2022年半导体行业市场规模及发展趋势分析 全球半导体强需求的结构性缺货

一、全球半导体强需求的结构性缺货

1.数据驱动芯片需求

根据应用材料提供的资料，机器所产生的数据量在 2018 年首次超越人类 所创造的数据量，从 2019 年，每年几乎以倍数的幅度来增加，从 2020 年 到 2025 年，全球数据增量将达到 157 Zetabytes (1 Yotabyte=1000 Zetabytes; 1 Zetabyte=1000 Exabytes; 1 Exabyte=1000 Petabytes; 1 Petabyte=1000 Terabytes; 1 Terabyte=1000 Gigabytes)，5 年有 89% 复 合增长率。以这样的速度增长，我们很快在 2028 年就会看到超过 1 Yotabyte 的数据增量。这么庞大的数据增量，不可能用人工来处理分析， 必须运用各种具备高速运算的人工智能芯片来过滤，处理分析，训练及推 理，这将持续带动 7nm 以下高速运算 HBM 存储器，3D NAND, CPU, AI GPU, FPGA, 网络芯片晶圆代工的需求，及顺势带动成熟制程的配套芯片 如电源管理芯片，PCIE Gen 4/5 retimer 等的需求。

2.电动／自驾驱动车用芯片的结构性缺货

2021 年全球车厂最大的噩梦就是缺芯减产，在全球疫情趋缓后，因消费者 为怕染病减少搭乘搭地铁，公交，出租车，但转而采买新车及二手车，全 球市场因此从 2020 年三季度开始大幅复苏，新能源电动车及 L2 以上 ADAS 燃油车的增量又远超传统油车，再加上 NXP 及英飞凌因美国德州奥 斯丁 8“厂因 2021 年初暴风雪大停电而停产，日本 Renesas 厂因 2021 年 3 月火灾而停产，而电动车及 L2 以上 ADAS 及自驾系统渗透率的提升，更 造成车用 MCU（每增加一台自驾感测器，雷达，激光雷达，毫米波雷达就 需要一个 MCU），电源管理芯片，电力功率等芯片缺口越来越扩大，因为 结构性缺货，多家产业机构如 Boston Consulting Group，IHS Markit， TrendForce 的研究预测，1Q22 全球车用 MCU, 模拟，电力功率芯片的交 期仍超过 40 周或三个季度，估计 2021 年全球有将近 1000 万辆车的需求 因缺芯停产而无法满足，这相当于贡献 2022 年超过 10 个点的增长。

我们保守测算全球车厂营收在 2022／2023 年仍有 9％／10%的增长，但 全球车用半导体市场在 2022/2023 年却有 24%／20% 的同比增长。这对 2022 年全球半导体增长有 2-3 个点的贡献。每车芯片价值在 2022/2023 年 有近 10-15%的增长，而每车半导体价值因电动车 (估计 2035 年有 70%渗 透率) 及 ADAS/自驾车（估计 2035 年有超过 30%渗透率）的渗透率增加 而提升，因先进制程芯片成本增加而提升，因芯片数量增加而提升（主要 指模拟芯片），我们认为未来 15 年，全球车用半导体增长将明显高于车厂 营收增长平均达 10-15 个点，全球车用半导体市场于 2020-2035 年复合成 长率可能超过 20%（1-3% CAGR 来自于全球车市出货量的成长，9-11% CAGR 来自于每车车用芯片数目增长，8-10% CAGR 来自于芯片平均单价 提升）。我们认为未来 15 年重点关注的强应用公司包括英伟达 Orin 的出租 车自驾芯片系统, Tesla 的乘用车 FSD/D1 自驾芯片系统，高通，地平线， 黑芝麻的自驾芯片，Lumentum 的激光雷达光源，Wolfspeed, Rohm 及 STMicroelectronics 的 6”/8“碳化硅解决方案。

人驾到自驾，重点在成本及视觉／AI 芯片技术：很多产业专家说未来的自 驾车就像装了四个轮子的智能手机，以自驾技术的难度及半导体配臵而言， 我们不同意这说法，我们认为自驾车像是装了四个轮子的智能 AI 服务器 （如果透过远端控制软件来协作，自驾车队更像装了四个轮子的智能集群 系统），Gartner 在 2019 年四季度预测在 2023 年，全球有近 74.6 万自驾车，而目前使用激光雷达来作为视觉功能的 SAE L4-L5 的自驾车成本要超 过 10 万美元，昂贵的激光雷达感测元件价格 5 万美元以上，所以很难普及 到自用车，像是特斯拉不使用激光雷达，但透过 3 颗前臵摄像头（60， 150，250 公尺视觉距离），1 颗后臵摄像头（50 公尺视觉距离），4 颗前后 侧边摄像头（80-100 公尺视觉距离），12 颗环绕车身的超音波感测器（感 测距离 8 公尺），及一颗前臵雷达（160 公尺视觉距离）推出的 L3 等级 FSD 自驾驶解决方案，整体额外自驾功能成本应该不超过 2 万美元。我们 估计于 2035 年全球超过 30%的汽车销量将具备 L3-L5 的自动驾驶功能， 未来 15 年的复合增长率达到 30-35%。

我们认为汽油引擎车转马达电动车，接着是由人驾转 SAE 3-5 级自驾车的 占比提升，加上电动车及自驾车的技术演进（耗能降低，电池密度提升， 电源转换系统重量降低，摄像头，感测器，雷达，激光雷达数量提升，及 人工智能芯片运算能力提升但要求耗能持续降低），这些技术演进将逐步拉 升每台电动车及自驾车的半导体价值，这两大驱动力对全球车用半导体公 司及产业未来二十年将产生重大影响, 我们先前估计全球车用半导体市场于 2020-2035 年复合成长率应有机会超过 20%（主要系增加 AI GPU, FPGA, ASIC，激光雷达, 以太网络, MCU，模拟芯片，IGBT，碳化硅，电源管理 芯片的价值及数量）, 远超过全球半导体市场在同时间的复合成长率的 7- 9%, 约占全球半导体市场的份额将在 2035 年达到 30% (从 2021’s 不到 10 个点), 每车半导体价值从 2020 年的 268 美元，暴增 10 倍到 2035 年的 2,758 美元。

电动车 SiC 碳化硅方案带来五大优势：目前电动车（不包括 48V MHEV） 系统架构中涉及到功率器件的组件包括：电机驱动系统中的牵引逆变器 （Traction Inverter, DC－AC，直流转交流电）、车载充电系统（OBC， On-board charger）、800V 高功率电源转换系统（车载 DC-DC 转换器）和 非车载充电桩。电动汽车采用碳化硅解决方案可以带来五大优势：1.可以 提高开关频率降低能耗。采用全碳化硅方案逆变器开关损耗下降 80%，整 车能耗降低 5%-10%；2.可以缩小动力系统整体模块尺寸，以丰田开发的 碳化硅 PCU 为例，其体积仅为传统硅 PCU 的五分之一 3.在相同续航情况 下，使用更小电池，减少无源器件使用，降低整体物料成本。以电动汽车 的 6.6kW 双向 OBC 为例，典型 DC-AC 部分包括四个 650V IGBT、几个 二极管和一个 700-µH 电感，占材料清单成本的 70%以上。通过使用四个 650V SiC MOSFET 实现，只需要 230 µH的电感。这比基于 IGBT 的设计 降低了将近 13%的材料清单成本。4.缩短电池充电时间，由于更高的充电 功率和更小的电池，可以大幅缩短电动车充电时间。5. 在 600 度 C 的工作 温度下有高度稳定的晶体结构，击穿场强是 IGBT 的 10 倍多，导通损耗小， 2.5 倍于硅材料的热导系数。（报告来源：未来智库）

3.服务器芯片加速叠代更新造成的结构性缺货

我们估计全球服务器厂商营收在 2022／2023 年有 5%／7%的增长，但全 球服务器半导体市场在 2022／2023 年却有 20%／25%的增长。这对 2022/2023 年半导体增长各有 4－6 个点的贡献。每台服务器芯片价值在 2022 年有超过 12%的增长，主要系 AI 智能服务器比重的提升对 AI GPU 需求也有提升，而 Intel 7 及 AMD 5nm 的 CPU 的芯片面积大增估计也对 成本及价格进一步提升，PCIE Gen 5 retimer, 及 DDR5, DDR5 内存接口 芯片的采用，都对每台服务器芯片有增量，增价效果。因为 Intel, AMD, Nvidia 在云端，边缘运算，企业，政府，运营商端的技术叠代竞争加速， 我们认为未来 10 年，全球服务器半导体增长将明显高于服务器厂营收增长 平均达 10-15 个点，全球服务器半导体市场于 2021-2035 年复合成长率达 20%（4-5% CAGR 来自于全球服务器数量成长，2-3% CAGR 来自于每台 服务器芯片数目增长，12-14% CAGR 来自于芯片平均单价提升）。根据美 国半导体设备龙头应用材料的预估，从 2020 到 2025 年，全球每台服务器 的半导体芯片价值将增加一倍到 5600 美元，相当于 20%的 5 年复合增长 率。归因于每台服务器的芯片数量增加，芯片面积变大，良率变差，处理 层数增加，交货周期拉长所造成的结构性缺货， TrendForce 的研究预测， 2022 年 3 月全球服务器用 FPGA, 电源管理芯片，高速网络芯片，电力功 率芯片的交期仍超过 40 周或三个季度。

Intel 7 Sapphire Rapids：英特尔于今年三月份小量出货的新一代服务器芯 片 Intel 7 CPU Sapphire Rapids, 虽然是第一次改用 Chiplet 架构，但在整 合四颗 372mm2 芯片（每颗芯片 (tile) 有 14-20 CPU 核心）面积的 chiplets 后，整体 56-80 核心芯片面积估计高达 1488mm2，是上个世代 Ice lake 产品的三倍大左右，所以定价应该会比 Ice Lake 贵三倍左右, 我们 以为因为核心数不足，芯片面积过大，良率较差，成本高，ABF 大载板缺 货（层数变多，面积变大，良率变差）等因素， 英特尔 2022 年要靠着 Sapphire Rapids 收回过去两年失去的给 AMD 份额，我们觉得还是有难度。 那为何英特尔不改其 CPU 设计为小芯片架构，我们研究认为主要系英特尔 的架构已经有 2，4，8 颗服务器 CPU Socket 插槽的主机版，如果每颗 chiplet 的 CPU 有 8 颗芯片（Tile），那 8 个 CPU 的服务器主机板就会有 64 颗芯片 (Tile) 要互相连结，那 CPU跟 CPU, 芯片跟芯片的沟通都要透过 UPI 通道 (Ultra Path Interconnect，最高传输速度可达 16GT/s), 那 UPI肯 定会成为 CPU芯片之间沟通的瓶颈。还有就是，英特尔整合了两个 DDR5 的控制芯片到一颗芯片（Tile）中，4 颗芯片就是 8 个存储器通道，如果是 8 颗芯片，每颗芯片太小就无法容纳两个 DDR5 的存储器通道控制芯片， 这样也会有瓶颈。而 AMD 是把存储器控制芯片放在中心的 I/O 控制芯片上， 所以每颗 CPU 多加几颗芯片没有关系。而且，AMD 的服务器架构主要用 1，2 颗服务器 CPU Socket 插槽的主板，如果每颗 chiplet 的 CPU有 8 颗 芯片 (Tile)， 那 2 个 CPU 的服务器主机版就仅有 16 颗芯片要互相连结， 沟通上就简单许多。

TSMC 5nm Genoa: 即使是 AMD 超威从 7nm 服务器芯片 Milan 微缩到 5nm Genoa, 因为微缩有限又加入更多晶体管，面积从 8 芯 64核 592mm2 CPU核心芯片面积大幅增加 40%到 12 芯 96 核 828mm2 CPU核心芯片面 积，但每颗 8 核心芯片面积只有从 74mm2 微缩 7%到 69mm2。所以虽然 I/O 控制芯片从 GlobalFoundries 的 14nm 416mm2 面积，微缩到台积电 6nm 的 263mm2, 但整体芯片面积(加总 CPU核心芯片及 I/O 控制芯片) 还 是增加了 8 个点， ABF 大载板面积也因为需要更多的接脚数（Socket 脚 数从 7nm LGA 4094 到 5nm LGA 6096）, 至少增加了 20%的面积。我们 估计今年四季度 Sapphire Rapids 及 Genoa 两个芯片加起来有机会占全球 x86 服务器 CPU出货量超过 15%，单价提升轻易超过 10 个点。

AI服务器拉升英伟达云端 AI 芯片需求：这几年因为 Nvidia 英伟达的 GPU 大量被使用在人工智能的云端辨识系统，从每台服务器加两片高速运算 GPU 卡，4 片到 8 片 GPU 卡都有，让 Nvidia 在数据中心芯片市场的份额 从 2018－2019 年的不到 10%， 到 2021 年的超过 20%，全球人工智能服 务器占比也逐年提升至 2021 年近 10%，但光就 AI 推理及训练加速器而言， 英伟达应该有超过 95%以上的份额。英伟达的 4nm 芯片 H100， 芯片面积 虽然 812mm2，最大耗电量达 700W, 但其在浮点半精度，单精度，双精 度稀疏及理论峰值运算都明显优于同业，为了让 H100 的 DGX 人工智能服 务器系统发挥效能，还要另外配备非常昂贵的 320-640GB HBM (高频宽内 存) 给 AI GPU 使用，为了控制使用价格昂贵的 HBM 让总成本不要失控， 英伟达决定在 2023 年初推自家的设计的 ARM CPU （Grace）配合其高速 NVlink 通讯网络（500GB/秒传输速率）, 可以让 CPU/GPU 共同分享 DDR4/5/HBM 存储器达到快取一致性(Cache Coherency), 我们认为未来哪 家公司能率先推出 AI服务器达到 Cache Coherency ，这就是未来 AI服务 器竞争者的决胜点之一。

英特尔要自推 AI GPU 抢份额: 英特尔今年要推出的 AI GPU加速器 Ponte Vecchio （1000 亿晶体管, 47 芯片, tsmc 5nm x16, 8 核心=128 核心 (compute tile), intel 7nm x2 640mm2 (base tile), tsmc 7nm x2 (link)）x4 再搭配 2 颗 Sapphire Rapids CPU的人工智能服务器系统，也需要庞大的 DDR5 DRAM 及 HBM DRAM。不同于 Nvidia 的 NVlink, AMD 的 Infinity Fabric 这两者都是独家技术封闭架构，无法适用于 CPU 及 GPU 以外其他 芯片的连结，Intel 支持的 CXL 可消除 CPU与设备、CPU与存储器之間的 传输瓶颈，创建一个可以支持 AI, smart I/O、smart NIC, CPU, 存储器模组 的接口，以服务下一代的数据中心。可惜目前 CXL 是建立在 PCIE Gen 5.0 的实体及电子层的架构上，目前 PCIE Gen 5/CXL 最高只能提供 64GB/s 的双向传输速率, 跟 Nvlink 的 500GB/s， Infinity Fabric 的 400GB/s 有 6-8 倍的差距，可能要等到 PCIE Gen 6/CXL 的 128GB/s 技术 问世才能进一步缩短与 Nvidia 及 AMD 之间的差距。但从 2019 年 3 月 13 日开始，英特尔携手阿里巴巴、思科、戴尔，EMC、IBM, 脸书 Meta、谷 歌、惠普、华为以及微软宣布成立 Compute Express Link(CXL) 开放合作 联盟，而目前从 Nvlink, Infinity Fabric retimer 的设计进度来看，要能够领 先英特尔达到 Cache Coherency 似乎还是有很大的难度。

服务器用 DDR5 即将问世：在英特尔已于三月份量产出货支援 4800 MT/sDDR5 的 Intel 7 服务器 CPU Sapphire Rapids, 而 AMD 即将推出的 EUV 5nm 服务器 Zen 4 CPU Genoa, 也将支援 5200MT/s 的 DDR5, 我们认为 DDR5 将比 DDR4 芯片面积及价格提升 25-30%，意思就是消耗掉更多的 内存 DRAM 芯片产能。除此之外，为了能够梳理 CPU 与 DDR5 内存之间 大量的数据存取，整体 DDR5 模组中 DDR5 1+10 内存接口芯片比重应该 会提升超过 10%，内存接口芯片面积也会加大，还要推新串行检测，温度 传感，电源管理芯片等配套芯片。Trendforce 研究机构还预期 DDR5 模组 的电源管理芯片因产能短缺，可能面临缺货的窘境。我们估计 2022 年澜 起，Renesas/IDT, Rambus 将分食 40%／40%／20%的 DDR5 内存接口 芯片份额，而目前仅澜起及 Renesas/IDT 能提供三个完整的配套芯片解决 方案 。

二、半导体拐点讯号已逐一浮现

虽然目前车用，服务器，工业用芯片需求仍然短缺，但 TV, 笔电，智能手 机（摄像头，显示驱动芯片）需求不振但芯片迭代更新持续，全球半导体 需求仍然强劲，但交期，库存月数，营收同比，产能扩充的变化都会影响 价格变动，这都可能让行业出现拐点讯号。

1.从交期变化看拐点

根据 HIS Markit 及 Trendforce 2022 年一季度的芯片交期报告，目前服务 器及车用模拟，MCU 芯片交期超过 40 周，但归因于 TV, 笔电，智能手机 从 2022 年一季度以来明显转弱，环比下跌近 15 个点，预期 TV，笔电， 智能手机的短料芯片（如 Type C IC, 4G SoC, A+G 感测器，OLED 显示驱 动芯片）交期将陆续回归到正常水位的 10-15 周，之前被这些应用占用的 产能将逐步释放出来，我们认为服务器及车用模拟芯片短料交期也将从 2022 年二季度开始逐季降低，预计在 2022 年底前下滑到 30 周左右，明 年有机会达到正常水位的 10-15 周，一旦各种强应用及弱应用芯片产品交 期都达到正常水位，我们相信芯片及晶圆代工价格可能出现变化，但就目 前需求而言，我们仍然无法判断明年这些强应用如服务器，车用，及工业 用短料芯片交期会达到正常水位的 10-15 周。

2.从全球及国内合理芯片库存月数看拐点

从国金独家全球逻辑芯片 1Q22 数据档来看，库存月数明显飙升，尤其比 较高的是国内芯片设计公司近 6.5 个月的库存（环比增 22％，同比增 74%） 及全球 NOR/SLC NAND/mask ROM 行业近 5 个月的库存（环比增 19%， 同比增 27%），其他芯片行业库存月数虽然未超过合理库存的 4 个月，但 整体库存月数达 3.7 个月，环比增长 17%，同比增长 29%。归因于二季度 上海地区的封控，多少造成很多组装大厂的停产或降载生产，我们预测国 内芯片设计库存将超过 7.5 个月，全球芯片设计及 IDM 库存将超过 4 个月， 我们因此预测从 2022 年三季度开始或最迟于 2023 年，全球芯片库存月数 整理即将启动。

以 2021 年美国白宫的产业链报告建议全球半导体供应商应保持比过去更 高的库存水位，以应付各种如火灾，水灾，地震，暴风雪，战争，停电， 疫情封城，地缘政治，半导体缺制程材料所造成的半导体产线中断，所以 我们测算全球系统组装大厂将把合理半导体芯片库存月数从过去的 2.9-3.0 个月，到以后的 4.0 个月，我们认为国内半导体设计公司甚至将策略性地 提高合理库存从 2021 年的 4 个月到以后的 5 个月。但当国内手机感测芯 片大厂韦尔股份，TWS 耳机主控芯片大厂恒玄科技，手机低噪射频芯片大 厂卓胜微，GPU 芯片大厂景嘉微，FPGA 芯片大厂复旦微，固态存储控制 芯片大厂国科微因担心晶圆代工持续涨价，担心取消订单后要重新排队下 单，担心美国技术管控加大力道，因而重复下单中高阶通用芯片库存，而 纷纷公布超过 7 个月的芯片库存，同比增加近倍后，及国内主要芯片设计 公司，公布 6.5 个月的加权平均历史新高芯片库存月数，环比增加 22％， 同比增加 74%。我们认为当晶圆代工 2023 年涨价后继无力时，这些高库 存重点客户也将成为 8“／12”成熟制程晶圆代工厂的第一波芯片砍单客户。（报告来源：未来智库）

3.从同比营收增长变化看拐点

我们认为半导体下行周期有分两大类，一种是像 1997 年亚洲金融风暴， 2001 年 Y2K 后电脑更新停滞， 2008 年全球衍生性商品金融风暴的大规模 的需求衰退。另一种是像 2012，2015，2019 年的需求增长减缓，配合半 导体产能陆续开出而造成的供过于求及芯片价格下跌调整。虽然新冠疫情 持续扩散影响需求，但疫苗接种率提高让重病比率明显下降，全球疫情舒 缓可期；虽然通涨严重到让各国政府央行接连升息，但半导体厂尽力将设 备涨价，折旧，材料成本提高转嫁给需求更多产能的强应用客户；加上摩 尔定律微缩大幅趋缓，芯片面积越来越大，良率越来越差，我们预期未来 10 年全球芯片制造成本及晶圆代工平均单价将逐年攀升 4-5 个点或以上， 我们将不再像过去 20 年因摩尔定律微缩加速而看到明显的芯片成本及平均 芯片价格下降。我们因此测算未来 10 年（2021-2031）全球逻辑芯片营收 将有 10-11 个点的复合增长率 CAGR，高于过去 10 年复合增长率的 5.9%， 2023 年全球逻辑芯片营收增长虽然会比 2021 年的 24%，2022 年的 10-15% 同比增长趋缓，我们测算应仍有 5-7%的营收同比增长，而不至于步入全球 逻辑芯片营收大幅衰退的需求反转周期（1997，2001，2008）以及供过 于求／芯片价格下跌周期（2012，2015，2019）。但就个别应用而言，我 们预估 LCD/AMOLED/TDDI 智能手机／笔电／TV 荧幕显示驱动及触控整 合芯片，TV 控制芯片，消费型笔电芯片于 2022-2023 年期间应该会出现 几个季度的同比营收衰退，但电动／自驾车用及服务器用芯片营收仍会有 10 个点以上的增长。

4.从产能扩充同比变化看拐点

根据我们对 2023 年全球逻辑芯片及晶圆代工营收同比增长 8%／12%的预 估，再把单价提升 4-5 个点的因素移除，我们估计全球逻辑芯片及晶圆代 工出货量同比增长 4-8%，与 8“扩产的 8% 产能同比增长同步（供需平衡）， 但比 12”成熟制程（14nm, 28nm, 40nm, 65nm, 90nm）扩产的 16%产能 同比增长明显偏低近 8-12 个点，2023 年可能造成供过于求，这对于中芯 国际，Globalfoundries, 联电这些 12“成熟制程大厂比较负面。至于 12“先 进制程，因为台积电有将近超过 90%的晶圆代工份额，我们认为其接单生 产的供需平衡模式不变，供需相对稳定。

5.从晶圆代工涨价是否能持续来看拐点

虽然 2023 年仍是充满变数的一年，但根据我们 2021 年年中策略报首次提 出因摩尔定律趋缓，先进制程工艺设备成本加速增值，成熟二手制程设备 短缺，我们认为未来 20 年，半导体行业将进入通胀趋势，晶圆代工年度涨 价 5-10%将成为常态，所以未来 20 年的半导体行业市场的复合增长率， 将比过去 20 年多个 5-10 个。

而台积电为反映人工，电力，芯片制造材料，设备成本明显上扬，于 2022 年 5 月 10 日对 2023 年客户正式发出产能分配名单及近 5-8%的全制程工 艺节点的涨价通知数；三大半导体龙头的这些芯片价 格调整都代表芯片行业的强需求仍在，有定锚的效应，2023 年半导体需求 不至于崩盘，但如果其他中小型晶圆代工厂于 2023 年无法跟进涨价， 代 表需求拐点逐一浮现。

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