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2021年半导体行业研究分析:半导体行业波动缩窄,半导体设备扩产与国产替代并存

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发表时间:2021-12-02 17:15

1、半导体行业波动缩窄,外部冲击影响投资周期的跨度与幅度


半导体主要下游行业进入存量时代平抑行业波动。近二十年随着智能化对传统产品类别的应用与渗透,半导体下游分布由单一走向多元化。2000年时通信、PC/计算和消费电子占据下游市场的86%,其中仅PC计算占据47%的销售份额;到2020年时,三者合计份额下降至76%左右,但最显著变化来自于PC重要性下降,其份额减少约15pct到32%,工业与汽车领域的需求逐步攀升,分别占下游需求的12.01%(+7%)和11.38%(+11.30%)。



随着PC/手机在主要购买地区渗透率逐步见顶,其年销量同比增速逐渐下滑并纷纷落入负增长区间,仅服务器受益于流量与云计算需求的提升,在近五年来保持5%以下的正增长。需求来源由单一走向多元化以及主要行业进入存量替换时代导致更低的半导体销售额增速以及更谨慎的资本开支计划。因此当外部环境出现重大变动时,其抵御风险的能力变得更加脆弱,如2008年的金融危机以及2020年新冠疫情的发生,企业受损的现金流以及未来不确定性增加导致了更极端保守的资本开支计划。


全球半导体大致保持4年为一个投资周期,外部冲击将影响跨度与幅度。从1984-2020年的数据来看,全球半导体销售额与资本开支从一个高峰到下一个高点大致保持两代摩尔定律,为期四年的投资周期,这也与产业从投资建厂到产能负载提升的过程大致相当。发生外部冲击时,周期的跨度与高点的幅度将会受到影响。2008年的美国金融危机导致全球经济的下滑,2008-2009年北美设备的出货量分别下降28.79%和48.18%,半导体厂商资本开支延后至2010年才恢复,新的高点则来到了2014年,次贷危机修正了投资周期的起点。


2、2016-2018年:最近一次周期波动的经验


经历2015-2016年的平稳后,得益于半导体在各行业的广泛应用,2017年全球体销售额与资本开支分别达到4122亿美元和934.77亿美元,分别同比增长21.62%和41.00%。分业务看,销售额最主要的驱动因素来自于内存产品,2017年销售额为1240亿美元,同比+61.50%,占半导体销售总额约30%;



资本开支方面,2017全球半导体资本开支增加41%和11%,此轮资本开支显著特点为存储行业投入增加带来的“Samsung Bubble”和我国资本开支大幅增加带来的“China Effect”,扩产的主力来自于韩国、中国以及中国台湾地区。其中存储行业为重点投资方向,代表性企业三星/SK海力士2017年资本开支分别为242亿和84.75亿美元,同比+114.44%和63.36%;而2018年英特尔/SK海力士/美光较2017年同比增长31.60%/34.57%/51.27%。


2018年国内企业产业开支大幅增加,成为重要的资本开支增量来源。根据ICinsights数据显示,中国半导体资本支出达到110亿美元,是2015年支出的5倍,主要为本土内存厂商长江存储、合肥长鑫和福建晋华,晶圆厂商华力微电子。


2.1结构性的资本开支增长:上游业绩弹性与持续性更好


我们选取的样本主要包括半导体设备企业ASML、应用材料、LAM和KLA,半导体材料企业信越化学、SUMCO和东京应用化学,晶圆代工厂台积电、联电和世界先进,以观察各标的业绩与股价的表现。


2.1.1半导体设备


半导体设备业绩与股价率先同步反应,股价先于业绩见顶。对一条典型的半导体制造产线而言往往具备N+2的特点。即项目厂房的设计施工往往需要1到1.5年时间,设拉入厂房调试安装需要半年,产能爬坡过程需要1.5到2年时间,因此在摩尔定律下项目实际满产时技术已向上迭代两代。



营收方面,设备的景气度提早于晶圆厂规划投片量三个季度左右,在2015Q3即开始进入营收反转通道,统计的四家主要半导体设备提供商2015Q3实现季度营收48.69亿美元,同比-13.76%,但环比+16.02%,此后营收持续增长直至2018Q4。


股价方面,对应的各家公司股价2015Q2见底,应用材料与拉姆研究2015Q3季度涨跌幅分别为29.04%和26.83%,此后各主要半导体设备公司季度涨跌幅在两年的时间段内基本维持正收益。但与营收的增长跨度对比,设备公司股价先于业绩一年见顶,在2018Q1后即由涨转跌


2.1.2半导体材料


半导体材料业绩反映落后设备7个季度,但股价反映仅落后设备1个季度。半导体材料的大批量出货来自于晶圆厂的批量生产阶段,需要经过半年的爬坡以及前期的风险量产,其业绩反映落后于半导体设备公司。


营收方面,统计的四家主要半导体材料提供商2017Q2实现季度营收4242.3亿日元,同比+25.33%,环比+14.03%,较半导体设备(2015Q3)落后约7个季度,此后维持正增长至2018Q4。相较于半导体设备,半导体材料作为耗材,其使用与晶圆厂批量生产时间和稼动率关联,当行业高景气期间各大晶圆厂维持100%或以上的稼动率时,其营收难以环比增长,因此半导体材料弹性最大的节点即为批量生产的节点。


股价上,我们定义2015年1月1日各企业股价为100,则半导体材料于2015Q4见底,并持续上涨至2016Q4达到股价高点。值得注意的是,股价高点结束于业绩的低点,领先业绩反转约2个季度,半导体材料资本收益在业绩表现之前即已结束;之后随着业绩的释放,半导体材料在2017Q2迎来反弹,但仅维持了两个季度。


以全球第二大硅片厂商SUMCO为例,其股价指数从2015Q4的35.73点涨至2016Q4的256.34,涨幅高达6倍;信越化学与东京应用涨幅分别为107.69%和77.52%。


2.1.3半导体设备与材料:业绩与股价的对比


为更直观的体现时间节点与幅度的差异,我们将半导体设备与半导体材料的业绩与股价进行同环比的比较。


业绩方面,时间上无论是同比还是环比,半导体设备的低点与高点和半导体材料的低点与高点之间相差7个季度。由于半导体材料属于产能运行阶段的耗材而半导体设备属于产能扩张前的一次性投入,因此当行业景气度向下时半导体材料营收同比下降幅度较小;二者在环比变动上基本一致,但同产品属性的差异所致,晶圆代工厂的集中下单与砍单导致半导体设备的收入存在集中确认的特点,环比波动幅度高于半导体材料。


股价方面,我们选取半导体设备龙头企业应用材料和半导体材料龙头企业信越化学作为样本,将2015年1月1日股价定义为100,则半导体设备与半导体材料的股价几乎同步反应,但材料端股价的持续性明显弱于半导体设备。信越化学股价于2016Q4达到高点,之后两年基本维持震荡;应用材料股价则一路上涨至2017Q4的264.19,时间跨度与涨幅均显著优于半导体材料。


2.1.4晶圆代工企业


晶圆代工企业并未从结构性行情中明显受益,股价走势取决于企业的α。如前所述,此轮周期主要由三星、SK海力士和南亚科等存储IDM企业主导,第三方FAB企业并未从该轮半导体结构行情中明显受益,营业收入的增长主要集中在2016Q3-2017Q2,而资本市场价格走势上,仅台积电走出了α行情,主营成熟制程的联电与世界先进表现不佳,2016Q1-2018Q4三者涨幅分别为50.69%/-12.79%/23.18%。


3、2020-2023:对国内市场的刻舟与求剑


3.1.1疫情打破供需平衡,但资本开支为超过需求


疫情打破平衡,在线需求激增与车用芯片供需错配推动半导体需求增加。需求端,疫情冲击下在线需求的增加导致PC销售激增,根据IDC数据,2020年PC出货量3.03亿台并预计2021年出货3.46亿台,同比分别增长4.80%和14.20%;汽车销量的快速恢复超出制造厂商的库存规划从而带来补库存需求。供给端,更趋谨慎的资本开支计划/运输与物流的停摆/8寸晶圆厂新增产能有限等共同导致了供需的失衡。


半导体销售额与资本开支快速增加,高点或出现于2021年,存储行业扩张谨慎与贸易摩擦限制产能增加。根据SIA数据显示,2020年全球芯片销售额达到4390亿美元,同比增长6.50%,并预计2021/2022销售额增速分别为19.72%/8.68%,同时近两年全球半导体行业资本支出创下历史新高,预计2021年与2022年资本开支增速分别为28.40%和10.10%。


预计未来增加的产出并未超过全球半导体增加的需求。潜在的影响因素包括:1)与2016-2018年相比,此轮产能扩张主力来自于逻辑芯片,三星虽然是2020年最大的支出者,但预计在2021年支出仅增长13.20%~20.75%。台积电资本开支从2020年的172亿增至2021年的300亿美元,增长74.42%,将占到行业总增长额204亿美元的60%以上。2)贸易摩擦可能导致中国大陆地区资本开支规划不能如期落地,中芯国际资本开支由2020年的57亿美元下降至2021年的43亿美元,且2021Q1-Q3仅完成约24亿美元。3)从资本开支增速与销售额同比增速的对比来看,2022-2023年半导体产能供给并未超出半导体销售额预测更多。


国内规划扩产力度激增,2022年预计进入密集投片期。根据我们的不完全统计结果,2021年我国国内8英寸产能新增12万片/月,并预计2022年后新增39.1万片/月;2021年我国国内新增12英寸产能16万片/月,并预计2022年后新增产能100.3万片/月。而根据芯谋研究数据结果显示,截止2020年四季度我国8寸装机量约为117万片,12英寸装机量为103万片。则仅统计的数据显示,整个十四五期间合计建设8英寸产能占过去总装机量的43.68%,合计12英寸产能占过去总装机量的112.91%。从各家公司的产能规划情况来看,2022年后国内将进入密集投片与量产阶段。



3.1.2刻舟求剑:对比2016-2018年,当前设备与材料所处阶段


半导体设备公司未来业绩依然有强劲支撑。1)过去国内半导体设备营收呈现逐季增加的特点,但在2020Q2开始,统计的7家半导体设备公司合计季度营收开始大幅增长。2020Q2半导体设备板块实现营收33.40亿元,同比增长34.72%,环比增长51.85%,而2021年则更进一步,2021Q2实现营收51.31亿元,同比增长71.10%,环比增长51.96%,超过了2020Q4的季度营收高点。2)从统计数据来看,晶圆代工企业的投片高点将集中在2022-2024年,对比2016-2018年,则当前2021Q3业绩仅处于扩产周期的中段,部分反应了2022年投片产能,而上一轮设备业绩的增长基本贯穿了整个投资周期。如考虑物流运输与订单交期问题,海外设备到厂与调试的时间将延长,预计行业景气度将能延续到2023年。


与2016-2018年类似,半导体设备业绩与股价表现基本同步进行。如果对比2016-2018年半导体厂商的投片节奏与半导体设备营收变化,预计半导体设备公司当前业绩仅反映2022年的扩产情况,未反应2023-2024年的资本开支以及潜在的资本开支上修情形。从股价表现上,各半导体设备公司2020Q2-2021Q1股价出现重复震荡,在2021Q2迎来大幅反弹,一直延续至今,代表性公司北方华创与中微公司在景气上行的环境下,其季度股价表现与季度营收环比变化紧密相关,2021Q3两家公司营收环比涨幅缩窄36.10pct和22.02pct,其季度环比涨幅缩窄58.55pct和67.54pct。


如果遵循之前业绩释放与股价变化的节奏,随着半导体设备业绩在2021Q2后逐步体现2022-2023年的扩产计划,其营收的同环比增速将可能出现缓步下降的态势。由于股价变动要较业绩提前反应,扩产的持续性将对明年半导体设备的预期带来影响。


2020年后半导体材料营收逐季走高,或反映稼动率提升的过程。从2020Q1开始,统计的15家半导体材料供应商合计营收连续6个季度逐季上升,由2020Q1的28.53亿元增长至2021Q3的57.14亿元,潜在原因包括半导体与面板企业产能利用率提升和供给紧张带来的涨价,其表现形式与2016-2018年类似,季度营收同比增速稳步上行而营收环比增速逐步下降。


预计产能扩张对半导体材料的业绩拉动将明年得以体现。如以2016-2018年设备与材料的业绩高点时间顺序来看,国内半导体设备在2020Q2拐点向上,则按照厂房施工完毕/设备物流运输/设备安装/调试到风险量产再到产能利用率爬坡的时间点去推算,由新开出设备运转所带来的半导体材料需求将在2022Q1-2022Q2得到体现。


海内外半导体材料企业在2021Q3股价表现出现分化。与上一轮周期近乎类似,日本半导体材料厂商股价与半导体设备同步反应,在2020Q3进行小幅调整后,2021Q2即达到阶段性高点。国内选取雅克科技、南大光大与上海新阳,同样在2021Q3时个股走势开始分化,除南大光电外其余标的由上涨转为震荡。


4、半导体设备:扩产与国产替代并存


4.1不同工艺下的半导体设备需求量


根据统计结果,2021年我国国内8英寸产能新增12万片/月,并预计2022年后新增39.1万片/月;2021年我国国内新增12英寸产能16万片/月,并预计2022年后新增产能100.3万片/月。可见的十四五期间,合计建设8英寸产能占过去总装机量的43.68%,合计12英寸产能占过去总装机量的112.91%。在2022年我国进入密集投片期的背景下,通过简单测算不同工艺下对半导体设备的需求量。


我们选取中芯T2 180nm生产线(2016)、中芯T3 90nm(2016)、华虹无锡一期90-65/55nm(2020)和台积电南京16/12nm(2016)作为对比,以粗略估计成熟8寸线、12寸90nm、12寸65/55nm和先进制程产线需要的设备数量。


对比不同工艺产线上各半导体设备数量上的变化,在整个晶圆制造过程中,与光刻步骤关联的设备如涂胶/去胶、涂布显影和离子注入等,其靠近电路图案形成的早期步骤,整体需求数量上变化不大但重要性凸显,整体需求数量与光刻机为一一对应的关系。随着工艺技术迭代导致芯片生产的重复步骤数增加,与检测重复次数密切关联的刻蚀、清洗和测量设备数量则成倍增加,如先进12寸线每万片月产能需刻蚀设备55台,是8寸线的5.5倍,是成熟12寸线的2.75倍。


国内未来晶圆厂扩建主要方向90nm、65/55nm和28nm等长寿命节点,皆为12英寸上的成熟制程,则不考虑差异性下,按照中芯T3和华虹无锡一期项目二者均值可大致推算得到未来的设备需求量。则预计2021年12寸成熟制程刻蚀/清洗/研磨/CPVD等设备的需求量分别为322/280/142/712台,未来3年所需刻蚀/清洗/研磨/CPVD设备数量则分别为2019/1755/890/4463台。


4.2保障产业链安全,半导体国产替代加速


国内供需不匹配,集成电路成为我国贸易逆差的主要来源之一。我国作为全球最大的制造中心,但是在半导体领域从产品到技术则主要依赖于进口,2020年我国集成电路贸易逆差达到2327.13亿美元,超越石油成为我国的最大贸易逆差来源。进入2021年,我国集成电路进出口额之间的差值依然在扩大,并在9月份达到单月268亿美元的逆差峰值,2021年1-9月份,我国集成电路贸易逆差为2251.31亿美元,接近于2020年全年水平。


在旺盛需求的推动下,国内严格的疫情防控措施为国内外半导体工厂提供复工生产、调升稼动率弥补库存的可能,因此产能扩张带来的刚需以及提前抢单共同推动了中国大陆地区半导体设备销售额的持续走高,2021H1大陆半导体设备销售额128.60亿美元,占上半年全球半导体设备销售额26.55%,2021年晶圆制造端产能整体集中在中国、韩国和中国台湾。


中美长期博弈持续,半导体国产化进程加速。美国对我国的技术封锁并没有因为谈判的反复而放松,2021年5月11日美国主导成立美国半导体联盟,包括美国、欧洲、日本、韩国、中国台湾地区等地的64家企业加入,这其中包括了很多非美国的半导体龙头企业如芯片制造商台积电、半导体设备厂商ASML和尼康,也包括了材料产生材料厂商的东京电子。9月23日,在全球半导体峰会上美国要求全球半导体制造商提交核心信息,涵盖客户 资料、库存状况、投资计划和产品技术制程等,倒逼我国半导体产业必须现从上游设备、材料到中游代工再到下游应用的全产业链的协同发展。


国产设备市占率低,核心环节几乎全依赖于进口。在资本开支的超级周期下,各大晶圆代工及IDM厂商积极扩产以应对旺盛的需求。北美与日本半导体设备销售额逐月攀升,美国半导体行业协会(SIA)预计2021年全球半导体行业的资本支出将达到近1500亿美元,日本半导体制造装置协会(SEAJ)预计2021年度日本半导体设备销售额2兆9200亿日元(约合156.17亿美元),并预估2021-2023年复合增速为10.5%。


与此形成对比的是,在半导体设计、晶圆制造、封装测试和终端产品应用等四个环节上我国大陆均存在具有世界竞争力的企业,以营收规模计量的全球前十位厂商中包括IC设计公司海思(不考虑受美国),晶圆代工企业中芯国际、华虹宏,封装测试企业长电科技、通富微电和华天科技。但在上游半导体设备制造与材料环节,主要厂商均出自美国、欧洲和日本,我国大陆企业无一上榜。根据SEMI数据估计,2020年中国市场半导体设备销售额为173亿美元,其中国产供应规模仅为12.8亿美元,市占率仅为7.40%。


在各类制造设备中,刻蚀/清洗/氧化扩散等环节已具备一定竞争力,国产替代率超过20%,干法去胶设备的屹唐科技全球市占率居于全球第一,但在光刻/离子注入/涂胶显影等领域几乎完全依赖于进口。


国产替代加速,部分设备实现零的突破。如在涂胶显影设备领域,芯源微前道晶圆加工领域用单片式清洗机已经达到国际先进水平,在国内多个重要客户处获得批量重复订单,成功实现进口替代;离子注入领域,万业企业子公司凯世通2020年四季度首台低能大束流离子注入机在国内一家12英寸主流集成电路芯片制造厂完成设备验证工作并确认销售收入;光刻机领域,上海微电子量产的SSA600系列可满足IC前道90nm关键层与非关键层的光刻工艺需求。


5、投资分析


随着半导体主要下游行业渗透率放缓以及应用的多元化,半导体销售额增速与资本开支均逐步放缓,因此当外部环境出现重大变动时,其抵御风险的能力变得更加脆弱,难以应对此轮供需的错配。从未来的资本开支计划来看,近两年全球半导体行业资本支出创下历史新高,但未来增加的产出并未超过全球半导体增加的需求,行业并未快速进入供过于求的阶段。


从2016-2018年扩产经验来看,半导体设备业绩与股价率先同步反应;半导体材料业绩反映落后设备7个季度,但股价反映仅落后设备1个季度。根据国内规划,预计2022年进入晶圆产能的密集投片期,明年半导体设备公司业绩依然有强劲支撑,根据相关项目的简单测算,仅考虑12寸成熟制程,未来3年所需刻蚀/清洗/研磨/CPVD设备数量则分别为2019/1755/890/4463台。


来源:行研君、 行业研究报告

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