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引言
1 芯片供需现状
1.1半导体下游行业应用情况
1.2半导体行业供需影响因素
1.3半导体行业特点与宏观经济特征
2 芯片生产工艺流程
2.1半导体行业产业链
2.2半导体行业的主要业务模式
2.3芯片设计主要流程
3. 供应链角度解读“芯片之难”
3.1整车制造
3.1.1运作模式
3.1.2 IDM模式下投资分析
3.2芯片设计
3.2.1无晶圆厂特点
3.2.2无晶圆厂行业现状
3.2.3行业变化
3.2.4投资风险
3.3晶圆制造
3.3.1晶圆制造技术概览
3.3.2 2021年全球晶圆制造发展情况
3.3.3 芯片短缺下晶圆制造特点
3.3.4 全球晶圆供需不平衡不充分原因概览
3.4半导体材料设备
3.4.1半导体设备
3.4.2全球设备厂商
3.4.3 2013-20201市场份额前五的设备公司（仅含美股公司）
3.4.4材料设备发展展望
4 芯片短缺的应对方案及未来产业发展投资布局
全球“芯”慌情形持续蔓延，直接原因为几大国际芯片生产商接连遭遇火灾、地震、寒潮等自然灾害，部分工厂被迫停工，产量下降，加上5G基建和换机潮、智能汽车、碳中和等推动需求激增，导致严重的供需失衡。
有媒体报道，仅2021年3月29日至4月3日的5天时间，台积电已宣布三次涨价，分别为12寸晶圆价格上涨25%；驱动芯片代工价格上涨；今年年底订单全线上涨。在如今芯片完全卖方主宰的时期，我们从供应链上下游对“芯片慌”的产生进行全面的分析。
1. 芯片供需现状
1.1 半导体下游行业应用情况半导体是需求推进的市场，半导体行业下游行业表现出：主要驱动力推动，着力发展新兴领域的形势。推动半导体行业增长的三个主要驱动力是智能手机，个人计算机和轻型车辆（汽车和轻型卡车）。
一方面是天灾，半导体主要产地遭受了不同程度的自然灾害，致使芯片生产陷入困境。目前美国是世界上最重要的芯片设计和制造地区之一，但2020年第二季度以来，新冠肺炎疫情在美爆发，其极大地影响了相关工厂的运行。
同时在2021年第一季度，美国的重要芯片产地得克萨斯州又遭遇了百年难遇的冰雪和风暴潮，导致该州水电供应中断，致使许多位于该州的晶圆厂被迫停工。
除美国外，另一个芯片的主要制造地区台湾的日子也并不好过。今年台湾遭遇56年难遇的大旱，而芯片的制造、刻蚀的过程又需要大量干净的水源用于生产线的清洁等，因而台湾的台积电、联发科等公司的芯片制造也受到不小的影响，同时成本也在大幅增加。
日本也是半导体的主要产地之一，而日本半导体巨头工厂瑞萨电子工厂遭遇重大火灾，工厂核心设施“无尘室”作为本次火灾的起火点受损较重，部分设备也有不同程度的损坏。
另一方面就是人祸了，资本逐利的本性和囤积居奇以及高价售出的事情在经济发展史中并不罕见。在“芯片荒”之下，许多拥有雄厚财力的公司也同样在大量采购，以备“不时之需”。据报道，苹果公司已经定下台积电年产能80%的产品。
除了囤货，芯片工厂及其上游产业遭受疫情影响停工停产或者由于其他因素在运输环节遇到问题导致供应链断裂等问题，也是“芯片荒”的一个重要原因。
同时在今年年初，比特币的价格上涨幅度尤为明显。比特币价格越高，挖矿的吸引力越大，导致消耗更多的电能和计算机芯片。
2017年初，比特币价格仅为1000美元左右，当时估计比特币开采每年消耗约10太瓦时电力；四年后，其价格上涨约50倍，用电量上涨8-9倍。挖矿对计算机芯片的需求也是造成芯片短缺的又一原因。
1.3 半导体行业特点与宏观经济特征
目前，半导体行业仍处于高速成长期。故虽然近期出现了“芯片荒”，但据各大预测咨询公司的数据显示，未来半导体行业的前景仍较为乐观。
从长期来看，全球半导体行业的发展遵循螺旋式上升的规律，呈现周期性变化。半导体产业主要受全球宏观经济变化、半导体技术革新、下游行业景气度、供需匹配错位的影响。
半导体行业与全球宏观经济的景气度高度相关。
在经济繁荣时期，由于企业和消费者方面的支出增加，芯片行业蓬勃发展。而在经济低迷时期，由于企业信息技术预算削减、以及消费者推迟购买最新产品，导致半导体产品需求下降。根据wind数据，1999-2019年全球半导体销售额由1494亿美元增至4090亿美元，复合年增长率（CAGR）为5.16%。
近十年来，半导体行业的增长速度受宏观经济下行影响，出现约5次周期性波动，具体体现在：（1）2001年美国互联网泡沫；（2）2008年，全球经济危机；（3）2012年欧债危机；（4）2015年电脑、手机换机需求下降（5）2019年贸易摩擦。
半导体行业波动性与GDP关联度越来越高。
根据IC Insights 的数据显示，进入21世纪后，全球半导体销售收入规模增速与GDP的相关性越来越高，2010-2015年的相关系数高达0.93，预计未来仍维持现有水平，相关系数逐步趋近于1。
此外，由于半导体产品在各行业中应用渗透率提高，半导体行业的周期性受各行业需求影响也更为多样，全球GDP数据作为宏观经济的表征指标，可以进一步反映半导体产业的下游需求的变化。
半导体先进制程技术进入后摩尔时代，迭代速度放缓。
一直以来，生产成本的下降和盈利能力的提升推动着半导体企业不断追求更加先进的工艺节点。这是由于供给端和需求端存在相互促进发展作用，半导体供给侧的进步满足市场对于新一代、高性能产品的追求，从而使得创造出新的需求；而需求端技术的发展进一步促进半导体供给端产品的更新迭代。
半导体的先进制程从1987年以来的1um到2015的14nm的发展一直符合摩尔定律，即：每两年微处理器的晶体管数量翻一倍。但随着工艺节点的不断缩小，半导体行业的发展变得愈加困难。
2015年后，制程发展开始乏力，摩尔定律开始失效，半导体制程技术进入后摩尔时代。
一方面，根据半导体行业内“一代设备，一代工艺，一代产品”的经验，半导体设备要超前半导体产品制造开发出新一代的产品，高昂的设备更替成本加大了制造商的制造支出。
另一方面，发展技术难度的不断提高的同时，单位面积芯片的制造成本下降空间越来越小，甚至有所增加。这都导致企业盈利水平下降，经济效益不佳。
半导体产品供需关系存在错位。
由于半导体技术一直在追赶摩尔定律，产品的寿命相对较短，当更新的应用程序被开发时，对应的就是原有技术的过时；当技术进步时，先进产品的需求就会出现上升，导致产能紧张。
另一方面，由于芯片制造周期长，供需难以匹配，当供不应求时若半导体制造商加大生产，容易由于市场景气度变化的影响使得供应过剩、库存增加，进而导致半导体产品价格下跌和市场需求的进一步下滑。
下游重大技术变革是推动行业持续增长的内在动力
重大技术变革是推动行业持续增长的内在动力。近年来，全球半导体行业在2017年经历了喷井式增长，到2018年创造历史新高。自2018年下半年开始，受到汽车、消费电子、智能手机等产品需求增长放缓的影响，加上技术升级迭代遇到瓶颈，全球半导体行业开始进入下行周期。
2019年对半导体行业来说是艰难的一年，中美贸易摩擦升温，导致半导体需求市场大幅下滑，据世界半导体贸易统计组织（WSTS）统计，全年销售额为4121亿美元，同比下降12.1%。然而，半导体行业的每一次重大低迷都随着新技术的到来而结束。
2020年，受到全球疫情的影响，居家学习及办公对电子设备的需求强劲，对网络设备要求提出更高的要求，各国大力推进5G的基础建设。2020年全球芯片销售增长5.1%，达到4330亿美元。
5G、人工智能、物联网、汽车电子等一系列新技术给予了半导体行业新的动能，全球半导体行业已经从周期性低迷中恢复，预计2021年芯片销售额将加速增长8.4%。
半导体行业呈现出如下特点：
（1）行业增速快，产品、技术迭代升级快。
（2）前期研发费用高，甚至经营性现金流为负数。
（3）成熟时收入快速增长，现有财务指标几乎无法反映公司真正的价值。
（4）跨国公司易受全球经济波动和政策禁令的影响。
（5）大客户占比过大，易受个别客户或供应商的影响。
（6）制程越来越小，投资额越来越高，只有几家寡头在此领域，进入门槛高。
（7）半导体材料是此行业的支撑产业。
下图展示了半导体行业的行业现状：
2020-2024年全球半导体市场将以4%的年复合增长率加速增长。这种增长的76%是由亚太地区贡献的。2019年到2024年全球半导体市场将逐渐增长908亿美元，2020年增长了2.86%。这个市场是碎片化的，因为只有几家寡头占据了这个市场，这个状况对市场产生了消极的影响。
2. 芯片生产工艺流程
2.1 半导体行业产业链
2.2 半导体行业的主要业务模式
2.3 芯片设计主要流程
IC设计指的是将客户对系统、逻辑与性能的设计要求转化为具体的物理版图，即把产品从抽象到具体，一步步转化为有逻辑的电路规划图，直至最终物理实现的过程。
IC的设计过程可分成两个部分：前端设计（也称逻辑设计）和后端设计（也称物理设计），这两个部分并没有统一严格的界限。一般而言，前端设计指的是将客户的实际需求进行编码翻译，进而形成实际电路的元器件，并用门级网表示的过程；后段设计主要负责布局布线，以及进行各类检测测试，使得最终生成可以送交晶圆厂流片的GDS2文件。涉及到与工艺有关的设计都可称为后端设计。
3. 供应链角度解读“芯片之难”
3.1 整车制造
3.1.1 IDM运作模式
IDM是半导体行业内一种历史较久的运作模式，被称为国际整合元件制造商模式。IDM厂商的经营范围涵盖了IC设计、IC制造、封装测试等多个环节，甚至会延伸到下游电子终端。IDM是早期多数集成电路企业采用的模式，目前仅有极少数企业能够维持。
采用这一模式的一般是美国、日本和欧洲半导体产业。比较典型的厂商有英特尔、三星、德州仪器、东芝、意法半导体等。IDM的市场份额如下所示：
IDM企业的优势主要集中在以下三点：
（1）资源整合优势。从IC设计到IC制造所需的时间较短；
（2）综合利润较高。根据“微笑曲线”原理，最前端的产品设计、开发与最末端的品牌、营销具有最高的利润率，中间的制造、封装测试环节利润率较低。
（3）技术积累优势。绝大多数IDM企业都有自己的IP（知识产权），技术开发能力比较强，具有技术领先优势。
但同样的，IDM的弊端在近年来也愈发明显：
（1）企业目标摇摆。在过去的十几年里，在看到晶圆代工业务的逐步成熟，所带来的高效率和良好的业绩之后，多家IDM大厂先后进入晶圆代工业，以寻求更好的发展机会。
（2）灵活性不足。IDM不如晶圆代工灵活，在应对市场快速变化方面效率较低。
3.1.2 IDM模式下投资分析
全球集成电路市场的60%由IDM所掌握，而IDM的一条龙能力，向来是检验一个国家半导体产业水准的标杆，故IDM的重要性不言而喻。本部分就IDM模式进行投资探讨。
投资动向
（1）市场指数
美股IDM市场指数如下图所示，趋势基本向好。
（2）投资动态
英特尔宣布IDM2.0战略
3月24日，英特尔新任CEO帕特-基辛格宣布启动“IDM2.0”战略。该战略的主要内容包括：投资 200亿美元在亚利桑那州建设两座晶圆厂，用于提升产能并加大代工业务。接下来英特尔还将组建独立的代工服务部门，意成为全球主要芯片代工商。
正如基辛格所说：“借助 ‘IDM2.0’战略，英特尔将以其富有深度和广度的软硬件平台设计出最好的产品，并为代工客户提供下一代工艺创新。”
碳化硅IDM企业基本半导体完成B轮融资
财联社1月6日讯，从基本半导体获悉，近日，该公司完成数亿元人民币B轮融资，由闻泰科技(600745,股吧)领投，深圳市投控资本、民和资本、屹唐长厚、四海新材料等机构跟投，原股东力合资本追加投资。
第三代半导体快速成长，IDM模式成超车方向
有很多特殊的半导体产品更适用IDM而不是代工模式，因为有些模拟器件没有代工工厂（集成代工制造）足以胜任。譬如5G通讯中用到的氮化镓（GaN），5G射频芯片必须用到第三代半导体，仅快充芯片在中国市场就非常庞大，这种高功率芯片做得好的有Skyworks（思佳讯）、Qorvo、Sumitomo（住友）、Murata（村田）、NXP（恩智浦）、AVAGO（安华高）等，都是IDM公司。
国际IDM厂全面喊涨
虽然新冠肺炎疫情仍持续干扰全球市场，不过各大调研机构几乎一致看好，即2021年整体市场需求将优于2020年水平，再加上2020下半年消费、车用及5G等芯片拉货量大增，使国际IDM大厂接单量爆满，产能供给远不及订单量，有望推动2021年营运更上一层楼。
IDM整车制造投资前景
（1）投资评级
在新冠疫情的影响下，强势拉动了电子消费品的需求。北美半导体设备出货指数创下历史新高，以半导体为代表的细分板块在全球主要市场均呈现领先趋势，“缺芯涨价”几乎成为贯穿全年的主题。在这种情形下，IDM因其能够保障生产节奏和供货安全而被看好。
从中长期的角度看，新能源汽车的发展、5G技术的落地等可进一步拉动对电子元器件的需求，并预计将在2021年持续看涨。缺货涨价态势下，IDM的话语权会被重置，IDM可凭借自有产能优势，保证下游客户供给，从而抢占市场，建议关注英特尔、三星、德州仪器的后续发展。
（2）风险因素
一是疫情影响反复，二是市场需求可能不及预期。
2020年的疫情，对产业发展节奏和市场需求产生了很大的影响。首先考虑2020年上半年，因为在家工作与学习，使得数据中心和云服务，以及笔记本电脑的相关芯片需求量暴增，但手机市场则较为惨淡。
而对比下半年，疫情缓解，经济复苏，消费者走出家门，此时，手机市场又开始上涨，与此同时，上半年火爆的数据中心市场开始疲软，相应的处理器和存储芯片市场行情明显不如上半年。在这些纷繁复杂且难以预测的因素影响下，相对于晶圆代工，IDM的业绩时好时坏，显得没那么稳定，这成为了投资的一大风险。
3.2 芯片设计
3.2.1 无晶圆厂特点
无晶圆厂（Fabless）主要是指不从事生产、无半导体厂房的无厂半导体公司。无晶圆厂公司依赖晶圆代工公司（如台积电、联电等晶）生产产品，因此产能、技术都受限于晶圆代工公司，但由于不必兴建及运营晶圆厂，很大程度降低了公司成本。
3.2.2 无晶圆厂行业现状
根据IC Insights发布的报告，预测2020年无晶圆厂的IC销售额将达到全球总销售额的32.9%，创历史新高。销售额增长率也有望达到22%，近1300亿美元。
2020年第三季度全球最大的五家无晶圆厂（分别是高通（Qualcomm）,博通（Broadcom）,英伟达（NVIDIA），联发科（MediaTek）及超微半导体（AMD）），其中英伟达、联发科及超威的营收增长均超过了50%。
相较而言，IDM厂商2020年的增长额仅为6%。尽管其销售额约为2670亿美元，约为无晶圆厂商的两倍多，但其增长速度近几年明显放缓，无晶圆厂商正在全力抢占市场。
3.2.3 行业变化
芯片应用行业的不断发展及新应用市场的兴起，不但推动了芯片设计行业的发展，也为芯片设计提出了不少挑战。如人工智能市场的出现，要求芯片在处理能力、内存延迟及实时连接等方面的提升；各公司争夺的数据中心市场，要求芯片能拥有更高的速度、更低的延迟；智能汽车行业的发展则要求芯片拥有更高的良品率、更低的错误等。
3.2.4 投资风险
最大的风险在于代工厂供不应求。由于无晶圆厂没有制造工厂，所有的产品生产均依靠代工厂商，在现有市场供不应求的情况下，不少无晶圆厂也出现了缺货涨价等现象。
如：博通通知客户至少提前6个月的时间下订单；超微半导体多个产品也均显示缺货。同时由于贸易环境的原因，使得一些公司转单台积电，台积电供不应求也使得一些无晶圆厂出现了缺货现象。
3.3 晶圆制造
3.3.1 晶圆制造技术概览
晶圆制造是将设计版图制成光罩，将光罩上的电路图形信息转移至硅片上，在晶圆上形成电路的过程。
晶圆的制造工艺虽然很复杂，但绝对难度并不是很高。其核心难度在于半导体产品对晶圆的纯度要求很高，纯度需要达到99.999999999%或以上。而在进行硅的进一步提纯工艺中，光刻技术的难度很高，这是晶圆制造最大的一个门槛，同时更突出表现在高端光刻机的全球短缺与垄断。
3.3.2 2021年全球晶圆制造发展情况
晶圆市场的需求持续高涨。根据IC Insights数据显示，2018年全球晶圆产能为1945万片/月，预计到2022年全球晶圆产能将上升至2391万片/月，年复合增长率为5.3%。
2021年第一季度晶圆制造行业收入增速约20%。2020年，全球前五大厂商总产能占全球晶圆产能的54%，前五大纯晶圆代工厂（台积电、联电、格芯、中芯国际、力晶）占全球晶圆产能的24%。
据估计，2021年第一季度全球前十大晶圆代工厂营收将达225.9亿美元，同比增长20%。2021年第一季度全球晶圆代工产能紧张，营收均同比有所增长，近期各晶圆厂更需要重新调配产能供给以满足汽车需求。
2021年供需缺口大幅攀升，涨价有望延续。消费电子和汽车行业正在进入硅含量急速提升周期。尽管晶圆代工厂加大资本开支，但大部分用于先进制程及12寸产能。成熟制程扩产仍然较为缓慢，8寸仍是关键涨价环节。导致部分产品供需紧张有可能持续到2022年底甚至2023年。
产能紧张导致晶圆制造商资本开支密集上升。2021年第一季度晶圆代工行业收入增速约20%，产能满载。诸多晶圆制造商均已公开宣布将在2021~2023年之间进行大规模的半导体设备投资，AMAT展望，全球正在踏入一轮新的10年以上的半导体投资周期。
3.3.3 芯片短缺下晶圆制造特点
（1）终端企业恐慌性下单，制造了虚高的订单量，在未来1到2年内可能使得晶圆供给大于晶圆需求。
（2）全球分布式供应链受到冲击，供应链可能收缩。如：车企与手机厂商自制晶圆，供应链趋向集中化。
（3）以台积电为代表的晶圆制造商纷纷涨价，此举调节了市场晶圆供需，有利保障高端晶圆优先生产。
（4）日本丰田汽车的业务连续性计划（BCP）（维护供应链，减少地震海啸核电站事故影响）,定期囤积关键零部件的举动可能会被诸多终端企业效仿。如：大众汽车尝试跳过零部件供应商，直接向芯片制造商采购芯片，并建立芯片定期储存制度。
（5）晶圆行业龙头优势明显，话语权持续提升。在原材料价格上涨、代工产能紧张等因素的背景下，龙头厂商的优势愈发凸显。龙头能够依靠规模优势，获得各方资源的倾斜，有能力通过涨价平衡供需，同时还能保证交货期，形成良性循环，从而进一步扩大市占率，集中优势更加显著。
3.3.4 全球晶圆供需不平衡不充分原因概览
（1）全球疫情导致的晶圆厂商错误预判，芯片厂商或减产或停产（暴风雪，防疫要求），或转产（芯片利润结构和需求结构改变，偏向消费电子）。
（2）晶圆生产周期长，工艺复杂，扩产难，行业壁垒高。
（3）以台积电为代表的几家供应商垄断全球晶圆供应。
（4）疫情以来，消费电子和新能源智能汽车单车芯片需求量（种类和数量）极大升高。
3.4 半导体材料设备
3.4.1 半导体设备
前道工艺设备（晶圆加工设备）（光刻机、刻蚀机、薄膜沉积设备、清洗设备等），后道工艺设备（封装测试设备）
图为前道晶圆制造七大步骤：
3.4.2 全球设备厂商
全球半导体设备厂商主要集中在美国日本、荷兰。
美国：AMAT、拉姆研究（LRCX）、科天（KLAC）、泰瑞达（TEL）
覆盖设备：刻蚀机、离子注入机、薄膜沉积设备、掩模版制造设备、检测设备、测试设备、清洗设备。
日本：东京电子、DNS、爱德万、日立高新
覆盖设备：刻蚀机、薄膜沉积设备、清洗设备、热处理设备、涂胶机、显影机、退火设备、测试设备、清洗设备、中低端光刻机（尼康、佳能）。
荷兰：阿斯麦（光刻机龙头）
3.4.3 2013-2021市场份额前五的设备公司（仅含美股公司）
到2020年市占率前五的设备公司分别为应用材料公司（AMAT）、拉姆研究（LRCX）、阿斯麦（ASML）、泰科电子（TEL）、科天（KLAC）
3.4.4 材料设备发展展望
根据SEMI年终报告显示：2020年全球设备规模为689亿美元，同比增加16%。5G、新能源汽车等行业的迅速发展必会带动半导体行业不断扩大。
未来趋势将呈现出：新材料推动半导体器件革新，模块化降低芯片设计门槛，以氮化镓、碳化硅为代表的第三代半导体迎来应用大爆发，6G，芯片制造商加速扩张战略在AloT市场，AI+LoT=a lot人工智能技术+物联网等等的趋势。
4. 芯片短缺的应对方案及未来产业发展
由于天灾人祸频发,加之半导体行业产能不足所导致的芯片荒现象，已经影响了诸多领域的生产，行业内各家龙头企业“八仙过海”，希望能在市场上占得先机获取优势地位。
但目前而言,各家公司无论是新建晶圆厂，还是“跨领域研发”都不能够快速化解全球市场目前所面临的棘手问题，因而希望投资者们能够理性观望。
但是无论是新晶圆厂的建造还是新领域的扩展，在半导体领域，设备和材料都是不可或缺的。
对投资者而言，与其猜测是因特尔能够抢占先机？还是台积电可以快速扩产？亦或是高通能早日得到研发成果？不如静看行业内刚需的设备与材料，尤其是材料公司显得尤为关键。
毕竟想要大量生产芯片一定离不开高品质的材料，所以就目前形势而言AMAT、LRCX、ASML等材料与设备公司更加值得关注。
总体而言，半导体产业是一个资金密集型、技术密集型和人才密集型的高科技产业，也是支撑国民经济和社会发展的基础性、战略性和先导性产业。
受益于5G、消费电子、新能源汽车等下游需求增长等因素的影响，芯片短缺将为大部分半导体公司迎来较好的发展机会，对投资者亦如是。
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（王治强 HF013）
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