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2021-2022年半导体六大趋势展望

分类:新趋势 | 时间:2021-12-30 14:48 | 阅读:363

摘要: 受今年三季度全球半导体需求大增带动,国金证券预计,2021-2022年服务器芯片需求将强势回归;明年车市全面回升有望刺激车用半导体市场实现15%的复合增长率;从国产设计替代、制造替代、到设备材料替代,非美产线的时 ...
国金证券研究所估计,全球半导体市场将在 2021/2022年同比增长 8%/10%,达到4,873/5,360亿美元,全球晶圆代工市场从2020年的28%营收同比增长趋缓到2021/2022年的9%/13%同比增长。全球存储器市场从2020年的8%营收同比增长加速到2021/2022年的13%/15%同比增长。

除了全球逻辑芯片,无晶圆设计,IDM,存储器库存月数全面下降及5G手机需求在2021年续强外,加上六个趋势会持续拉动全球及国内半导体需求及减少库存。这两年的半导体市场增长,应该会持续带动国际及国内半导体公司估值的提升,维持对国内半导体行业的 “买入”评级。

在这篇2021-2022年半导体展望及投资策略报告中,国金除了强调全球半导体库存合理外,还看到六个趋势:

1. 服务器芯片需求2021-2022年强力回归可期;
2. 高单价,高成长PCIE Gen 4.0/5.0 Retimer时代来临;
3. AMD超威并购Xilinx 加速使用大载板的3D封装异质整合;
4. 疫情后的车市需求复苏,叠加自动驾驶,电动车比例提升;
5. WiFi 及游戏机的改朝换代 -WiFi 6 及 PS5/Xbox series X;
6. 从国产设计及制造替代,转化到设备材料替代 - 非美控制的半导体产线即将成形,国产,日本,韩国,欧洲设备大厂将受惠。


正文:2021-2022年的半导体行业的六个趋势

1、服务器芯片需求2021-2022年强力回归可期

国金证券研究所估计全球计算机半导体(服务器,桌上型计算机,笔电x86 CPU, GPU, AI) 市场将在 2021/2022/2023年同比增长 4%/8%/8%, 但预期整个市场应该是由在2020年三季度受到重大需求/库存修正的服务器行业需求同比增长20%/14%/10%所带动,这其中有Intel 于2021年一季度将推出的 10nm, 8个内存通道,支援PCIE Gen 4的x86 CPU Ice Lake, 以及将于2022年一季度将推出的10nm, 支援 DDR5 及 PCIE Gen 5的芯片 Sapphire Rapids来加持,当然还有从AMD超威即将推出的7nm/5nm EUV CPU Milan/Genoa对标产品。中国长城的飞腾芯片, 信骅及新唐的服务器远端控制芯片BMC(Baseboard Management Controller),寒武纪的AI ASIC,英伟达的AI GPU, 澜起的内存接口芯片,Xilinx赛灵思的边缘运算AI芯片所带动超过10%同比营收的增长。

而在服务器芯片库存整理之际,服务器组装大厂纬颖却看到云端客户催货,产能供不应求,四季度营收环比增长一至二成,看起来云端服务器相关芯片需求相对强劲(国金最新数据显示三季度数据中心资本开支环比增长17%,同比增32%;服务器制造商三季度环比增5%,同比增9%),预期库存去化顺利,我们重申之前预期的2021年一季度服务器芯片需求反弹可期待,密切关注信骅12,1月营收状况,及英特尔四季度指引是否有更新,全球疫情何时趋缓让政府及企业重启采购。

当然服务器及服务器半导体市场的复苏,也会带动内存DRAM,闪存 3D NAND市场,以及x86 CPU 大载板,服务器CPU插槽 (嘉泽),服务器x86 CPU晶圆代工(台积电7nm, 7nm+, 5nm),封测(通富微-AMD)市场的复苏。

2、PCIE Gen 4.0/5.0 Retimer 时代来临

伴随着AI服务器的x86 CPU, 通往AI GPU/ASIC加速器的PCI Express (PCIe)Gen 4.0 (16 Gb/s) 及 Gen 5.0通道, 及AI GPU/ASIC加速器的速度越来越快,通道数越来越多,传输数据量越来越大,PCB板上传输信号衰减的问题将日益严重,以PCIe Gen4 为例,信号传输距离在一般PCB板上超过15英寸就会衰减变形,若采用PCIe Gen5, 信号传输距离更缩短到超过10英寸就会衰减变形,而在信号路径上添加PCIe 讯号传输距离的重定时器(Retimer) , 将信号重新整理回复原状后再传是一个较佳的方案,当然也可以用 ReDriver 信号中继器/调节器,但ReDriver 仅能调整与稍微修正传输端上信号的完整性,但原始信号还是损失严重, PCIe Switch 及高速PCB板材两者也是解决方案,但也相对昂贵,所以我们认为未来会以PCIe Retimer, PCIe Switch, 以及高速PCB板混用。

Retimer是带有数位信号处理 (DSP) 能力的高速串列/解串列 (SERDES),即便收到的PCIe信号已经与杂讯耦合,Retimer还是能借由DSP功能重建干净的PCIe信号,并发送改信号的副本到目的地。我们认为Retimer将成为未来服务器、高速网络交换设备主机板上常见的配套方案。目前 Gen 4.0 主要有 x4, x8, x16 Retimer, 一颗Retimer芯片可以同时支援4/8/16条PCIe 双向通道,一颗芯片支援的通道数不同,而单价有所不同的,但x4,x8,x16价格不是倍数成长,一般来说x8约为x4的1.5倍,x16约为x8的1.5倍。我们初步预估2021年PCIe Gen 4 retimer 配合 Intel英特尔2021年一季度Ice Lake CPU及AMD超威 Milan CPU的推出,2021年市场需求约有250万颗, 以平均单价20美元计算,产值TAM Total addressable market 约5,000万美元, 我们估计Astera Labs的占有率约60%, 而2022年一季度 Intel 将量产Sapphire Rapids CPU,估计PCIe Gen4/Gen5 Retimer 合计约有600-800万颗, 以平均单价22美元来做测算,产值约$1.32-1.76亿美元, Astera Labs的占有率约占50%上下,剩余的市场份额由谱瑞,澜起分食。

Astera Labs(前德仪团队)之前与intel 一起制定PCIe Gen 4.0/5.0的规格, 也是业界第一个 (2020年八月)量产PCIe Gen4 retimer, 根据产业链了解,Astera Labs在今年五月就交出第二版Gen5 retimer 样本, 预计2021年一季度量产。

谱瑞的Retimer芯片已经攻入英业达、广达,营邦等服务器OEM/ODM大厂,估计2021年上半年出货量将可望开始开展。至于新一代的PCIe Gen5 Retimer产品可望在2021年问世,并成为2022年或2023年的增长新动能。

澜起已完成PCIe 4.0 Retimer 芯片的工程样片的流片,2020年上半年已送样给潜在客户和合作伙伴进行测试评估,根据潜在客户和合作伙伴的反馈正在对芯片进行设计优化,预计2020年下半年完成量产版本芯片的研发, 2021年应该能够量产出货, 估计2021年能有5-10%及2022年10-15%的份额。这对澜起2021/2022年营收的贡献可能有3%/6%。

3、AMD 超威并购 Xilinx 赛灵思-3D封装异质整合时代加速来到

当摩尔定律趋缓,把不同制程工艺节点的逻辑及存储芯片透过异质封装堆叠整合在一个半导体大载板,将是提高性能,减少耗能,缩小芯片面积,增加良率,降低成本的绝佳解决方案。最早执行小芯片大载板架构的产品是Xilinx的FPGA, 利用台积电的CoWoS (Chips on Wafer on Substrate) 封装技术完成3D封装,接着是AMD 7nm 的Rome CPU 利用通富微的封装技术将8个7nm 64mm2 大小 CPU核心芯片跟一个14nm的北桥控制器封装成一个75.4x 58.5mm2 的8核CPU芯片。

而在AMD超威在两三年内拿下英特尔近6.6%服务器及20%笔电/桌机 CPU份额后,公司于2020年10月27日宣布以350亿美元,或以1.7234 AMD超威股票换一股FPGA龙头Xilinx,不同于英伟达宣布以 400亿美元收购 ARM的案子是美国公司买英国/日本技术,而且超威曾与中科曙光合资设海光微电子,海光集成电路,与中国大陆科研机构友好,所以这次并购,中国商务部通过的机会较高。那为何AMD超威要买Xilinx呢,对其影响为何?

AMD超威把数据中心及基地站边缘运算所需要的FPGA芯片设计技术补足,否则 Intel 要是将CPU跟FPGA透过系统封装整合成单芯片,这会让Intel独占边缘运算推理的市场(CPU+推理加速器);

n 我们预估Xilinx事业明年将贡献超威近34亿美元营收或31%的营收,及贡献47%的 Non-GAAP获利 ;

未来五年将摊销数百亿美元购买价跟23亿美元账面价值的庞大差异-商誉及专利权价值,而影响 US GAAP 获利;

超威要增发4.25亿股, 或摊薄现有股东34%来并购 Xilinx, 因为其18亿美元在手现金明显不足。

超威将掌控更大的订单量,从晶圆代工厂台积电,及封测厂日月光,通富微电来获取价格较低的产能。

当然英特尔也不甘示弱, 透过其EMIB (Embedded Multi-Die Interconnect Bridge) 讯号连接技术及Foveros 封装技术, 来推出各种小芯片(chiplets) 大载板架构的FPGA产品(FPGA+HBM DRAM) 产品 Agilex,及CPU产品,如2022/2023年将推出的服务器 Eagle Stream 平台的 10nm ++ Sapphire Rapids 及7nm Granite Rapids CPU ,及整合8颗250mm2 7nm GPU 核心的Ponte Vecchio 云端人工智能运算训练用AI GPU (75.5mmx49mm=3696mm2), 还是直接在一个大板上整合两颗 Sapphire Rapids 及6颗 AI GPU Ponte Vecchio;未来也有可能整合CPU+FPGA+HBM高频宽存储器来加速边缘运算的推理,这些改变都是利好于系统芯片封测设备大厂 Teradyne,先进封测(台积电,英特尔,三星,日月光,长电)及ABF (Ajinomoto Build-up Film)大载板行业及其龙头厂商Ebiden, 欣兴Unimicron, 南亚电路板Nanya PCB。ABF 树酯载板是由英特儿所主导的材料,适合高脚数,细线路,高传输,耐高温x86 CPU 封装,我们期待未来五年大载板层数增加,面积加大,良率变差,价格增长可期。

4、疫情后的车市需求复苏,叠加自动驾驶,电动车比例提升

归因于新冠肺炎疫情,今年全球车商营收同比衰退超过一成,而其中以汽油车大厂日本日产,美国福特,意大利的菲亚特同比衰退近两成较为严重,但国内电动车大厂比亚迪及全球电动车龙头特斯拉反而同比增长超过20个点。虽然欧美地区第二波疫情仍在扩大,但解封地区因重启生产线及越来越多的消费者想要保持社交安全距离而减少搭乘公交车,出租车,捷运地铁,反而造就自用车销量回升,三季度全球车商营收反转,环比增长从二季度的-26%到三季度的56%增长,同比增长从二季度的-36%到三季度的 -1%。

我们认为明年在新冠肺炎疫苗逐步推出后,全球汽油及电动车需求将全面回升,车商营收同比增长将达到10-15%,而全球电动车持续增加份额对Power MOSFET, IGBT, SiC (主要用在DC/AC inverter 直流电转交流电逆变器), GaN(主要用在DC/DC及AC/DC converter 整流器) 半导体电力功率分立器件的需求将大幅提升,还有辅助驾驶进化到SAE 3, 4 ,5自动驾驶(特斯拉最近已经对部分使用者提供SAE 4.0 全自动驾驶 Beta软件更新,让其车子能够具备在交通灯、停车标志被控制、功能的基础上强化,并可以让Tesla 车辆在交叉路口实现自动转弯, 未来各种自驾车在AI,MCU,CPU, GPU/FPGA/ASIC,感测器,毫米波雷达,光达,摄像头CIS, WiFi, 蓝牙, 有线网络,电源管理PMIC, 存储器半导体的需求带动下,国金证券研究所估计全球车用半导体市场将从2020年的同比衰退8%,到 2021-2025 年的复合增长 15-20%。

车用半导体增值篇:不同于手机半导体市场2020/2021年同比增长超过手机出货同比增量,主要是因为每只5G手机所用到的半导体价值是4G手机半导体价值的2倍以上, 每部SAE Level 5 自动驾驶电动车所用到的半导体价值可能是2020年人驾汽油车半导体价值的10倍以上,我们初估最基本的 Power MOSFET 就需要10倍以上增量,摄像头,CIS,雷达传感器,MLCC,电源管理芯片要五倍增量,还有2倍的传感器 Sensor,更不用说大量的射频功率放大器,有线通讯,人工智能,及多种电力功率芯片,这将是带动未来20年全球车用半导体市场10%复合增长率,每车半导体价值从2020年不到3%的比重,逐年拉高的主因,即使未来20年全球汽油车/电动车出货量同比增长 < 5%。

电动车可能将再次拉动高阶MLCC需求:电动车需要5倍MLCC的增量, 2021/2022年电动车重启增长应该会大幅改善MLCC的供给过剩,减少市场库存,稳定价格,让MLCC 行业逐步复苏,我们建议重点关注中国大陆的风华高科及三环集团,台湾地区的国巨,华新科,美国的Vishay, 还有日本的Murata,太阳诱电等MLCC龙头大厂。

5、WiFi 及游戏机的改朝换代-WiFi 6及PS5/Xbox series X

不同于5G是以数倍的传输速率改朝换代,WiFi 6 是在2019年发布规格,使用IEEE 802.11ax, 最高传输速率达9.6Gbps, 仅高于上一代 802.11ac的6.9Gbps,但其有低延迟性,多人多工,低功耗,涵盖范围广,多设备连接(OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access正交分频多重存取 可以让多个用户可同时传输数据,解决延迟的问题)等优点来与5G手机搭配,虽然在室内网络使用5G个人热点方式可以替代WiFi,但5G个人热点会大量使用5G 频宽,这是运营商所不乐见而会提高基本使用费的。由此可见,WiFi技术在5G时代不旦没有式微,反而变得更加重要,由Gartner所发布的2019年及以后的十大无线技术趋势中也可见,WiFi位居榜首。而Strategy Analytics报告则指出,WiFi 6产品出货量从2020年至2024的年复合增长率高达57.8%,渗透率亦由2020年的16.6%上升至2024年的81%,WiFi 6模组价格亦高出WiFi 5的1.5到2倍。

目前WiFi 6 已经陆续安装在笔电,桌机,手机,平板电脑,路由器外,除了基带芯片外,也需要整合PA功率放大器,LNA低杂讯放大器,及SW 天线开关的射频前端模组,重点关注受惠厂商主要有高通(基带),博通(基带,射频前端芯片),联发科(基带),瑞昱(基带),立积(射频前端模组),乐鑫(WiFi6 iot基带,射频前端模组),博流智能(WiFi6 iot基带),康希通信(已经有WiFi 6 fem-路由器端)。

PS5 与 Xbox Series X 的 CPU 都采用了 AMD 目前最新一代 Ryzen “Zen 2” CPU。以8 核心 3.5~3.8GHz 的规格来看,大概介于 PC 上的 Ryzen 7 3700X 与 3800X 之间。以目前市场电脑配备来看,已经算是中阶以上的规格了。这比当年 PS4 与 Xbox One 上市之初 CPU 效能就已经落后的状况不同,应能带给 PS5 与 Xbox Series X 一个更好的起跑点。

跟 CPU 一样,PS5 与 Xbox Series X 的 GPU 都采用基于 AMD RDNA 2 架构所打造的客制化 GPU。该架构是目前个人电脑最新 Radeon RX 5000 系列 GPU 产品的第 1 代RDNA 架构改良而来。最大的特色在于首度在 AMD GPU 导入硬体加速光线追踪处理功能,来模拟真实光线的反射,折射,及透射,类似于 NVIDIA GeForce RTX 系列的「RT 核心」。Xbox Series X 光线追踪的运算效能为每秒 3800 亿个交点。如果改以着色器软体运算,得耗费多达 13TFLOPS 的效能,也就是说即使耗尽整个 GPU 的效能都不够。因此在导入此一硬体加速器后,整个 GPU 的效能等同 12+13 = 25TFLOPS。PS5 的 RDNA 2 GPU 配备有 36 组 CU ( Control Unit运算单元),每组 CU 内含 64 组串流处理器,36 CU 包含 2304组串流处理器。采用变动运作时脉,在最高时脉 2.23GHz 下可提供10.3TFLOPS 的浮点数运算效能,约当于 AMD RDNA 架构最高阶的显示卡 Radeon RX 5700 XT 超频版,存储器频宽刚好也相同(448GB/s)。Xbox Series X 的 RDNA 2 GPU 配备有 52 组 CU 共 3328 组串流处理器,运作时脉固定为 1.825GHz,因此可提供12TFLOPS 的浮点数运算效能,稍高于PS5的10.3TFLOPS,比目前所有 RDNA 架构显示卡高。

今年新游戏机索尼PS5及微软Xbox Series X推出的最大赢家,应该首推独家8核心Zen 2 CPU及RDNA 2 GPU图形处理器的供应商 AMD, 及提供7nm制程工艺的晶圆代工厂台积电,负责超威AMD CPU/GPU封测的通富微电. 国金证券研究所预期 到2021年底之前 PS5 销量应该会超过1500万台,Xbox Series X/S 超过700万台, 2022年达到全球销量高点。

6、从国产设计替代,制造替代,到设备材料替代-非美产线的时代来临

自美国Trump政府以美国技术封锁中兴通讯,华为,中科曙光,海光,海康,大华,科大讯飞,旷视,商汤,美亚柏科,依图,颐信科技, 云天励飞,维逸测控,烽火科技,精纳科技,达阔科技,中云融信科技,奇虎360科技,云从科技,东方网力科技,深网视界,银晨智能以来,我们看到了国产芯片的设计替代进行式,尤其是国内系统厂商,从此倾向采取非美替代策略,其顺位以中国大陆半导体设计为优先,然后是中国台湾,韩国,日本,最后是欧洲。这也将造成高通, Skyworks, Qorvo, Broadcom,德仪,镁光在中国大陆市场的份额逐季减少,但联发科,瑞昱, 稳懋,三安,卓胜微,圣邦,三星,海力士的份额反向增加, 虽然这对整体市场同比增长不会有影响,但对国内及非美半导体增长有正面的帮助。就台积电及中芯国际过去十多年美国及中国大陆客户占比变化而言,尤其在中美技术封锁战恶化后,中国大陆客户占比都有明显提升。但自从美国商务部于2020年9月15日进一步对海思进行全封锁以来,连使用美国半导体设备的台积电,中芯国际都不能帮海思生产半导体芯片,我们估计从2020年四季度开始,台积电及中芯国际的大陆客户占比将大幅下降,国产设计替代逐步转化成制造替代。

但好景不长,接着美国商务部工业安全局于9月25日发出信件给中芯国际的关键设备及材料供应商,并要求各供应商要取得许可执照才能出货给中芯国际,我们梳理出一些影响。

9/25号前已下单的设备订单,大部分将陆续交货,但 6-9个月后将无法采购美国半导体先进制程工艺设备,尤其是美国半导体设备全球占比较高的CMP化学机械平坦化抛光(>70%), Ion Implantation 离子植入设备(>70%),CVD化学沉积(Lam加Applied Materials 合计超过50%),Etch 刻蚀机(Lam加Applied Materials 合计超过70%),Epitaxy 外延设备(>90%), 及PVD 物理薄膜沉积被应用材料主导(>85%),我们因此估计中芯14/12/7-8nm产能在无法拿到许可执照下,短期将无法超过月产能 30,000晶圆;

在中芯将今年资本开支从67亿美元下修到59亿美元后,我们估计其2021年资本开支将大幅下修到不到40亿美元,未来几年折旧费用将大幅下修,毛利率将比现在的20%以下明显改善,整体获利反而可能还中性偏正面。

跟华为处境不同,因美国没有掌控半导体材料技术,中芯国际未来五年营收复合增长率将从之前预估的18% (量的复合增速约10-12%,价格约5-6%), 下修到0-4% (量的复合增速约0-2%,价格约0-2%)。

美国EDA工具, 设备耗材 (可建立 2-3年库存),成熟制程工艺二手设备及零组件取得, 及维修问题不大,大硅片,各种化学材料应该都可以采购非美产品或通过各种渠道取得。

虽然中芯目前只是扩产受阻,但中芯若被美国商务部工业安全局进行类似华为的全封锁,台积电,联电,世界先进,华虹(中芯在 8”有13-15%份额,12”成熟制程有10%份额,12”先进制程有1-2%份额)将明显受惠。我们认为未来 5-10年中芯国际, 华虹,长江存储,合肥长鑫应该会提高每个 non-critical 非关键制程步骤国产设备, 材料占比从 5-10%, 到 30% 以上,当然非美半导体设备供应商在中国的地位将更为重要。

如果拜登政府上台而没有改变美国商务部安全局对中芯国际的关键美国设备及材料供应商所发出的禁令,我们估计从2021年下半年开始,中芯国际将无法继续扩产,国产制造替代将转化成国产半导体设备及材料替代,不管是中芯国际还是台积电的内部计划或是华为的塔山计划,将可能在五年之内,透过部分国产,日本,韩国,中国台湾,欧洲设备及美国二手设备,组成8“的特殊制程及12”的成熟制程(90nm-40nm)的不受美国商务部安全局管制的半导体产线。

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