半导体行业研究周期视角下半导体设计及设备材料投资机遇

一、半导体行业周期性:三重周期的嵌套

在供需关系的波动下,半导体行业呈现出周期性成长的趋势。2010年以来的十 多年间,半导体行业整体上经历了三的周期波动,每一轮周期中,行业的供给 端、需求端或是二者的关系均有非常鲜明的表征。例如,2012-2015年,智能手机 市场高增长是半导体产业发展的主要驱动力;2016-2019年,存储器供不应求成为 市场的主要矛盾;而2020年至今,半导体产业经历的缺芯则成为过往市场的关键词。

通过分析每一轮周期背后的驱动因子,我们可以将半导体行业周期拆解为三重 基本周期的嵌套:产品周期、资本支出/产能周期、库存周期:(1)销售额为销量与ASP的乘积,而销量由产量及库存决定,由此可拆解出第 一重周期—存货周期;(2)产量由产能和库存决定,由此可以拆解出第二重基本周期—资本支出/产 能周期;(3)ASP由供给和需求决定,供给端的影响因素主要为产能、产量和库存,由 此可拆解出第三重基本周期—产品周期(代表需求)。

 

产品周期代表了需求端的变化,主要与产品的生命周期相关;资本支出/产能周 期代表了供给端的变化,主要与需求变化、竞争性投资、时滞等因素相关;库存周 期代表了供需关系的变化,主要与行业供需关系、短期的信息不对称、时滞以及 overbooking等因素相关。半导体行业的周期性变化与产品周期的变化直接相关,行业增长与下滑的背后, 是各类电子产品应用的兴衰更迭。从2010年以来的产品周期看,以智能手机为代表 的智能移动终端产品的涌现和升级,整体驱动了半导体行业的持续扩容。目前,智 能手机市场逐渐趋于饱和,新能源车、VR/AR等产品则有望成为推动半导体行业增 长的全新驱动力。

半导体行业的周期性变化与资本支出/产能周期密切相关,并且这种相关性在存 储器市场表现地较为显著:每一轮资本支出的低点之后,都尾随着行业毛利率(行 业景气指标之一)的高点。其背后的原因在于:行业资本支出的大幅收缩,导致产 能增长放缓,在需求稳步扩张的过程中,供需关系逐步趋紧,进而转向供不应求, 再到剪刀差逐渐扩大,在此阶段,产品价格上升,毛利率提升,行业景气上行。之 后,资本支出开始扩张,产能增长加速,供需关系逐渐趋于平衡,产品价格也趋于 稳定,毛利率增长放缓,行业景气维持。随着资本支出持续扩张,行业供需关系逐 渐反转,市场开始出现供过于求,产品价格下降,毛利率下滑,行业景气下行,并 再次驱动资本支出收缩,如此循环往复。

 

半导体行业的周期性变化与库存周期具备一定的相关性,其相关性在存储器以 外的半导体市场表现地较为显著。以数字芯片市场为例,由于其应用场景较为分散、 产品标准化程度较低,叠加其产品生命周期较短,故而其库存的变化对行业的供需 关系较为敏感。并且,基于同样的原因,不同于存储器市场主流的IDM模式,数字 芯片市场分化出具备集散效应的Foundry和多种多样的Fabless。市场供给端的变化, 除了资本支出/产能周期以外,产能利用率周期的表现也十分显著。

理想的库存周期变化过程:实际订单与预期订单存在差距,进而导致了库存周 期的变化。当实际订单大于预期订单,行业的库存周转天数下降,产能利用率提升,但资 本支出/产能维持,毛利率、营收增速提升,企业被动去库存。预期订单上修,行业的库存周转天数逐步向正常水平靠拢,产能利用率逐步趋 于高位,资本支出扩张,产能增长加速,毛利率、营收增速持续提升,企业主动补 库存。当预期订单超过实际订单,行业的库存周转天数上升,产能利用率开始松动并 下降,资本支出收缩,产能增长放缓,毛利率下滑,营收增速放缓,企业被动补库 存。预期订单下修,行业的库存周转天数回落,产能利用率下降,资本支出收缩, 产能增长放缓,毛利率下滑,营收增速放缓,企业主动去库存。直至实际订单再次 大于预期订单,如此循环往复。

从库存周期的变化来看,一般行业库存周转天数触底之后,行业景气度即将开 始上行,而库存周转天数上升到一定水平之后,需警惕行业景气度反转的风险。

二、复盘:2016-2019 年的半导体行业周期

2016年Q2-2019年Q2,半导体行业经历了一轮完整的周期。从产品周期来看, 2016年Q2-2017年Q2,4G手机、服务器、汽车等应用需求增长,驱动半导体市场 景气上行,全球半导体销售额增速逐月攀升;2017年Q2-2018年Q2,需求持续成长 后达到稳态,全球半导体销售额增速稳定在高位;2018年Q2-2019年Q2,手机、PC 等下游应用需求低迷,叠加全球贸易摩擦影响,全球半导体销售额增速显著回落。

 

从产能周期来看,伴随相关产品应用需求提升,2016年-2017年Q2,全球8寸晶 圆产能供不应求,产能利用率稳步提升;2017年Q2-2018年Q2,随着产能利用率持 续爬升,供需缺口收窄,代工厂产能利用率高位企稳;2018年Q2-2019年Q1,随着 产能持续释放和下游需求回落,供需关系反转,产能利用率松动后下滑。

从上游设备环节看产能周期,2016年Q2-2017年Q1,存储器市场大规模扩产, 此外晶圆代工产线产能利用率攀升,设备需求提升,推动半导体制造设备出货额快 速增长;2017年Q1-2018年Q2,晶圆产能稳步扩张,半导体制造设备出货额增速维 持稳定;2018年Q2-2019年Q2,晶圆产线扩产节奏调整,设备需求放缓,半导体制 造设备出货额增速回落。

从库存周期来看,2016年Q3-2017年Q1,下游产品需求提升持续消耗行业库存, 存储芯片库存周转天数维持低位;2017年Q1-2018年Q3,晶圆产能持续扩张,供给 增加,库存企稳,行业的库存周转天数逐步回升;2018年Q3-2019年Q2,下游产品需求放缓,存储器市场的扩产速度逐渐超过下游需求增速,存储厂商库存累积,行 业的库存周转天数上升。

简而言之,本轮半导体行业的周期主要包括三个阶段:(1)下游应用端:首先,下游应用需求提升,产品供不应求,以存储器为代表 的产品价格上升,行业库存周转天数下降;中游制造端:此后,晶圆产线加大 投片量,产能利用率提升;上游配套端:随着需求的持续增长,晶圆产线产能 利用率满载,并规划扩产,上游设备出货和订单增加。(2)中游制造端:产能利用率维持高位,产能持续扩张,推动供需趋于平衡;下游应用端:下游芯片厂库存企稳,行业库存周转天数回升,产品价格逐渐稳 定;上游配套端:设备持续交付,出货额增速保持稳定。(3)中游制造端:产能持续扩张,行业供需反转,产品逐渐供过于求,此后, 晶圆产线产能利用率开始松动并出现下滑;下游应用端:下游芯片厂库存累积, 行业库存周转天数上升,产品价格松动;上游配套端:晶圆产线扩张节奏放缓, 设备订单收缩,出货增速回落。

 

从细分市场的周期表现来看,一方面,晶圆制造市场由于其重资产的属性,与 行业周期波动的关联度较高。2018年Q3以来,伴随行业周期下行,以晶圆代工为代 表的晶圆制造市场的营收增速亦显著回落;以DRAM为代表的存储器市场在经历了 2016-2018年供不应求和产品涨价后,伴随供给端扩产快速推进,市场供需关系反 转,产品价格下滑,行业步入下行周期。

另一方面,2018年Q3以来,尽管行业开始周期下行,但国产半导体设备市场凭 借国产替代的推动,国内半导体设备板块营收同比增速整体维持在20%以上,增速 显著高于全球半导体市场平均水平;同时,得益于4G的渗透和5G商用的启动,射频 前端市场稳步增长,2016-2019年全球射频前端市场规模CARG=12%,基本未受到 半导体行业周期下行的影响。

三、推演:2019-2023 年的半导体行业周期

(一) 2019-2022 年半导体行业周期复盘

2019年Q3以来,行业经历了新一轮的周期变化,在当前时点,产品周期和产能 周期已经有较为明显的景气切换特征。

产品周期:2019年Q3-2020年Q1,5G智能终端的加速渗透和放量,为半导体 市场注入了全新的需求增量,推动全球半导体销售额增速逐步回升,行业景气度持 续回暖;2020年Q1-2020年Q3,新冠疫情短期扰动终端需求,全球半导体销售额增 速短暂放缓;2020年Q3-2021年Q3,疫情防控催生的“宅经济”带动PC、NB、平 板小家电等产品需求激增,同时,新能源发展趋势强化,新能源车加速渗透,光伏 等新能源发电的市场需求显著攀升,全球半导体销售额增速持续攀升,行业景气度 持续上行,并爆发了愈演愈烈的缺芯潮;2021年Q3-2022年Q1,半导体的终端应用 需求出现分化,消费电子产品需求开始放缓,智能手机、PC、平板电脑市场在经历 复苏和刺激后,转入存量状态,销量增速逐步下滑,而新能源应用的需求依旧高涨, 新能源车市场销量也维持了较高增速,整体而言,全球半导体销售额增速在高位企 稳;2022年Q1至今,半导体的终端应用需求进一步分化,消费电子产品需求弱化, 智能手机、PC、平板电脑等消费电子市场的销量增速进一步下滑,而新能源应用的 需求持续高涨,新能源车市场销量持续高增长,整体而言,全球半导体销售额增速 开始逐步回落,行业步入景气下行周期。

 

产能周期:此处主要从上游设备环节看产能周期的变化。2019年Q3-2020年Q2, 受5G等下游应用推动晶圆产线产能利用率提升,半导体设备需求逐步复苏,带动半 导体制造设备出货额增速逐步回升,行业景气度回暖;2020年Q2-2020年Q4,疫情 影响全球半导体供应链,设备出货节奏收到干扰,并且,晶圆厂扩产计划的波动扰 动半导体设备需求,半导体制造设备出货额增速亦随之波动;2020年Q4-2021年Q4, 半导体市场供不应求,行业缺芯驱动晶圆厂积极扩产,半导体设备需求持续上行, 半导体制造设备出货额增速持续攀升,行业景气度上行;2021年Q4至今,受到下游 需求分化、疫情扰动供应链的影响,半导体制造设备出货额增速在经历了短暂的高 位运行后开始逐步回落,行业步入景气下行周期。

库存周期:2019年Q3-2020年Q1,下游产品需求回暖并持续消化行业库存,库 存周转天数下行;2020年Q1-2020年Q2,新冠疫情扰动需求和供应链,库存周转天 数短暂提升;2020年Q2-2021年Q2,随着缺芯潮越演愈烈,行业库存快速回落,库 存周转天数持续低于正常水平;2021Q3-2021Q4,随着下游产品需求分化,以及晶 圆制造产能的扩张,行业库存企稳,库存周转天数开始恢复;2021年Q4至今,以消 费电子为代表的下游产品需求进一步弱化,行业库存持续累积,库存周转天数快速 上升,目前,行业内大多公司均已进行库存调整。

本轮半导体行业周期的整体表现为:中游制造端:产能持续扩张,以消费电子市场为代表的半导体市场的产能供需 矛盾逐渐缓解。下游应用端:需求分化,以消费电子市场为代表的半导体市场的行业库存开始 累积,行业库存周转天数上升,前期因供需矛盾尖锐而大幅涨价的半导体产品的价 格开始松动和下滑,以消费电子市场为代表的半导体市场开始主动去库存。上游配套端:从全球市场来看,半导体设备出货额增速出现回落。从国内市场 来看,得益于国产替代需求的增长,国内半导体设备厂商的订单和出货量的增速均 维持高增长。

(二) 2023 年半导体行业周期展望

在当前时点展望2023年:渗透+复苏,23年中半导体需求有望回升:从产品周期来看,一方面产业升级 带动新品渗透快速推进,服务器DDR5产品升级带动市场量价齐升,新能源(车、发 电、储能等)需求高增长推动应用市场扩容;另一方面,当前手机、PC等消费电子 应用的产品周期处于历史低位,2023年随着需求复苏有望触底回升。根据西部数据 业绩会的指引,随着市场企稳,公司预计2023财年的出货量有望逐渐回升;根据联 发科的法说会指引,电视应用市场从21年底就已开始库存修正,目前修正已接近周 期的尾部,终端应用市场已展现需求复苏的积极信号。

产能趋于宽松,设计板块成本压力有望缓解:从产能周期来看,一方面全球市 场半导体设备出货额增速出现回落,另一方面,部分晶圆代工厂的产能利用率已开 始松动,在当前需求分化和库存调整的趋势下,晶圆代工厂的产能裕量有望改善, 并有望减轻下游的芯片设计环节的成本压力,进而改善芯片设计环节的盈利能力和 业绩。

 

库存调整持续,行业库存逐步恢复健康水平:从库存周期来看,以台积电、联 电、世界先进、英特尔、思佳讯等为代表的半导体公司或其客户均开始库存调整, 随着半导体行业主动去库存的持续,行业库存水位有望恢复至健康水平,根据台积 电的法说会指引,预计行业库存将持续调整几个季度至23H1。

同时,在国内市场,上游的半导体设备、材料的自主可控需求迫切,当前国产 化率仍处于非线性提升区间,伴随着国产替代持续推进,上游半导体设备、材料有 望穿越供需周期。通过对半导体行业周期性的分析、复盘和推演,我们认为,2023年,顺周期的 下游设计板块在产品、产能和库存等维度均有望持续改善,渗透和复苏带来的成长 性凸显。上游半导体设备、材料受益于自主可控趋势和国产替代提速,仍具备显著 的穿越周期特性。

四、下游设计环节:关注渗透与复苏机遇

(一) 产品创新+国产替代,市场渗透率快速提升

1. 服务器DDR5:升级拐点将至

服务器 DDR5 内存接口量价齐升,PC 贡献增量市场。DDR5内存接口芯片的 市场规模=服务器端市场规模(服务器内存条数量×单个内存模组中接口芯片的价值 量)+新增的PC端市场规模(PC内存条数量×单个内存模组中接口芯片的价值量)。服务器市场,量增逻辑:根据 JEDEC 的定义,在 DDR5 世代,服务器内存模组 需要 新增搭配一颗串行检测芯片(SPD)、一颗电源管理芯片(PMIC)及两颗温 度传感器(TS)。价增逻辑:性能更优的世代与子代升级,寄存时钟驱动器(RCD) 和数据缓冲器(DB)的 ASP 提升。

DDR5新定义开辟PC端内存接口及配套芯片新增量市场。DDR5世代普通台式 机及笔记本电脑常用的内存模组UDIMM/SODIMM额外搭配一颗SPD及一颗PMIC。此外,根据JEDEC定义,DDR5渗透中后期UDIMM/SODIMM还将搭载一颗CKD芯 片用以提高时钟信号的信号完整性和可靠性。因此,DDR5新定义下,内存接口及配 套芯片的应用延伸至PC端,开辟了PC端新增量市场。

DDR5时代空间大幅增长,现有玩家继续瓜分市场,DDR5时代寡头竞争格局有 望进一步强化。基于上述对服务器市场和PC市场的量价分析,可以看到,整个DDR5 时代,市场空间大幅增长。而整个内存接口行业芯片由于多重认证和技术难度构建 起来了认证和技术壁垒,因此预计还是三大内存接口芯片厂商(澜起科技、瑞萨、 Rambus)共享市场。目前,在DDR5产品布局方面,澜起科技、瑞萨(IDT)均能 提供RCD+DB+SPD+TS+PMIC的全套解决方案。Rambus暂时可提供RCD+DB产品, SPD产品正在研发中,聚辰股份可提供SPD产品。

 

升级节奏方面,主流服务器CPU发布是DDR5渗透关键节点。内存接口芯片是 服务器CPU存取内存数据的必由通路,需要与CPU、各种内存颗粒和内存模组配套 发挥效用。CPU、内存和内存接口芯片需要相互配合形成计算生态,产业链相关厂 商组成的JEDEC协会通过制定标准推动产业的发展,DDR5是JEDEC定义的新一代 内存技术规格。2020年10月后,国际内存大厂相继发布DDR5内存模组(内存+内存 接口芯片)。因此,支持DDR5的CPU何时发布,成为开启DDR5产业升级周期的关 键。目前主流CPU发布节奏和渗透预期都相继明晰。PC方面,支持DDR5的CPU已 相继发布。服务器端,AMD已于2022年11月10日发布支持DDR5的EPYC服 务器 DDR5 Genoa CPU,同时Intel预计于2023年1月10日发布支持DDR5的 Sapphire Rapids CPU。同时,Intel也于2022Q3电话会上表示,接下来几个季度 Sapphire Rapids会加大放量。

就渗透节奏看,各家对渗透节奏进行积极指引。据内存接口芯片龙头厂商澜起 科技公开调研纪要,DDR5的渗透节奏可参考DDR4时代上量节奏:通常每一子代产 品在上量后的12个月末渗透率可达到20~30%左右,24个月末渗透率可达到50~70% 左右,36个月末基本上这个子代就完成了市场绝大部分的渗透。内存龙头厂商SK海 力士在2022Q3电话会上表示,DDR5渗透率预计在23年年底达30%。内存接口芯片 厂商Rambus的预计,自己产品结构里DDR5超过DDR4的时间节点发生在2024H1, 由于该市场格局和供应关系,因此我们认为Rambus对自身业务的占比指引,也能一 定程度上指引DDR5行业渗透率在2024H1渗透率可超50%。从短期能见度看,信骅月度营收和Rambus对22Q4指引均指引了服务器产业链 较好景气度。信骅科技是一家专注服务器领域高毛利利基市场的IC设计公司,主营 产品为服务器管理芯片,近年来市占率超过60%,其月度营收对指引服务器景气度 有一定意义。自2021年8月起,信骅单月营收YoY保持增速较高30%以上的增速,且 在22Q4半导体行业下行期保持了月度营收环比增长态势,指引了服务器产业链相对 较好景气度。服务器内存接口芯片厂商Rambus于22Q3季度实现Product Revenue (以内存接口IC为主)营收58.6百万美元,QoQ+9.94%,超出Q2指引。并继续指 引Q4 Product revenue业务实现营收63~69百万美元,QoQ7.5%~17.7%,环比呈现 强劲增长预期。体现了Rambus对内存接口芯片需求较好的预期。

 

澜起科技:优势卡位DDR5,公司迈入成长黄金期。澜起科技在内存接口领域深耕十余年,产品覆盖DDR2-DDR5世代的多款市场主流产品,通过不断进行技术迭代 与产品创新,积极拓展市场份额,站稳了内存接口芯片市场。2016年-2021年,公司 营业收入平均年复合增速为24.84%, 归母净利润年复合增速为54.96%。2022年前三 季度,公司营收为28.81亿元,同比增长80.88%,归母净利润为9.99亿元,同比增 长94.94%。公司互连类芯片产品线营收逐季提升,22Q3再创单季度历史新高,毛 利率环比略有下降1.8pct,主要系配套芯片占比提升。后续随着服务器端CPU上量 拉货RCD和DB等内存接口芯片,预计毛利率可回升并维持相对稳定状态。

公司竞争优势明显,深耕技术多年,且公司多名成员在JEDEC任职并参与行业 标准制定。公司多名成员在国际行业标准组织JEDEC中担任要职,并入选JEDEC董 事会。作为中国唯一一家入选JEDEC的芯片公司,公司深度参与标准制定,占据行业 高点,DDR5第一子代和第二子代的内存接口芯片的产品标准都由公司牵头制定。公 司发明的DDR4全缓冲“1+9”架构被JEDEC采纳,并在DDR5世代演化为“1+10”架构, 继续作为LRDIMM的国际标准。业内新产品如CKD芯片、MCRRCD/DB芯片等,公 司也参与了标准制定并已布局研发。聚辰股份是国内EEPROM龙头,抓住机遇与澜起合作开发SPD EEPROM。公 司在手机摄像头EEPROM领域优势明显,目前产品应用延展至服务器、PC和汽车等 高价值量市场。公司凭抓住DDR5时代升级机遇,通过与内存接口芯片龙头澜起科技 合作推出 SPD5 EEPROM、SPD5+TS EEPROM产品,形成先发优势与较高壁垒。DDR5 SPD EEPROM单颗价值量相较于公司原消费级出货的EEPROM均价大幅提 升,也给公司业绩带来较大弹性。

2. 功率器件:新能源需求爆发,本土公司持续突破

新能源行业需求接棒消费类产品,推动市场规模稳定增长。回顾本轮周期起点, 2020年初,受疫情影响,“宅经济”应运而生,手机、PC、平板等产品需求旺盛, 拉升功率器件市场规模。随着疫情逐渐好转,下游需求放缓,全球消费电子市场回 归存量状态,此时新能源行业进入高速增长阶段,接棒消费类产。