专栏名称: 英博前瞻
许英博,前瞻研究首席分析师,原中信证券汽车行业首席分析师。 中信证券前瞻研究团队成立于2016年7月。团队当前研究立足于大信息为主的前瞻科技,研究方向包括:智能电动共享汽车前瞻、物联网、云计算、VR、AI等。
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【英博前瞻】台积电:从龙头看晶圆代工的发展与格局

英博前瞻  · 公众号  ·  · 2018-03-05 15:10

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许英博,前瞻团队首席分析师, 010-60838704

洪嘉骏, 前瞻团队高级分析师 ,010-60836741

投资要点

  • 开创者:半导体专业分工 推手,驱动设计环节与制造分离。 首创晶圆代工模式,降低芯片业者进入门槛,间接催生了无产线(Fabless)的纯设计公司,加速半导体行业演化。台积电创始人张忠谋,预见半导体专业分工趋势,在1987年结合台湾工研院与半导体巨头飞利浦成立公司;成立以来,坚守代工路线,建立客户长期合作;研发与设备投入冠于行业,确保制程技术领先。2017年,全球晶圆代工规模估计为567亿美元,公司约占58%份额;营收毛利率约50%,净利率约35%,盈利能力远高于行业水平。

  • 壁垒:与产业链及学术界积极合作,积累技术优势与产品线覆盖。 公司与客户紧密合作,共同开发产品与制程技术;并且善用学界人才,将实验室研发成果快速转化为实际量产能力。同时逐年扩大资本投入与同业并购,扩大产品线的技术覆盖与产能规模。截止2017年,公司共有3座12寸晶圆厂、7座8寸厂、1座6寸厂,总产能超过1,100万片12寸晶圆当;同年资本支出约百亿美元,金额远超同业,保持先进制程的领先地位。

  • 领头羊:制程领先,打造大量投入与高阶订单的正向循环。 截至2018年Q1,仅有台积电、格罗方德、三星、英特尔4家晶圆厂,具备14nm以下先进制程量产能力,而台积电的代工份额最高,相关营收占比达7%。公司的核心业务为28nm,制程良率在90%以上;10nm以下的逻辑芯片,公司的开发进度领先对手1-2代不等,并且预计将在2018年量产7nm,进一步扩大先进制程占比。此外,公司的晶圆级及扇出式等先进封装技术成熟,适合应用在高阶芯片,推升性能优势与垂直整合空间。

  • 机遇:数据时代的新兴场景推升半导体需求,晶圆代工维持增长动能。 IC Insights预估,手机、物联网、汽车用芯片,2016-2021年CAGR分别高达7.8%、13.2%、13.4%;此外,人工智能的计算需求、巨量数据的运算处理也将大幅驱动高性能计算发展,提升高端芯片需求。预计2016-2021年晶圆代工市场CAGR为7.6%,2021将增长至721亿美元,公司将持续受益。受益于智能手机、挖矿机、AI芯片等终端需求,公司2017年第四季度营收达2775亿新台币(+10.1%),创历史新高。

  • 风险因素: 张忠谋退休影响公司的行业地位,终端需求增速减缓,半导体技术路线出现重大转变。


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首创晶圆代工,驱动半导体专业分工

全球最大晶圆代工企业,占据半壁市场

台湾半导体教父张忠谋,预见行业趋势,首创晶圆代工模式,开启垂直分工时代。 台湾积体电路制造公司(以下简称台积电),专职晶圆代工(foundry),是全球首家专职晶圆加工制造的企业,由台湾工业技术研究院与飞利浦电子合资成立,总部位于台湾新竹。公司对半导体产业最深远的影响,是首创专业晶圆代工模式,并催生无晶圆厂(fabless)的专业设计行业;垂直分工提升了生产效率,加速半导体行业的演化速度。

上世纪90年代以前的半导体公司,集设计、制造、销售一体化,在完成芯片设计后,也由内部进行生产与销售,包括IBM、仙童(Fairchild)、英特尔、德州仪器等大型公司都属于此类公司。台积电的创始人张忠谋,当时在全球最大半导体公司德州仪器担任一线高管,是集成电路的耆宿,与提出摩尔定律的戈登摩尔是同一辈分,见证半导体的发展历史。1985年,张忠谋就任台湾工研院院长,他基于多年的行业经验,判断半导体随着制程越趋精密,行业的研发投入与设备支出将高速增长。个别芯片公司的市场份额与产品效率,势必难以达到规模经济;而代工厂商能扮演平台角色,在研发效益与产能利用率将占有优势,半导体行业会走向设计与制造(fabrication)分离的专业分工。

在张忠谋的大力推动下,台积电于1987年创立,以台湾工研院作为技术专利与研发人员的主体,并与半导体行业龙头飞利浦进行战略合作,打造专职晶圆代工的企业,张忠谋亲自出任董事长与总经理。公司在发展初期,先由良率可控的成熟制程产品来打开市场;锁定处理器龙头英特尔,取得英特尔的首批代工订单,从而建立行业知名度,逐步积累客户基础与技术实力;在1990年后,由于项目的效率与成本优势,台积电逐渐为行业所认同,专业分工也成为半导体产业不可逆的趋势,带动联电与特许半导体等厂商投入代工领域。

专业分工下,芯片企业分为Foundry、Fabless 、IDM三大类型。 在专业分工的产业链中,专业晶圆代工厂(Foundry)仅接受芯片公司订单,如台积电、格罗方德、中芯等企业;代工厂本身不发展相关产品,避免潜在竞争关系,并对客户的产品规划与设计方案严格保密。随着代工产业链成熟,行业进入门槛大幅减低,芯片业者能够专注在产品规划与电路设计上,催生出一批专业设计公司(Fabless)。以高通、博通、英伟达等硅谷企业为首的芯片公司,得到独立发展的条件,将制造生产外包给专业晶圆代工与封测模组厂;而大陆的芯片公司,如海思、展讯、汇顶、比特大陆等,也因为专业代工而得以快速发展。

在专业分工成为主流后,仍有芯片业者维持早期运作方式,集成芯片设计、制造、封装、测试、销售多个环节,被称为整合制造商(IDM,Integrated Device Manufacturer);但芯片厂家为了减少研发与设备投入,反将先进产品的制造,外包给代工厂(Fab lite);或将制造业务剥离,成为纯粹的设计公司(如AMD)。在专业分工潮流的冲击下,许多未能转型成功的传统芯片公司,在上市速度、开发成本、产能利用方面,难以与纯设计公司抗衡,纷纷倒闭或合并。目前硕果仅存的巨头,仅有英特尔、三星、恩智浦、英飞凌、美光等少数公司。即便如此,英特尔与三星两家IDM,为了提升本身产能利用率,近年也开始提供晶圆代工服务。

台积电增长超行业水平,毛利率高达50%

行业份额连四年超过50%,产品覆盖广泛,通讯相关领域营收占比59%。 公司是全球营收规模第三大的半导体厂商,同时也是最大的晶圆代工厂。在2017年,营收9,479亿新台币,净利润3,343亿新台币,占全球晶圆代工营收规模的56%,远超行业第二的格罗方德(份额9.4%)。员工总数约47,000人,其中研发人员超过5,400人该年共为449位客户代工生产9,275款产品,以终端应用分类,产品覆盖通讯、工业、计算机、消费电子等诸多领域。

台积电营收增长超半导体行业水平,盈利能力惊人。 公司虽然已占晶圆代工领域半数以上份额,但仍呈现超行业的增长动能。在2013-2017年期间,半导体行业增速放缓,晶圆代工领域CAGR不足8%,但台积电CAGR仍保持13.1%,高于行业平均水平。2017年第四季度,公司营收约2776亿新台币,环比增长10.1%;受益于传统旺季效应,以及iPhone 新机上市,通讯相关芯片出货量高增长,环比增长20%,达到62%营收占比;消费电子业务则受结构调整影响,季度营收环比下降38%。

晶圆代工在半导体制造链中,资金门槛最高,技术门槛仅次于前段设备行业,垄断格局与头部效应明显。2017年,台积电毛利率水平为50%左右,净利润也高达35%,是IC制造行业的盈利冠军;基于公司的技术优势、规模经济、以及稳固客户基础,2018年的营收及利润可望再创新高。对比之下,技术能力与台积电相当的三星,整体毛利率与净利率仅为45%和21%;市场份额第二的格罗方德连续亏损,缺乏盈利竞争能力;市场占有率稳定的联电,仅有18%和4%左右的毛利与净利率;大陆最大的代工厂中芯国际,则为26%和7%。

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行业规模567亿美元,占半导体产值14%

数据时代的终端需求,驱动半导体市场持续增长

半导体是制作集成电路的主要材质,制造流程繁复。 半导体是介于导体与绝缘体的物质,常见的半导体有二氧化硅、锗、砷化镓等化合物。在集成电路、光电器件、传感器的终端应用中,半导体具有目前最合适的电气可控性、功耗表现与成本效益。根据国际半导体产业协会(SEMI)估计,有半导体有8成的需求,来自于集成电路(Integrated Circuit)领域;相关产品的主要制造流程,包括半导体物质的还原提纯、晶棒拉制、切片抛光、晶圆光刻、离子注入、刻蚀电镀、切割封装、测试组装等步骤。

晶圆加工是集成电路产品的关键环节。 以半导体的制作流程来做区分,习惯上把产业链分为前段工序和后段工序。前工序主要是电路设计、晶棒及晶圆裸片制作、晶圆加工等;后工序是以完成集成电路的晶圆片为起点,经切割、封装和测试等工序,最终制成芯片产品。整体来说,前段工序技术水平要求较高,设计环节近半数集中于美国企业,而制造环节分布于中国台湾、中国大陆、韩日等地区;后段工序准入门槛相对较低,台资企业具有半导体与系统组装产业链的地理优势,占有6成以上份额。晶圆加工,指在晶圆裸片上制作集成电路,直到切割封装之前的一连串生产流程。

算力需求驱动制程提升,行业将持续投入。 根据摩尔定律(Moore’s Law),集成电路上单位面积的晶体管数量,每隔18-24个月会增加一倍;缩减晶体管尺寸,改善散热与漏电指标、从而提升信号处理性能,成为半导体行业共同追求目标。随着制程精度的要求不断提高,在光刻、掺杂、结构设计、封装方式等环节皆需持续升级,确保半导体的性能不断提升。近年被频繁报道的鳍式场效应管(FinFET)、极紫外光刻(EUV)、晶圆级封装(WLP)、系统封装(SiP)等工艺技术,便是行业大量投入的研发成果,驱动摩尔定律演化为延续摩尔定律(More than Moore),甚至是超摩尔定律(More Moore),而台积电也在当中扮演关键角色。

专注代工与高度投入,在寡头格局中脱颖而出

高度技术与资本密集,一线大厂垄断晶圆代工市场。 根据Gartner估算,2017年全球晶圆代工总产值567亿美元(+7%),近三年CAGR为6.8%;专业代工厂和IDM所占的市场份额,分别为86%和14%,其中台积电占比约58%,剩余大厂各占5-10%。晶圆厂巨额的资本投入,树立了行业的进入门槛,形成寡头竞争的市场格局。与此同时,巨头本身的定位与策略,也紧密牵动着竞争优势。1990年代的联华电子(UMC),与台积电并称为台湾晶圆双雄,两者在技术能力与客户基础上并驾齐驱;但联电持续加大投入IC设计,潜在的产品竞争影响了大客户下单意愿;公司也由于订单需求减缓,资本支出从而转趋保守,导致联电先进制程的优势,在2000年后逐渐丧失。

在先进制程的竞赛中,三星加大投资力度。 随制程尺寸缩小,集成电路的发热和漏电问题愈趋明显;保持先进制程的高良率与效率要求,是代工业者获取订单的关键,同时也加强了头部效应。目前具有14nm以下制程量产能力的企业,仅有台积电、格罗方德、三星和英特尔。三星的14/10nm制程能力与发布时间紧追台积电,但在关键性能指标上略逊一筹,并且与客户具有产品竞争关系(苹果与高通等),所以先进制程产品的份额落后于台积电;10nm制程的大客户目前仅有高通一家,2017年营收增速仅为2.7%。在2017年5月,三星将其晶圆代工业务由半导体部门分拆,并且提升资本支出至50亿美元(年比增加43%),规划在7nm的制程上率先导入极紫外光EUV,以提升制程良率与产品竞争力。

英特尔制程技术精湛,但尚未在代工领域直面竞争。 尽管三星是智能手机芯片的主要竞争者,但台积电公开表示,英特尔才是在先进制程领域的最大对手。英特尔在2017年9月推出10nm制程,其关键性能指标,明显优于台积电和三星同等级制程,或可接近台积电7nm制程的性能水平。但由于英特尔为最大的芯片公司,在多个产品领域与芯片公司直接竞争,客户容易有核心技术外流疑虑,给予台积电在商务竞争的先天优势。除了三星与英特尔外,格罗方德是由AMD拆分而出的晶圆加工部门,近年投入大额资本支出,为先进制程布局,14nm制程技术已经逐渐成熟,但整体速度已落后于台积电1-2个世代。

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研发能量与设备投入,奠定核心竞争力

产品广覆盖,与客户及学界紧密合作

全线布局制程技术组合,研发创新能力强劲。 公司积累了30年的项目经验,在知识储备与产能设备方面,达到产品组合广覆盖,尤其在集成电路与微机电系统等领域,均为行业领先水平,满足终端客户的多样化需求;在产品开发阶段,公司能协助或甚至指导客户,有效改善芯片结构设计与制程规划。具体的产品种类,则涵盖了逻辑芯片、微机电系统、图像传感器、内存、射频、模拟讯号、高电压控制器等,广泛应用于移动通信、汽车电子系统、可穿戴设备、物联网等多领域。

善用学界技术人才,将理论化为实质生产力。 台湾工研院在台湾半导体发展,扮演了关键角色。首先是作为整体产业对外的技术平台,先向行业龙头与学术单位洽谈技术授权与专利购买,然后再将晶圆相关技术转移给重点公司;同时,也起到了产业链内部规划的作用,通过资本投入与横向沟通,有效推动行业发展并合理安排企业分工。

台积电在创立初期,研发团队与专利基础即是以台湾工研院为主体,具有深厚的研发基因;随着公司规模扩大,积极由高等院校招募研发人员与技术人员,不仅能将实验室的创新研究成果,快速转化为实际生产能量,也确保生产线能被有效的管理与操作。另一方面,台积电连续多年被评为台湾地区、甚至是亚洲地区公司治理最优秀的企业,具有领先的专业培育体系与人力资源管理,成为晶圆代工领域的人才摇篮。

技术投入形成正向循环

持续扩大产品覆盖,战略投资达成垂直整合。 台积电由于始终专注在晶圆代工领域,能与行业及客户紧密合作,积累制程与产品实力,以子公司或转投资方式实现产品化。在1994年,首次与行业内13家公司,合资成立世界先进,进行内存芯片开发,并陆续成立或投资WaferTech、SSMC、创意、采钰、精材等专业的IC设计与封测代工,以集成电路的晶圆加工为核心,向上下游产业链环节拓展,并且加大产品线覆盖。

资本支出随营收规模逐年增长,领跑晶圆代工行业。 2017年,台积电资本支出预计达108亿美元,占营收比重34%,金额超出三星代工业务一倍。2018年,公司资本支出预算预计为105-110亿美元,其中73%用于先进制程,主要为7nm的产能建设与5nm制程开发。公司对目前的制程能力具有自信,初代的7nm制程,将不采用极紫光(EUV)光刻与制程设备,以节约开发时间与生产成本,但是在2019年的7nm plus产品,将使用EUV来进一步提升产品性能。除了前段制程设备,公司也将扩大晶圆级封装等先进封装产能,预计公司的资本支出,在2021年3nm制程问世之前,将保持在类似水平。


技术实力与制程优势,在生产良率上得到充分体现。 在28nm及以下先进制程,台积电的生产良率始终保持业内顶尖。2016年10月,公司的28nm制程良率便已突破90%;随着相关制程成为公司的主力业务,盈利能力随着良率同步提升。除此之外,在20nm以下的先进制程业务,我们由近期大客户的订单趋势,以及公司丰富量产经验来推估,公司相关的生产良率,可能领先竞争者达双位数以上百分比。

积极建设智能制程管理系统,提升生产效率与良率。







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