1、 晶圓代工行業持續增長，行業呈現寡頭集中

臺積電開啓晶圓代工時代，成爲集成電路中最爲重要的一個環節。1987 年，臺積電的成立開啓了 晶圓代工時代，尤其在得到了英特爾的認證以後，晶圓代工被更多的半導體廠商所接受。晶圓代工 打破了 IDM 單一模式，成就了晶圓代工+IC 設計模式。目前，半導體行業垂直分工成爲了主流， 新進入者大多數擁抱 fabless 模式，部分 IDM 廠商也在逐漸走向 fabless 或者 fablite 模式。

全球晶圓代工市場一直呈現快速增長，未來有望持續。晶圓代工+IC 設計成爲行業趨勢以後，受益 互聯網、移動互聯網時代產品的強勁需求，整個行業一直保持快速增長，以臺積電爲例，其營業收 入從 1991 年的 1.7 億美元增長到 2019 年的 346 億美元，1991-2019 年，CAGR 爲 21%。2019 年全球晶圓代工市場達到了 627 億美元，佔全球半導體市場約 15%。未來進入物聯網時代，在 5G、 人工智能、大數據強勁需求下，晶圓代工行業有望保持持續快速增長。

晶圓代工行業現狀：行業呈現寡頭集中。晶圓代工是製造業的顛覆，呈現資金壁壘高、技術難度大、 技術迭代快等特點，也因此導致了行業呈現寡頭集中，其中臺積電是晶圓代工行業絕對的領導者， 營收佔比超過 50%，CR5 約爲 90%。

晶圓代工行業資金壁壘高。晶圓代工廠的資本性支出巨大，並且隨着製程的提升，代工廠的資本支 出中樞不斷提升。臺積電資本支出從 11 年的 443 億元增長到 19 年的 1094 億元，CAGR 爲 12%。 中芯國際資本性支出從 11 年的 30 億元增長到了 19 年的 131 億元，CAGR 爲 20%，並且隨着 14 nm 及 N+1 製程的推進，公司將顯著增加 2020 年資本性支出，計劃爲 455 億元。鉅額投資將衆多 追趕者擋在門外，新進入者難度極大。

隨着製程提升，晶圓代工難度顯著提升。隨着代工製程的提升，晶體管工藝、光刻、沉積、刻蝕、 檢測、封裝等技術需要全面創新，以此來支撐芯片性能天花板獲得突破。

晶體管工藝持續創新。傳統的晶體管工藝爲 bulk Si，也稱爲體硅平面結構（Planar FET）。 隨着 MOS 管的尺寸不斷的變小，即溝道的不斷變小，會出現各種問題，如柵極漏電、泄漏功 率大等諸多問題，原先的結構開始力不從心，因此改進型的 SOI MOS 出現，與傳統 MOS 結 構主要區別在於：SOI 器件具有掩埋氧化層，通常爲 SiO2，其將基體與襯底隔離。由於氧化 層的存在，消除了遠離柵極的泄漏路徑，這可以降低功耗。隨着製程持續提升，常規的二氧 化硅氧化層厚度變得極薄，例如在 65nm 工藝的晶體管中的二氧化硅層已經縮小僅有 5 個氧 原子的厚度了。二氧化硅層很難再進一步縮小了，否則產生的漏電流會讓晶體管無法正常工 作。因此在 28nm 工藝中，高介電常數（K）的介電材料被引入代替了二氧化硅氧化層（又稱 HKMG 技術）。隨着設備尺寸的縮小，在較低的技術節點，例如 22nm 的，短溝道效應開始 變得更明顯，降低了器件的性能。爲了克服這個問題，FinFET 就此橫空出世。FinFET 結構 結構提供了改進的電氣控制的通道傳導，能降低漏電流並克服一些短溝道效應。目前先進制 程都是採用 FinFET 結構。

製程提升，需要更精細的芯片，光刻機性能持續提升。負責“雕刻”電路圖案的核心製造設備是光刻機，它是芯片製造階段最核心的設備之一，光刻機的精度決定了製程的精度。第四 代深紫外光刻機分爲步進掃描投影光刻機和浸沒式步進掃描投影光刻機，其中前者能實現最 小 130-65nm 工藝節點芯片的生產，後者能實現最小 45-22nm 工藝節點芯片的生產。通過多 次曝光刻蝕，浸沒式步進掃描投影光刻機能實現 22/16/14/10nm 芯片製作。到了 7/5nm 工藝， DUV 光刻機已經較難實現生產，需要更爲先進的 EUV 光刻機。EUV 生產難度極大，零部件 高達 10 萬多個，全球僅 ASML 一傢俱備生產能力。目前 EUV 光刻機產量有限而且價格昂 貴，2019 年全年，ASML EUV 銷量僅爲 26 臺，單臺 EUV 售價高達 1.2 億美元。

晶圓代工技術迭代快，利於頭部代工廠。芯片製程進入 90nm 節點以後，技術迭代變快，新的製程 幾乎每兩到三年就會出現。先進製程不但需要持續的研發投入，也需要持續的鉅額資本性支出，而 且新投入的設備折舊很快，以臺積電爲例，新設備折舊年限爲 5 年，5 年以後設備折舊完成，生產 成本會大幅度下降，頭部廠商完成折舊以後會迅速降低代工價格，後進入者難以盈利。

2、 摩爾定律延續，先進製程與成熟工藝齊飛

2.1摩爾定律延續，技術難度與資本投入顯著提升

追尋摩爾定律能讓消費者享受更便宜的力，晶圓代工是推動摩爾定律最重要的環節。1965 年， 英特爾（Intel）創始人之一戈登·摩爾提出，當價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數目， 約每隔 18-24 個月便會增加一倍，性能也將提升一倍，這也是全球電子產品整體性能不斷進化的核 心驅動力，以上定律就是著名的摩爾定律。換而言之，每一美元所能買到的電腦性能，將每隔 18- 24 個月翻一倍以上。推動摩爾定律的核心內容是發展更先進的製程，而晶圓代工是其中最重要的 環節。

摩爾定律仍在延續。市場上一直有關於摩爾定律失效的顧慮，但是隨着 45nm、28nm、10nm 持續 的推出，摩爾定律仍然保持着延續。臺積電在 2018 年推出 7nm 先進工藝，2020 年開始量產 5nm， 並持續推進 3nm 的研究，預計 2022 年量產 3nm 工藝。IMEC 更是規劃到了 1nm 的節點。此外， 美國國防高級研究計劃局進一步提出了先進封裝、存算一體、軟件定義硬件處理器三個未來發展研 究與發展方向，以此來超越摩爾定律。在現在的時間點上來看，摩爾定律仍然在維持，但進一步提 升推動摩爾定律難度會顯著提升。

先進製程資本性投入進一步飆升。根據 IBS 的統計，先進製程資本性支出會顯著提升。以 5nm 節 點爲例，其投資成本高達數百億美金，是 14nm 的兩倍，是 28nm 的四倍。爲了建設 5nm 產線， 2020 年，臺積電計劃全年資本性將達到 150-160 億美元。先進製程不僅需要鉅額的建設成本，而 且也提高了設計企業的門檻，根據 IBS 的預測，3nm 設計成本將會高達 5-15 億美元。

3nm 及以下製程需要採用全新的晶體管工藝。FinFET 已經歷 16nm/14nm 和 10nm/7nm 兩個工藝 世代，隨着深寬比不斷拉高，FinFET 逼近物理極限，爲了製造出密度更高的芯片，環繞式柵極晶 體管（GAAFET，Gate-All-Ground FET）成爲新的技術選擇。不同於 FinFET，GAAFET 的溝道被 柵極四面包圍，溝道電流比三面包裹的 FinFET 更加順暢，能進一步改善對電流的控制，從而優化 柵極長度的微縮。三星、臺積電、英特爾均引入 GAA 技術的研究，其中三星已經先一步將 GAA 用 於 3nm 芯片。如果製程到了 2nm 甚至 1nm 時，GAA 結構也許也會失效，需要更爲先進的 2 維、 甚至 3 維立體結構，目前微電子研究中心（Imec）正在開發面向 2nm 的 forksheet FET 結構。

3nm 及以下製程，光刻機也需要升級。面向 3nm 及更先進的工藝，芯片製造商或將需要一種稱爲 高數值孔徑 EUV（high-NA EUV）的光刻新技術。根據 ASML 年報，公司正在研發的下一代極紫 外光刻機將採用 high-NA 技術，有更高的數值孔徑、分辨率和覆蓋能力，較當前的 EUV 光刻機將 提高 70%。ASML 預測高數值孔徑 EUV 將在 2022 年以後量產。

除上面提到鉅額資本與技術難題以外，先進製程對沉積與刻蝕、檢測、封裝等環節也均有更高的要 求。正是因爲面臨巨大的資本和技術挑戰，目前全球僅有臺積電、三星、intel 在進一步追求摩爾定 律，中芯國際在持續追趕，而像聯電、格羅方德等晶圓代工廠商已經放棄了 10nm 及以下製程工藝 的研發，全面轉向特色工藝的研究與開發。先進製程的進一步推薦節奏將會放緩，爲中芯國際追趕 創造了機會。

2.2先進製程佔比持續提升，成熟工藝市場不斷增長

高性能芯片需求旺盛，先進製程佔比有望持續提升。移動終端產品、高性能計算、汽車電子和通信 及物聯網應用對算力的要求不斷提升，要求更爲先進的芯片，同時隨着數據處理量的增加，存儲芯 片的製程也在不斷升級，先進製程的芯片佔比有望持續提升。根據 ASML2018 年底的預測，到 2025 年，12 寸晶圓的先進製程佔比有望達到 2/3。2019 年中，臺積電 16nm 以上和以下製程分別佔比 50%，根據公司預計，到 2020 年，16nm 及以下製程有望達到 55%。

CPU、邏輯 IC、存儲器等一般採用先進製程（12 英寸），而功率分立器件、MEMS、模擬、CIS、 射頻、電源芯片等產品（從 6μm 到 40nm 不等）則更多的採用成熟工藝（8 寸片）。汽車、移動 終端及可穿戴設備中超過 70%的芯片是在不大於 8 英寸的晶圓上製作完成。相比 12 寸晶圓產線，8 寸晶圓製造廠具備達到成本效益生產量要求較低的優勢，因此 8 寸晶圓和 12 寸晶圓能夠實現優 勢互補、長期共存。

受益於物聯網、汽車電子的快速發展，MCU、電源管理 IC、MOSFET、ToF、傳感器 IC、射頻芯 片等需求持續快速增長。社會已經從移動互聯網時代進入了物聯網時代，移動互聯網時代聯網設備 主要是以手機爲主，聯網設備數量級在 40 億左右，物聯網時代，設備聯網數量將會成倍增加，高 通預計到 2020設備數量有望達到 250 億以上。飆升的物聯網設備需要需要大量的成熟工藝 製程的芯片。以電源管理芯片爲例，根據臺積電年報數據，公司高壓及電源管理晶片出貨量從 2014 年的 1800 萬片（8 寸）增長到 2019 年的 2900 萬片，CAGR 爲 10%。根據 IHS 的預測，成熟晶 圓代工市場規模有望從 2020 年的 372 億美元增長到 2025 年的 415 億美元。

特色工藝前景依舊廣闊，主要代工廠積極佈局特色工藝。巨大的物聯網市場前景，吸引了衆多 IC 設計公司開發新產品。晶圓代工企業也瞄準了物聯網的巨大商機，頻頻推出新技術，配合設計公司 更快、更好地推出新一代芯片，助力物聯網產業高速發展。臺積電和三星不僅在先進工藝方面領先佈局，在特色工藝方面也深入佈局，例如臺積電在圖像傳感器領域、三星在存儲芯片領域都深入布 局。聯電、格羅方德、中芯國際、華虹半導體等代工廠也全面佈局各自的特色工藝，在射頻、汽車 電子、IOT 等領域，形成了各自的特色。

3、 終端需求旺盛，晶圓代工賽道持續繁榮

5G 時代終端應用數據量爆炸式提升增加了對半導體芯片的需求，晶圓代工賽道持續繁榮。隨着對 於 5G 通信網絡的建設不斷推進，不僅帶動數據量的爆炸式提升，要求芯片對數據的採集、處理、 存效率更高，而且也催生了諸多 4G 時代難以實現的終端應用，如物聯網、車聯網等，增加了終 端對芯片的需求範圍。對於芯片需求的增長將使得下游的晶圓代工賽道收益，未來市場前景極其廣 闊。根據 IHS 預測，晶圓代工市場規模有望從 2020 年的 584 億美元，增長到 2025 年的 857 億美 元，CAGR 爲 8%。

3.15G 推動手機芯片需求量上漲

5G 手機滲透率快速提升。手機已經進入存量時代，主要以換機爲主。2019 年全球智能手機出貨量 爲 13.7 億部，2020 年受疫情影響，IDC 等預測手機總體出貨量爲 12.5 億臺，後續隨着疫情的恢 復以及 5G 產業鏈的成熟，5G 手機有望快速滲透並帶動整個手機出貨。根據 IDC 等機構預測，5G 手機出貨量有望從 2020 年的 1.83 增長到 2024 年的 11.63 億臺，CAGR 爲 59%。

5G 手機 SOC、存儲和圖像傳感器全面升級，晶圓代工行業充分受益。消費者對手機的要求越來越 高，需要更清晰的拍照功能、更好的遊戲體驗、多任務處理等等，因此手機 SOC 性能、存儲性能、 圖像傳感器性能全面提升。目前旗艦機的芯片都已經達到了 7nm 製程，隨着臺積電下半年 5 nm 產 能的釋放，手機 SOC 有望進入 5nm 時代。照片精度的提高，王者榮耀、喫雞等大型手遊和 VLOG 視頻等內容的盛行，對手機閃存容量和速度也提出了更高的要求，LPDDR5 在 2020 年初已經正式 亮相小米 10 系列和三星 S20 系列，相較於上一代的 LPDDR4，新的 LPDDR5 標準將其 I/O度從 3200MT/s 提升到 6400MT/s，理論上每秒可以傳輸 51.2GB 的數據。相機創新是消費者更 換新機的主要動力之一，近些年來相機創新一直在快速迭代，一方面，多攝彌補了單一相機功能不 足的缺點，另一方面，主攝像素提升帶給消費者更多的高清瞬間，這兩個方向的創新對晶圓及代工 的需求都顯著提升。5G 時代，手機芯片晶圓代工市場將會迎來量價齊升。

5G 手機信號頻段增加，射頻前端芯片市場有望持續快速增長。射頻前端擔任信號的收發工作，包 括低噪放大器、功率放大器、濾波器、雙工器、開關等。相較於 4G 頻段，5G 的頻段增加了中高 頻的 Sub-6 頻段，以及未來的更高頻的毫米波頻段。根據 yole 預測，射頻前端市場有望從 2018 年 的 149 億美元，增長到 2023 年的 313 億美元，CAGR 爲 16%。

3.2雲計算前景廣闊，服務器有望迎來快速增長

2020 年是國內 5G 大規模落地元年，有望帶來更多數據流量需求。據中國信通院在 2019 年 12 月 份發佈的報告，2020 年中國 5G 用戶將從去年的 446 萬增長到 1 億人，到 2024 年我國 5G 用戶 滲透率將達到 45%，人數將超過 7.7 億人，全球將達到 12 億人，5G 用戶數的高增長帶來流量的 更高增長。

5G 時代來臨，雲計算產業前景廣闊。進入 5G 時代，IoT 設備數量將快速增加，同時應用的在線 使用需求和訪問流量將快速爆發，這將進一步推動雲計算產業規模的增長。根據前瞻產業研究院的 報告，2018 年中國雲計算產業規模達到了 963 億元，到 2024 年有望增長到 4445 億元，CAGR 爲 29%，產業前景廣闊。

邊緣計算是雲計算的重要補充，迎來新一輪發展高潮。根據賽迪顧問的數據，2018 年全球邊緣計 算市場規模達到 51.4 億美元，同比增長率 57.7%，預計未來年均複合增長率將超過 50%。而中國 邊緣計算市場規模在 2018 年達到了 77.4 億元，並且 2018-2021 將保持 61%的年複合增長率，到 2021 年達到 325.3 億元。

服務器大成長週期確定性強。服務器短期拐點已現，受益在線辦公和在線教育需求旺盛，2020 年 服務器需求有望維持快速增長。長期來看，受益於 5G、雲計算、邊緣計算強勁需求，服務器銷量 有望保持持續高增長。根據 IDC 預測，2024 年全球服務器銷量有望達到 1938 萬臺，19-24 年， CAGR 爲 13%。

服務器半導體需求持續有望迎來快速增長，晶圓代工充分受益。隨着服務器數量和性能的提升，服 務器邏輯芯片、存儲芯片對晶圓的需求有望快速增長，根據 Sumco 的預測，服務器對 12 寸晶圓 需求有望從 2019 年的 80 萬片/月，增長到 2024 年的 158 萬片/月，19-24 年 CAGR 爲 8%。晶圓 代工市場有望充分受益服務器芯片量價齊升。

3.3三大趨勢推動汽車半導體價值量提升

傳統內燃機主要價值量主要集中在其動力系統。而隨着人們對於汽車出行便捷性、信息化的要求逐 漸提高，汽車逐步走向電動化、智能化、網聯化，這將促使微處理器、存儲器、功率器件、傳感器、 車載攝像頭、雷達等更爲廣泛的用於汽車發動機控制、底盤控制、電池控制、車身控制、導航及車 載娛樂系統中，汽車半導體產品的用量顯著增加。

車用半導體有望迎來加速增長。根據 IHS 的報告，車用半導體銷售額 2019 年爲 410 億美元，13- 19 年 CAGR 爲 8%。隨着汽車加速電動化、智能化、網聯化，車用芯片市場規模有望迎來加速， 根據 Gartner 的數據，全球汽車半導體市場 2019 年銷售規模達 410.13 億美元，預計 2022 年有望 達到 651 億美元，佔全球半導體市場規模的比例有望達到 12%，併成爲半導體下游應用領域中增 速最快的部分。

自動駕駛芯片要求高，有望進一步拉動先進製程需求。自動駕駛是通過雷達、攝像頭等將採集車輛 周邊的信息，然後通過自動駕駛芯片處理數據並給出反饋，以此降低交通事故的發生率、提高城市 中的運載效率並降低駕駛員的駕駛強度。自動駕駛要求多傳感器之間能夠及時、高效地傳遞信息， 並同時完成路線規劃和決策，因此需要完成大量的數據運算和處理工作。隨着自動駕駛級別的上升， 對於芯片算力的要求也越高，產生的半導體需求和價值量也隨之水漲船高。英偉達自動駕駛芯片隨 着自動駕駛級別的提升，芯片製程也顯著提升，最早 Drive PX 採用的是 20nm 工藝，而最新 2019 年發佈的 Drive AGX Orin 將會採用三星 8nm 工藝。根據英飛凌的預測，自動駕駛給汽車所需要的 半導體價值帶來相當可觀的增量，一輛車如果實現 Level2 自動駕駛，半導體價值增量就將達到 160 美元，若自動駕駛級別達到 level4&5，增量將會達到 970 美元。

3.4IoT 快速增長，芯片類型多

隨着行業標準完善、技術不斷進步、政策的扶持，全球物聯網市場有望迎來爆發性增長。GSMA 預 測，中國 IOT 設備聯網數將會從 2019 年的 36 億臺，到 2025 年的 80 億臺，19-25 年 CAGR 爲 17.3%。根據全球第二大市場研究機構 MarketsandMarkets 的報告，2018 年全球 IoT 市場規模 爲 795 億美元，預計到 2023 年將增長到 2196 億美元，18-23 年 CAGR 爲 22.5%。

物聯網的發展需要大量芯片支撐，半導體市場規模有望迎來進一步增長。物聯網感知層的核心部件 是傳感器系統，產品需要從現實世界中採集圖像、溫度、聲音等多種信息，以實現對於所處場景的 智能分析。感知需要向設備中植入大量的 MEMS 芯片，例如麥克風、陀螺儀、加速度計等；設備 互通互聯需要大量的通信芯片，包括藍牙、WIFI、蜂窩網等；物聯網時代終端數量和數據傳輸通道 數量大幅增加，安全性成爲最重要的需求之一，爲了避免產品受到惡意攻擊，需要各種類型的安全 芯片作支持；同時，身份識別能夠保障信息不被盜用，催生了對於虹膜識別和指紋識別芯片的需求； 作爲物聯網終端的總控制點，MCU 芯片更是至關重要，根據 IC Insights 的預測，2018 年 MCU 市 場規模增長 11%，預計未來四年內 CAGR 達 7.2%，到 2022 年將超過 240 億美元。

4、 需求與政策雙重驅動，國內晶圓代工迎來良機

4.1 國內 IC 設計企業快速增長，代工需求進一步放量

國內集成電路需求旺盛，有望持續維持快速增長。國內集成電路市場需求旺盛，從 2013 年的 820 億美元快速增長到 2018 年的 1550 億美元，CAGR 爲 13.6%，IC insight 預測，到 2023 年，中國 集成電路市場需求有望達到 2290 億美元，CAGR 爲 8%。但是同時，國內集成電路自給率也嚴重 不足，2018 年僅爲 15%，IC insight 在 2019 年預測，到 2023 年，國內集成電路自給率爲 20%。

需求驅動，國內 IC 設計快速成長。在市場巨大的需求驅動下，國內 IC 設計企業數量快速增加，尤 其近幾年，在國內政策的鼓勵下，以及中美貿易摩擦大的背景下，IC 設計企業數量加速增加，2019 年底，國內 IC 設計企業數量已經達到了 1780 家，2010-2019 年，CAGR 爲 13%。根據中芯國際 的數據，國內 IC 設計公司營收 2020 年有望達到 480 億美元，2011-2020 年 CAGR 爲 24%，遠 高於同期國際 4%的複合增長率。

國內已逐步形成頭部 IC 設計企業。根據中國半導體行業協會的統計，2019 年營收前十的入圍門檻 從 30 億元大幅上升到 48 億元，這十大企業的增速也同樣十分驚人，達到 47%。國內 IC 企業逐步 做大做強，部分領域已經形成了一些頭部企業：手機 SoC 芯片領域有華爲海思、中興微電子深度 佈局；圖像傳感領域韋爾豪威大放異彩；匯頂科技於 2019 年引爆了光學屏下指紋市場；卓勝微、 瀾起科技分別在射頻開關和內存接口領域取得全球領先。IC 設計企業快速成長有望保持對晶圓代 工的強勁需求。

晶圓代工自給率不足。中國是全球最大的半導體需求市場，根據中芯國際的預測，2020 年中國對 半導體產品的需求爲 2130 億美元，佔全球總市場份額爲 49%，但是與之相比的是晶圓代工市場份 額嚴重不足，根據拓墣研究的數據，2020Q2，中芯國際和華虹半導體份額加起來才 6%，晶圓代 工自給率嚴重不足，尤其考慮到中國 IC 設計企業數量快速增長，未來的需求有望持續增長，而且， 美國對華爲等企業的禁令，更是讓我們意識到了提升本土晶圓代工技術和產能的重要性。

4.2政策與融資支持，中國晶圓代工企業迎來良機（略）

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（報告觀點屬於原作者，僅供參考。作者：東方證券，蒯劍、馬天翼）

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