2021年半导体行业研究报告
来源：莫文宇、杨洋、钟智铧 长江证券
报告摘要
跟踪与研判半导体行业供给端景气：由表及里
立足于产业链价值分配，我们从中国大陆、中国台湾地区、日本半导体整体发展情况进 行跟踪，发现 2020 年下半年日本集成电路生产者成品库存指数、存货率指数均快速下 滑，在生产端受地震、火灾等影响同样下滑的情况下仍与工业生产指数、生产者出货指 数拉开较大差距，我们认为，这与当前全球缺芯的情况相匹配。结合需求篇报告分析内 容，我们认为这或将预示行业下一轮景气周期将在供需失衡、真实需求快速扩张的共振 中开启。进而观察晶圆代工企业营收变化、设备厂商营收与展望，我们认为供给端同样 显示行业长期景气成长的趋势。
复盘“缺芯”：半导体供应链系统的精密性
一方面，汽车销量回升、智能化、电气化趋势让汽车半导体进入量价齐升的快速通道， 然而需求侧智能手机、平板电脑、笔记本电脑、个人 PC、可穿戴设备等多种消费产品 需求快速增加已抢占大量产能，汽车芯片相对稳定、长期、毛利相对较低的特性使其在 产能争夺中不占优势，汽车缺芯的苗头已起。
另一方面，生产过程漫长的半导体产业链在产业链转移中被划分到了全球，完成一个完 整的生产流程需要多个国家的企业合作，类似于精密的芯片生产过程，芯片制造在宏观 视角下同样是一个高度精密的全球系统。疫情、暴雪、地震、火灾乃至国际事件的不确 定性，都对全球半导体供应链这个高度精密耦合的系统带来了巨大挑战。
真实需求持续释放，“缺芯”全面蔓延，供给端成平衡修复关键
我们认为，多种外部因素之下，全球半导体供应链这一精密系统的稳定性已岌岌可危， 同时真实需求叠加垒高安全库存以应对产能紧缺的超额订单进一步挤占产能，行业整体 供需已逐步失衡，呈现“需求旺盛→抢占产能+天灾削弱有效产能→产能紧张→超额订 单→产能进一步挤压→原材料涨价&缺芯&芯片涨价→进一步下超额订单以维持经营→ 产业链库存环环放大”的循环。目前半导体行业已在 5G、AIoT、新能源车等多种终端 的带领下走入新一轮成长期，考虑过去每一轮新终端引领的行业成长期，需求的释放在 正常情况下难以中止，因此供需恢复紧平衡的关键落在供给端上。从产业链进一步转移、 未来核心市场地位、庞大工程师红利、国家与社会的大力支持等角度看，我国半导体产 业未来有望在全球供给紧张这一关键机遇窗口中深度受益。
一、由表及里，我们如何跟踪与研判半导体行业供给端景气？
2020 年以来疫情肆虐，全球经济的正常运行，如消费、基建、供应贸易、技术交流，都 受到了不同程度影响，一度严重干扰了半导体行业的正常运转。随着“宅经济”加速了 全球数字化转型，云服务、服务器、笔记本电脑、游戏和健康医疗的需求不断上升，5G、 物联网、汽车、人工智能和机器学习等快速发展，经济复苏带来多种下游需求回暖，叠 加行业并购事件带来行业备货需求大增驱动下，全球半导体开始呈现快速复苏的态势。延续我们近期发布的需求篇报告的论述，未来半导体行业需求端景气有望在 5G、AIoT、 新能源车等多种终端和应用的驱动下实现长期成长，那么相应的，供给端应也能够跟踪 与反映行业的景气上行。
据 CSET 测算，全球半导体产业链的整体价值分配主要落于晶圆制造（38.4%）、设计 （29.8%）和晶圆制造设备（14.9%），因此我们将主要从这几个环节跟踪半导体行业整 体的景气情况。同时，由于半导体行业整体同许多制造类似，数十年来存在产业链转移 的整体趋势，我们将主要关注成长性相对较强的中国大陆地区、中国台湾地区和日韩。
制造封测两旺，我国集成电路行业整体规模持续上升。2020 年 Q1~Q4 我国集成电路制造销售额快速增长，各季度规模达 574.4、916.2、1143.6、 1144.2 亿元，同比增长 25.2%、22.6%、24.8%、21.6%，全年规模达 3,778.4 亿元， 同比+23.34%；封装测试端成长同样迅速，2020Q1~Q4各季规模达451.4、514.6、594.6、 999.5 亿元，同比增长 15.1%、20.3%、18.8%、20.6%，全年规模达 2,560.1 亿元，同 比+19.12%。IC 设计受疫情阻碍技术交流、产品交付等影响，整体增速相对较低，但各 季仍保持了同比 5%以上的增长。整体而言，我国集成电路产业呈现制造端先行、封测 端紧随的特点，在当前全球晶圆制造产能持续紧缺、各国大力发展晶圆制造的背景下， 未来趋势或将保持。
中国台湾地区则总体呈现出 IC 制造占比大、2020 年 IC 设计成长异军突起的特点。一 方面，中国台湾地区拥有台积电、联电、力积电、世界先进等多家全球主要晶圆企业， 整体产能占比大，高度受益于本轮供货紧缺行情，2020 年疫情影响下营收整体较 2019 年上升一个台阶；另一方面，联发科为首的中国台湾地区 IC 设计企业也在本轮 5G 浪 潮、国际科技事件中得到新的成长动能，整体增速远超封测端，与制造端的规模差距也 有一定缩小。
从日本地区集成电路相应指数或可侧面验证行业景气周期的来临。日本地区集成电路企 业在 MCU、模拟电路、传感器等多种细分品类具备优势，这些产品覆盖消费电子、网 络通信、家用电器、汽车等多种应用领域，因此或可反映半导体整体供需情况。
日本集成电路工业生产指数与生产者出货指数一般同向变化，整体趋势一致；生产者库 存指数、成品存货率指数类似。而观察 2014 年至今日本集成电路相应指数变化，我们 认为 2016 下半年日本集成电路生产、出货指数与库存、存货率指数出现较大背离，反 映了当年在下游智能手机 4G 化推进、多摄开始渗透和蓝牙耳机（Airpods）等多种终 端需求爆发的驱动下的库存去化，随后开启了超 2 年的行业整体景气期。同时，与全球 半导体月度销售金额相比较，我们同样可以发现 2016 年下半年是上一阶段景气周期的 起点，因此我们认为日本地区集成电路相应指数或可一定程度反映全球行业景气情况。而根据近期数据，我们发现 2020 年下半年日本集成电路生产者成品库存指数、存货率 指数均快速下滑，在生产端受地震、火灾等影响同样下滑的情况下仍与工业生产指数、生产者出货指数拉开较大差距，我们认为，这与当前全球缺芯的情况相匹配。结合需求 篇报告分析内容，我们认为这或将预示行业下一轮景气周期将在供需失衡、真实需求快 速扩张的共振中开启。
进一步从晶圆制造中的晶圆代工产业分析，2021 年第一季全球晶圆代工市场需求依旧 旺盛，面对终端产品对芯片的需求居高不下，客户倾向加大拉货力度，使晶圆代工产能 供不应求状况延续，因此预估各业者营运表现将持续走强，据 TrendForce 预估第一季 全球前十大晶圆代工业者总营收同比增速达 20%。
其中，台积电 5nm 制程投片量稳定，营收贡献维持近两成；7nm 制程需求强劲，包括 超威（AMD）、英伟达（NVIDIA）、高通（Qualcomm）、联发科（MediaTek）等订单持 续涌入，估计 7nm 营收贡献将小幅成长至三成以上。由于 5G 与 HPC（高效能运算） 应用需求双双提升，加上车用需求回温，预估 2021Q1 台积电整体营收或将再创新高， 年增约 23%~26%，达 127~130 亿美元。
从台积电、联电、世界先进月度营收再上台阶的增长态势来看，新成长周期或将开启。 通过观察台积电等中国台湾地区主要晶圆厂月度营收数据，我们认为 2019 年初中国台湾地区晶圆制造企业或已在下游逐步复苏的带动下经营情况开始改善，随后景气度在 2020 年疫情带来的多种终端需求下延续至今，带动月度营收规模再上台阶。同时，观 察 2015 年以来台积电、联电、世界先进月度同比增速，我们认为其成长期或具备一定 规律性，周期约为 6~12 月，与下游需求的供应变化较为符合，而目前，虽然 2020 年 全年都保持了较高增速，但整体增速同样呈现跟随下游景气下行的趋势，或为周期的下 行阶段。展望 2021 年，中国台湾地区晶圆制造企业或将在下游需求（如服务器、2021 年手机新机型、可穿戴设备、新能源车）旺盛、整体供给短缺的驱动下再度延续成长态 势。
设备端同样能反映半导体行业整体景气度的变化。2020 年底至今半导体产能供不应求， 逻辑 IC 及内存同步缺货，带动各大厂积极扩产。2021 年 2 月日本半导体设备的销售额 同比增长 8.8％，环比增长 3.7％，这是连续第二个月增长。北美半导体设备同比增长了 32.0％，环比增长 3.2％，达到 31.35 亿美元，连续第二个月创历史新高。据 SEMI 晶 圆代工厂及 DRAM 厂今年的投资重点在于扩建 EUV 产能，包括台积电、英特尔、三星、 SK 海力士等已向 ASML 预订了 EUV 曝光机，其中，台积电及三星下半年加快 3nm 晶 圆代工产能建设，三星及 SK 海力士正在加紧 1a nm DRAM 产能的扩充。
设备资本开支计划积极，半导体行业整体景气上行。2021~2022 年，大部分 晶圆厂投资将集中于晶圆代工和存储部门。在大幅投资推动下，预计今年晶圆代工支出 将增长 23％，达到 320 亿美元，预估 2022 年将持平。今年整体存储芯片支出有个位数 增长，达到 280 亿美元，DRAM 将超过 NAND Flash。2022 年，全球半导体设备市场 将在 DRAM 和 3D NAND 投资的推动下出现 26％的增长。据 SEMI，在 2020～2022 年 内，全球晶圆厂每年将增加约 100 亿美元的设备支出，最终将于 2022 年超过 800 亿美 元大关、达到 836 亿美元规模，创下历史新高。
协同效应强劲，产业链在制造端扩张的带动下一同成长。2020 年 半导体设备厂商中排名第一的依然是 AMAT，但从未来发展情况来看，ASML 超越 AMAT 的可能性很大，特别是以台积电、三星和英特尔为代表的龙头企业在未来几年将在先进 制程芯片制造方面大力投资，给 ASML 的 EUV 设备提供了更大的发展空间。英特尔宣布将在 7nm CPU 的制造中大量使用 EUV，还将在亚利桑那州的两个新建晶圆厂中引入 EUV 曝光设备。排名前 15 位的半导体设备公司整体业绩都非常亮眼，充分体现出了 2020 年全球半导体设备市场的火爆。
二、复盘“缺芯”：半导体供应链系统的精密性
疫情带来的需求爆发，智能终端开启产能之争
如需求篇所述，受全球疫情阻碍复工复产、限制线下渠道销售影响，2020 年上半年智 能手机市场无论是需求端还是供应链都面临巨大的挑战，这直接影响了 2020 年上半年 智能手机的销售情况。2020 年 Q1、Q2 全球智能手机出货量为 2.76、2.78 亿 部，同比分别大幅下滑 11.70%、16.00%。但随着我国疫情率先受控、各领域顺利复工 复产，叠加下半年苹果、华为、小米等手机品牌商积极发布 5G 新机型，我国手机销售 情况快速恢复，带动全球智能手机出货量快速回升。据 IDC，2020 年 Q4 全球智能手机 出货量达 3.86 亿台，同比增速已实现回正，达 4.30%，增速创 2017 年 Q2 以来新高。
同时，随着 5G 进入商用期，5G 手机出货量、渗透率持续增加，新一轮的换机潮愈演 愈烈，有效带动各类半导体器件实现量价齐升。2020 年全球手机出货量约为 12.80 亿台，其中 5G 手机约 2.55 亿台，渗透率达 19.93%；我国 2020 年 5G 手机出货量达 1.63 亿台，占全球 5G 手机出货量达 63.83%，我国成为全球 5G 手机出货增加的主要来源。同时我国 5G 手机 2020 年渗透率高达 55%，远超全球水平， 这大大提振了 5G 手机相关半导体的销售情况。
快速渗透的 5G 手机将成为射频等半导体器件的新增长动力。5G 应用渗透率扩大，尤 其5G手机需要的半导体含量约为4G手机的1.7倍，部分芯片用量更是倍增（据SUMCO 估计）。此外伴随多镜头趋势，导致电源管理 IC、驱动 IC、指纹识别芯片、图像传感器 （CIS）等需求持续旺盛。随着 2020、2021 年 5G 手机渗透率的提高， 手机半导体市场规模同比将增加 7%、23%，并在 2021 年超过 4G 手机成为手机半导体 销售的主要来源。
同时，国际事件的阻碍加大手机、安防供应商囤货力度。自 2019 年中以来，国内手机 主要提供商 H 芯片采购持续受限，这促使其在 2020 年 9 月前持续以较大力度进行芯片 采购以储备未来产品产能。同时，预期其或将面临芯片短缺导致的手机等产品出货不畅， 部分国内外主要竞争者持续加大芯片采购力度、密集发布 5G 新机型以准备应对市场空 白后的竞争。另一方面，对国内晶圆制造龙头 S 的限制也引发了对未来芯片供给的担 忧。在多种因素叠加之下，产能抢占成为必选项，手机、安防相关的芯片如 APU、射频、 电源管理、驱动 IC、CIS 芯片等多种芯片产能需求进一步放大。
同时，从去年开始，疫情催生了居家经济大爆发，并带动了笔电、平板、电视、游戏机 等终端装置需求大增：
灵活易用、高效便携的平板电脑切中远程办公需求的痛点，同时长时间居家也催生 了家庭影音娱乐中对平板电脑的需求，无论是消费者需求还是品牌商的推广都助 推了平板电脑的全球出货量突破过去数年的低点。2020 年第三、四季度全球平板 电脑出货量达 0.48、0.52 亿台，同比+24.90%、+19.50%，增长态势强劲，全年 出货量也达到了 1.63 亿台，扭转了此前下滑的颓势。
强劲的居家办公需求，尤其视频会议的需求也促使笔记本电脑销量增加，同时在图 像传输和存储性能等方面进行升级改进。2020 年全球笔记 本出货量达 2.27 亿台，同比大幅增长 32%。同时 2020 年起全球部分企业宣布实 施远程办公，而远程办公需要稳定、流畅、清晰的视频会议，同时兼顾正常办公的 使用，因此为了提升视讯会议质量，以及同时满足使用者的工作与个人娱乐需求， 笔电品牌厂凭借商务笔电的基础，着眼 AI、摄像头、音效、背景杂音、视讯画质进 行改善，大大促进了笔记本电脑市场需求的释放。
同时，部分需求并不是单纯因为疫情而导致的需求大增而复苏——未来平板电脑、 笔记本电脑市场还将会借助全球在线教育的蓬勃发展，生产力工具使用以及影音 游戏等娱乐需求的提升而继续保持增长趋势。以 Chromebook 为例，据 Strategy Analytics2020 年 Chromebook 出货量达 3,370 万台，同比增速高达 86%，然多数 教育市场需求仍未被满足，未来再加上中南美洲与亚太地区的国家也陆续引进，整 体需求或将持续释放。
居家经济的盛行也为个人 PC 的恢复注入生命力。曾经连续 6 年呈现下滑颓势的 PC 市场，经历了 2019 年的微增后，在 2020 年没有发生此前行业预估的衰减， 反而迎来逆转。2020 年全年，全球 PC 市场出货量近 3 亿台，同比增长 12.37%。其中，2020 年第四季度全球 PC 出货量同比增长 27.60%，达到 9,159 万台，而上一次 PC 市场年增幅如此之大还是 2010 年 Q1 时创下的 24.76%的增 长率。PC 正像手机一样成为人手一台的生产力工具，预计居家办公、在线学习等 新常态催生的新需求还将继续显现。
5G 手机、基站建设带来大量射频芯片的晶圆需求，同时可穿戴设备、笔电、平板、PC 等多种终端的大量销售也对处理器、存储器、电源管理 IC、驱动 IC、蓝牙芯片等各类 芯片提出更大的需求。而这些芯片主要采 8 寸晶圆生产，导致 8 寸晶圆产能开始吃紧。
从结果而言，以晶圆代工龙头台积电的营收结构占比看，一方面是 5nm 先进制程产能 满载。台积电 5nm 制程主要用于生产手机处理器、基带芯片、高性能运算等对性能及 功耗要求均非常高的产品，在 5G 手机新品密集发布、整体出货渗透率持续提升的拉动 下 5nm 产能持续供不应求，其中主要系苹果 A14 芯片占据了大量产能，同时 AMD、国 内龙头 APU 厂商、三星、高通对台积电 5nm 制程产能需求也非常大。由于苹果 iPhone 12 系列销售情况优于预期，A14 应用处理器委由台积电以 5nm 制程量产，2020Q4 5nm 制程的营收占比快速提升，自 2020Q3 的 8%提升至 20%，预期 2021Q1 高端制程的产 能仍然紧张。
一方面是 2020Q3、Q4 智能手机营收环比持续提升，Q2、Q3 车用电子、消费电子环比 均下滑。智能手机在 5G 的驱动下保持了 2020 年下半年两个季度的快速增长，同时 2020Q2、Q3 车用电子、消费电子在智能手机相关需求的挤压下营收环比下滑，这意味 着相应产能分配的减少，产能紧缺开始向这些产品蔓延。
传统汽车新升级+产能受挤压，“缺芯”之火点燃
技术进步为传统终端焕新生，汽车回暖扩大需求。作为未来有望在智能化、新能源加速 渗透下成为半导体行业增长动力核心的终端，汽车的销售也在全球经济情况持续好转、 新能源技术不断发展的带动下快速回升。越过 2020 年年初的低谷后，全球汽车市场快 速回暖，以我国为例，汽车月销售量从 2020 年 2 月的约 31 万辆在 4 月份快速回升到 超 200 万辆，整体已恢复到疫情前的水准。同时，新能源车在全球加速推进碳中和的浪 潮中受到热捧，同时以特斯拉、蔚来、理想等品牌为首的新能源车企持续推出续航里程 更大、性价比更高的产品，使得新能源车销量持续走高。
一方面是汽车市场在短暂下行之后的快速恢复，同时新能源车作为新终端整体需求快速 扩张，另一方面是在智能化、电气化趋势下，汽车电子系统价值量将持续提升。随着电 气化以及智能化应用的增多，汽车电子系统无论是安装的数量还是价值仍在不断增长之 中。据罗兰贝格估算，预计 2025 年一台纯电动车中电子系统成本约为 7,030 美元，较 2019 年的一台燃油车的 3,145 美元大增 3,885 美元，而其中新能源驱动系统成本较燃 油车增加约为 2,235 美元，是电子系统价值量增加的主要来源。
而汽车电子系统的核心是汽车半导体。汽车半导体是指用于车体汽车电子控制装置和车 载汽车电子控制装置的半导体产品。按照功能种类划分，汽车半导体大致可以分为主控 /计算类芯片、功率半导体（含模拟和混合信号 IC）、传感器、无线通信及车载接口类芯 片、车用存储器以及其他芯片（如专用 ASSP 等）几大类型。未来新能源车中电动力系 统、车联网系统、自动驾驶系统乃至相关联的充电桩、换电站、智能路灯（兼备基站、 城市安防、充电桩等功能）在新能源车快速发展的带动下将有效拉动相应半导体市场的 增长。据英飞凌预估，48V/轻混合动力汽车、插电式、混合动力或纯电动车功率半导体 价值量未来有望达 90 美元/台、330 美元/台，以其预计 2030 年全球约 0.27 亿台 48V/ 轻混合动力汽车、0.32 亿台插电式、混合动力及纯电动车计算，车载功率半导体市场空 间便达 130.17 亿美元。同时，自动驾驶的进步也将带来汽车半导体价值量增加，2030 年 L4/5 自动驾驶系统组件（摄像头模组、雷达和 Lidar 模组、传感器融合、 传动装置等）价值量可达 1,150~1,250 美元，远超 2020 年 L2 约 160~180 美元、2025 年 L2+的 280~350 美元。
汽车销量回升、智能化、电气化趋势让汽车半导体进入量价齐升的快速通道，然而需求 侧智能手机、平板电脑、笔记本电脑、个人 PC、可穿戴设备等多种消费产品需求快速 增加已抢占大量产能，汽车芯片相对稳定、长期、毛利相对较低的特性使其在产能争夺 中不占优势，汽车缺芯的苗头已起。
疫情、暴雪、地震、停电、火灾：黑天鹅下精密系统的 脆弱性
过去数十年半导体产业持续在进行产业链转移，同时价值量大、战略意义强的特点使得 每一轮转移都并不彻底。从历史发展进程来看，自 20 世纪 60 年代半导体产业在美国 发源以来，全球半导体产业因产业链进一步细化和应用市场需求变化，经历了两次产业 转移，催生 Foundry、Fabless、封测公司等半导体企业模式。
20 世纪 70 年代起，美国将半导体系统装配、封装测试等利润含量较低的环节转 移到日本等其他地区。日本半导体产业由此开始积累，并借助家用电子市场对半导 体技术及产量的需求不断完善产业链，最终在家电领域实现突破，由此产生了半导 体产业的第一次产业转移。该次转移成就了索尼、东芝、日立等知名企业。这期间， 拥有芯片设计和生产能力的 IDM 得到快速发展。
20 世纪 80 年代至 90 年代，因日本经济泡沫破灭、投资乏力等原因，日本的半导 体产业开始没落。中国台湾的台积电和联电两家晶圆厂的诞生，推动美国、日本半 导体产业由 IDM 模式逐渐转变为 Foundry 模式。在半导体应用从家电到个人计算 机的转型过程中，中国台湾着重发展半导体制造技术，在半导体产业链中占据了关 键地位，韩国则聚焦存储技术，由此产生了半导体产业的第二次转移。该次转移成 就了中国台湾的台积电和联电，韩国的三星、海力士等企业。
20 世纪末至 21 世纪初，日本、韩国、中国台湾逐渐将封测产能和部分晶圆制造产 能向土地、人力成本更低的中国大陆、东南亚，由此产生了半导体产业的第三次转 移。
由于打造单独的半导体产业链成本高昂，在历次产业链转移之中，美国保留了最核心的 设计和设备制造能力以及大量的 IDM 晶圆厂，欧洲、日本则培育出众多在功率器件、模 拟芯片、MCU 等较为出色的 IDM 企业，日本还掌握了较多核心设备和材料的环节，韩 国存储产业规模庞大，同时还在向晶圆制造发力，中国台湾则强于制造封测，中国大陆 和东南亚则主要为封装测试环节。这种产业链转移使得生产过程漫长的半导体产业链被 划分到了全球，完成一个完整的生产流程需要多个国家的企业合作，类似于精密的芯片 生产过程，芯片制造在宏观视角下同样是一个高度精密的全球系统。
高度精密的系统往往较为脆弱，外部影响放大效应显著：
疫情：2020 年疫情阻隔了国际贸易、人员交流，来自日本的晶圆乃至全世界各地 的原材料可能因封城减少生产、物流成本高企等原因难以顺利抵达晶圆制造厂；而 来自英国的晶圆可能在东南亚便受到疫情影响难以找到足够的封测产能，来自美 国的设备工程师可能难以进入日韩境内进行晶圆制造设备的维护。环环相扣下，全 球半导体产业链在 2020 年上半年整体运作艰难。
在疫情带来的供给受限、需求大增等多种因素之下，半导体全产业链供给情况逐渐严峻， 供需失衡从上游材料端逐步向下游蔓延。以信越化学为例，由于金属硅（系有机硅的主 要原料）在需求旺盛的情况下供不应求价格持续上升，同时甲醇和催化剂铂的价格也在 上涨，叠加物流和辅助材料等成本也在上升等因素，信越化学于 2021 年 3 月 3 日公告 公司所有有机硅产品价格上涨 10%~20%。一方面，硅片在晶圆制造中的成本占比超 40%，其价格变动对晶圆制造影响巨大，另一方面，信越化学在全球半导体硅片市场中 占比达 27.58%（2018 年），排名全球第一，其涨价一定程度上反映了硅片供需情况， 同时也有可能影响竞争者的价格策略。环球晶圆月度营收自 2020 年 8 月后同比增速持 续上行，也反映了全球硅片产品供需两旺的趋势。
随后，中游晶圆制造端也在多种因素之下受限：
国际形势：同时，国际事件的持续恶化，也加剧了全球供应链运作的混乱和阻滞。
停电：2020 年 12 月 3 日，存储大厂美光位于中国台湾桃园的晶圆厂发生停电事件， 停电时间约 1 个小时，该厂占美光产出的 30%以上。
暴雪：受 2021 年 2 月美国境内暴雪引发的大规模停电影响，三星电子德克萨斯州 奥斯汀晶圆厂被迫关停。三星奥斯汀晶圆厂的逻辑芯片主要工艺技术为 14nm、 28nm、32nm 等，约占三星逻辑芯片总产能的 28%。此次，该工厂除承担三星电 子的处理器和 OLED 显示屏驱动芯片、SSD 主控芯片的生产以外，还负责代工高 通的 14nm 处理器和射频芯片，以及帮特斯拉代工部分车规级芯片。据 Trendforce， 预估三星整座厂房产能利用率须至三月底才会恢复至 90%以上，受自然灾害影响， 本轮芯片产能下降将致使今年第二季度全球智能手机产量减少约 2%。除三星电子 外，英飞凌、恩智浦、应用材料等也关闭了相关厂房。
地震：2021 年 2 月中旬日本福岛县近海发生里氏 7.3 级地震，全球车载芯片市场 份额排名第三的日本瑞萨电子，在与福岛县相邻的茨城县内的那珂工厂受地震影 响被迫停电。为了确认无尘车间内的生产设备和芯片产品是否完好无损，瑞萨电子 在地震后关停工厂的生产线。
干旱：2021 年初以来，中国台湾地区面临近年来较为严重的干旱，当地经济管理 部门于 2021 年 2 月要求新竹、苗栗及台中工业用水户节水 11%；嘉义及台南工 业用水户要求节水 7%。而晶圆制造过程中需要用到大量水资源，以台积电为例， 其日均用水量约为 15.6 万吨，受节水要求的中部科学园区、南部科学园区合计日 均用水近 10 万吨。水资源的紧张也使得中国台湾地区晶圆制造企业正常经营面临 一定压力。
火灾：2021 年 3 月 19 日，日本车用半导体巨头瑞萨电子的那珂工厂发生火灾， 导致该厂 N3 大楼的 12 寸产线停产。据瑞萨电子预计，停止 N3 大楼生产所产生 的财务影响约为每月 130 亿日元（此前预计为 170 亿日元；如果 N3 产能需要 1.5 个月才能恢复到 100%，预计财务影响约为 175 亿日元，如果需要 2 个月才能恢 复，财务影响预计约为 240 亿日元）。瑞萨电子统计总共 23 台设备受损，其中 11 台设备将在 4 月内采购，有些设备可能要到 6 月以后才能采购。在 N3 大楼内生产 的产品中，大约 2/3 可以在技术上替代内部生产或外包。如果 N3 大楼 1.5 个月的 生产能力是替代生产的，瑞萨预计大约 100%的产品将被外包，或 82%的产品可 以在替代内部工厂生产。火灾波及的终端芯片 66%为汽车用芯片，34%为基础设 施、IoT 芯片；若按芯片类型分，64%为 MCU，34%为 SoC，2%为 Analog。
半导体供应承压的表现先为交期逐步延长。2021 年 2 月，交货时 间（芯片订单下达到实际交货的时间）自 2017 年开始收集数据以来，平均首次延长至 接近 15 周，突破记录以来新高（上一轮交付延迟发生在 17~18 年中）。
面对需求旺盛+供给不确定性大，IC 设计企业开始加大备货力度，超额订单加剧了晶圆 制造产能的紧张。一方面，在下游智能手机、平板电脑、笔记本电脑、可穿戴设备、游 戏机、电视、新能源车等全方位需求爆发下，IC 设计企业有更大动力进行产品备货；另 一方面，由于天灾、国际事件频发，全球 IC 设计企业担忧供应链安全，纷纷加大备货 力度，甚至出现超额订单现象以提前准备产品防止供应链断裂，这进一步挤压了晶圆制 造端的产能，加剧了晶圆制造产能的紧张。同时，封装产能也持续满载，封装大厂日月 光 2020 年 Q4 产能超 80%，公司预计打线产能短缺持续整个 2021 年。
产能紧张、供应不畅，随后便是涨价潮逐步蔓延。自 2020 年下半年以来，多种芯片供 应持续紧缺，主要为各类 MCU、电源管理 IC、驱动 IC、功率半导体等以 8 寸晶圆+成 熟制程为主的产品；涨价原因多为晶圆、封测、上游原材料涨价，凸显全球半导体供应 系统目前面临的空前挑战。以中国台湾地区企业月度营收为例，主要销售手机 SoC 的 联发科，主要销售 MCU、PMIC、DDIC 等芯片的盛群、联咏、松翰等企业在 2020 年中 至今月度营收同比增速逐步上台阶，或为相关芯片量价齐升所致。
除 MCU、PMIC、DDIC 等相对成熟的产品外，存储器方面三星、美光等存储大厂产能 相继受到影响，同时下游对存储器的需求在智能终端、服务器等需求的带动下持续旺盛， 存储器也应声而涨。2021 年初 DRAM 价格持续上涨，以 DRAM:DDR3 4Gb 512Mx8 1600MHz 现货平均价为例，其相对 2020 年低位价格涨幅一度达 137.45%，随后虽有 小幅波动，整体涨势仍然较好；NAND Flash 在服务器建设旺季到来之时也开始逐步上 涨。据 TrendForce 预测，存储器 2021 年二季度或迎来全面上涨。
当部分利润较低的产品其利润开始无法覆盖涨价，乃至涨价也难以拿到芯片时，缺货开 始影响下游。一方面是缺芯与涨价，毛利相对较低的车载产品竞争力较弱，获取产能的 优势在不加价的情况下有一定不足；另一方面是同样精密的车企供应链管理系统难以快 速适应。在汽车产业中，以周密的制造计划为基础，按计划需要确定每次订货量的“just in time”制造方式已经渗透到各家公司。对于整车厂来说，如果确定要生产某款车型， 其半导体订单至少在 6 个月前就要敲定，方便芯片代工厂及时统筹客户需求，提前布局。此外，车载产品验证要求严格、认证周期长等特点也让车企难以快速切换供应商。目前， NXP（恩智浦）、高通、意法半导体、英飞凌的车用芯片都面临原材料紧缺现象，制造产 能吃紧，造成博世等上游供应商的集成模块 ESP（电子稳定程序系统）、ECU（电子控 制单元）等生产进度受限，最终传导至整个汽车产业链条。
半导体的供给不畅已经导致日系、德系汽车的产量，在今年 1-2 月份的增速出现了迟缓。斯巴鲁公司宣布，在 1-3 月份，将减少 4 万 8000 辆汽车的制造，占到全年制造计划的 5%。福特则预计今年芯片短缺对利润的影响可能高达 25 亿美元，通用汽车预计影响在 20 亿美元左右。而据 IHS 推测，今年第一季度的全球汽车制造量将减少 100 万辆。据 美国伯恩斯坦研究公司预计，2021 年全球范围内的汽车芯片短缺将造成多达 450 万辆 汽车产量的损失，相当于全球汽车年产量的近 5%。
缺芯仍在蔓延，下游企业加大备货力度或将进一步挤占芯片产能。车企以外，家电乃至 手机也开始受到产能紧缺的影响，各类 MCU、电源管理 IC、CIS、驱动 IC 不同程度地 影响了家电、手机、游戏机等产品的生产。2021 年 4 月，小米向消费者发布小米电视 及 Redmi 电视部分产品型号官方建议零售价调整说明，表示在显示面板、芯片等多种 电视核心零部件价格持续大幅波动下，相应产品价格将做出调整，并预期未来较长一段 时间内核心部件报价仍会持续走高。
多种外部因素之下，全球半导体供应链这一精密系统的稳定性岌岌可危，同时真实需求 叠加垒高安全库存以应对产能紧缺的需求之下，行业整体供需已逐步失衡，呈现“需求 旺盛→抢占产能+天灾削弱有效产能→产能紧张→超额订单→产能进一步挤压→原材料 涨价&缺芯&芯片涨价→进一步下超额订单以维持经营→产业链库存需求环环放大”的 态势。接下来我们将进一步分析，供给侧为何难以经受这种外部事件扰动，乃至造成了严重的 芯片荒。
产能新增缓慢：材料、工艺、效率与重资产投资的均衡
如前文所述，全球半导体供应链是一个高度精密的系统，精密往往意味着容错率低。对 于半导体产业链，产能的紧张是其容错率低的重要原因，也是本轮供需平衡在需求扩张 +外部冲击下快速失衡的主要症结。然而，半导体产业链的核心供给端在晶圆制造，而 晶圆制造是一个重研发、重资本投入、长周期的产业，产能的建设无论是计划还是实施 都需要大量的时间与资本，每一轮扩产都需要时间与市场的释放来消化。这也造成了本 次供给端应对需求扩大、外部事件频发时腾挪空间小的局面。下文将从先进制程与成熟 制程、12 寸与 8 寸两个角度分析晶圆制造缘何产能紧张。
大量资本投入+建设时间限制先进制程产能扩张。在摩尔定律的推动下，元器件集成度 的大幅提高要求集成电路线宽不断缩小，导致生产技术与制造工序愈为复杂，制造成本 呈指数级上升趋势，尤其在光刻环节，光刻机的精度决定了电路线宽的大小，因此光刻 机成为推动晶圆制造发展的关键，目前光刻机经历了五代发展已经到了 EUV 阶段，成 本持续提升。光刻环节以外，晶圆制造企业也可以采用多重模板工艺，重复多次薄膜沉 积和刻蚀工序以实现更小的线宽，但这将使得薄膜沉积和刻蚀次数显著增加，意味着集 成电路制造企业需要投入更多且更先进的光刻机、刻蚀设备和薄膜沉积设备等，造成巨 额的设备投入。随着技术节点的不断缩小，集成电路制造的设备投入呈 大幅上升的趋势。以 5nm 技术节点为例，其投资成本超 150 亿美元，是 14nm 工艺的 两倍以上，28nm 工艺的四倍左右。
资本的投入和生产的管理，不仅是晶圆制造企业生产经营的重要环节，更是晶圆制造行 业中保持领先地位的重要保证。随着制程持续演进，能参与竞争的厂商越来越少，目前 能提供 7nm 及以下先进制程的晶圆代工厂仅有台积电和三星，尤其今年受北美大客户 A14、国内大客户新 5G 芯片拉动，台积电 5nm 产能持续满载。
庞大的前置投入促使晶圆制造企业选择面积更大、单片晶圆芯片产出效率更高的 12 寸 片进行生产，而在成本、工艺最优解驱动下，成熟制程目前主要在 8 寸片上制作。由于 并非所有半导体器件都能够利用 12 寸晶圆所能提供的成本节约优势，部分产品仍处于 向 12 寸晶圆转移的适配过程中，而 6、8 寸晶圆厂可通过产能多年工艺经验积累和设备 折旧优势，以更优的成本方案制造多种类型非逻辑电路产品（例如专用存储器，显示驱 动器，微控制器，RF 和功率器件，以及基于 MEMS 的产品，例如加速度计，压力传感器等）来盈利。同时，诸如 CIS、Wifi、射频等未来物联网的主要芯片，以及新能源车中 大量配备的功率器件，使用成熟制程已经足够满足要求，未来先进制程+成熟制程或将 是主流方向。
晶圆尺寸升级持续，全球 6、8 寸晶圆厂数量收缩。随着行业将 IC 制造转移到更大的晶 圆厂中的更大晶圆上，IC 制造商的数量持续减少。据 IC Insights，截至 2020 年 12 月， 共有 63 家公司拥有和经营的一座 8 寸芯片厂。有 28 家公司拥有和运营 12 寸晶圆厂。此外，在这些制造商中，12 寸晶圆产能的分布是重中之重，五个最大的制造商控制着全 球 12 寸 IC 产能的约四分之三（74％）。
全球新增 8 寸产能、功率&化合物半导体产能缓慢，目前 8 寸产能在下游需求不断增加 的驱动下持续处于供不应求的状态。即便晶圆代工厂、IDM 想要扩大 8 寸产能，由于目 前全球半导体设备厂商的 8 寸设备出货量已逐步被 12 寸设备替代，这些厂商无法快速 扩大 8 寸产能，目前晶圆厂多数仅能利用现有工厂空间提升生产效率，或是改善瓶颈机 台、租赁二手设备等方式进行有限度的扩产。同时由于行业扩产意愿以及设备供给不足， 8 寸硅片产能有限，全球占比不到 3 成。受新能源汽车以及消费电子产品出货量快速增 长驱动，功率器件需求上升，导致 8 寸硅晶圆以及相关晶圆代工的价格上涨并或将进一 步传导至下游领域客户。
而在新冠肺炎疫情大流行之前，许多代工厂的 8 寸晶圆厂产能利用率就已经很高。因为 宅经济的发酵，使得个人电脑及消费性电子产品的销量大爆发，这让各种芯片有了突破 性的需求，这使得各 8 寸晶圆厂的产能持续呈现满载，以用来生产新的产品，这也就给 供应链带来了压力。
鸡蛋放在同一个篮子里——高度依赖台积电的影响
目前，前五大晶圆产能厂商每家企业月产能至少为 150 万片。2020 年，前五大厂商总 产能占全球晶圆产能的 54%，较上年上升一个百分点。相比之下，在 2009 年，排名前 10 位的晶圆产能占全球总产能的 54%，排名前 5 位的晶圆产能占 36%。
前五大晶圆产能中，仅三星与台积电有代工产能，其余主要系存储产能。三星的晶圆装机容量最大，每月有 310 万片 8 寸当量的晶圆，这相当于全球总产能的 14.7%。排名第二的是台积电，月产能约 270 万片，占全球总产能的 13.1%。美光排名 第三，月产能略多于 190 万片，占全球的 9.3%。排名第四的是 SK 海力士，月产能接 近 190 万片，占全球 9%，其中八成以上用于 DRAM 和 NAND 芯片。排名第五的是铠 侠，月产能 160 万片，占全球 7.7%，其中包括为西部数据提供的大量 NAND 芯片。截 至 2020 年 12 月，行业内 5 家最大的纯晶圆代工厂——台积电、联电、格芯、我国晶圆制造厂商 S 和力晶(包括 Nexchip)的总产能约为每月 510 万片，约占全球晶圆代工厂 总产能的 24%。
12 寸产能前 10 主要包括 DRAM 和 NAND 闪存供应商，例如三星，美光，SK Hynix 和 Kioxia/WD；全球最大的四家纯晶圆代工厂台积电，GlobalFoundries，联电和力晶（包 括 Nexchip）；以及业界最大的微处理器制造商英特尔。这些公司提供的 IC 类型受益于 使用最大尺寸的晶圆来最大程度地摊销每个芯片的制造成本。此外，他们有能力继续在 新的和改进的 12 寸晶圆厂产能上投入大量资金。8 寸尺寸类别的晶圆产主要用作模拟/ 混合信号 IC 和微控制器的纯晶圆代工厂和 IDM。截至 2020 年 12 月，在三个晶圆尺寸 类别中，只有台积电全部居于 TOP10。在 2020 年台积电拥有最大的 8 寸晶圆产能，在 12 寸晶圆产能中排名第二，仅次于三星。
经营多年掌握先进技术与庞大产能的台积电是全球半导体供应链中极为重要的一环。台积电 25%的业务来自苹果公司，同时台积电还为其他芯片制造商或无晶圆 厂芯片设计商生产芯片，如博通、高通、英伟达、AMD 或德州仪器。这些公司又为全球 各领域下游企业供货，覆盖消费电子产品、通信设备和汽车零部件公司等。
以车载芯片为例，从晶圆应用分布来看，去年车用占全球 8 寸晶圆需求比重约 33%，占 12 寸晶圆需求比重约 5%。台积电车用芯片主要来自 8 寸晶圆制造，包括 CMOS 图像 传感器测、电源管理芯片、微控制器（MCU）、射频元件、微机电（MEMS）、功率分离 式元件等，都是汽车和电动车不可或缺的零件。当前，全球主要 8 寸晶圆厂包括台积电、联电、世界先进，国内晶圆制造厂商 S、华虹半导体、华润微等，但 MCU、CMOS 图 像芯片等仍高度依赖台积电产能。
全球车用芯片大厂还包括恩智浦、英飞凌、瑞萨电子、意法半导体、德州仪器、博世等， 但瑞萨、恩智浦、英飞凌等主要厂商近年来都已经逐步把部分产品外包给台积电代工， 这使得当台积电产能告急时，这些车载芯片厂商产能也将受到一定影响。
三、“缺芯”全面蔓延，供给端成平衡修复关键
复盘 2020 年中至今的全球缺芯，我们认为，需求侧智能手机、平板电脑、笔记本电脑、 个人 PC、可穿戴设备等多种消费产品需求快速增加抢占大量产能，同时汽车也在电气 化、智能化的浪潮下持续升级，对芯片产能提出了更多的需求，进一步加大了芯片供给 侧的压力。
在供给侧，我们认为，由于生产过程漫长的半导体产业链在产业链转移中被划分到了全 球，完成一个完整的生产流程需要多个国家的企业合作，类似于精密的芯片生产过程， 芯片制造在宏观视角下是一个高度精密的全球系统。疫情、暴雪、地震、火灾乃至国际 事件的不确定性，都对全球半导体供应链这个高度精密耦合的系统带来了巨大挑战。当 供给侧的正常供应节奏被打乱，供需平衡在需求侧的快速扩容下面临巨大挑战。产业链 迫于产能的受限和疫情下生存经营的压力，开始下超额订单以提高安全库存乃至维持正 常出货，这以倍数放大的需求进一步破坏了制造端的正常运行节奏，供需平衡被打破， 缺芯、涨价从手机到汽车、家电持续蔓延。
因此，我们认为，多种外部因素之下，全球半导体供应链这一精密系统的稳定性已岌岌 可危，同时真实需求叠加垒高安全库存以应对产能紧缺的超额订单进一步挤占产能，行 业整体供需已逐步失衡，呈现“需求旺盛→抢占产能+天灾削弱有效产能→产能紧张→ 超额订单→产能进一步挤压→原材料涨价&缺芯&芯片涨价→进一步下超额订单以维持 经营→产业链库存环环放大”的循环，供需失衡或将持续至今年下半年至明年年初。而 目前半导体行业已在 5G、AIoT、新能源车等多种终端的带领下走入新一轮成长期，考 虑过去每一轮新终端引领的行业成长期，需求的释放在正常情况下难以中止，因此供需 恢复紧平衡的关键落在供给端上。
未来，从产业链进一步转移、未来核心市场地位、庞大工程师红利、国家与社会的大力 支持等角度展望，我国半导体产业有望在全球供给紧张这一关键机遇窗口中深度受益。
文琳编辑
免责声明：转载内容仅供读者参考，观点仅代表作者本人，不构成投资意见，也不代表本平台立场。若文章涉及版权问题，敬请原作者添加 wenlin-swl 微信联系删除。
为便于研究人员查找相关行业研究报告，特将2018年以来各期文章汇总。欢迎点击下面红色字体查阅！
文琳编辑
今日导读：点击下面链接可查阅
公众号 ：文琳行业研究
文琳行研报告，为各机构提供专业的信息、数据、研究和咨询服务。欢迎关注【文琳行业研究】
全国各地QFLP试点政策的比较与演变 高盛：如果通胀不是暂时的，那利率、税改怎么走？ 高善文最新演讲：为什么A股永远都是3000点？（附完整视频） 离开房地产后，他越来越敢讲话了 重磅！中国要求中信集团审查华融财务 降费，终于来了... 2021年税负率多少，会被税务局约谈，附最新各行业“预警税负率”！ 15家网红茶饮店被立案调查！长期喝或对肝脏造成伤害…
《文琳阅读》每晚经典，欢迎关注！
文琳编辑
今日导读：点击下面链接可查阅
公众号 ：文琳阅读
公众号 ：就业与创业