中國半導(dǎo)體行業(yè)現(xiàn)狀及趨勢：半導(dǎo)體芯片、功率半導(dǎo)體、化合物半導(dǎo)體及存儲器國產(chǎn)化

中國半導(dǎo)體行業(yè)現(xiàn)狀及趨勢：半導(dǎo)體芯片、功率半導(dǎo)體、化合物半導(dǎo)體及存儲器國產(chǎn)化

半導(dǎo)體芯片是科技創(chuàng)新的硬件基礎(chǔ)，站在5G+AI這新一輪全球科技創(chuàng)新周期的起點，半導(dǎo)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(dǎo)體指數(shù)表現(xiàn)優(yōu)異。

一、半導(dǎo)體芯片現(xiàn)狀

2019年12月份全球半導(dǎo)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(fù)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(dǎo)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(dǎo)體銷售額（十億美元）數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

半導(dǎo)體設(shè)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(dǎo)體設(shè)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(dǎo)體設(shè)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(biāo)快速恢復(fù)增長預(yù)示行業(yè)未來景氣度高。北美半導(dǎo)體設(shè)備制造商月度出貨額（百萬美元）數(shù)據(jù)來源：公開資料整理日本半導(dǎo)體設(shè)備制造商月度出貨額（十億日元）數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

當(dāng)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iPhone11系列銷售情況優(yōu)于預(yù)期，A13應(yīng)用處理器委由臺積電以7納米制程量產(chǎn)，而蘋果早就預(yù)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(dǎo)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(yù)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(luò)處理器、IOT芯片等在內(nèi)的需求強勁，將拉動半導(dǎo)體行業(yè)快速復(fù)蘇。2016-2021年全球人工智能芯片規(guī)模及預(yù)測）數(shù)據(jù)來源：公開資料整理2014-2020全球IOT半導(dǎo)體市場規(guī)模及增速數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

2019年全球半導(dǎo)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(guān)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(dǎo)體銷售額占全球35%數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

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

二、功率半導(dǎo)體

功率器件是分立器件的重要組成部分，典型的功率半導(dǎo)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(dǎo)體幾乎用于所有的電子制造業(yè)，包括計算機、網(wǎng)絡(luò)通信、消費電子、汽車電子、工業(yè)控制等一系列電子領(lǐng)域。

由于功率半導(dǎo)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(lǐng)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(shè)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(dǎo)體器件。

IGBT是InsulatedGateBipolarTransistor的縮寫，即絕緣柵雙極型晶體管。它是由BJT和MOSFET組成的復(fù)合功率半導(dǎo)體器件，既有MOSFET的開關(guān)速度高、輸入阻抗高、控制功率小、驅(qū)動電路簡單、開關(guān)損耗小的優(yōu)點，又有BJT導(dǎo)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(lǐng)域較為理想的開關(guān)器件，是未來應(yīng)用發(fā)展的主要方向。IGBT產(chǎn)品示意圖數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

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(guān)斷時間、功率損耗等各項指標(biāo)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(shù)節(jié)點以技術(shù)特點命名工藝線寬

(微米)通態(tài)飽和壓降

(伏)關(guān)斷時間

(微秒)功率損耗

(相對值)斷態(tài)電壓

(伏)出現(xiàn)時

間平面穿通型(PT)530.51006001988改進的平ww)52.80.3746001990溝槽型(Trench)320.255112001992非穿通型(NPT)11.50.253933001997電場截止型(FS)0.51.30.193345002001溝槽型電場-截止型(FS-

Trench)0.510.152965002003數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

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(rèn)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(shè)施快速增長將為IGBT等高端功率半導(dǎo)體市場規(guī)模的加速擴張?zhí)峁┯辛Φ谋Ｕ?。預(yù)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(guān)人才缺乏，工藝基礎(chǔ)薄弱，國內(nèi)企業(yè)產(chǎn)業(yè)化起步較晚。

預(yù)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(yù)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(yù)測數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

發(fā)布的《2020-2026年中國半導(dǎo)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(chǔ)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）數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

隨著國內(nèi)相關(guān)企業(yè)在IGBT領(lǐng)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(shù)差距較大導(dǎo)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(guān)鍵技術(shù)，在“自主可控”的大背景下，預(yù)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(wù)優(yōu)勢，若未來技術(shù)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(dǎo)體

碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等第三代半導(dǎo)體因禁帶寬度和擊穿電壓高，未來在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域有很大的應(yīng)用潛力，這一領(lǐng)域可以說是傳統(tǒng)硅基功率半導(dǎo)體的全方位升級。三代主要半導(dǎo)體材料物理性質(zhì)對比數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

目前第三代半導(dǎo)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(dǎo)率和更成熟的技術(shù)，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(yīng)用范圍上的差異，GaN的市場應(yīng)用偏向高頻小電力領(lǐng)域，集中在600V以下；而SiC適用于1200V以上的高溫大電力領(lǐng)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(shè)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(yīng)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(zhǔn)備好將在車載充電器中應(yīng)用SiC肖特基二極管或者SiCMOSFET。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(jié)果，未來市場空間必將越來越大。SiC應(yīng)用領(lǐng)域及其市場空間（百萬美元）數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

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(lǐng)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(shè)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(shè)備可接受的電壓，220V交流電整流后先經(jīng)過開關(guān)管（一個速度很快的開關(guān)）然后才到變壓器，由于開關(guān)管的高頻開啟和關(guān)閉，所以輸入電壓是高頻變動的。如果提高開關(guān)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(dǎo)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(guān)鍵原因是繼續(xù)提高了開關(guān)頻率，對比傳統(tǒng)硅開關(guān)，GaN的開關(guān)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(guān)頻率運行，同時降低柵極和開關(guān)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(fù)損耗，并進一步提高了效率、減少了開關(guān)節(jié)點振鈴和EMI。開關(guān)損耗會隨著開關(guān)管大小的增大而增加，導(dǎo)通損耗會隨著開關(guān)管大?。w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(guān)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)硅基器件數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

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充電頭均有不足類型廠商產(chǎn)品功率重量發(fā)售價發(fā)售時間體積(不含針腳)非氮化鎵AnkerPowerPortPD+233W107g158元2019.163x62X29mmPowerPortPD多口60W213g50美元-103x78X28mmRAVPowerPDPioneer多口60W158g36美元-89X58X25mm氮化鎵AnkerPowerPortAtomPD130W58g30美元2019.335X38x41mmPowerPortAtomPD260W142g55美元2019.468X69x28mmRAVPowerPDPioneer61W61W104g60美元2019.550x50x30mm倍思GaN快充65W120g199元2019.875x36x32mmROxANNEGaN雙口充電器66W118.5g238元2019.170x35x35mm小米GaN單口充電器65W-149元2020.230.8X30.8x56.3mm數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

五、存儲器

存儲器構(gòu)筑了智能大時代的數(shù)據(jù)基石。隨著5G技術(shù)的逐漸落地，人工智能應(yīng)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(luò)——傳輸網(wǎng)絡(luò)，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(shè)，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(jié)果和最終運行結(jié)果都保存在存儲器中。

存儲器主要有SRAM、DRAM和FLASHMEMORY。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LASHMEMORY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(shè)備，多用于數(shù)碼相機、手機、平板電腦、MP3等。FLASHMEMORY又分為NORFLASH和NANDFLASH，NORFLASH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；NANDFLASH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）數(shù)據(jù)來源：公開資料整理NANDFLASH2020增長在即（億美元；%）數(shù)據(jù)來源：公開