场营收将达到754亿美元,2016年到2021年的年复合增长率为9.1%,超过同期全球半导体市场的2.8%。从技术节点演变角度来看,28/22纳米及以上相对成熟制程凭借高性价比依然拥有较大的市场规模,存量上基本保持不变或轻微下降,但是由于28/22纳米以下先进制程的市场规模逐渐扩大,成熟制程的市场占比会不断下降。总的来说,目前代工市场还是主要以成熟制程为主,先进制程占比不断提高,2017年28/22纳米及以下先进制程市场占比仅38%,预计到2021年可以达到56%。

由于第二次产业转移中国台湾承接了代工业务,因此台湾贡献了全球最大的代工产能。仅台积电一家在2018年上半年就占据了全球晶圆代工市场的56.1%,联华电子市占率为8.9%,两者加起来总共占据了65%的市场规模。格罗方德是从美国AMD公司亏损后拆分出来的晶圆厂与阿布达比创投基金合资成立,目前也拥有9%的代工市场。三星最初是和英特尔一样,是典型的IDM厂商,晶圆代工厂主要服务自身的芯片供应,多余产能也会外接其他订单。2016 年三星代工业务营收45亿美元,市场占比约7.7%,位居全球第四。为进一步提高代工业务盈利能力,2017年5月三星正式宣布代工业务部与系统LSI业务部分离,开始自立门户。

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中芯国际是大陆最大的晶圆代工厂,占据大陆晶圆代工市场的58%,也是大陆唯一一个可以提供28纳米先进制程的晶圆代工厂。华虹半导体是全球领先的200mm纯晶圆代工厂,主要面向1微米到90纳米的可定制服务,根据IHS的数据,按2016年销售收入总额计算,华虹半导体是全球第二大200mm纯晶圆代工厂。

我国集成电路制造业2017年销售额达1390亿元,预计2018年更多新厂实现规模量产,销售额将进一步攀升至1767亿元。主要表现为12英寸集中扩建,8英寸订单满载,6英寸面临转型升级。从产能供给角度来看,2016年我国大陆地区晶圆制造产能仅为全球的10%左右,由于国内半导体市场需求巨大且逐年稳步增长,供需关系明显失衡,我国内地将成为半导体制造厂商的必争之地。

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目前我国晶圆代工的局限主要体现在两方面,一方面,从产能端来看,“两头在外”现象严重,另一方面,从制程端来看,与海外巨头有2-3技术代的差距。

产能端:我国的晶圆代工企业和本土设计公司在产值方面出现严重的不匹配。华润微电子将这种现象定义为“两头在外”,一方面本土晶圆制造代工厂给国外设计商做代工,同时国内设计公司也在依靠海外代工厂去生产。

2013年,中国整个晶圆代工产业规模为297亿元,其中中国本土晶圆代工规模248亿元,外资在国内设立晶圆代工厂产业规模为49亿元。中国本土IC设计公司占据中国本土晶圆代工营收规模中的114亿元,占比高达46%。2013年中国IC设计公司对晶圆产值需求约323亿元,中国本土晶圆代工厂提供给本土IC设计公司的产能按照产值仅满足35.3%,还存在209亿元的晶圆代工缺口。

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2017年,中国整个晶圆代工产业规模为440亿元,其中中国本土晶圆代工规模370亿元,外资在国内设立晶圆代工厂产业规模为70亿元。中国本土IC设计公司占据中国本土晶圆代工营收规模中的190亿元,占比高达51%。2017年中国IC设计公司对晶圆产值需求约671亿元,中国本土晶圆代工厂提供给本土IC设计公司的产能按照产值仅满足28.3%,还存在481亿元的晶圆代工缺口,比2013年增加了130%,因此,“两头在外”现象更加显著。

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从晶圆代工工艺角度来看,目前国内晶圆代工厂在特色工艺领域(BCD等模拟工艺、射频、e-NVM、功率器件等)同国外晶圆代工厂差别不大,基本能满足国内设计公司要求,同时也承接了大规模海外设计公司的需求。国内晶圆代工厂难以满足国内设计公司对主流工艺和高性能模拟工艺的需求,2017年国内设计公司到外资晶圆代工厂代工规模达481亿元。

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