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中国半导体行业状况简析:IDM模式&垂直分工模式

作者:水木年华 来源:转载 日期:2015-12-02 15:58:11 人气:1269 评论:0 标签:

(注:目前在美国上市的中国半导体行业公司已经不少,包括展讯通信、锐迪科、美新半导体等,本文是对中国半导体行业的一篇知识普及性文章,内容主要源自兴业证券的一份行业研究报告)

 

通俗的讲半导体就是导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。半导体技术是国际竞争的焦点和衡量一个国家或地区现代化程度以及综合国力的重要标志,半导体产业处于整个电子产业链的核心位置,一大批上市公司参与半导体产业价值链的形成。

 

那么这些企业分布在半导体产业链的那个位置,各自扮演怎样角色以及各自的核心竞争力?以下报告将从半导体产业在电子行业位置、半导体产业的两种商业模式、两种商业模式的之间的竞争与合作、两种商业模式的进入壁垒及风险与收益关系、各子行业的核心驱动因素等方面,对其做一解读,以增进投资者了解。

 

一、半导体产业在电子行业位置

 

半导体产业是电子元器件行业重要分支,按照产品功能的不同,电子元器件可以分为被动元器件、集成电路(IC)、分立器件、印刷电路板(PCB)、显示器件(TFT-LCD、PDP)、其他元器件等子行业,集成电路(IC)是半导体技术的核心。


二、半导体产业存在两种商业模式

 

全球半导体产业有两种商业模式,一种是IDM(Integrated Device Manufacture,集成器件制造)模式,另一种是垂直分工模式。1987 年台湾积体电路公司(TSMC)成立以前,只有IDM 一种模式,此后,半导体产业的专业化分工成为一种趋势。出现垂直分工模式的根本原因是半导体制造业的规模经济性。现今IDM 厂商仍然占据主要地位,主要是因为IDM 企业具有资源的内部整合优势、技术优势以及较高的利润率。

 

出现垂直分工模式的主要原因有两个:

 

首先,半导体制造业具有规模经济性特征,适合大规模生产。随着制造工艺的进步和晶圆尺寸的增大,单位面积上能够容纳的IC 数量剧增,成品率显着提高。企业扩大生产规模会降低单位产品的成本,提高企业竞争力。

 

其次半导体产业所需的投资十分巨大,沉没成本高。一般而言,一条8 英寸生产线需要8 亿美元投资,一条12 英寸生产线需要12~15 亿美元的投资,而且每年的运行保养、设备更新与新技术开发等成本占总投资的20%。这意味着除了少数实力强大的IDM厂商有能力扩张外,其他的厂商根本无力扩张。

 

正是在这样的背景下,台湾半导体教父张忠谋离开 TI(德州仪器),在台湾创立了TSMC,标志着半导体产业垂直分工模式的形成。TSMC 只做晶圆代工(Foundry),不做设计。Foundry 的出现降低了IC 设计业的进入门槛,众多的中小型IC 设计厂商纷纷成立,绝大部分是无生产线的IC 设计公司(Fabless)。Fabless 与Foundry 的快速发展,促成垂直分工模式的繁荣。

 

1.IDM(Integrated Device Manufacture,集成器件制造) 商业模式分析

 

目前,全球主要的商业模式还是IDM。美国、日本和欧洲半导体产业主要采用这一模式,典型的IDM 厂商有Intel、三星、TI(德州仪器)、东芝、ST(意法半导体)等。IDM 厂商的经营范围涵盖了IC 设计、IC 制造、封装测试等各环节,甚至延伸至下游电子终端。


IDM 模式之所以领先,主要原因在于具备如下优势:

 

首先,IDM 企业具有资源的内部整合优势。在IDM 企业内部,从IC 设计到完成IC制造所需的时间较短,主要的原因是不需要进行硅验证(SiliconProven),不存在工艺流程对接问题,所以新产品从开发到面市的时间较短。而在垂直分工模式中,由于Fabless 在开发新产品时,难以及时与Foundry 的工艺流程对接,造成一个芯片从设计公司到代工企业的流片(晶圆光刻的工艺过程)完成往往需要6-9 个月,延缓了产品的上市时间。

 

其次,IDM 企业的利润率比较高。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。根据花旗银行2006 年的市场调查,在美国上市的IDM企业平均毛利率是44%,净利率是9.3%,远远高于Foundry 的15%和0.3%以及封装测试企业的22.6%和1.9%。

 

最后,IDM 企业具有技术优势。大多数IDM 都有自己的IP(Intellectual Property,知识产权)开发部门,经过长期的研发与积累,企业技术储备比较充足,技术开发能力很强,具有技术领先优势。

 

但一个成功的IDM 企业所需的投入非常大。一方面,IDM 企业有自己的制造工厂,需要大量的建设成本。另一方面,由于IC 制程研发成本越来越高,IC 设计成本大幅增加。IC Insights 数据显示,R&D 费用占销售收入比重不断增加。总体上,IDM 的资本支出与Foundry 相当,却远高于Fabless;IDM 的研发投入占销售收入比重比Fabless 低,却要远高于Foundry。所以,一个成功的IDM 所需投入最大。

 

IDM 的另一大局限就是对市场的反应不够迅速。由于IDM 企业的“质量”较大,所以“惯性”也大,因此对市场的反应速度会比较慢。总的来看,由于具备资源内部整合、高利润率以及技术领先等优势,IDM 厂商仍然处于市场的主导地位,但IDM 厂商所需的投入最大,对市场的反应也不够迅速,所以要成为一个成功的IDM 厂商并不容易。

 

2.垂直分工商业模式分析

 

垂直分工商业模式源于产业的专业化分工,随着分工的逐渐深入,形成了专业的IP(知识产权)核、无生产线的IC 设计(Fabless)、晶圆代工(Foundry)以及封装测试(Package & Testing)厂商。垂直分工模式中,直接面对客户需求的只有Fabless 厂商。Fabless 为市场需求服务,IP 核、Foundry 以及封测企业为Fabless 服务。

 



 

IP(知识产权)供应商处于最上游,是一个快速发展的子行业。目前IC 设计已经步入SoC(系统级芯片)时代,一款SoC 设计的芯片内可能包含CPU、DSP、Memory、各类I/O 接口等多个内部单元,这些内部单元在设计时都是以IP 的形式集成在一起。由于大多数Fabless 没有足够的精力和时间单独开发IP,必须借助于IP 供应商的IP来加快产品设计和缩短面市时间,所以最近几年IP 供应商成长很快。

 

目前国际 IP 市场的通用商业模式是基本授权费(License Fee)和版税(Royalty)的结合。设计公司首先通过支付一笔不菲的IP 技术授权费来获得在设计中集成该IP并在芯片设计完成后销售含有该IP 的芯片的权利,而一旦芯片设计完成并销售后,设计公司还需根据芯片销售平均价格(ASP)按一定比例(通常在1%~3%之间)支付版税。通常IP 厂商用收取的授权费来支付IP开发成本、运作成本和人员成本,而收取的版税就是公司的赢利。


由于设计成本变得日益高昂,很多中小型设计公司面临的风险越来越大。IP 厂商进行了商业模式的变革,将由一些设计用仿真模型组成的设计套件部分(DesignKit)授权给设计公司,将GDSII部分(硬核)授权给Foundry厂商,以减轻设计公司的授权成本。有些IP 厂商免费提供部分设计套件,设计公司前期不用花一分钱就可以完成前端设计仿真甚至后端布局布线工作,直到设计接近完成时再考虑是否需要取得商业授权来完成设计并量产,以降低设计公司的风险。

 

对 IP 厂商而言,其IP 核必须通过设计公司SoC 验证平台的测试以及Foundry 的硅验证(Silicon Proven),否则就无法进入市场。


虽然IP 供应商的成长很快,但市场上成功的IP 供应商并不多,只有少数公司的销售收入超过1000 万美元,而且IP 市场的规模也较小。

 

主要原因有三个:

 

第一,真正拥有出色或独特IP 的小型IP 厂商往往被收购,不是被想利用其IP 促进系统销售(或者为了防止该技术落入竞争对手手中)的系统厂商收购,就是被希望扩大规模的IP 公司收购,如MIPS 收购Chipidea、ARM收购Artisan;

 

第二,IP 供应商的营业收入仅占IP 所产生的真实价值的一小部分,相当大的一部分IP 收入流向了拥有内部IP 部门的半导体公司,他们才是真正掌握核心技术的巨头,如Intel、Qualcomm(高通)、TI(德州仪器)等;

 

第三,大部分专业IP 厂商只能掌握中低端的IP,多数IP 因为数量巨大而很难卖出高价。IC 设计公司(Fabless)除了进行IC 设计还要负责IC 产品的销售。Fabless 没有自己的加工厂和封测厂,IC 产品的生产只能依靠专门的代工厂(Foundry)和封装测试厂商。另外,某些Fabless 具有强大的研发实力,拥有顶尖的IP 核产品,IP 授权费和版税成为其重要的收入来源,如Qualcomm。Foundry 只专注于 IC 制造环节,不涉足设计和封测,不推出自己的产品,只为Fabless 和 IDM (委外订单)提供代工服务,并收取一定比例的代工费。封装测试企业只专注于封测环节,为Fabless 或者IDM 提供封测服务,并收取一定比例的加工费。

 

3.垂直分工商业模式内部的合作与竞争

 

IP 供应商与Foundry 的关系日益紧密。IP 供应商与Foundry 之间形成了一种合作共赢的关系,双方的合作能够提升各自的竞争力,未来的合作会更紧密,联系会更密切。

 

 

 

Foundry 与Fabless 除了合作还会相互制衡。如果Fabless 想要自建生产线来生产自己的芯片,那会遭到Foundry 的抵制。而如果Foundry 自己去做IC 设计,那么Fabless 就会心存疑惑——究竟自己的模型设计(Pattern Design)会不会被Foundry盗取使用,使得Foundry 的吸引力降低,在产业低潮的时候就会被Fabless 抛弃。

 

总之,在垂直分工模式内部,IP 供应商、Fabless 与Foundry 之间虽然存在一些竞争,但以合作为主,未来的关系会更加密切。


三、两种商业模式之间的竞争与合作

 

Fabless 与IDM 之间的竞争激烈。Fabless与IDM 厂商都要直接面对客户,处于同一个竞争层面,二者之间存在激烈的竞争。相对而言,IDM 的品牌优势更为明显,有些IDM拥有强大的电子终端品牌,如三星、松下、索尼等,众多Fabless 厂商只能通过捕捉市场热点并迅速推出产品制胜,也有少数技术实力强大的Fabless 可以立足研发,推出自己的差异化产品,成为细分子行业的龙头。

 

Foundry 与IDM 之间的合作会更紧密。由于IC制造前期投入资金量较大,固定成本较高,如果一条生产线建立后不能进行大量生产则无法收回成本。2002 年以后,由于加工工艺和设备的成本直线上升,许多IDM 厂商无法通过投资生产线实现收益,而Foundry 可以通过为多家客户代工同类型产品而获益,在这种情况下,许多IDM厂商将制造环节外包给Foundry厂商。两者的合作不但可以分担研发先进工艺所需的费用及所面临的风险,而且一旦一个新工艺投入量产,IDM 和Foundry 都能从中获益。随着技术进一步发展,建设IC 制造生产线的固定成本将更高,IDM 厂商将有更多的业务外包给Foundry,双方的共同研发也会越来越深入,二者之间的合作将更加密切。

 

四、两种商业模式的进入壁垒及风险与收益关系

 

半导体行业主要的进入壁垒包括资金壁垒与技术壁垒。显然,IDM 的资金壁垒最高,Foundry 次之,封测再次之,Fabless 的资金壁垒较低,IP 核的资金壁垒最低。但IP核的技术要求最高,Fabless与IDM 次之,Foundry 再次之,封测的技术壁垒最低。从面临的市场风险角度看,Fabless与IDM 都拥有自己的产品,直接面对客户需求,因此所面临的市场风险较大,Foundry与封测企业只负责代工或者加工,不直接面对终端用户,所以面临的市场风险较小。相对应的,Fabless 与IDM 的收益率较高,Foundry 与封测企业的收益率较低。


四、各子行业的核心驱动因素分析

 

1.IP 产业的根本驱动因素是技术创新能力

 

IP 核代表着半导体产业最尖端的技术,这些技术往往被少数企业掌握,形成技术垄断。全球三大IP 核供应商ARM、MIPS 和Synopsys 占据一半以上的市场份额(仅指第三方IP 市场,不包括IDM、Fabless 以及Foundry 自有的IP)。而且,某个细分产品市场上往往只能容纳一两家中大型IP 供应商,如物理库IP 市场就只有ARM,其他IP 供应商想挤进这个市场很难,除非掌握了更高级的技术,开发出全新的IP。所以,技术创新能力强的IP供应商成功的可能性更大。

 

2.Fabless 的核心驱动因素是市场把握能力

 

与IDM 相比,Fabless 的技术储备与品牌影响力较弱,企业规模与资金更是远远不及(除了极少数最大的Fabless),但是Fabless 的优势是“快”,能够迅速对市场做出反应。所以,对Fabless 而言,其核心驱动因素就在于对市场的把握能力。能够准确掌握市场需求,并快速实现产品上市的企业最有可能成功。亚洲最大的Fabless--台湾联发科的成长经历就证明了这一点。

 

1997 年联发科成立,当时市场尚处在CD-ROM时代,主流产品是速度为4 倍速和8倍速的机型。联发科抓住时机推出20 倍速机型,横扫整个CD-ROM市场,确立了自己的市场地位。进入21 世纪,DVD 市场增长有放缓迹象,而手机市场高速增长。联发科在2003 年底成立手机业务部门,并在2004 年推出自己的手机芯片。而当时市场上主流的芯片公司是高通(Qualcomm)、德州仪器(TI)、飞思卡尔(Freescale)和英飞凌(Infineon),联发科的产品没有优势,于是联发科推出了被业内称为“TurnKey”的全面解决方案,应用联发科方案的手机厂商只需要购买屏幕、摄像头、外壳、键盘等简单部件就可以出品手机。

 

2006 年,采用联发科芯片的手机已经占中国内地销售手机总量的40%。之后,联发科又进军液晶电视芯片市场,在2008 年前两个季度的统计中,联发科的液晶电视芯片的市场份额已经做到了全球第一。可见,准确把握市场需求并迅速开发出适合市场需求的产品是Fabless 的生存之道。Fabless 对技术开发能力的要求也比较高。要缩短产品的面市时间(time-to-market),Fabless 必须有完善的SoC 验证平台并具备较强的IP 融合能力,这就对Fabless 的技术开发与整合能力提出较高的要求,所以,模型设计(PatternDesign)与技术整合能力对Fabless而言也是十分重要的因素。

 

3.Foundry 的核心驱动因素是低成本

 

Foundry 根据IC 设计厂商或者IDM 的订单生产硅晶圆,只专注IC 制造环节,不管设计、封测以及产品销售,所以单位成本是IC 制造业的核心驱动因素。IC 制造业具有规模经济性,容易出现规模垄断。全球第一大代工厂台湾积体电路公司优势明显。

 

对 Foundry 而言,降低单位成本的主要路径有:

 

首先是通过增加生产线、扩大产能。由于IC 制造业具有规模经济性,产能的扩大能够降低单位成本。在IC 制造业有一个潜规则,“只要舍得投资就可能成功”。如韩国在150mm(6 寸)晶圆厂过渡到200mm(8 寸)晶圆厂的世代交替中,集中投资建设8 寸生产线,以9 座8 寸晶圆厂的产能优势,一举取代日本,成为全球DRAM 产业第一。

 

其次是通过提升制造工艺水平。半导体产业的工艺水平每隔一段时间就要进行升级换代,晶圆尺寸方面,直径从150mm(6 寸)到200mm(8 寸),再到如今的300mm(12 寸),制造线宽方面,从0.13um 到90 纳米、65 纳米,再到如今的45 纳米。工艺水平的提高能够降低晶圆的单位成本,如12 寸硅单晶的面积是8 寸硅单晶的2.25 倍,只要制造设备的价格提升幅度低于2.25 倍,理论上讲就可以降低单位成本。Foundry 必须跟上主流的工艺水平,否则辛苦得来的市场份额就可能被竞争对手抢占。所以,Foundry 每年都要投入大量资金提升工艺水平无论是扩大产能还是提升工艺水平,都需要庞大的投资,动辄数十亿美元,所以 IC制造是一个资本密集型行业,需要持续不断的资金投入。

 

除了扩大产能与提升工艺水平,Foundry 还可以通过降低人工成本、提升生产自动化水平、提高管理水平等方式降低单位成本。从降低人工成本角度讲,全球的Foundry有向低收入国家迁移的动力。

 

4.封装测试业的核心驱动因素也是低成本

 

与IC 制造相比,封装测试业的投资少、建设周期短、技术相对简单,所以封装测试行业的进入门槛较低。与制造业一样,成本是封装测试业的首要驱动因素,成本较低的企业能够获得较多的订单,成功的可能性更高。

 

与制造业有所区别的是,封装测试业的资金要求不高,扩产相对容易,所以人工成本的重要性上升,通过降低人工成本来降低单位产品成本成为封装测试厂商的首选。所以,全球的封装测试企业都向劳动力成本低的国家迁移。

 

另一个降低成本的途径是区域集中,即封装测试企业向IC 制造产能相对密集的地区迁移。IC 制造是封装测试的上游,封测业的发展依赖于制造业,与制造厂商相邻,能降低运输成本。台湾是全球Foundry 产能最为集中的地区,所以台湾的封装测试业也十分发达。2007 年全球三大封装测试企业中有两家就是台湾企业,即日月光和硅品,占据全球外包封测市场25%左右的份额。

 

提升封装技术、改进封装形式也能降低成本。目前主流的IC 封装技术包括芯片级封装(CSP)、倒装芯片封装、系统级封装(SiP)和3D 组装技术,主流的封装形式包括BGA(球栅阵列结构)、CSP、MCM(多芯片组件)、MEMS 等。那些技术实力较强,率先采用先进封装技术与封装形式的企业能够获得低成本优势。

 

 注:本文摘自兴业证券2008 年12 月29 日的一份行业研究报告

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