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编辑:OFweek晓磊
上一期,我们整理推荐了国元证券分析师贺茂飞的报告《存储芯片投资地图》,报告从产业历沿革、行业竞争格局、技术发展趋势等方面,详尽介绍了存储芯片产业全貌。这次,我们接着分享贺茂飞另一份报告,《晶圆代工行业密码》,本报告将以全球晶圆代工巨头台积电的成长历史做回顾,同时对目前大陆、台湾两地的晶圆代工企业做分析报告,来探究中国大陆本土晶圆代工企业的成长机遇。
为避免对读者造成投资误导,本研报的投资建议部分将不本文展示,如果想收藏报告原文,可以在OFweek电子工程(公众号:ofweekee)回复关键词“晶圆代工行业密码”获取。
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纯代工策略
在上世纪80-90年代,台积电和联电是全球晶圆代工双雄, 台积电专注于晶圆代工模式, 联电在早期兼做晶圆代工及自有芯片设计业务。在90年代,台积电一骑绝尘, 逐步拉大相对联电的领先优势。摒弃向上游芯片设计延伸业务,专注于晶圆代工生产环节是台积电制胜关键。
规模领先策略
在各个制程节点上率先获得规模效应。在单个制程节点率先实现规模效应,降低运营成本、设备材料成本、研发成本。
创新驱动
新制程竞赛中保持领先优势。摩尔定律下, 半导体制程节点每18个月向前演进一代。公司沿着摩尔定律曲线不断开发出新制程节点。在10纳米及以下,晶圆代工市场参与企业数量减少,目前仅有台积电、三星等参与。随着竞争强度减弱,10纳米及以下的盈利格局有望得到改善。
台积电在先进制程竞赛中逐渐显现出优势,在5纳米、3纳米节点有望拉大对三星、英特尔等的领先优势。
随着摩尔定律演进到14纳米以后,单个制程节点的研发费用、建厂成本大幅上升。中芯国际是全球仍在持续投入先进制程领域的少数企业之一。
台积电是全球规模最大、技术最领先的纯晶圆代工龙头企业。台湾积体电路制造公司(简称台积电)1987年成立于台湾新竹科学园区,开创专业集成电路制造服务商业模式, 是全球最大的纯晶圆加工制造企业。目前公司业务遍布北美、欧洲和亚洲,在中国台湾、大陆以及美国拥有14座晶圆代工厂,员工总数超过4.8 万名。![]()
2019年全球晶圆代工行业的市场规模约654亿美元,其中台积电营收346亿美元, 市占率高达52.7%;2020Q2公司营收达101亿美元,较2019年同比增长30.4%,远高于行业竞争对手三星和格芯,其中三星营收36.78亿美元,同比增长15.7%;格芯营收14.52美元;同比增长6.9%。
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a.1994至今,台积电市值增长97倍,营收增长55倍,净利润增长39倍
1994年上市以来市值成长近97倍,近十年CAGR为11%,超行业平均增速7pct。2019年公司营收达到10,700亿新台币(折合346.3亿美元),较1994年增长近55倍;净利达到3,453亿新台币,较1994年增长近39倍。最近10年营收复合增速为11%,毛利率维持在50%左右,行业领先的制程技术和稳定的盈利能力推动市值持续上升。
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晶圆代工开创行业先河,深耕领先制程成就行业龙头。台积电在张忠谋先生的带领下逐渐成长为晶圆制造行业龙头,创立之初便制定了有别于当时行业主流IDM模式的纯晶圆代工战略发展方向。通过精细化分工,公司可以将更多资源投入到领先制程的开发中,为全球IC设计类客户提供更专业、更便捷的制造服务,为客户节约大量时间成本,迅速抢占市场份额。![]()
公司成长历程的几个重要时点:
1) 与ASML合作开发出第一台浸没式光刻机,突破光刻限制巩固市场地位;
2) 打败三星拿下苹果A8处理器的全部订单,赚取丰厚的回报;
3) 实现16nm工艺量产,追赶并逐渐超过英特尔。
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a.台积电纯粹代工策略
1987年台积电成立,是世界上第一家专注于晶圆代工的集成电路制造企业。建立晶圆厂造价高昂, 并且晶圆生产的附加值不高。如果将晶片的设计和制造分开, IC设计公司便能集中资金与人力在电路设计和销售上,而晶圆代工厂则可以同时为多家IC设计公司提供服务,尽可能提高其生产线的利用率。台积电自身并不从事IC设计,是一家纯粹的晶圆代工企业,能替各家IC设计商量身定做制造流程, 并严格保守客户机密,开创了世界晶圆代工行业。
1993年台积电获得英特尔ISO 9001认证,生产能力得到世界级肯定,晶圆代工行业逐渐被世界接纳。
2000年台积电“ 群山计划” :给五家使用先进制程的IDM大厂量身定做技术支撑计划,适应每家企业不同需求。这一计划巩固了台积电与大客户的关系,保持台积电在市场份额上的领先地位。
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b 纯代工策略下,台积电获得Fabless设计巨头的持续支持
Foundry与Fabless公司互利共赢,纯晶圆代工路线服务全球客户。台积电客户遍布全球,产品种类众多,在半导体产业的各个领域表现突出。公司客户覆盖全球众多IC设计公司、系统公司、整合元件制造商等,更是和各设计巨头合作紧密。公司近几年大客户有如:苹果、AMD、高通、博通、英伟达、海思、联发科、TI、索尼等。
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因为代工企业和行业发展联系紧密,充分享受新兴市场初期高速增长红利。近年来公司的先进制程应用主要为高性能计算和消费电子领域,包括CPU、GPU、 ASIC、FPGA等芯片,对应下游包括智能手机、个人电脑、服务器、矿机等。台积电未来有望继续享受AI、IOT、汽车电子等新兴应用所带来的发展动能。
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b 初期联电在IDM、纯代工之间摇摆,错过最佳发展时机
- 联电成立于1980年,是中国台湾第一家半导体公司,于1995年彻底转型成晶圆代工厂。联电早期是台积电最大的竞争对手,后因在战略发展模式中摇摆, 错失发展良机。
- 曹兴诚联电模式:与北美11家IC设计公司成立合资企业,建立联诚、联瑞、 联嘉晶圆代工公司。曹兴诚本意是打通上下游市场,但此举有技术泄露风险,导致联电的主要客户群体为中小企业。
- 1996年联电又将旗下的IC设计部门分出去成立公司,包括现在的联发科技、 联咏科技、联阳半导体、智原科技等公司。未找准自身定位使得联电无法提供领先的制造技术和培养稳定的客户群体,也因此逐渐失去和台积电竞争的能力。
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芯片设计和制造分离模式的兴起催生了大批晶圆代工企业,拓墣产业研究院报告指出, 2017年全球晶圆代工总产值约573亿美元,较2016年增长7.1%。2018年全球晶圆代工产值微升4.5%,中国晶圆代工厂蓬勃发展,产值从2017年的54亿美元增长至60亿美元,市占率在2018年达到了9.3%。晶圆代工行业竞争激烈,且马太效应明显。世界排名前十的厂商占据了九成以上的市场份额,目前世界知名代工企业有台积电、三星、联华电子、格罗方德、中芯国际、华虹半导体等。
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台积电拥有五座12寸晶圆厂( Fab12,14,15,16,18) 、 七座8寸晶圆厂( Fab3,5,6,8,10 及SSMC) 、 一座6寸晶圆厂( Fab2)。在建台南科学园区5nm制程新厂,以及规划中的3nm新厂,预计分别于2020、2022年实现产。2019年,台积电及其子公司拥有及管理的年产能超过1200万片十二寸晶圆约当量。2019年利用率下滑至83.9%,主要原因是手机市场饱和,以及贸易摩擦导致消费疲软等原因。虽然2020年全球受疫情影响导致需求延后,中长期随5G、AIOT、汽车电子等需求的增大,公司产能利用率会逐步得到改善。
1) 新老应用的更替所带来的行业需求周期性变化, 代工厂会根据下游具体需求和未来发展灵活规划产能;2) 产线的淘汰和升级, 老的制程节点无法应对新的应用, 需要及时升级产线和推进制程平台。台积电在产能规模上一直领先于联华电子, 逐步确立行业龙头地位。20世纪初, 台积电与联电的产能竞赛进入白热化。2000年,联电将旗下四家子公司USC、 UTEK、 USI、 UICC合并, 总资产同比增长约113%, 突破百亿美元大关。联电在积极扩大8寸晶圆厂能的同时紧随其后于新加坡筹建12英寸晶圆制造公司(UMCi) , 产能达到238万片, 但依旧与台积电存在差异。2000年,台积电收购德基后又出资50亿美元收购了当时中国台湾地区第三大晶圆代工厂——世大半导体, 总资产增长111%达115亿美元。同年,台积电扩大了旗下9家8英寸晶圆厂, 产量增长93.9%,并建设2家12英寸工厂, 产能达到346万片。2000年台积电销售额增长127% 达56亿美元, 高出联电17亿美元, 此后两家公司营业收入差距逐渐增大。2008年台积电营业收入几乎是联电4倍。通过积极的折旧政策获得成本优势,增强竞争能力。台积电折旧年限为5年,低于一般晶圆代工行业折旧年限,如中芯国际8寸线的折旧年限通常为6年, 12寸线的折旧年限则为7年。以28nm为例,台积电2011年实现量产,设备在2016年完成折旧, 28nm产品在2017年开始降价,对中芯国际、联电等厂商的盈利能力形成较大压力。台积电南京自2016年7月开建,2018年10月投产,历时两年多,提供16nm FinFET晶圆代工业务。该厂投资金额30亿美元,2019年底产能达到15000片/月,预计在2020年达到2万片的规模。
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实现投资到现金流入的快速转换:回看台积电南京厂建设期间, 台积电自由现金流量稳定,足以支撑其不断建新工厂、扩产,且净利润率一直保持在较高水平,始终处于行业领先地位。
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2019年台积电大幅上修资本开支,建立先进制程的产能领先优势
资本开支继续增长, 彻底拉开与竞争对手的技术差距。台积电2018和2019年资本开支分别为105、149 亿美元,2020年资本开支预计150-160亿美元( 此前预期130-140亿美元)。公司第一季度资本开支63.9亿美元,同比增长159.3%。根据台积电Q1法说会,尽管短期市场存在一定不确定性,但未来几年5G与HPC相关应用有望持续对先进制程产生强烈需求,因此公司维持2020年150-160亿美元的资本支出不变,是台积电史上最高的资本支出。
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2019年时,台积电的资本支出是联电的16倍,中芯国际的5倍;台积电的资本支出/营收比是0.42,中芯国际和联电分别是0.60和0.20,台积电持续增长的高额资本支出对公司盈利性影响并不大,良好的盈利能力和稳健合理的资本投入比形成良性循环,真正实现了科技类公司技术创造价值的核心动力。
台积电持续加码研发投入,2019年全年研发投入约占总营收8.5%,达到211亿元。是中芯国际的4.5倍,联电的7.8倍。且公司近10年研发营收比维持在7%以上,这也奠定了台积电技术领先的基础。
先进制程追赶意味着高投入, 随着联电和格罗方德退出先进制程的竞技,目前只有中芯国际和上海华力在推进14nm节点及以下制程工艺。中芯国际近三年研发投入持续攀升,2019年达到47亿元,营收占比22%。![]()
台积电率先布局先进封装,储备后摩尔定律时代增长动能
台积电在光刻、 掺杂、 结构设计、 封装方式等环节持续升级, 确保公司在晶圆制程的多个关键技术节点上维持领先地位。
2004年, 台积电与ASML联合开发廉价、 稳定的浸润式光刻技术, 将解析能力推进至32nm。
2012年, 台积电除前道进制程方面持续推进, 协同先进封装CoWoS技术来缩短制造周期和提升良率。
2015年, 台积电实现16nm FinFET量产, 逐步追赶并超过当时在14nm工艺技术最强的英特尔。
2017年, 台积电开始使用EUV进行7nm制程开发。
- 2003年,在应用材料方面采用Low-K介电质+铜 制程的方式。Low-K(低介电质绝缘)作为介电层之材料可以降低芯片耗电量、提升良率,应用于0.13 微米及以下制程。
- 2004年,突破浸润式光刻。解决小尺寸下光刻问题,实现电路细小化,进展到45nm 以下制程。
- 2010年,在晶体管架构技术上采取High K介电质。可以解决晶体管漏电问题,节省芯片的功耗用电,进展到 28nm以下制程。
- 2012年,将CoWoS(硅穿孔)应用于封装技术。可以缩小封装尺寸、减短芯片制造周期并提高良率,主要应用于高阶运算型芯片如 GPU、TPU 和 FPGA 等产品。
- 2014年,封装技术中采取InFO。无基板的情况下,实现更多电子讯号传输,缩减封装厚度、提高效能与散热效果,主要使用于行动装置、物联网、应用处理器、基频模块等。
- 2015年,突破鳍式场效晶体管(FinFET)技术。可更有效地控制晶体管源极和汲极之间电流,并降低漏电和动态功耗,进展到16nm以下制程。
- 2017年,突破极紫外光刻(EUV)技术。更小尺寸下实现电路光刻,减少繁复的多重曝光步骤,提升良率、缩短 生产时间,进展到 7/5nm以下制程。
PPAC是晶圆代工产品竞争力核心评估指标, 包括性能(Performance)、 功耗(Power)、 面积(Area)、 成本(Cost)四个方面。根据台积电最新披露数据显示,5nm制程产品逻辑密度将是之前7nm的1.8倍,SRAM密度是7nm的1.35倍,可以带来15%的性能提升,以及30%的功耗降低。5nm之后,台积电还会推出N5P的增强版本,辅以FEOL和MOL优化,让产品运行速度进一步提升7%,同频功耗下降15%。
从0.13微米节点开始,联电制程开始落后于台积电。作为台积电早期最主要的竞争对手联电,在1995-2000年间两公司制程并无太大差异。2000年IBM发表了铜制程与Low-K材料的0.13微米新技术,联电买下该技术并与英飞凌合作开发,然而合作项目最终以失败告终,联电从此开始在制程上逐步和独立自主研发的台积电拉开差距。掌握最先进制造工艺,实现一步先步步先。2001年台积电聘请研发出FinFET的胡正明出任CTO,此项技术在二十一世纪初还未见成效,但对之后的技术飞跃起着决定性作用。45/40nm节点,台积电领先联电1年;28nm节点,台积电领先联电3年,技术上的差距越来越大。2018年,联电宣布放弃12nm以下先进工艺投资,专注投资回报率。![]()
先进制程竞技除了高昂的研发投入,自研核心技术、无法量化的经验积累以及优秀的领导层也是公司成功的关键要素。台积电一直靠自研实现从低端到高端的所有制造经验积累,公司灵魂张忠谋数次正确的战略决定和掌握FinFET核心技术的胡正明加盟,成就了台积电现在的龙头地位。2004年,台积电90纳米制程技术的需求在消费性产品、通讯、电脑以及其它工业,应用范围广。台积电的90纳米制程更具有高密性、高效能、低耗能以及低成本等竞争优势。2008年第一季度,90纳米的贡献达到最高点,占比达29%。2011年,台积公司是第一家28纳米制程技术进入量产的专业集成电路制造服务公司,并且已经开始出货给客户。透过迅速密集的努力,此一先进制程技术在民国2011年第四季贡献总营收将近2%。在2020年第一季度仍贡献了14%的营收。7nm节点产品性能大幅度提升
AI市场需求日益旺盛,台积电在2016年将7nm工艺提上研发日程;2018年, 台积电实现7nm FinFET制程量产;2019年实现第二代N7P技术量产,成为第一家商业化EUV光刻技术的芯片制造商。除少数主要客户外, 大多数台积电客户制程从N16直接跨越到N7, N10节点被认为是一个短命节点,主要用作产量学习。当从N16跨到N7时,N7提供3.3倍的栅极密度以及约35-40% 的速度提升和65% 的低功率。N7工艺的一个关键亮点是它的缺陷密度。台积电表示,从N10节点学习,N7D0减少斜坡是有史以来最快的,平稳到与之前节点相当的水平。7nm产品的晶粒大小只有28纳米晶粒的五分之一,大大减小了晶粒尺寸大小,进一步提高集成度;由于晶粒减小带来的另一大优势是耗电量的减小, 7nm芯片的耗电量只有55nm低功耗产品的1/25,只有16/12nm FFC耗电量的一半,大幅提高手机等电子产品的续航能力。苹果、华为、AMD等客户与台积电合作都相继推出了新一代7nm芯片,包括麒麟990系列、A14、A13、A12及锐龙3000、RX 5700系列等。
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