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2020年中國半導體行業現狀及趨勢:半導體芯片、功率半導體、化合物半導體及存儲器國產化[圖]

2020年03月17日 14:05:42字號:T|T

    半導體芯片是科技創新的硬件基礎,站在 5G+AI 這新一輪全球科技創新周期的起點,半導體芯片將是科技創新發展確定的方向之一,全球的半導體指數表現優異。

    一、半導體芯片現狀

    2019 年 12 月份全球半導體銷售額為 361.0 億美金,同比下滑 5.5%,同比增速大幅改善。分地區來看,中國的銷售額恢復較快,2019 年 12 月份銷售額同比已經實現 0.8%的正增長,亞太(除中國、日本外)、歐洲、日本和美洲均有所下降,分別降低了 7.5%、7.8%、8.4%和 10.5%,較前幾個月的同比數據來看正處于改善過程中。

全球半導體銷售額(億美元;%)

數據來源:公開資料整理

全球分地區半導體銷售額(十億美元)

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国产三级农村妇女在线    半導體設備與材料則從上游源頭反射行業景氣度的變化趨勢。北美半導體設備制造商月度出貨數據自 2018 年 11 月起同比增速為負,2019 年 10 月份出貨同比增速首度轉正為 3.9%,2020 年 1 月份出貨額同比增長 23.6%;日本半導體設備制造商月度出貨數據自 2019 年 2 月開始雙位數下滑,2020 年 1 月同比增速達到 3.1%,行業先行指標快速恢復增長預示行業未來景氣度高。

北美半導體設備制造商月度出貨額(百萬美元)

国产三级农村妇女在线數據來源:公開資料整理

日本半導體設備制造商月度出貨額(十億日元)

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    當前臺積電最先進的工藝為 7nm 制程,主要用于生產手機處理器、基帶芯片、高性能運算等對性能及功耗要求均非常高的產品,客戶主要包括華為、蘋果、高通、AMD 和MTK。由于蘋果 iPhone 11 系列銷售情況優于預期,A13 應用處理器委由臺積電以 7 納米制程量產,而蘋果早就預訂了臺積電大部分 7 納米產能,目前仍然維持計劃投片,導致華為海思、賽靈思(Xilinx)、超微(AMD)、聯發科等大廠都拿不到足夠的 7 納米產能,目前交期已經超過 100 天,2019Q4 的營收占比達到 35%,預期 2020Q1 高端制程的產能仍然緊張。

    5G 手機芯片、人工智能(AI)、高效能運算(HPC)處理器、網絡處理器、IOT 芯片等在內的需求強勁,將拉動半導體行業快速復蘇。

2016-2021年全球人工智能芯片規模及預測)

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国产三级农村妇女在线2014-2020全球 IOT 半導體市場規模及增速

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国产三级农村妇女在线    2019 年全球半導體營收超過 4100 億美元,其中中國地區銷售額占比為 35%,是占比最高的國家和地區。根據海關數據,2019 年中國集成電路進口額為 3050 億美元。

国产三级农村妇女在线2019 年中國地區半導體銷售額占全球 35%

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国产三级农村妇女在线    中國半導體市場龐大,自給率嚴重不足,國產化持續推進。

    二、功率半導體

国产三级农村妇女在线    功率器件是分立器件的重要組成部分,典型的功率半導體處理功能包括變頻、變壓、變流、功率放大和功率管理等。功率半導體幾乎用于所有的電子制造業,包括計算機、網絡通信、消費電子、汽車電子、工業控制等一系列電子領域。

    由于功率半導體在 電源或者電能轉換模塊中必不可少 ,所以稱之為電子產品的必需品 。在小功率(幾 W 至幾千 W)領域,從計算機、電視機、洗衣機、冰箱、空調等電器的電源中均有使用;在中等功率范圍(10000W 到幾兆瓦),功率器件向機車、工業驅動、冶煉爐等設備中的電機提供電能;在吉瓦的大功率范圍內,高壓直流輸電系統中需要超高電壓功率半導體器件。

国产三级农村妇女在线    IGBT 是 Insulated Gate Bipolar Transistor 的縮寫,即 絕緣柵雙極型晶體管。它是由 BJT和 MOSFET 組成的復合功率半導體器件,既有 MOSFET 的開關速度高、輸入阻抗高、控制功率小、驅動電路簡單、開關損耗小的優點,又有 BJT 導通電壓低、通態電流大、損耗小的優點,在高壓、大電流、高速等方面是其他功率器件不能比擬的,因而是電力電子領域較為理想的開關器件,是未來應用發展的主要方向。

IGBT 產品示意圖

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国产三级农村妇女在线    IGBT 芯片經歷了 6 代升級,從平面穿通型(PT)到溝槽型電場—截止型(FS-Trench),芯片面積、工藝線寬、通態飽和壓降、關斷時間、功率損耗等各項指標經歷了不斷的優化,斷態電壓也從 600V 提高到 6500V 以上。

IGBT 芯片發展的主要技術節點

以技術特點命名
工藝線寬
(微米)
通態飽和壓降
(伏)
關斷時間
(微秒)
功率損耗
(相對值)
斷態電壓
(伏)
出現時
平面穿通型(PT)
5
3
0.5
100
600
1988
改進的平ww )
5
2.8
0.3
74
600
1990
溝槽型(Trench)
3
2
0.25
51
1200
1992
非穿通型(NPT)
1
1.5
0.25
39
3300
1997
電場截止型(FS)
0.5
1.3
0.19
33
4500
2001
溝槽型電場-截止型(FS-
Trench)
0.5
1
0.15
29
6500
2003

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    IGBT 是新能源汽車和高鐵等軌道交通車輛動力系統“核心中的核心”,為業界公認發展最為迅速的新型功率器件品種。新能源汽車及其配套設施快速增長將為 IGBT 等高端功率半導體市場規模的加速擴張提供有力的保障。預計,電動汽車用 IGBT 市場到 2022 年將占整個 IGBT 市場的 40%左右。目前國內外 IGBT 市場仍主要由外國企業占據,雖然我國 IGBT 市場需求增長迅速,但由于國內相關人才缺乏,工藝基礎薄弱,國內企業產業化起步較晚。

国产三级农村妇女在线    預計 2022 年全球 IGBT 市場將超過 55 億美元,主要增長來自電動汽車 IGBT 功率模塊;預計 2018 年國內 IGBT 市場達到 153 億元。

2016-2022 年全球 IGBT 市場規模及預測

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    智研咨詢發布的《2020-2026年中國半導體行業市場供需規模及發展趨勢分析報告国产三级农村妇女在线》數據顯示:從市場格局來看,由于國內 IGBT 產業鏈基礎薄弱,目前只有少數企業能夠參與競爭,國內百億的 IGBT 市場主要被外資品牌所占據。從國內 IGBT 的供需情況來看,2018 年國內 IGBT 產量僅占需求的約 14%,即 86%左右的需求依賴對外資品牌的采購。

國內 IGBT 產品的供需趨勢(萬只)

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    隨著國內相關企業在 IGBT 領域的持續突破,IGBT 國產化比率逐年提高,從 2014 年的 9%提升至 2018 年的 15%,雖然由于技術差距較大導致整體國產化比率仍然偏低,但是未來國產化趨勢比較明確。一方面,IGBT 屬于工業核心零部件并且具備關鍵技術,在“自主可控”的大背景下,預計有望得到國家層面的持續重點支持,目前國網、中車等集團也在不斷投入研發;另一方面,國內企業具備成本、服務優勢,若未來技術差距縮小,存在一定的替代可行性。未來隨著國產化的不斷提升,國內自主品牌所面臨的 IGBT 行業需求將保持持續較快增長。

国产三级农村妇女在线    三、化合物半導體

国产三级农村妇女在线    碳化硅(SiC )和氮化鎵(GaN )等第三代半導體因禁帶寬度和擊穿電壓高,未來在功率半導體領域有很大的應用潛力,這一領域可以說是傳統硅基功率半導體的全方位升級。

国产三级农村妇女在线三代主要半導體材料物理性質對比

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    目前第三代半導體功率器件發展方向主要有 SiC 和 GaN 兩大方向,SiC 擁有更高的熱導率和更成熟的技術,而 GaN 高電子遷移率和飽和電子速率、成本更低的優點,兩者的不同優勢決定了應用范圍上的差異,GaN 的市場應用偏向高頻小電力領域,集中在600V 以下;而 SiC 適用于 1200V 以上的高溫大電力領域。

国产三级农村妇女在线    碳化硅器件比硅器件具備更高的電流密度,在功率等級相同的條件下,采用碳化硅器件可將電體積縮小化,滿足功率密度更高、設計更緊湊的需求。

国产三级农村妇女在线    未來 5-10 年在汽車中使用 SiC 功率器件將推動行業的快速發展,SiC 在汽車中的應用包括主逆變器、車載充電器及 DC/DC 轉換器等。據 Yole 統計,截至 2018 年,有超過20家汽車廠商已經準備好將在車載充電器中應用SiC 肖特基二極管或者SiC MOSFET。SiC 的出現符合未來能源效率提升的趨勢,也是產業鏈努力的結果,未來市場空間必將越來越大。

SiC 應用領域及其市場空間(百萬美元)

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国产三级农村妇女在线    四、GaN 功率器

    GaN 功率器件的定位為小體積、成本敏感、功率要求低的電源領域,如輕量化的消費電子電源適配器、無人機用超輕電源、無線充電設備等。

    對于充電器,一個很重要的功能是將 220V 的市電變為設備可接受的電壓,220V 交流電整流后先經過開關管(一個速度很快的開關)然后才到變壓器,由于開關管的高頻開啟和關閉,所以輸入電壓是高頻變動的。如果提高開關的頻率,則意味著每次電磁變化轉換的能量一樣的情況下可以使單位時間內能量轉換的次數增加,所以導致轉換功率增加。反過來說就是總功率一定時,頻率越高,變壓器的體積可以更小。 氮化鎵充電器小的關鍵原因是繼續提高了開關頻率,對比傳統硅開關,GaN 的開關速度可高 100 倍。

国产三级农村妇女在线    GaN 固有的較低柵極和輸出電容支持以兆赫茲級的開關頻率運行,同時降低柵極和開關損耗,從而提高效率。不同于硅,GaN 不需要體二極管,因而消除了反向恢復損耗,并進一步提高了效率、減少了開關節點振鈴和 EMI。 開關損耗會隨著開關管大小的增大而增加,導通損耗會隨著開關管大小(體積 V)的增大而減小,兩者曲線的交叉點就是傳統 MOSFET 的功率損耗,在功率損耗一致的情況下 GaN 開關的體積要比傳統 MOSFET 要小。

GaN 變壓器的體積和重量顯著小于傳統硅基器件

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    GaN 充電器相比傳統快充充電器,其最大的優勢便是在同等功率的情況下重量、體積、價格上均有優勢,對于消費電子充電器品類有著較強的滲透能力,未來 100-200 元區間的 GaN 充電器將進一步對現有傳統充電器乃至傳統快充充電器進行替代,全面利好產業鏈。

国产三级农村妇女在线部分傳統快充充電頭在重量、價格、體積上對比 GaN 充電頭均有不足

類型
廠商
產品
功率
重量
發售價
發售時間
體積(不含針腳)
非氮化鎵
Anker
PowerPortPD+2
33W
107g
158元
2019.1
63x62X29mm
PowerPortPD多口
60W
213g
50美元
-
103x78X28mm
RAVPower
PDPioneer多口
60W
158g
36美元
-
89X58X25mm
氮化鎵
Anker
PowerPortAtomPD1
30W
58g
30美元
2019.3
35X38x41mm
PowerPortAtomPD2
60W
142g
55美元
2019.4
68X69x28mm
RAVPower
PDPioneer61W
61W
104g
60美元
2019.5
50x50x30mm
倍思
GaN快充
65W
120g
199元
2019.8
75x36x32mm
ROxANNE
GaN雙口充電器
66W
118.5g
238元
2019.1
70x35x35mm
小米
GaN單口充電器
65W
-
149元
2020.2
30.8X30.8x56.3mm

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    五、存儲器

    存儲器構筑了智能大時代的數據基石。隨著 5G 技術的逐漸落地,人工智能應用的場景化多點開花,工業智造+家居智能+社會智理的全面智聯時代即將拉開帷幕,這其中支撐智能時代的不僅是人工智能的大腦——算法&高效能運算芯片,感知器官——傳感器,血管筋絡——傳輸網絡,還有一切智能產生的根基與開端——數據&存儲器。存儲器是計算機系統中用來存儲程序和各種數據的記憶設,計算機中的全部信息,包括輸入的原始數據、計算機程序、中間運行結果和最終運行結果都保存在存儲器中。

国产三级农村妇女在线    存儲器主要有 SRAM、DRAM 和 FLASH MEMORY。SRAM 的一個存儲單元需要較多的晶體管,價格昂貴,容量不大,多用于制造 CPU 內部的 Cache;DRAM即我們通常所說的內存大小,用于我們通常的數據存取;FLASH MEMORY 壽命長、體積小、功耗低、抗振性強,并具有在線非易失性(在斷電情況下仍能保持所存儲的數據信息)等優點,為嵌入式系統中典型的存儲設備,多用于數碼相機、手機、平板電腦、MP3 等。FLASH MEMORY 又分為 NOR FLASH 和 NAND FLASH,NOR FLASH 的傳輸效率高,容量小,程序可以在芯片內部執行,價格較昂貴,因此適合頻繁隨機讀寫的場合;NAND FLASH 生產過程簡單,容量大,價格較低,因此主要用來存儲資料。

存儲器芯片價格情況(美元)

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国产三级农村妇女在线NAND FLASH 2020 增長在即(億美元;%)

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国产三级农村妇女在线DRAM 全球市場保持增長(億美元;%)

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NOR FLASH 2020 增速恢復(億美元;%)

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国产三级农村妇女在线    存儲器競爭以海外龍頭為主,三星、東芝、西部數據、SK 海力士、鎂光等擁有先發優勢的行業龍頭掌握了絕大多數的存儲器市場。未來,隨著半導體產業鏈的逐步轉移,我國如合肥長鑫、長江存儲等存儲器企業的技術及產能的不斷推進,疊加國內智能手機、物聯網、車載系統等需求釋放在即,未來存儲器國產化機遇十分充足。

存儲器進口替代空間巨大(億美元;%)

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国产三级农村妇女在线國產化空間較大(臺;%)

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