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九方金融研究所:新一轮半导体大周期和中国的机遇

2023-08-24 18:04:12  阅读:291791

尤众元¹

著名的摩尔定律对集成电路技术的经验数据进行了总结,提出集成电路上晶体管数量每18个月或24个月翻一番,揭示了半导体技术呈指数级快速增长的大趋势。与科技创新以指数级方式成长不同,在商业上,半导体是一个典型的周期性行业,繁荣和萧条交替出现,每4-5年经历一轮完整的周期。根据美国半导体产业协会提供的全球半导体销售额数据,1978年以来,全球半导体已经经历了7轮完整的大周期,目前处于第8轮大周期下行周期的尾声,新一轮上行周期随时可能开启。

本轮半导体周期对于中国有特殊意义,如果中国的半导体产业把握住机遇,中国大陆将承接新一轮的半导体迁移。历史上,日韩台正是在产业变迁中抓住需求的变动,依靠产业政策或财阀实现跨越式升级。当前,时代给予了中国大陆一次绝佳的机会,产业可能再次升级,新需求出现,中国大陆半导体行业如何把握本次机遇,成为关注的焦点。

我们认为半导体行业新一轮周期已经开启,供需两端都存在积极因素推动行业复苏,中国与世界半导体行业周期高度同步,即将进入复苏期。本轮半导体复苏周期对于中国半导体行业意义特殊,中国大陆可能成为半导体产业第三次转移的核心地区。AI革命产生的新需求和政府强力领导是中国半导体行业崛起的重要优势,考虑到中国半导体行业占GDP比重明显低于成熟经济体,前景极为广阔。中国在半导体产业链中上游部分关键环节缺失,设备和材料是未来中国半导体行业发展的主要方向。

半导体行业大周期下行接近尾声,2023年下半年是新一轮上行周期的开始。2022年全球半导体市场需求下滑,全球半导体销售额同比增速逐月下降,影响半导体销售的主要原因是下游的智能手机、个人电脑出货量明显下滑,半导体整体表现出供过于求的现象。进入三季度后,半导体行业销售进入负增长区间,是2020年后的首次下滑。4-5年的半导体周期内,1-3年处于上行通道,3-6个季度处于下行通道,本轮半导体周期的波峰出现在2022年2季度,如果下行周期长度没有超出历史极值,2023年3-4季度将是半导体新一轮上行周期的开始。数据显示半导体销售额同比增速明显企稳回升,半导体销售额同比增速于2023年4月见底,6月增速为-17.3%,高于4月值-21.6%。如果使用更加灵敏的环比增速指标,半导体销售额环比增速于6月已经实现连续四个月环比正增长。

图1 半导体周期

数据来源:Wind、九方金融研究所。

供给和需求端都存在积极因素,支持半导体行业进入复苏周期。半导体库存近期维持高位,5月18日韩国News1通讯社报道,三星电子、SK海力士和东部高科截至2023年第1季度末,半导体库存总额已接近50万亿韩元(约2615亿元人民币),创下有统计以来最高库存金额历史纪录。尽管半导体的库存难题仍然存在,但是前景乐观。台积电董事长刘德音6月6日在股东会时提到,俄乌战争及中国大陆疫情解封后需求不如预期,半导体产业库存修正期比预期长。但是台积电客户库存逐渐降低,已看见市场终端需求回升,准备好迎接明年下一波很好的成长。需求端,AI革命带来了新增需求。2023年1季度以来,人工智能行业发生革命性创新,市场对AI芯片的需求不断增长。半导体行业巨头英伟达在2023财年第一季度财季的财报中,当季营收和下季展望都大超预期,并且业绩的主要增长来源于高性能计算芯片,显示市场对于AI算力的强劲需求。同为半导体行业重要企业的AMD的第一季度财报显示,数据中心和嵌入式业务为AMD贡献了超过50%的营业额。根据Precedence Research的数据,2022年全球AI芯片市场规模为168.6亿美元,预计到2032年将达到约2274.8亿美元,期间的复合年增长率可达29.72%。

2016年以来,中国与全球半导体周期基本同步,中国半导体也将进入上行周期中国大陆是全球半导体产品最大消费地区,2015年至今销售额占全球的比例维持在30%附近。数据显示,中国和全球半导体销售额同比增速非常接近,除了中国半导体行业销售份额占比高的原因以外,半导体产业链呈全球化分工,中国大陆承接低附加值的封装测试也是原因之一。半导体产业链包括设计、制造、封测三大核心环节,设计、设备等研发密集型环节,主要由美国、欧洲等区域主导,材料和晶圆制造等资本开支密集型环节,主要由日本、中国台湾、德国等经济体主导,封装测试等资本开支和劳动力密集型环节,主要由中国大陆主导。因此,当全球半导体需求上行,海外上游环节加速,中国的半导体周期同步上行。

图2 中国半导体周期和全球半导体周期高度同步

数据来源:Wind、九方金融研究所。

新一轮半导体复苏周期对于中国半导体行业意义重大,行业复苏的背景下,中国大陆可能成为半导体产业第三次转移的核心地区。

从历史进程看,全球范围完成两次明显的半导体产业转移。半导体行业发端于美国,80年代起,半导体产业由美国迁移到日本,90年代末到新世纪初,由日本迁移向韩国和中国台湾地区。半导体行业存在专业化分工深化、细分领域高度集中的特点,历史上两次成功的产业转移都伴随着产业发展方向改变和资源的重新配置,技术的变动,让后来者有切入机会,继而革新整个行业。

半导体行业新需求的诞生和国家主导下的逆周期投资将助力中国半导体产业做大做强,半导体产业第三次转移趋向中国。

日本半导体产业崛起受益于行业的新需求。复盘历史,20世纪七八十年代,日本抓住半导体产业转移大潮的机会,产业规模一度领先全球。日本半导体行业的成功源自于产业新需求的诞生。计算机普及带动存储技术迅速发展,大型机对基础存储技术的需求日益增长,在日本政府有意的规划下,日本半导体头部企业共同设立国家性科研机构超大规模集成电路技术研究所(VLSI技术研究所),逐步在科技进度方面追平美国公司,并于1985年在256K DRAM研发进度方面赶超美国,日立与富士通率先量产上市。1993年,全球前十的半导体公司中,日本独占六家。

韩国半导体产业崛起受益于头部财阀主导、中小企业为辅的行业策略。韩国政府也曾决定成立类似日本 VLSI 的国家研究所,但是韩国政府领导能力不强,只能起到基金调配作用,研发任务是企业内部完成。三星、海力士和LG三大财阀相互独立、竞争研究,韩国 DRAM 技术大大提升。在科技难题被财阀攻克后,韩国中小企业对半导体的热情高涨,纷纷涌入赛道。在财阀的领导下,韩国半导体企业乘90年代日本经济泡沫之机,以重金吸引日本半导体人才,同时加大半导体行业固定资产投资,甚至在以次贷危机为代表的行业下行阶段也持续加大投资力度,最终,通过人才和材料设备的优势,韩国成功承接了原来日本的DRAM业务。

中国大陆半导体产业的当前现状与台湾较为接近,中下游的代工和封测占比较高,原因是2010 年以来,中国大陆承接了部分来自于中国台湾的半导体产业。中国台湾早期给在台建厂的美日厂商做基础低端加工起步,积累所需知识与技术。80年代末,中国台湾将利润低、投资大的芯片制造、封测产业转移进入岛内。通过全球代工模式,中国台湾可以迅速获得专利授权并打开市场,错开与美日韩同行的直接竞争,但是,中国台湾半导体至今仍然存在技术落后的问题。如果中国大陆半导体产业延续当前的行业格局,最后的结局也会与中国台湾类似。

受益于AI产生的新需求和强有力的政府领导,中国大陆半导体行业将迎来更加广阔的发展空间和机遇。半导体行业正面临AI革命时代开启,与90年代互联网兴起的背景相似,新需求的诞生将重塑行业格局。根据西部证券推算,AI 算力需求主要来自于训练和推理两端。短期视角看服务器空间,预计训练端为主,需要 9.6 亿美元。远期视角看服务器空间,预计推理段为主,基于GPT-3当前的访问需求和算力数据,推测未来全球50亿活跃用户的情景,市场空间达到1360 亿美元。AI服务器与普通服务器存在异质性,新的需求给了中国企业以弯道超车的机会,浪潮信息的AI服务器在全球市场占有率以达20.9%,保持全球市场第一。AI服务器核心在于高性能芯片,GPU占据AI芯片大类市场,芯片仍然是中国企业当前的短板,英伟达生产的GPU高端产品各项技术指标表现领先,是全球GPU算力芯片龙头,与之相比,国内自研GPU的领军企业主要是壁仞科技、景嘉微等,国内企业已经在设计、制程、封装和测试等各个环节取得了显著进步,部分产品性能已经接近国际先进水平。2022年8月,壁仞科技正式发布首款通用GPU芯片BR100,创下全球算力纪录,16位浮点算力达到1000T以上、8位定点算力达到2000T以上,单芯片峰值算力达到PFLOPS级别。对比英伟达在售的旗舰GPU峰值算力在Int8、BF16、TF32/TF32+、FP32数据格式下最少有3.3倍的峰值性能优势,在FP32数据格式下性能优势更是达到了13.1倍。强有力的政府领导也是中国半导体行业的优势所在,我国开展类似对待“两弹一星”的策略,政府引导行业的整体规划,推出税收减免、资金调配、技术与人才引进等政策。并且推出国家集成电路产业基金 (简称“大基金”),两期规模都超过了2000亿元人民币,韩国半导体在财团支持下,通过逆周期投资占领市场份额,大基金或承担“财团”的角色。在2022年开始的半导体衰退期内,中国半导体行业投资逆周期上行,新一轮周期将是中国半导体行业的收获期。

中国半导体行业在总量经济中占比低于海外成熟经济体,增速在未来仍将明显高于海外。2016-2022年,中国半导体行业销售额增速的平均值达12.68%,远高于世界平均值7.83%。时至今日,中国半导体行业增加值在经济总量中的占比仍然明显低于以美国为代表的发达经济体,中国半导体行业增速明显高于世界增速的现象在未来仍将持续。我们用美国经济分析局的“信息通信技术生产行业”代表美国半导体行业,用中国国家统计局的“信息传输、软件和信息技术服务业”代表中国半导体行业。美国和中国半导体行业的增加值在2021年分别占各自国家GDP比重约为7.6%和3.9%,美国半导体行业增加值在GDP中占比接近中国2倍。复盘历史,中美半导体产业占GDP比重均呈现上升趋势。1987年美国信息科技产业占GDP比重约为3.4%,在互联网泡沫之前出现过迅速上升时期,占比从1996年的3.9%提升至2000年的6.2%。2010年量化宽松时代开启后,占比开始缓慢提升,从2010年的6.2%升至2021年的7.6%。当前的中国半导体行业增加值在GDP中占比与美国互联网泡沫之前类似,考虑到2020年后中国半导体行业投资迅速上升,半导体行业增加值占GDP比重在2025年之前可能出现快速上升。根据2023年上半年数据,中国半导体行业增加值占GDP比重已经达到4.7%,较2022年年底的4.0%出现明显上升。未来,中国半导体行业的各项重要指标将维持高于世界平均值的增速,半导体产值占本国GDP的比重可能逐步向美国靠拢。

图3 中美半导体产值占本国GDP的比重

数据来源:Wind、九方金融研究所。

半导体国产替代加速,设备和材料是重点突破方向。中下游的代工和封测在中国大陆半导体产业中占比较高,产业链中上游部分关键环节缺失,设备和材料是未来半导体行业发展的主要方向。其中,中国大陆半导体行业在设备方向已经取得长足进步,国际半导体产业协会在其2020年全球半导体设备市场统计报告中指出全球半导体设备销售额达712亿美元,同比增长19%,创历史新高,中国大陆首次成为全球最大的半导体设备市场,销售额达187.2亿美元,同比大增39%。2020-2021年,国内晶圆厂投建、半导体行业加大投入,中国大陆半导体设备市场规模迅速增长,根据国盛证券推测,2021年占比28.9%,2022年占比26.3%,市占率保持全球第一。与之相比,我国半导体材料国产化进程相对较晚,半导体材料国产化率在2022年仅约15%,产业起步较晚,在品类丰富度和竞争力处于劣势。但基于长期的视角,半导体材料产业必将走上独立自主创新之路。中国大陆设备市场在2013年之前占全球比重低于10%,2014-2017提升至10-20%,2017年至2020年份额逐年上行,4年时间市场份额明显上升。半导体材料类似2014-2017年的半导体设备,未来5-10年内存在份额快速上升的可能。

综上,我们认为半导体产业第三次转移趋向中国,中国半导体行业迎来历史性机遇。尽管中国半导体产业仍然面临着来自美国的巨大压力,前两次半导体产业迁移背后都绕不开美国的动作。第一次半导体产业转移是由于美国希望通过技术赚钱,更专注于技术壁垒更高的处理器,将存储产业向日本转移。第二次半导体产业转移是由于美国忌惮日本半导体成为巨头,开始对日本半导体进行打压,韩国把握美日贸易摩擦的契机,取代日本成为存储半导体领先者。中国台湾只是承接低附加值的代工和封测环节,得到了美国的默许。如今中国直面美国的打压,逆势而上,强有力的政府领导作用是关键,政府统筹规划产业发展方向、技术路线,统一目标与认知。考虑到半导体产业涉及支线众多,甚至中国这样的超级大国也无法做到全精通,技术与利润始终处于产业链低端,未来中国需要根据产业现状明确发展方向,可以先提升上游材料设备来减少海外依赖。展望本轮半导体行业复苏期,中国将实现半导体产业转移奇迹,摆脱美国控制,完成行业升级。

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 ¹尤众元系九方金融研究所宏观研究员,北卡罗莱纳州立大学经济学博士。