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半导体行业深度报告：全球半导体产业框架与投资机遇

2023-03-17

简介半导体（Semiconductor）：狭义上是指半导体材料，包括以硅（Si）、锗（Ge）等元素半导体（也是第一代半导体材料），和以砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化镓（Ga2O3）等化合物半导体材料（第二代至第四代半导体材料）。广义上是指基于半导体材料制造的各类器件产品。集成电路（Integrated Circuit，IC，中国台湾称为“积体电路”），是指通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻器、电容器等被动元件及布线“集成、封装” 在半

（报告出品方/作者：德邦证券，李浩、张威震）

1、全球产业概况与分析框架

半导体基本定义、术语范畴、分类维度

半导体（Semiconductor）：狭义上是指半导体材料，包括以硅（Si）、锗（Ge）等元素半导体（也是第一代半导体材料），和以砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化镓（Ga2O3）等化合物半导体材料（第二代至第四代半导体材料）。广义上是指基于半导体材料制造的各类器件产品。集成电路（Integrated Circuit，IC，中国台湾称为“积体电路”），是指通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻器、电容器等被动元件及布线“集成、封装” 在半导体晶片上，执行特定功能的电路或系统。芯片（Chip），通常就是指集成电路芯片，因此绝大多数时候，芯片、集成电路、IC等术语可以混用。按产品类型划分4大类：集成电路、分立器件、光电子器件、传感器。除以上分类外，半导体产品还有多种分类维度，例如按照下游需求场景可分为：民用级（消费级）、汽车级（车规级）、工业级、军工级和航天级等。

供给端由企业主导；需求端由下游应用主导；供给、需求、贸易创造市场；市场影响供给与需求；技术迭代是根因。

全球半导体产业发展特征

19世纪60年代后期开始的第二次工业革命，使人类进入了电气时代。电气时代以电子设备为载体，电路则是电子设备的核心。2022年12月29，台积电3nm正式量产。

半导体产业在美国起源后，伴随地缘政治、地区产业政策、制造模式变革等多种因素，经历了三次制造重心的产业转移。

第一次：1976年3月，日本政府以富士通、日立、三菱、NEC和东芝五家公司为核心，联合日本工业技术研究员、电子综合研究所和计算机综合研究所共同实施 “超大规模集成电路研究计划”（VLSI），该计划取得了巨大成功，日本超越美国、一跃成为世界第一的DRAM大国。第二次：1983年，韩国政府对外发布“进军LSI领域（DRAM）的计划”，通过四年时间掌握了256K DRAM技术，并通过向日本大量进口高性能制造设备，快速壮大半导体产业。第三次：2001年后中国正式加入世贸组织，逐渐深度参与到全球电子制造产业链中。第四次：从人口红利过度到工程师红利（人口结构上，劳动力素质提升；产业结构上，技术要素比重增大），制造业低端产能或将持续外迁。

从宏观总量到中观半导体产业

2021年全球47个主要经济体数字经济规模为38.1万亿美元，占全球GDP比重为 45%，较2020年提升1个百分点。 2021年全球数字经济在第一产业渗透率为8.6%，在第二产业渗透率为24.3%，在第三产业渗透率为46.3%。增速：2021年全球47个经济体数字经济同比名义增长15.6%，高于同期GDP名义增速2.5个百分点。数字经济包括数字产业化、产业数字化和数字化治理三大部分： 2021年全球数字产业化规模占数字经济比重为15%，占GDP比重为 6.8%， 2021年全球产业数字化规模占数字经济比重为85%，占GDP比重约为 38.2%。

美国信息科技产业增加值在GDP中占比接近中国2倍。美国经济分析局将“信息通信技术生产行业”在传统的产业划分框架外单列， 2021年增加值占其GDP比重约为7.6%。中国国家统计局将“信息传输、软件和信息技术服务业”列示在第三产业下面，2021年占 GDP比重约为3.9%。2021年科技行业在GDP的百分比，美国约为中国的1.95倍。中美两国信息科技产业占GDP比重整体上均呈现上升趋势。1987年美国信息科技产业占GDP比重约为3.4%，在科网泡沫前4年，迅速从1996年的3.9%提升至2000年的6.2%，此后略有下降，至2010年才回升至6.2%，此后缓慢提升至2021年的7.6%。中国信息科技产业起步较晚，信息科技产业占GDP比重数据最早可追溯至2004年的2.6%，2022年约为4.0%。

根据Wind一级行业分类标准，我们将A股5000余家上市公司和美股 6000余家上市公司2021年收入和净利润加总。1）横向对比来看，2021年，美国信息技术行业凭借13.4%的收入占比获得了全行业20.4%的净利润，而中国信息技术行业则用7.9%的收入占比换来了1.8%的净利润份额。 2）纵向对比来看，美国信息技术行业收入占比次于可选消费的 18.5%和金融行业的13.8%，位列第三；利润占比次于金融行业的 27.6%，位列第二。中国信息技术行业收入占比位列第六，利润占比位列第十。

根据Wind二级行业分类标准，分别测算中国和美国2021年半导体和其他二级行业的收入与净利润在总量中的比重。 2021年，美国半导体行业收入占比约为1.9%，净利润占比约为3.9%；中国半导体行业收入占比约为1.2%，净利润整体亏损约7亿元。将“半导体与半导体生产设备”，以及 “电信服务”、“技术硬件与设备”、 “媒体”和“软件与服务”等泛TMT行业作为信息科技产业：  美国上市公司中，2021年信息科技产业收入占比19.1%，净利润占比约为26.9%，净利率约为16.1%；中国上市公司中，2021年信息科技产业收入占比约为11.0%，净利润占比约为3.3%，净利率约为1.1%。

2、半导体的成长性与周期性

宏观、技术、产业政策、供需关系等多重因素共同影响，全球半导体产业在波动中增长，呈现出螺旋式上升趋势。从“强成长、弱周期”，走向“弱成长、强周期”，从爆发式增长的新兴产业，到渐进式前进的成熟产业。

全球半导体产业的成长性

1976年以来，全球半导体市场销售金额从最初的约29亿美元成长为2022年的5832亿美元，增长了约202倍，年均复合增速达到12.2%，远高于全球GDP同时期约3.1%的年均增速水平。

截至2022年底，费城半导体指数涵盖包括台积电、英伟达、阿斯麦在内的设计、设备和代工制造等环节共30家头部企业： 2005至2017年间的29家企业的合计收入在全球半导体销售额的比重从49%提升至67% 。2021年GF上市后，指数成分拓展至30只股票，30家企业合计收入占全球半导体销售额的比重也提升至78.4%。

1980年至今全球GDP增速和IC市场增速的相关性呈现上升趋势。1980至2010年间，全球GDP和IC市场增速相关系数最低时为-0.1 （基本不相关），最高为0.63（弱相关），但在2010至2019年间，相关系数提升到了0.85，如果排除2017-2018年间存储器市场的表现，该阶段相关系数提升至0.96，表现出明显的强相关。 IC Insights预计2019至2024年二者相关系数将达到0.90。原因：并购事件增加导致IC制造商减少，供应端基本面发生变化，行业竞争格局更加成熟。半导体→电子设备→数字经济→宏观经济，半导体价值量占比提升，下游应用更加分散，与宏观联系更加紧密。

全球半导体产业的周期性

半导体产业新技术从最初研发储备到终端产品应用并量产的周期大约在10年左右，驱动信息市场的引擎（下游应用市场主要产品）也大概10年左右产生一次新变化。

中期维度上，半导体产业表现出由企业设备投资和产能扩张驱动周期波动，称为产能周期（也称资本支出周期、朱格拉周期、设备投资周期等）。投资端观测：全球半导体产业资本支出从1983年的43亿美元增长到2021年的1531亿美元，年均复合增速约为10%。以同比增速的极大值点划分，全球半导体资本开支周期平均约3~4年。

销售端观察：产能周期在半导体产品销售端上也有所体现，以全球半导体月度销售额为例，1976年3月至今，半导体月销售额同比增速（3个月移动平均值）呈现出周期波动特征，每个周期间隔大约在3-4年，平均数值为2.95年。

短期维度上，由销售端（市场）短期供需驱动库存周期，也称基钦周期，约3~6个季度。由于下游需求端向上传导存在时滞，导致了库存周期的产生。半导体产业库存周期可以分为4个阶段：主动补库存：在新一轮库存周期的起点，由于短期需求端指标上升，企业提升产线稼动率，主动补充库存水平，产成品存货环比上升，行业处于短期繁荣阶段。被动补库存：这一阶段需求端指标已经见顶，但企业稼动率无法立即下降，存货水平仍然保持上升，导致利润率水平到达顶部后开始下降，行业开始进入短期衰退阶段。主动去库存：需求端指标持续下降，企业稼动率开始下降，但已经出现库存过剩，企业主动降价去库存，减少存货压力，行业处于萧条阶段。被动去库存：需求端指标企跌回升，企业稼动率降至低点，库存水平持续降低至低点，库存压力得到缓解，随着需求回温，行业开始进入下一轮库存周期起点。

3、全球产业链价值量分布特征

全球半导体产业链概况

设计、设备属于技术（研发）密集型，需要参与厂商不断投入研发支出用于开发新技术，推出新产品，从而保持自身竞争力。材料和晶圆制造属于资本（CapEx）密集型，通过成长性的资本开支将企业产能提升一个台阶，进而带动未来收入和利润的增长，对于晶圆材料和晶圆制造企业至关重要；对于以台积电为首的晶圆代工龙头，维持成长性资本开支的能力，本身也是企业的护城河之一。封测属于资本+劳动力密集型，封测环节通常技术含量较低，而对劳动力需求较高，经过数十年的发展，逐渐形成了以中国大陆的长电科技、通富微电和华天科技等OSAT厂商主导的产业格局。

价值量：设计占60%，其中逻辑IC占30%、存储IC占9%、DAO占17%；设备占12%；材料占5%；晶圆制造占19%，封装与测试占6% 。区域分布：欧美在设计、设备绝对主导；美国在EDA&IP核一家独大；韩国主导存储IC设计；日本在DAO、设备优势显著；中国在封测代工环节占比最高。

全球IC产业链分工实例（以某款智能手机AP为例）：欧洲和美国主要负责提供EDA工具、IP授权和芯片设计环节；OEM厂商通过选型确定供应商和型号，芯片供应商将图纸交付给位于中国台湾的代工厂量产；晶圆厂产线设备主要由美国、日本和欧洲的供应商提供；晶圆片则先由一家美国公司提炼出冶金硅，然后交由日本多晶硅制造商加工厂电子级多晶硅，再由韩国厂商将单晶硅锭切割成硅片，最终送到台湾晶圆厂的产线上；台湾晶圆厂加工好的芯片送往马来西亚完成封装，最后在中国大陆的工厂被组装到智能手机中，然后智能手机OEM厂商将产品销往全球。

4、全球市场现状与特征

全球半导体产业市场现状

亚太地区在全球半导体销售额中超过60%。1999年美洲、欧洲、日本、亚太地区分别为32%、21%、22%和25%，以美国为代表的美洲地区为主要市场。此后，亚太地区市场半导体销售额快速提升，1999至2021年CAGR达10.6%，超过美洲市场的4.4%约6.2 pct，其市场份额不断提升，逐渐超过其他地区总和，至2021年亚太地区市场份额达到62% 。中国大陆2021年市场份额35%，是全球第一大半导体产品消费地区。2021年中国大陆市场以1877亿美元销售额成为全球半导体产品最大消费地区，市场份额35%。

1983年美国厂商在全球半导体销售市场占据超过50%的供给份额。但是在此后几年间，日本半导体企业的在激烈竞争中逐渐崛起，向美国倾销大量半导体产品，叠加1985年至1986年的行业衰退，美国半导体企业全球供给份额在约1988年左右下降至低点，总共下降约19个百分点，日本实现反超，占据了全球半导体行业领导地位。1988年后，美国半导体产业开始反弹，且日本半导体行业受到《日美半导体协定》影响，市场份额逐渐下滑。至1997年，美国半导体产业以超过50%的供应份额重新回归全球领导地位，且一直保持至今。

集成电路占半导体产品销售额的比重维持在80%以上。2021年，集成电路产品销售额约4630亿美元，占半导体83%市场份额；分立器件销售额约303亿美元，占6%；光电子器件销售额约434亿美元，占8%；传感器产品销售额约191亿美元，占3%。集成电路产品份额始终维持在80%以上，是半导体产品的最主要类型。集成电路产品中，逻辑IC和存储IC比重最高，MCU份额呈下降趋势。集成电路产品中，2021年：模拟电路销售额741亿美元，占半导体销售额的13.3%；微处理器销售额802亿美元，占15.1%；逻辑电路销售额1548亿美元，占30.8%；存储电路销售额1538亿美元，占27.7%；以MCU为代表的微处理器产品份额在1999年至今呈现下降趋势，从34.6%下降至2021年的14.4%；以CPU、GPU等通用芯片为代表的逻辑电路产品份额从1999年的15.5%上升至2021年的27.9%，呈现上升趋势。原因主要是，用于工业、通讯等领域嵌入式系统的MCU在过去二十年中增速不高，而个人电脑的普及和智能手机出现极大拉动了通用逻辑芯片的需求。

5、中国产业现状与问题

中国半导体产业现状、特征与存在的问题

中国集成电路产业在GDP比重不断提升。根据中国半导体协会和国家统计局数据，2002年中国集成电路销售额在GDP占比约为0.22%，2021年时已经提升至0.91%，按照2021年集成电路销售额占半导体市场87%计算，2021年中国半导体产品销售额占GDP的比重超过1%，约为1.05% 。作为对比，美国2021年半导体产业增加值对国内GDP的贡献约为2769亿美元，其中：直接贡献约961亿美元，间接贡献约856亿美元，其他相关贡献约953亿美元。2021年美国GDP现价约为23.32万亿美元，半导体产业贡献占比约为1.19%。

根据SIA统计数据，2021年中国大陆市场半导体产品销售额约为1877亿美元，同比增长24.5%，与全球市场增速保持一致；2022年中国大陆半导体市场略微下降1.1%，约为1857亿美元。市场份额上，2016年中国大陆市场占全球约31.5%，然后逐年提升至2019年的34.8%，近两年略有下降，但整体较为稳定，2022年中国大陆销售占全球比重约为31.8%。

集成电路（IC）产品在半导体市场占据主要份额。根据中国半导体行业协会统计数据，2004年中国IC产业整体规模约为545亿元人民币，2010年成长为1440亿元规模，2021年则同。比增长21.3%至10458亿元（约合1641亿美元，占中国半导体市场约87%），首次突破万亿规模。近10年中国IC产业年均复合增速约为18.4%，高于全球IC市场6.5%的增速水平。集成电路产业链中，设计环节销售额占比最高。2021年中国IC产业设计、制造、封测环节分别占43%、30%和26%。从三大环节销售额占比变化来看，IC设计环节销售额占比自2004年以来不断提升，制造环节销售份额在2011年前后时间出现局部下降，此后回升至30%，份额占比趋于稳定，而产业链价值较低的封测环节，则呈现持续下降趋势

6、全球产业趋势与中国投资机遇

台积电先进制程新工艺渗透速度或将减缓 → 先进制程需求短期或将走弱

2022年底台积电最新3nm工艺实现量产，预计将在2023年体现在收入结构上。我们对2018年以来台积电分制程节点收入占比数据进行分析，发现台积电上一代5nm工艺较更早的7nm工艺，其收入份额提升速度有所减缓。将台积电的5nm和7nm工艺收入份额数据单独列示，把开始有收入份额的季度作为Q=1将数据对齐。7nm工艺在2018Q3收入份额约为11%，此后收入份额快速提升，在2019Q4达到35%，而上一代5nm工艺在2020Q3收入份额为8%，至2022Q4才达到32%左右，渗透速度较7nm明显减缓。

中期来看，全球半导体产业资本开支冲高回落，产能周期或将进入下行阶段

2020年，新冠病毒全球大流行加速了在线办公渗透率提升，电脑、平板、手机等各类电子设备销量大幅提升，旺盛需求推动多数晶圆厂产能利用率超过85%（正常水平约为80%左右），部分代工厂接近或超过100%。2021年，企业纷纷扩大资本开支、提升产能，全球资本开支增速达到近几年极大值。 2022年后，地缘政治、通货膨胀等因素致使全球经济放缓，H1资本开支仍在增加，但产能紧张局面已得到缓解，且晶圆厂的产能利用率21Q4已出现下滑，制造商开始削减未来资本支出预算。另一方面，存储器市场的疲软和美国对中国半导体生产商的限制（限制购买美国公司设备）也将对23年全球资本开支造成一定负面影响。IC Insights于11月22日下修预测，预计22年全球资本支出约为1817亿美元，同比增速约18.7%，而23 年预计全球半导体资本支出将下滑约19.3%至1466亿美元。