硬科技投资系列之——半导体赛道
半导体产业链较其他制造业更为复杂，技术、资金及商业壁垒高企，如何识别具备良好前景的赛道并从中发现具备高投资价值的“沧海遗珠”是众多投资人共同面临的挑战。
半导体行业的重要性
自20世纪50年代以来，半导体已经成为众多工业设备的核心，广泛应用于计算机、消费电子、网络通信、汽车电子、军事设备等行业。据美国半导体业协会统计，2020年全球半导体行业总产值约占全球工业增加值的2%，超越了G7国家中的法国、加拿大、意大利三国当年的本国工业总增加值1。在全球新一轮的科技、产业信息化革命中，先进的半导体技术已经成为各国主要的竞争焦点。
1 来源：Wind。
对比全球其他主要经济体，中国本土半导体产业发展水平相对落后。与国内巨大的市场需求相比，国产半导体体量较小，自给率不到30%，严重依赖进口。据中国海关总署统计，2021年中国集成电路进口总额高达27,935亿元人民币，同比2020年增长15.4%，占2021年全国总进口额的7%，连续第9年蝉联中国第一大进口商品。过高的进口依赖给中国的半导体及相关上下游行业带来了极大的风险。从2018年中兴通讯“禁运事件”开始，到2019年制裁华为达到顶峰，几次芯片“卡脖子”事件使多家中国高科技企业受到影响，严重威胁到国民经济和信息安全。
中国将新一代信息技术列为重点发展的领域。同时，国家各部门制定出台财税、投融资、研究开发、进出口、人才、知识产权、市场应用、国际合作等方面一系列的政策措施。此外，国家集成电路产业投资基金（“国家大基金”）一期直接投资总规模达1,387亿元，同时连带撬动5,145亿元地方及社会融资，总计带动约6,532亿元资金进入集成电路产业2。
2东方财富证券【2019.12.31】大基金一期投资硕果累累，二期蓄势待发、国信证券；【2019.10.08】一文看懂国家大基金一期布局，展望二期看点。
在国家大力倡导发展半导体行业的时代背景下，半导体产业链各个赛道受到各级投资人的持续关注。2020—2021年间，中国半导体产业总融资交易数量超过900余起。仅2021年就有19家半导体相关企业在科创板成功上市，占当年科创板上市企业数量的12%。近年来，中国国内半导体产业融资事件主要发生在A/B轮的早期投资，且大部分集中于芯片设计环节。在半导体行业地位日益凸显的大环境下，相关产业链赛道热度将持续高涨。
半导体产业链概览
半导体产业链可以分为基础研究、设计、生产制造三个大流程。基础研究聚焦科学、工程学等相关命题展开，是科技创新的源泉。而半导体设计和制造流程则可以进一步细分为EDA/IP、芯片设计、工具设备、材料、晶圆制造、封装测试六个产业环节。
整个半导体产业链呈现出产业链长、核心节点众多、产业分工明确、区域垄断严重的特点。半导体产业链环节众多，各个环节均有较高的投资要求及技术难度，促使行业分工日趋专业化。此外，由于发展水平不一、产业专长不同，各个区域、国家在产业链上具有鲜明的优势，产业链上超过50个核心技术节点由单一区域保有超过65%的全球市占率，全产业链有着高度区域垄断的特性。
半导体行业主要趋势
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技术演进趋势
突破摩尔定律
摩尔定律是由英特尔创始人之一戈登·摩尔在上个世纪60年代提出的，其主要内容为：当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，每隔约18—24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。过去的半个多世纪，半导体行业遵循着摩尔定律向着先进制程发展。
而近年来，随着制程工艺接近物理尺寸极限，且持续追求先进制程的成本节节攀升，摩尔定律面临着极大挑战。芯片尺寸的不断缩小会导致包括量子隧穿在内的多种量子效应，引发晶体管漏电等各类问题，使晶体管特性难以控制。同时，随着制程的优化，新制程仅芯片设计成本就从28nm的5千万美元攀升到5nm的5.4亿美元。按照这个趋势，单纯靠提升芯片制程工艺已经无法满足行业发展需求，半导体行业将进入“后摩尔时代”。
在“后摩尔时代”，半导体行业将通过单芯片设计优化及多芯片堆积来提升整体算力。单芯片层面，厂商有望通过新兴芯片设计模式及系统算法优化来实现芯片性能提升。同时，先进封装技术的发展有望实现异质集成，从而解决计算单元堆积带来的高功耗、散热难等问题，帮助半导体行业实现多芯片集成，提升整体算力。这些技术革新将直接推动芯片设计、EDA/IP、封装测试等环节的关键技术突破，同时带动上下游全产业链的变革。
第三类半导体材料
多年来，硅（Si）在半导体材料中占据绝对的统治地位，是半导体行业中使用最为广泛的材料。然而随着半导体应用领域的扩大及科技的进步，传统硅基材料已经无法满足包括5G、快充在内的一些特殊产业在高温、强辐射、大功率环境下对半导体的性能要求。
碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等第三类半导体材料将以其优越的性能及碳排优势在未来的半导体材料中占有一席之地。第三类半导体材料宽禁带的特点使其具有高击穿磁场、高导热率、高电子密度等特性，从而比传统硅基半导体材料更加适应高电压、高温、强辐射的工作环境。同时，第三类半导体相比硅器件能大量减少能量损失，缩小装备体积，能帮助下游产业实现“碳中和”发展目标。近年来，SiC和GaN已经在新能源汽车、5G、数据中心等领域取得发展。随着这些新兴行业的发展，第三类半导体材料将成为半导体材料中最具发展潜力的领域之一，并随之带来产业链上特定场景的芯片原材料处理、芯片设计、EDA/IP等环节的技术突破，以及全产业链相关厂商的发展。
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产业链分布趋势
半导体产业链一直以全球化、分工专业化而著称，各区域分别在半导体产业链的不同环节上占据着至关重要的地位。其中美国在高端设备、芯片设计、EDA/IP等环节占据主导，东亚地区走在晶圆制造前沿，而中国大陆则在封装测试环节举足轻重。全球范围内没有哪个国家能完全自给，然而随着近年来一系列国际贸易冲突和地缘政治矛盾，各个国家均逐步转向半导体产业链的自主化道路。
2022年2月，美国众议院通过了《2022年美国创新与竞争法案》，授权在美国财政部设立“为芯片生产创造有利激励措施”（CHIPS）基金并拨款520亿美元用于支持美国半导体产业研究与发展。日本于2021年6月发布了半导体数字产业战略，确立了扩大国内生产能力的目标。日本的“半导体援助法”于今年3月1日开始施行，对在日本国内兴建先进半导体工厂提供补贴，旨在重振日本半导体产业。而据近期德媒报道，德国将为英特尔于德国马格德堡的新工厂提供约68亿欧元的补贴，联邦政府已在2022年预算中预留了27亿欧元，剩下的资金将在2023及2024年的预算中分配。
中国在EDA/IP、芯片设计、设备等环节发展则明显落后，全球市占率不足5%。为此，国家早在2016年的《“十三五”国家科技创新规划》就提出要“攻克14纳米刻蚀设备、薄膜设备、掺杂设备等高端制造装备及零部件”，更是在2021年11月发布的《“十四五”软件和信息技术服务业发展规划》中提出“重点突破工业软件，关键基础软件补短板。建立EDA开发商、芯片设计企业、代工厂商等上下游企业联合技术攻关机制，突破针对数字、模拟及数模混合电路设计、验证、物理实现、制造测试全流程的关键技术，完善先进工艺工具包”。
随着半导体产业链本土化、自主化的发展，中国有望打破全球区域垄断的产业链分布状况，建立起完善的半导体产业链条。在这个过程中，现在仍存在短板的EDA/IP、芯片设计、设备等产业链环节将受到关注，迎来发展机遇。
中国半导体产业近期
部分投资热点赛道聚焦
半导体产业技术演进及产业链分布变化趋势对中国半导体产业链的各个环节均产生了深远影响。从投资视角而言，近期应重点关注半导体前端设备及部分下游应用需求增长较快的芯片设计赛道，这些赛道受半导体行业趋势影响，行业规模、增速等方面均有较高的吸引力，且终端用户国产替代需求明显，国内相关企业亦具备较大替代潜力。半导体材料、EDA/IP等行业目前海外企业垄断较为显著，短期内国产替代潜力有限，可考虑中远期投资关注。
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半导体前端设备
2020年中国半导体前端设备市场销售规模约为164亿美元，未来五年平均复合增长率约为2.1%，其增长主要由持续扩张的新增产能驱动。半导体前端设备种类较多，其中以沉积、刻蚀、光刻及过程控制（缺陷检测）等设备为重点。
从技术演进角度而言，先进制程以及更为复杂的异构芯片均会持续推动高端前端设备需求增长，而第三类半导体的持续渗透将带动其所特需的前端设备，如MOCVD、离子注入等设备的需求增长。而半导体产业链本地化、自主化的趋势更将进一步推动全系列前端设备的需求增长。
对中国市场而言，半导体产业链在本地化及自主化的同时亦追求前端生产设备的国产替代，以自研技术突破日益加剧的技术及出口限制。国内企业近年来在前端设备研发及商业化方面取得较大突破，研发重点聚焦于沉积、刻蚀、清洗等环节的重点设备。
沉积设备：2021年沉积设备国产化率已达到15%左右，有望在未来五年内进一步提升至30%。国内领先企业较多以CVD作为主要产品线，在28nm及以上成熟制程已实现稳定出货，而针对14nm及以下先进制程的沉积设备（尤以ALD为主）正成为下一阶段研发重点。
刻蚀设备：由存储芯片堆叠层数增加及逻辑芯片日益提升的先进制程带来的工艺变化正推动刻蚀设备需求的快速增长。而在国内市场，刻蚀设备的国产化率已然达到20%，且有望在未来五年内进一步提升至35%。在刻蚀设备领域，本土厂商的设备性能已具备与海外领先企业抗衡的能力，且在本土半导体厂商用户已实现较大突破；本土刻蚀设备领先厂商目前已可提供较为丰富的产品组合，而新兴刻蚀设备企业依旧具备较大发展空间，在新材料（如SiC）或新芯片类型所特需的刻蚀设备利基市场实现突破。
清洗设备：先进制程所需的刻蚀工艺步骤数量不断提升，使生产过程中所需的清洗时间及清洗步骤数量均有显著上升，带动清洗设备市场需求不断增长。清洗设备领域的国产化率在2021年已达到20%左右，且在未来五年可进一步提升至35%；本土厂商针对8英寸晶圆已可提供媲美国际领先水平的清洗设备，并将在未来五年内逐步拓展12英寸晶圆设备的能力。
半导体前端设备的投资热度在过去几年中持续增长，融资交易数量在全部半导体设备中的占比超过七成，其中沉积、刻蚀及清洗设备更是前端设备企业投资中的热点，每年的融资数量占前端设备投资的一半以上。除部分已上市的国内巨头可供二级市场投资外，更有较多初创及未上市企业具备较强技术及产品能力，可在近期重点关注。
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芯片设计——汽车芯片
芯片设计领域仍是整个半导体产业链中投资活动最为密集的一环，而芯片设计投资逻辑应重点关注下游应用行业需求增长较快的领域。从全球视角来看，半导体设计企业的营收规模在2021年达到5,950亿美元，且有望在未来五年保持约6%的稳步增长。然而，从下游应用来看，通讯设备（以手机为主）、PC、消费电子等的增速将显著放缓甚至出现衰退。而汽车正成为芯片设计领域增长的重要引擎。
汽车芯片市场可根据汽车的七大功能域及九类芯片类型划分为47个细分市场，未来重点投资的细分市场将具备芯片类别新增、技术性能提升和/或芯片数量提升等效应的多重叠加，而智能化、电气化及网联化三大技术趋势，正是推动单车芯片数量增长的最大驱动因素。平均单车芯片有望从现有的100—300片提升至500—1,000片。除数量外，自动驾驶、智能座舱等功能的持续渗透也对单芯片的性能提出了更高要求，进一步提升单芯片的单价。
智能化：主要表现为自动驾驶及智能座舱域功能性能的不断提升。自动驾驶域，自动驾驶/辅助驾驶功能渗透率的不断提升极大提高了传感器模组内传感器、SoC、MCU等芯片的使用量；而随着高等级自动驾驶功能的不断渗透，除传感器数量增长带来的芯片数量增长外，LiDAR等新型传感器也引入了ToF芯片等新芯片类型，而域控制器的引入对于SoC性能提出了更高要求。在智能座舱域，芯片需求体现出类似变化，HUD、DMS等新模组的渗透率提升使单车智能座舱域的MCU、PMIC等芯片的数量出现显著上升，而域控制器的引入对SoC的性能提出了更高需求。
电气化：主要表现为内燃机动力总成向混合动力或纯电结构迁移带来的变化。随着电动车渗透率的不断上升，动力域芯片需求呈现此消彼长的变化趋势：传统内燃车的发动机、变速器系统包括的温度/压力等传感器、MCU、低压MOSFET、PMIC等芯片数量下降，而电动车三电系统包括的电流/电压等传感器、MCU、IGBT、PMIC等芯片数量上升，高压功率芯片IGBT与性能更加优越的碳化硅（SiC） MOSFET，随着纯电动力总成整体用量上升。
网联化：主要表现T-box渗透率提升带来的芯片需求增长，预计至2025年T-box在全部车辆中的渗透率有望达到90%，带动T-box相关的传感器、MCU、PMIC等芯片数量持续上升；而随着5G在T-box的应用，T-box将逐步配备5G通讯芯片。
除三大技术趋势外，配置下沉亦会对芯片需求产生一定提升作用，底盘域、车身域以及照明域的一系列安全性及舒适性功能，如ESP、电动座椅、车内氛围灯等向中低端车型下沉，带动相应的传感器、MCU、MOSFET等芯片的数量增长。
对国内芯片设计企业而言，国内OEM今年来如火如荼的国产替代趋势为国内汽车芯片设计企业提供了更大的发展空间。国产替代的需求集中于高端复杂功能域中高价值且定制化开发需求高的芯片类型，为自动驾驶/辅助驾驶SoC、智能座舱SoC及IGBT/高压MOSFET提供了广阔的发展空间。
总结而言，未来国内的芯片设计赛道应在近期重点关注自动驾驶/辅助驾驶SoC，智能座舱SoC及动力域IGBT，并可在中远期关注基于SiC的动力域高压MOSFET，并适当关注传感器、通讯等芯片。
半导体行业投资风险关注
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短期内供需关系变化风险
2022年一季度，受到疫情反复、需求饱和等因素的影响，全球智能手机、PC出货量分别较去年同期下降了8.9%和5%3，半导体下游多个终端应用领域面临着消费需求下降的压力。需求端压力进一步传导到上游半导体产业链各个环节，造成全产业链的需求震荡。半导体产业链库存水平及库存周转周期持续居高不下。汽车、计算、储存、消费电子等各类半导体原始设备制造商（OEM）2022年一季度库存水平均有上涨4。
3 IDC
4 Gartner
随着需求下滑和产能的提高，全球芯片代工厂产能利用率从2021年三季度最高峰的95.6%下降至2022年一季度的92.1%，并将在2022年接下来三季度中持续下降至86.1%。2023—2025年，全球芯片代工厂产能利用率预计将进一步降低至83.8%、79.2%、78.3%6。按照国际通行标准，产能利用率超过90%为产能不足，79%—90%为正常水平，低于79%为产能过剩。据此判断，全球芯片代工厂将从2021年的产能不足恢复至正常水平，并在未来几年出现轻度产能过剩的情况。
在需求下降及供给端产能、库存提升的双向驱动下，半导体产业链各环节将进入短期的库存调整阶段，困扰行业近两年的全球缺芯有望得到缓解。然而对于产业链上一些产品竞争力较弱或上下游管理难度大、话语权低的厂商来说，本轮全产业链库存调整可能冲击到厂商产品售价及销量，从而带来短期内严重的收入及资金压力。
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其他黑天鹅事件对产业链的影响
自2020年新冠疫情以来，全球半导体产业链经历了多次黑天鹅事件，在短期内多次冲击了处于晶圆制造的半导体核心制造环节，尤其是面对广泛成熟制程的8英寸晶圆生产线。这对从2017年第二季度起就处于产能利用率高位运行的8英寸晶圆生产造成了冲击，对如汽车等基于零库存生产的下游应用造成了严重冲击，主要的黑天鹅事件类型包括：
自然灾害：如2020—2021年间，日本多次发生311大地震余震，对瑞萨的工厂造成多次冲击；2021年初美国德克萨斯州暴风雪造成三星、NXP、英飞凌等工厂停工。
停电事故：主要冲击台湾地区，台湾地区近年来发电缺口较大，用电负荷的高位运行造成半导体企业多次受到停电冲击，如2021年联电占据一半8英寸产能的Fab 8A发生停电。
其他：例如罢工事件，2020年，意法半导体在法国的三大工厂先后发生罢工，对MCU等芯片的生产造成巨大影响。
关于作者
吴新艺是波士顿咨询公司（BCG）董事总经理，全球资深合伙人。
於晨是波士顿咨询公司（BCG）董事总经理，全球合伙人。
冯博坚是波士顿咨询公司（BCG）董事总经理，全球合伙人。
王海旭是波士顿咨询公司（BCG）合伙人。
黄泓纯是波士顿咨询公司（BCG）项目经理。
胥潇予是波士顿咨询公司（BCG）咨询顾问。
感谢BCG同事吴尚儒、赖韦霖对本文的支持与贡献。
如需联络， 请致信[email protected]
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