2020年中國半導(dǎo)體行業(yè)現(xiàn)狀及趨勢(shì)：半導(dǎo)體芯片、功率半導(dǎo)體、化合物半導(dǎo)體及存儲(chǔ)器國產(chǎn)化[圖]

    半導(dǎo)體芯片是科技創(chuàng)新的硬件基礎(chǔ)，站在 5G+AI 這新一輪全球科技創(chuàng)新周期的起點(diǎn)，半導(dǎo)體芯片將是科技創(chuàng)新發(fā)展確定的方向之一，全球的半導(dǎo)體指數(shù)表現(xiàn)優(yōu)異。

    一、半導(dǎo)體芯片現(xiàn)狀

    2019 年 12 月份全球半導(dǎo)體銷售額為 361.0 億美金，同比下滑 5.5%，同比增速大幅改善。分地區(qū)來看，中國的銷售額恢復(fù)較快，2019 年 12 月份銷售額同比已經(jīng)實(shí)現(xiàn) 0.8%的正增長，亞太（除中國、日本外）、歐洲、日本和美洲均有所下降，分別降低了 7.5%、7.8%、8.4%和 10.5%，較前幾個(gè)月的同比數(shù)據(jù)來看正處于改善過程中。

全球半導(dǎo)體銷售額（億美元；%）

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全球分地區(qū)半導(dǎo)體銷售額（十億美元）

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    半導(dǎo)體設(shè)備與材料則從上游源頭反射行業(yè)景氣度的變化趨勢(shì)。北美半導(dǎo)體設(shè)備制造商月度出貨數(shù)據(jù)自 2018 年 11 月起同比增速為負(fù)，2019 年 10 月份出貨同比增速首度轉(zhuǎn)正為 3.9%，2020 年 1 月份出貨額同比增長 23.6%；日本半導(dǎo)體設(shè)備制造商月度出貨數(shù)據(jù)自 2019 年 2 月開始雙位數(shù)下滑，2020 年 1 月同比增速達(dá)到 3.1%，行業(yè)先行指標(biāo)快速恢復(fù)增長預(yù)示行業(yè)未來景氣度高。

北美半導(dǎo)體設(shè)備制造商月度出貨額（百萬美元）

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日本半導(dǎo)體設(shè)備制造商月度出貨額（十億日元）

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    當(dāng)前臺(tái)積電最先進(jìn)的工藝為 7nm 制程，主要用于生產(chǎn)手機(jī)處理器、基帶芯片、高性能運(yùn)算等對(duì)性能及功耗要求均非常高的產(chǎn)品，客戶主要包括華為、蘋果、高通、AMD 和MTK。由于蘋果 iPhone 11 系列銷售情況優(yōu)于預(yù)期，A13 應(yīng)用處理器委由臺(tái)積電以 7 納米制程量產(chǎn)，而蘋果早就預(yù)訂了臺(tái)積電大部分 7 納米產(chǎn)能，目前仍然維持計(jì)劃投片，導(dǎo)致華為海思、賽靈思（Xilinx）、超微（AMD）、聯(lián)發(fā)科等大廠都拿不到足夠的 7 納米產(chǎn)能，目前交期已經(jīng)超過 100 天，2019Q4 的營收占比達(dá)到 35%，預(yù)期 2020Q1 高端制程的產(chǎn)能仍然緊張。

    5G 手機(jī)芯片、人工智能（AI）、高效能運(yùn)算（HPC）處理器、網(wǎng)絡(luò)處理器、IOT 芯片等在內(nèi)的需求強(qiáng)勁，將拉動(dòng)半導(dǎo)體行業(yè)快速復(fù)蘇。

2016-2021年全球人工智能芯片規(guī)模及預(yù)測）

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2014-2020全球 IOT 半導(dǎo)體市場規(guī)模及增速

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    2019 年全球半導(dǎo)體營收超過 4100 億美元，其中中國地區(qū)銷售額占比為 35%，是占比最高的國家和地區(qū)。根據(jù)海關(guān)數(shù)據(jù)，2019 年中國集成電路進(jìn)口額為 3050 億美元。

2019 年中國地區(qū)半導(dǎo)體銷售額占全球 35%

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    中國半導(dǎo)體市場龐大，自給率嚴(yán)重不足，國產(chǎn)化持續(xù)推進(jìn)。

    二、功率半導(dǎo)體

    功率器件是分立器件的重要組成部分，典型的功率半導(dǎo)體處理功能包括變頻、變壓、變流、功率放大和功率管理等。功率半導(dǎo)體幾乎用于所有的電子制造業(yè)，包括計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信、消費(fèi)電子、汽車電子、工業(yè)控制等一系列電子領(lǐng)域。

    由于功率半導(dǎo)體在 電源或者電能轉(zhuǎn)換模塊中必不可少 ，所以稱之為電子產(chǎn)品的必需品 。在小功率（幾 W 至幾千 W）領(lǐng)域，從計(jì)算機(jī)、電視機(jī)、洗衣機(jī)、冰箱、空調(diào)等電器的電源中均有使用；在中等功率范圍（10000W 到幾兆瓦），功率器件向機(jī)車、工業(yè)驅(qū)動(dòng)、冶煉爐等設(shè)備中的電機(jī)提供電能；在吉瓦的大功率范圍內(nèi)，高壓直流輸電系統(tǒng)中需要超高電壓功率半導(dǎo)體器件。

    IGBT 是 Insulated Gate Bipolar Transistor 的縮寫，即 絕緣柵雙極型晶體管。它是由 BJT和 MOSFET 組成的復(fù)合功率半導(dǎo)體器件，既有 MOSFET 的開關(guān)速度高、輸入阻抗高、控制功率小、驅(qū)動(dòng)電路簡單、開關(guān)損耗小的優(yōu)點(diǎn)，又有 BJT 導(dǎo)通電壓低、通態(tài)電流大、損耗小的優(yōu)點(diǎn)，在高壓、大電流、高速等方面是其他功率器件不能比擬的，因而是電力電子領(lǐng)域較為理想的開關(guān)器件，是未來應(yīng)用發(fā)展的主要方向。

IGBT 產(chǎn)品示意圖

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    IGBT 芯片經(jīng)歷了 6 代升級(jí)，從平面穿通型（PT）到溝槽型電場—截止型（FS-Trench），芯片面積、工藝線寬、通態(tài)飽和壓降、關(guān)斷時(shí)間、功率損耗等各項(xiàng)指標(biāo)經(jīng)歷了不斷的優(yōu)化，斷態(tài)電壓也從 600V 提高到 6500V 以上。

IGBT 芯片發(fā)展的主要技術(shù)節(jié)點(diǎn)

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    IGBT 是新能源汽車和高鐵等軌道交通車輛動(dòng)力系統(tǒng)“核心中的核心”，為業(yè)界公認(rèn)發(fā)展最為迅速的新型功率器件品種。新能源汽車及其配套設(shè)施快速增長將為 IGBT 等高端功率半導(dǎo)體市場規(guī)模的加速擴(kuò)張?zhí)峁┯辛Φ谋Ｕ稀ｎA(yù)計(jì)，電動(dòng)汽車用 IGBT 市場到 2022 年將占整個(gè) IGBT 市場的 40％左右。目前國內(nèi)外 IGBT 市場仍主要由外國企業(yè)占據(jù)，雖然我國 IGBT 市場需求增長迅速，但由于國內(nèi)相關(guān)人才缺乏，工藝基礎(chǔ)薄弱，國內(nèi)企業(yè)產(chǎn)業(yè)化起步較晚。

    預(yù)計(jì) 2022 年全球 IGBT 市場將超過 55 億美元，主要增長來自電動(dòng)汽車 IGBT 功率模塊；預(yù)計(jì) 2018 年國內(nèi) IGBT 市場達(dá)到 153 億元。

2016-2022 年全球 IGBT 市場規(guī)模及預(yù)測

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    智研咨詢發(fā)布的《2020-2026年中國半導(dǎo)體行業(yè)市場供需規(guī)模及發(fā)展趨勢(shì)分析報(bào)告》數(shù)據(jù)顯示：從市場格局來看，由于國內(nèi) IGBT 產(chǎn)業(yè)鏈基礎(chǔ)薄弱，目前只有少數(shù)企業(yè)能夠參與競爭，國內(nèi)百億的 IGBT 市場主要被外資品牌所占據(jù)。從國內(nèi) IGBT 的供需情況來看，2018 年國內(nèi) IGBT 產(chǎn)量僅占需求的約 14%，即 86%左右的需求依賴對(duì)外資品牌的采購。

國內(nèi) IGBT 產(chǎn)品的供需趨勢(shì)（萬只）

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    隨著國內(nèi)相關(guān)企業(yè)在 IGBT 領(lǐng)域的持續(xù)突破，IGBT 國產(chǎn)化比率逐年提高，從 2014 年的 9%提升至 2018 年的 15%，雖然由于技術(shù)差距較大導(dǎo)致整體國產(chǎn)化比率仍然偏低，但是未來國產(chǎn)化趨勢(shì)比較明確。一方面，IGBT 屬于工業(yè)核心零部件并且具備關(guān)鍵技術(shù)，在“自主可控”的大背景下，預(yù)計(jì)有望得到國家層面的持續(xù)重點(diǎn)支持，目前國網(wǎng)、中車等集團(tuán)也在不斷投入研發(fā)；另一方面，國內(nèi)企業(yè)具備成本、服務(wù)優(yōu)勢(shì)，若未來技術(shù)差距縮小，存在一定的替代可行性。未來隨著國產(chǎn)化的不斷提升，國內(nèi)自主品牌所面臨的 IGBT 行業(yè)需求將保持持續(xù)較快增長。

    三、化合物半導(dǎo)體

    碳化硅（SiC ）和氮化鎵（GaN ）等第三代半導(dǎo)體因禁帶寬度和擊穿電壓高，未來在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域有很大的應(yīng)用潛力，這一領(lǐng)域可以說是傳統(tǒng)硅基功率半導(dǎo)體的全方位升級(jí)。

三代主要半導(dǎo)體材料物理性質(zhì)對(duì)比

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    目前第三代半導(dǎo)體功率器件發(fā)展方向主要有 SiC 和 GaN 兩大方向，SiC 擁有更高的熱導(dǎo)率和更成熟的技術(shù)，而 GaN 高電子遷移率和飽和電子速率、成本更低的優(yōu)點(diǎn)，兩者的不同優(yōu)勢(shì)決定了應(yīng)用范圍上的差異，GaN 的市場應(yīng)用偏向高頻小電力領(lǐng)域，集中在600V 以下；而 SiC 適用于 1200V 以上的高溫大電力領(lǐng)域。

    碳化硅器件比硅器件具備更高的電流密度，在功率等級(jí)相同的條件下，采用碳化硅器件可將電體積縮小化，滿足功率密度更高、設(shè)計(jì)更緊湊的需求。

    未來 5-10 年在汽車中使用 SiC 功率器件將推動(dòng)行業(yè)的快速發(fā)展，SiC 在汽車中的應(yīng)用包括主逆變器、車載充電器及 DC/DC 轉(zhuǎn)換器等。據(jù) Yole 統(tǒng)計(jì)，截至 2018 年，有超過20家汽車廠商已經(jīng)準(zhǔn)備好將在車載充電器中應(yīng)用SiC 肖特基二極管或者SiC MOSFET。SiC 的出現(xiàn)符合未來能源效率提升的趨勢(shì)，也是產(chǎn)業(yè)鏈努力的結(jié)果，未來市場空間必將越來越大。

SiC 應(yīng)用領(lǐng)域及其市場空間（百萬美元）

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    四、GaN 功率器

    GaN 功率器件的定位為小體積、成本敏感、功率要求低的電源領(lǐng)域，如輕量化的消費(fèi)電子電源適配器、無人機(jī)用超輕電源、無線充電設(shè)備等。

    對(duì)于充電器，一個(gè)很重要的功能是將 220V 的市電變?yōu)樵O(shè)備可接受的電壓，220V 交流電整流后先經(jīng)過開關(guān)管（一個(gè)速度很快的開關(guān)）然后才到變壓器，由于開關(guān)管的高頻開啟和關(guān)閉，所以輸入電壓是高頻變動(dòng)的。如果提高開關(guān)的頻率，則意味著每次電磁變化轉(zhuǎn)換的能量一樣的情況下可以使單位時(shí)間內(nèi)能量轉(zhuǎn)換的次數(shù)增加，所以導(dǎo)致轉(zhuǎn)換功率增加。反過來說就是總功率一定時(shí)，頻率越高，變壓器的體積可以更小。 氮化鎵充電器小的關(guān)鍵原因是繼續(xù)提高了開關(guān)頻率，對(duì)比傳統(tǒng)硅開關(guān)，GaN 的開關(guān)速度可高 100 倍。

    GaN 固有的較低柵極和輸出電容支持以兆赫茲級(jí)的開關(guān)頻率運(yùn)行，同時(shí)降低柵極和開關(guān)損耗，從而提高效率。不同于硅，GaN 不需要體二極管，因而消除了反向恢復(fù)損耗，并進(jìn)一步提高了效率、減少了開關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴和 EMI。 開關(guān)損耗會(huì)隨著開關(guān)管大小的增大而增加，導(dǎo)通損耗會(huì)隨著開關(guān)管大?。w積 V）的增大而減小，兩者曲線的交叉點(diǎn)就是傳統(tǒng) MOSFET 的功率損耗，在功率損耗一致的情況下 GaN 開關(guān)的體積要比傳統(tǒng) MOSFET 要小。

GaN 變壓器的體積和重量顯著小于傳統(tǒng)硅基器件

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    GaN 充電器相比傳統(tǒng)快充充電器，其最大的優(yōu)勢(shì)便是在同等功率的情況下重量、體積、價(jià)格上均有優(yōu)勢(shì)，對(duì)于消費(fèi)電子充電器品類有著較強(qiáng)的滲透能力，未來 100-200 元區(qū)間的 GaN 充電器將進(jìn)一步對(duì)現(xiàn)有傳統(tǒng)充電器乃至傳統(tǒng)快充充電器進(jìn)行替代，全面利好產(chǎn)業(yè)鏈。

部分傳統(tǒng)快充充電頭在重量、價(jià)格、體積上對(duì)比 GaN 充電頭均有不足

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    五、存儲(chǔ)器

    存儲(chǔ)器構(gòu)筑了智能大時(shí)代的數(shù)據(jù)基石。隨著 5G 技術(shù)的逐漸落地，人工智能應(yīng)用的場景化多點(diǎn)開花，工業(yè)智造+家居智能+社會(huì)智理的全面智聯(lián)時(shí)代即將拉開帷幕，這其中支撐智能時(shí)代的不僅是人工智能的大腦——算法&高效能運(yùn)算芯片，感知器官——傳感器，血管筋絡(luò)——傳輸網(wǎng)絡(luò)，還有一切智能產(chǎn)生的根基與開端——數(shù)據(jù)&存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中用來存儲(chǔ)程序和各種數(shù)據(jù)的記憶設(shè)，計(jì)算機(jī)中的全部信息，包括輸入的原始數(shù)據(jù)、計(jì)算機(jī)程序、中間運(yùn)行結(jié)果和最終運(yùn)行結(jié)果都保存在存儲(chǔ)器中。

    存儲(chǔ)器主要有 SRAM、DRAM 和 FLASH MEMORY。SRAM 的一個(gè)存儲(chǔ)單元需要較多的晶體管，價(jià)格昂貴，容量不大，多用于制造 CPU 內(nèi)部的 Cache；DRAM即我們通常所說的內(nèi)存大小，用于我們通常的數(shù)據(jù)存?。籉LASH MEMORY 壽命長、體積小、功耗低、抗振性強(qiáng)，并具有在線非易失性（在斷電情況下仍能保持所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息）等優(yōu)點(diǎn)，為嵌入式系統(tǒng)中典型的存儲(chǔ)設(shè)備，多用于數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)、平板電腦、MP3 等。FLASH MEMORY 又分為 NOR FLASH 和 NAND FLASH，NOR FLASH 的傳輸效率高，容量小，程序可以在芯片內(nèi)部執(zhí)行，價(jià)格較昂貴，因此適合頻繁隨機(jī)讀寫的場合；NAND FLASH 生產(chǎn)過程簡單，容量大，價(jià)格較低，因此主要用來存儲(chǔ)資料。

存儲(chǔ)器芯片價(jià)格情況（美元）

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NAND FLASH 2020 增長在即（億美元；%）

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DRAM 全球市場保持增長（億美元；%）

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NOR FLASH 2020 增速恢復(fù)（億美元；%）

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    存儲(chǔ)器競爭以海外龍頭為主，三星、東芝、西部數(shù)據(jù)、SK 海力士、鎂光等擁有先發(fā)優(yōu)勢(shì)的行業(yè)龍頭掌握了絕大多數(shù)的存儲(chǔ)器市場。未來，隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的逐步轉(zhuǎn)移，我國如合肥長鑫、長江存儲(chǔ)等存儲(chǔ)器企業(yè)的技術(shù)及產(chǎn)能的不斷推進(jìn)，疊加國內(nèi)智能手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)、車載系統(tǒng)等需求釋放在即，未來存儲(chǔ)器國產(chǎn)化機(jī)遇十分充足。

存儲(chǔ)器進(jìn)口替代空間巨大（億美元；%）

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國產(chǎn)化空間較大（臺(tái)；%）

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