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解析半导体产业的发展变化情况

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2020年的全球半导体业表现出人意料的好,据WSTS统计,同比增长了7%,这种结果在去年年初是不可想象的。2020年3月,疫情在全球爆发,各大市场研究机构都看衰该行业的全年表现,普遍认为整体销售额会出现负增长,而最终7%的正增长结果,再一次体现出这一绝对高端、技术和资金高度密集型产业的与众不同。

水涨船高,产业逆势发展,企业对未来的信心自然就增强了,突出体现在研发投入上。据IC Insights统计,全球半导体芯片厂商(这里主要包括IDM、Fabless和Foundry这三种模式的厂商)的研发支出预计将在2020年增长5%,达到创纪录的684亿美元,预计2021年将增长4%,达到714亿美元。

IC Insights给出了研发支出排名前十的厂商,它们分别是:英特尔,三星,博通,高通,英伟达,台积电,联发科,美光,SK海力士,AMD。这十家厂商在2020年的研发支出总和增长了11%,达到435亿美元,占行业总研发支出的64%。

其中,研发支出同比变化突出的厂商包括英伟达(从2019年排名第一下降至2020年的第五),联发科(从2019年的排名第二降至第七),AMD(从2019年的第11升至第10)。可以看出,这三家的排名有升有降,加上排名前两位的英特尔和三星,这五家厂商的研发支出情况,在全球芯片厂商中具有很强的代表性,也体现了产业的发展变化情况。

世界五强

首先看龙头英特尔,该公司在2020年的研发支出约占该行业总支出的19%,达到129亿美元。然而,成本削减,淘汰某些产品类别,以及追求最高效率等举措使得英特尔2020年的研发支出同比减少了4%。该公司2019年的研发支出为134亿美元,2018年为135亿美元,可以看出,最近三年,该公司的研发支出处于小幅下降的态势,这也充分体现了其正处在业务调整和转型期的状态。

在更早期,比如2010年,英特尔研发支出比例为16%,之前的2005年为15%,2000年为16%,1995年仅为9%。

解析半导体产业的发展变化情况

 

从2012年开始,英特尔的研发支出就突破了百亿美元大关,那之后,该公司连续7年增长,一直到2018年小幅下降,到2019年,英特尔的研发支出占销售额的比例为18.57%,低于2015年22%的历史最高水平,也低于2018年的19.72%。

在过去五年里,英特尔一直处于较为艰难的时期,很重要的一点就是遭受到了AMD的严峻挑战。近几年,AMD每年的研发支出为20多亿美元,该公司将研发重点放在了PC处理器上,且市场推广也很给力,这一“单点突破”的策略明显奏效,市场份额大阔步前进,特别是在台式机领域,其CPU市场份额已经与英特尔分庭抗礼了。

反观英特尔,虽然每年的研发支出高达130美元左右,但其产品线过于庞大,包括消费和企业级的CPU,还有FPGA,低功耗芯片,NUC,WiFi适配器,汽车芯片,以及近几年新成立的Xe架构GPU业务部门。另外,该公司10nm产品线经过8年左右的研发,近期才实现大规模量产,这方面就消耗了大量的研发资金。去年,该公司又宣布7nm制程量产时间不得不推迟6个月。

近期,英特尔又宣布正在研发新一代处理器Alder Lake,其最大的特点就是采用了类似于Arm的大小核设计,从而提升能效比。然而,近些年,该公司的各种架构处理器“层出不穷”,如Lakefield,Xe GPU,还有Ice Lake和Tiger Lake等,这些都需要大量的研发投入,但其先进制程始终无法跟上先进处理器的设计步伐,而设计与制造都需要大量的资金投入,二者发展的不匹配,客观上必定会浪费掉一定比例的研发资金,而英特尔的研发投入基数达到130亿美元级别,全球同业最高,多年下来,费用消耗总额可观,这样下去,即使是财大气粗的英特尔也是吃不消的。因此,最近三年,该公司也在调整业务和产品发展节奏,越来越果断地砍掉了没有发展前途的部门和产品线,提高研发资金利用效率。

2014年,在Lisa Su接任CEO之后,AMD果断放弃了鸡肋般的推土机架构处理器,转到Zen,之后艰苦奋斗了三年,然后市场表现和业绩就与之前判若两人。不断蚕食英特尔的消费类CPU市场份额。实现这样的效果,AMD只用了相当于英特尔五分之一的研发支出,资金利用效率之高令人惊叹。

排名第二的三星在2020年的研发支出增加了19%,达到56亿美元。该存储巨头加快了前沿逻辑工艺(5nm及以下)的开发,以与台积电竞争先进制程工艺IC代工业务。该公司雄心勃勃,不仅要在晶圆代工领域进一步挑战台积电,还要在逻辑芯片领域与传统巨头较量一番,为此,该公司还制定了一个长达十年,投资千亿美元的发展计划。

再来看英伟达,该公司的研发同样比英特尔少很多。2019年的研发支出约为28亿美元,较2018年增长19%,营收则增长了21%,这主要得益于其GPU在企业级AI应用领域的快速发展。2020年研发投入比2019年有所下降,这在很大程度上是疫情影响造成的。

最后看联发科,2019年,该公司推出了一系列5G新品,如采用7nm制程工艺的天玑1000 系列和天玑800系列,导致2019年研发支出增长11%,当然,在新品的助力下,该公司的营收也增长了3%。本周,该公司还新推出了天玑1200系列产品。

2020可以说是联发科的丰收年,不仅营收突破百亿美元大关,其手机处理器市场份额大涨,特别是在中国市场,超越高通,排在了龙头位置。

联发科认为,尽管扩大研发风险高,却是产业转型及进入全球第一梯队的必要条件。2019年,该公司营收约80亿美元,研发费用超过20亿美元,在全球芯片厂商排名第五名,研发费用占营收比重高达26%,与英伟达相当,高于竞争对手高通。

由于半导体业的技术与产品迭代速度极快,产品一旦进入成熟期,毛利就会快速下滑。先进技术的投资金额与风险极大,但是,为了维持领先全球竞争力,只能持续投资先进技术。

联发科重点研发的新技术,如5G、企业级ASIC等,在2020年都有不错的表现,尤其是5G,不仅在5G 时代最初期就进入市场,更推出各区间价格带产品抢攻市场。另外,联发科企业级ASIC也有斩获,已与谷歌、亚马逊、微软等国际一线客户接洽,抢进服务器领域,2020年已开始实现营收,耕耘多年的产品线终于迎来了收割期。2020年底,联发科还收购了英特尔的电源管理芯片业务,布局高端市场,可与企业级ASIC呼应,提供一站式服务。

中国崛起

最近几年,随着政策和各路资金进场,中国大陆地区的半导体研发投入也是水涨船高,特别是在IC设计领域,虽然与全球排名前列的厂商相比,还有很大差距,但与自身纵向比较,还是有明显进步的。

据中国半导体行业协会统计,2020年我国IC设计业销售约为3819.4亿元人民币,比2019年的3084.9亿元增长23.8%,增速比上年的19.7%提升了4.1个百分点。按照美元与人民币1:6.8的兑换率,全年销售约为561.7亿美元,预计在全球集成电路产品销售收入中的占比将接近13%。

随着收入的增长,研发支出的增加,研发水平和成果持续提升,例如,以前在芯片领域的奥林匹克国际学术会议ISSCC上很少看到中国人的论文,但在近几年出现了积极的变化。在2021年的ISSCC会议上,中国大陆、香港、澳门的录用论文超越了日本和中国台湾,其中,中国大陆的论文数量达到21篇,比2020年增长40%。虽然与全球排名第一的美国相比,在论文总数、产业界投稿比例和实际录用比例等方面仍存在比较大的差距,但与过去相比有了重大进步。从2016年起,论文收录数量年均增长114%,第一作者单位数量年均增长78%,涵盖技术领域从5个增加到10个,受邀的技术评委专家也从4位到10位,充分展现了我国在IC设计领域研发投入取得的显著成果。

未来展望

自1990年代以来,半导体行业在研发投入力度方面一直领先于所有其它主要工业领域,每年在研发上的支出平均约占总销售额的15%。然而,在过去的三年中,半导体行业的研发销售额占总销售额的比例在2017年下滑至13.5%,在2018年下滑至13.0%,这主要是由于内存IC的收入增长非常快。该行业的研发/销售比例在2019年反弹至14.6%,当时内存IC收入下降了33%,整个半导体市场下降了12%。

但是,随着市场的复苏,特别是在2020年疫情影响下,产业依然取得了可喜的增长,这就为未来几年的发展定下了基调。另外,在新技术、新应用的推动下,例如EUV光刻、3nm制程工艺,以及3D芯片堆叠技术等高精尖技术的推进,对相应半导体企业的研发投入提出了更高的要求。这些将会扭转过去这么多年全球芯片企业总体研发投入增长率下降的态势,有望于近两年实现发弹,具体如下图所示。

本周,IC Insights给出的预测数据显示,2021年至2025年,全球半导体芯片厂商的总研发支出将以5.8%的复合年增长率(CAGR)增长。
      责任编辑:tzh

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