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

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

    一、半導體芯片現(xiàn)狀

    2019 年 12 月份全球半導體銷售額為 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，中國的銷售額恢復較快，2019 年 12 月份銷售額同比已經(jīng)實現(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%，較前幾個月的同比數(shù)據(jù)來看正處于改善過程中。

全球半導體銷售額（億美元；%）

數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

全球分地區(qū)半導體銷售額（十億美元）

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    半導體設備與材料則從上游源頭反射行業(yè)景氣度的變化趨勢。北美半導體設備制造商月度出貨數(shù)據(jù)自 2018 年 11 月起同比增速為負，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%；日本半導體設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 月同比增速達到 3.1%，行業(yè)先行指標快速恢復增長預示行業(yè)未來景氣度高。

北美半導體設備制造商月度出貨額（百萬美元）

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日本半導體設備制造商月度出貨額（十億日元）

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    當前臺積電最先進的工藝為 7nm 制程，主要用于生產(chǎn)手機處理器、基帶芯片、高性能運算等對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)于預期，A13 應用處理器委由臺積電以 7 納米制程量產(chǎn)，而蘋果早就預訂了臺積電大部分 7 納米產(chǎn)能，目前仍然維持計劃投片，導致華為海思、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 的營收占比達到 35%，預期 2020Q1 高端制程的產(chǎn)能仍然緊張。

    5G 手機芯片、人工智能（AI）、高效能運算（HPC）處理器、網(wǎng)絡處理器、IOT 芯片等在內(nèi)的需求強勁，將拉動半導體行業(yè)快速復蘇。

2016-2021年全球人工智能芯片規(guī)模及預測）

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2014-2020全球 IOT 半導體市場規(guī)模及增速

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    2019 年全球半導體營收超過 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)海關數(shù)據(jù)，2019 年中國集成電路進口額為 3050 億美元。

2019 年中國地區(qū)半導體銷售額占全球 35%

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

    二、功率半導體

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

    由于功率半導體在 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）領域，從計算機、電視機、洗衣機、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），功率器件向機車、工業(yè)驅(qū)動、冶煉爐等設備中的電機提供電能；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 組成的復合功率半導體器件，既有 MOSFET 的開關速度高、輸入阻抗高、控制功率小、驅(qū)動電路簡單、開關損耗小的優(yōu)點，又有 BJT 導通電壓低、通態(tài)電流大、損耗小的優(yōu)點，在高壓、大電流、高速等方面是其他功率器件不能比擬的，因而是電力電子領域較為理想的開關器件，是未來應用發(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，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、關斷時間、功率損耗等各項指標經(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)展的主要技術節(jié)點

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    IGBT 是新能源汽車和高鐵等軌道交通車輛動力系統(tǒng)“核心中的核心”，為業(yè)界公認發(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施快速增長將為 IGBT 等高端功率半導體市場規(guī)模的加速擴張?zhí)峁┯辛Φ谋Ｕ稀ｎA計，電動汽車用 IGBT 市場到 2022 年將占整個 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)相關人才缺乏，工藝基礎薄弱，國內(nèi)企業(yè)產(chǎn)業(yè)化起步較晚。

    預計 2022 年全球 IGBT 市場將超過 55 億美元，主要增長來自電動汽車 IGBT 功率模塊；預計 2018 年國內(nèi) IGBT 市場達到 153 億元。

2016-2022 年全球 IGBT 市場規(guī)模及預測

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    智研咨詢發(fā)布的《2020-2026年中國半導體行業(yè)市場供需規(guī)模及發(fā)展趨勢分析報告》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%左右的需求依賴對外資品牌的采購。

國內(nèi) IGBT 產(chǎn)品的供需趨勢（萬只）

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    隨著國內(nèi)相關企業(yè)在 IGBT 領域的持續(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%，雖然由于技術差距較大導致整體國產(chǎn)化比率仍然偏低，但是未來國產(chǎn)化趨勢比較明確。一方面，IGBT 屬于工業(yè)核心零部件并且具備關鍵技術，在“自主可控”的大背景下，預計有望得到國家層面的持續(xù)重點支持，目前國網(wǎng)、中車等集團也在不斷投入研發(fā)；另一方面，國內(nèi)企業(yè)具備成本、服務優(yōu)勢，若未來技術差距縮小，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、化合物半導體

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

三代主要半導體材料物理性質(zhì)對比

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

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

    未來 5-10 年在汽車中使用 SiC 功率器件將推動行業(yè)的快速發(fā)展，SiC 在汽車中的應用包括主逆變器、車載充電器及 DC/DC 轉(zhuǎn)換器等。據(jù) Yole 統(tǒng)計，截至 2018 年，有超過20家汽車廠商已經(jīng)準備好將在車載充電器中應用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，也是產(chǎn)業(yè)鏈努力的結果，未來市場空間必將越來越大。

SiC 應用領域及其市場空間（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域，如輕量化的消費電子電源適配器、無人機用超輕電源、無線充電設備等。

    對于充電器，一個很重要的功能是將 220V 的市電變?yōu)樵O備可接受的電壓，220V 交流電整流后先經(jīng)過開關管（一個速度很快的開關）然后才到變壓器，由于開關管的高頻開啟和關閉，所以輸入電壓是高頻變動的。如果提高開關的頻率，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間內(nèi)能量轉(zhuǎn)換的次數(shù)增加，所以導致轉(zhuǎn)換功率增加。反過來說就是總功率一定時，頻率越高，變壓器的體積可以更小。 氮化鎵充電器小的關鍵原因是繼續(xù)提高了開關頻率，對比傳統(tǒng)硅開關，GaN 的開關速度可高 100 倍。

    GaN 固有的較低柵極和輸出電容支持以兆赫茲級的開關頻率運行，同時降低柵極和開關損耗，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損耗，并進一步提高了效率、減少了開關節(jié)點振鈴和 EMI。 開關損耗會隨著開關管大小的增大而增加，導通損耗會隨著開關管大小（體積 V）的增大而減小，兩者曲線的交叉點就是傳統(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)勢便是在同等功率的情況下重量、體積、價格上均有優(yōu)勢，對于消費電子充電器品類有著較強的滲透能力，未來 100-200 元區(qū)間的 GaN 充電器將進一步對現(xiàn)有傳統(tǒng)充電器乃至傳統(tǒng)快充充電器進行替代，全面利好產(chǎn)業(yè)鏈。

部分傳統(tǒng)快充充電頭在重量、價格、體積上對比 GaN 充電頭均有不足

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    五、存儲器

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

    存儲器主要有 SRAM、DRAM 和 FLASH MEMORY。SRAM 的一個存儲單元需要較多的晶體管，價格昂貴，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，并具有在線非易失性（在斷電情況下仍能保持所存儲的數(shù)據(jù)信息）等優(yōu)點，為嵌入式系統(tǒng)中典型的存儲設備，多用于數(shù)碼相機、手機、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，價格較昂貴，因此適合頻繁隨機讀寫的場合；NAND FLASH 生產(chǎn)過程簡單，容量大，價格較低，因此主要用來存儲資料。

存儲器芯片價格情況（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（億美元；%）

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    存儲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)勢的行業(yè)龍頭掌握了絕大多數(shù)的存儲器市場。未來，隨著半導體產(chǎn)業(yè)鏈的逐步轉(zhuǎn)移，我國如合肥長鑫、長江存儲等存儲器企業(yè)的技術及產(chǎn)能的不斷推進，疊加國內(nèi)智能手機、物聯(lián)網(wǎng)、車載系統(tǒng)等需求釋放在即，未來存儲器國產(chǎn)化機遇十分充足。

存儲器進口替代空間巨大（億美元；%）

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國產(chǎn)化空間較大（臺；%）

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