電子行業(yè)投資分析報(bào)告2021年7月1、摩爾定律放緩，后摩爾時(shí)代來臨國家科技體制改革和創(chuàng)新體系建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組第十八次會(huì)議5月14日在北京召開。會(huì)議要求，要高質(zhì)量做好“十四五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃編制工作，聚焦“四個(gè)面向”，堅(jiān)持問題導(dǎo)向，著力補(bǔ)齊短板，注重夯實(shí)基礎(chǔ)，做好戰(zhàn)略布局，強(qiáng)化落實(shí)舉措。中共中央政治局委員、國務(wù)院副總理、國家科技體制改革和創(chuàng)新體系建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組組長劉鶴還組織專題討論了面向后摩爾時(shí)代的集成電路潛在顛覆性技術(shù)。后摩爾定律是根據(jù)摩爾定律提出的，摩爾定律是英特爾創(chuàng)始人之一戈登·摩爾的經(jīng)驗(yàn)之談，其核心內(nèi)容為：集成電路上可以容納的晶體管數(shù)目在大約每經(jīng)過18個(gè)月便會(huì)增加一倍。換言之，處理器的性能每隔兩年翻一倍。圖1：摩爾定律：集成電路上可以容納的晶體管數(shù)目約每18個(gè)月便會(huì)增加一倍資料來源：TEL然而近些年，隨著芯片工藝不斷演進(jìn)，硅的工藝發(fā)展趨近于其物理瓶頸，晶體管再變小變得愈加困難。一方面，技術(shù)難度迅速加大。目前最新的制程工藝節(jié)點(diǎn)為5nm，使用的是FinFET（鰭式場效應(yīng)晶體管）技術(shù)，而再往下的制程，將不得不使用GAAFET（Gate-All-Around，閘極環(huán)繞場效應(yīng)晶體管）等新技術(shù)，這對(duì)于芯片制造廠商來說，是一項(xiàng)不小的挑戰(zhàn)。對(duì)于決定制程突破關(guān)鍵的上游設(shè)備廠商來說，5nm以下的制程對(duì)設(shè)備的要求也極高，以光刻機(jī)為例，荷蘭ASML是全球唯一有能力制造EUV光刻機(jī)的廠商，而面向3nm及更先進(jìn)的工藝，芯片制造商將需要一種稱為高數(shù)值孔徑EUV（high-NAEUV）的EUV光刻新技術(shù)。據(jù)ASML年報(bào)披露正在研發(fā)的下一代采用high-NA技術(shù)光刻機(jī)大約在2024年前后量產(chǎn)。另一方面，由于隨著技術(shù)節(jié)點(diǎn)的不斷縮小，集成電路制造設(shè)備的資本投入越來越高。在摩爾定律的推動(dòng)下，元器件集成度的大幅提高要求集成電路線寬不斷縮小，導(dǎo)致生產(chǎn)技術(shù)與制造工序愈為復(fù)雜，制造成本呈指數(shù)級(jí)上升趨勢(shì)。當(dāng)技術(shù)節(jié)點(diǎn)向5納米甚至更小的方向升級(jí)時(shí)，普通光刻機(jī)受其波長的限制，其精度已無法滿足工藝要求。因此，集成電路的制造需要采用昂貴的極紫外光刻機(jī)，或采用多重模板工藝，重復(fù)多次薄膜沉積和刻蝕工序以實(shí)現(xiàn)更小的線寬，使得薄膜沉積和刻蝕次數(shù)顯著增加，意味著集成電路制造企業(yè)需要投入更多且更先進(jìn)的光刻機(jī)、刻蝕設(shè)備和薄膜沉3/14積設(shè)備等，造成巨額的設(shè)備投入。以5納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)為例，其投資成本高達(dá)數(shù)百億美元，是14納米的兩倍以上，28納米的四倍左右。巨額的設(shè)備投入只有具備一定規(guī)模的頭部集成電路制造廠商可以負(fù)擔(dān)。圖2：隨著技術(shù)節(jié)點(diǎn)的不斷縮小，集成電路制造的設(shè)備投入呈大幅上升的趨勢(shì)每5萬片晶圓產(chǎn)能的設(shè)備投資（百萬美元）2500021,4952000015,5571500011,420100008,4496,2724,74650003,0822,1342,5043,9500數(shù)據(jù)來源：IBS、中芯國際招股說明書、市場研究部因上述原因，摩爾定律逐漸放緩，同時(shí)，隨著5G及物聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展，接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備越來越多，對(duì)于算力及存儲(chǔ)的需求迅速提升，以硅為主體的經(jīng)典晶體管很難維持集成電路產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展，后摩爾時(shí)代到來。因此不僅我國于5月14號(hào)討論了后摩爾時(shí)代的關(guān)鍵技術(shù)，美國也早在2016年就部署了“后摩爾時(shí)代”創(chuàng)新支持、并在2017年啟動(dòng)“后摩爾時(shí)代”電子復(fù)興計(jì)劃，歐盟在2018年也提出了“后摩爾時(shí)代半導(dǎo)體增值策略”。2、后摩爾時(shí)代的創(chuàng)新，關(guān)注新集成、新材料、新架構(gòu)未來集成電路的長期演進(jìn)有三種主流的路線：MoreMoore（使用創(chuàng)新半導(dǎo)體制造工藝縮小數(shù)字集成電路的特征尺寸）、MorethanMoore（在系統(tǒng)集成方式上創(chuàng)新，系統(tǒng)性能提升不再靠單純的晶體管特征尺寸縮小，而是更多地靠電路設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)算法優(yōu)化）、BeyondCMOS（使用CMOS以外的新器件提升集成電路性能）。4/14圖3：未來集成電路的長期演進(jìn)有三種主流的路線資料來源：ITRS前面我們已經(jīng)提到，目前MoreMoore（使用創(chuàng)新半導(dǎo)體制造工藝縮小數(shù)字集成電路的特征尺寸）技術(shù)上難度較高，而且從成本上也較高。因此將更多采用MorethanMoore（在系統(tǒng)集成方式上創(chuàng)新，系統(tǒng)性能提升不再靠單純的晶體管特征尺寸縮小，而是更多地靠電路設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)算法優(yōu)化）及BeyondCMOS（使用CMOS以外的新器件提升集成電路性能）來進(jìn)行突破。MorethanMoore主要是通過新集成（如3D封裝、SiP等先進(jìn)封裝）及新架構(gòu)（如以RISC-V為代表的開放指令集將取代傳統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)模式，更高效應(yīng)對(duì)快速迭代、定制化與碎片化的芯片需求）來進(jìn)行突破。BeyondCMOS主要是以除了硅以外的第二代半導(dǎo)體（GaAs）、第三代半導(dǎo)體（GaN、SiC）等新材料來進(jìn)行突破。2.1、新集成：從平面轉(zhuǎn)為三維，先進(jìn)封裝前景廣闊摩爾定律發(fā)展受限，先進(jìn)封裝因能同時(shí)提高產(chǎn)品功能和降低成本是主流發(fā)展方向：（1）小型化：3D封裝首先突破傳統(tǒng)的平面封裝的概念，通過單個(gè)封裝體內(nèi)多次堆疊，實(shí)現(xiàn)了存儲(chǔ)容量的倍增，進(jìn)而提高芯片面積與封裝面積的比值。（2）高集成：系統(tǒng)級(jí)封裝SiP能實(shí)現(xiàn)數(shù)字和非數(shù)字功能、硅和非硅材料、CMOS和非CMOS電路等光電、MEMS、生物芯片等集成在一個(gè)封裝內(nèi)，完成子系統(tǒng)或系統(tǒng)，在不單純依賴半導(dǎo)體工藝縮小的情況下，提高集成度，以實(shí)現(xiàn)終端電子產(chǎn)品的輕薄短小、低功耗等功能，同時(shí)降低廠商成本。半導(dǎo)體封裝技術(shù)發(fā)展大致分為四個(gè)階段，芯片封裝目前處于第三階段成熟期，正向第四階段演進(jìn)。全球封裝技術(shù)的主流處于第三代的成熟期，主要是CSP、BGA封裝技術(shù)，目前封測行業(yè)正在經(jīng)歷從傳統(tǒng)封裝（SOT、QFN、BGA等）向先進(jìn)封裝（FC、FIWLP、FOWLP、TSV、SIP等）的轉(zhuǎn)型。5/14圖4：半導(dǎo)體封裝技術(shù)發(fā)展大致分為四個(gè)階段資料來源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察、市場研究部先進(jìn)封裝技術(shù)未來發(fā)展方向朝著兩大板塊演進(jìn)。先進(jìn)封裝技術(shù)與傳統(tǒng)封裝技術(shù)以是否焊線來區(qū)分，先進(jìn)封裝主要有倒裝芯片(FC)結(jié)構(gòu)的封裝、晶圓級(jí)封裝(WLP)、2.5D封裝、3D封裝等。未來發(fā)展方向：一個(gè)是以晶圓級(jí)芯片封裝WLCSP(Fan-InWLP、Fan-outWLP等)，在更小的封裝面積下容納更多的引腳數(shù);另一方向是系統(tǒng)級(jí)芯片封裝(SiP)，封裝整合多種功能芯片于一體，壓縮模塊體積，提升芯片系統(tǒng)整體功能性和靈活性。圖5：傳統(tǒng)封裝向倒裝芯片、晶圓級(jí)封裝演進(jìn)資料來源：拓璞產(chǎn)業(yè)研究院更高集成度的廣泛需求，以及5G、消費(fèi)電子、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和高性能計(jì)算等大趨勢(shì)的推動(dòng)，先進(jìn)封裝規(guī)模預(yù)計(jì)保持較高增速。據(jù)Yole數(shù)據(jù)，先進(jìn)封裝在2018-2024年間，預(yù)計(jì)將以8%的CAGR成長，到2024年達(dá)到近440億美元。在同一時(shí)6/14期，傳統(tǒng)封裝市場規(guī)模預(yù)計(jì)僅以2.4%的CAGR成長，而整個(gè)IC封裝產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模CAGR約為5%。圖6：先進(jìn)封裝收入增速遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)封裝市場資料來源：Yole其中主流先進(jìn)封裝技術(shù)滲透領(lǐng)域廣泛，預(yù)計(jì)CAGR超26%。隨著智能駕駛、AIOT、數(shù)據(jù)中心及5G等市場的成熟，Yole預(yù)計(jì)2.5D/3DTSV技術(shù)、FanOut技術(shù)、ED等主流先進(jìn)封裝技術(shù)的市場規(guī)模將保持高速增長，2018-2024年CAGR分別達(dá)26%、26%、49%。表1：主流封裝技術(shù)滲透領(lǐng)域廣泛，預(yù)期CAGR超26%。技術(shù)名稱2018-2024年CAGR滲透應(yīng)用領(lǐng)域2.5D/3DTSV26%手機(jī)、汽車等FAN-OUT26%AI/ML、HPC、數(shù)據(jù)中心、CIS、MEMS/傳感器等EmbeddedDie(ED)49%汽車、醫(yī)療等資料來源：Yole、市場研究部中國先進(jìn)封裝市場產(chǎn)值全球占比較低，但是占比穩(wěn)步提升，國內(nèi)大陸封測廠技術(shù)平臺(tái)已經(jīng)基本和海外廠商同步。我國的封裝業(yè)起步早、發(fā)展快，但是主要以傳統(tǒng)封裝產(chǎn)品為主，近年來國內(nèi)廠商通過并購，快速積累先進(jìn)封裝技術(shù)，技術(shù)平臺(tái)已經(jīng)基本和海外廠商同步，WLCSP、SiP、TVS等先進(jìn)封裝技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，2015-2019年先進(jìn)封裝占全球比例逐漸提升。7/14圖7：我國2015-2019年先進(jìn)封裝占全球比例逐漸提升我國先進(jìn)封裝規(guī)模占全球封測的比例16%13.6%14.8%11.9%12.8%14%10.3%10.9%12%10%8%6%4%2%0%201520162017201820192020E數(shù)據(jù)來源：Yole、市場研究部表2：國內(nèi)大陸封測廠技術(shù)平臺(tái)已經(jīng)基本和海外廠商同步公司名稱SIPTSV日月光有有安靠科技有有長電科技有有矽品精密有有通富微電有-華天科技有有資料來源：中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)、市場研究部

WLCSPBUMPFan-outFC有有有有有有有有有有有有有有有有有有-有有有有有2.2、新架構(gòu)：提升計(jì)算效率指令集架構(gòu)是CPU用來控制和計(jì)算指令的一種規(guī)范，所有采用高級(jí)語言編出的程序，都需要翻譯（編譯或解釋）成為機(jī)器語言后才能運(yùn)行，這些機(jī)器語言中所包含的就是一條條的指令。每一種新型的CPU在設(shè)計(jì)時(shí)就規(guī)定了一系列與其他硬件電路相配合的指令系統(tǒng)，而指令集的先進(jìn)與否，也關(guān)系到CPU的性能發(fā)揮，因?yàn)橹噶钕到y(tǒng)決定了一個(gè)CPU能夠運(yùn)行什么樣的程序。打個(gè)比方，表達(dá)同一個(gè)意思用漢語的字?jǐn)?shù)通常少于用英語的單詞數(shù)，如果某人讀一個(gè)漢字的速度等于另一個(gè)讀一個(gè)英語單詞的速度，那么理解同一句話，讀漢字的人花的時(shí)間就更少。表3：當(dāng)前市場四大主流指令集為X86、MIPS、ARM、RISC-V序號(hào)架構(gòu)發(fā)明時(shí)間特點(diǎn)代表廠商應(yīng)用情況1X861978年性能高，速度快，兼容性英特爾、AMDPC市場優(yōu)勢(shì)明顯好2MIPS1981年簡介，優(yōu)化方便，高拓展龍芯網(wǎng)關(guān)、機(jī)頂盒市場應(yīng)用廣泛性3ARM1983年成本低，低功耗蘋果、谷歌、IBM、華為移動(dòng)端優(yōu)勢(shì)明顯4RISC-V2014年模塊化，極簡，可拓展三星、英偉達(dá)、西部數(shù)據(jù)智能穿戴產(chǎn)品上應(yīng)用廣泛資料來源：CSDN、市場研究部8/14RISC-V推動(dòng)指令集架構(gòu)創(chuàng)新。RISC-V指令集完全開源，設(shè)計(jì)簡單，易于移植Unix系統(tǒng)，模塊化設(shè)計(jì)，完整工具鏈，同時(shí)有大量的開源實(shí)現(xiàn)和流片案例，得到很多芯片公司的認(rèn)可，英偉達(dá)的GPU也使用了RSIC-V內(nèi)核，組成了異構(gòu)計(jì)算單元。以RISC-V為代表的開放指令集及其相應(yīng)的開源SoC芯片設(shè)計(jì)、高級(jí)抽象硬件描述語言和基于IP的模板化芯片設(shè)計(jì)方法，將取代傳統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)模式，更高效應(yīng)對(duì)快速迭代、定制化與碎片化的芯片需求。目前RISC-V適用于現(xiàn)代云計(jì)算、智能手機(jī)和小型嵌入式系統(tǒng)，未來有望成為和X86、ARM比肩的重要架構(gòu)。異構(gòu)計(jì)算（CPU+GPU、CPU+FPGA、CPU+ASIC等）是將不同的任務(wù)分配給對(duì)應(yīng)的芯片進(jìn)行處理，能夠充分發(fā)揮不同計(jì)算平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)以提升計(jì)算效率（例如讓CPU從事管理和調(diào)度，而將計(jì)算交給運(yùn)算能力更強(qiáng)的GPU），隨著AI技術(shù)的發(fā)展（尤其是CUDA等技術(shù)的出現(xiàn)），異構(gòu)架構(gòu)目前已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用。2021年3月ARM推出指令集更新ArmV9，完全兼容前代V8，同時(shí)以安全性、AI性能、矢量計(jì)算拓展三大優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)下游應(yīng)用的從端到云，從高能效到高性能的全面覆蓋。在異構(gòu)計(jì)算時(shí)代，采用Arm指令集的CortexA系列IP核相較于X86指令集的IP核具有先發(fā)優(yōu)勢(shì)，英特爾直到2019年才推出同時(shí)使用SunnyCove大核和TreMont小核的LakeField異構(gòu)處理器。同時(shí)，存算一體架構(gòu)將原有的以計(jì)算為中心的架構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橐詳?shù)據(jù)為中心的架構(gòu)，消除了馮諾依曼架構(gòu)的瓶頸，適合于后摩爾時(shí)代如AI深度學(xué)習(xí)等大容量大規(guī)模并行計(jì)算的場景，前景廣闊。2.3、新材料：更高性能，未來將高速成長BeyondCMOS主要是以除了硅以外的第二代半導(dǎo)體（GaAs）、第三代半導(dǎo)體（GaN、SiC）等新材料來進(jìn)行突破。半導(dǎo)體材料的發(fā)展分三個(gè)階段：第一階段是以硅（Si）、鍺（Ge）為代表的第一代半導(dǎo)體原料；第二階段是以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）等化合物為代表；第三階段是以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）、硒化鋅（ZnSe）等寬帶半導(dǎo)體原料為主。第三代半導(dǎo)體材料具有高頻、高效、高功率、耐高壓、耐高溫、抗輻射等特性，可以實(shí)現(xiàn)更好電子濃度和運(yùn)動(dòng)控制，特別是在苛刻條件下備受青睞，在5G、新能源汽車、消費(fèi)電子、新一代顯示、航空航天等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。9/14表4：半導(dǎo)體材料的發(fā)展分三個(gè)階段主要材料主要應(yīng)用主要應(yīng)用于低電壓、低頻、中功率晶體管和光電探測器，Si第一代半導(dǎo)體鍺（Ge）、硅（Si）等單元素半導(dǎo)體是半導(dǎo)體分立器件、集成電路，以及太陽能電池的基礎(chǔ)材料，是信息產(chǎn)業(yè)的基石III-V族化合物半導(dǎo)體，典型代表是砷化鎵（GaAs）、高頻、低噪音，廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信、光通信和第二代半導(dǎo)體磷化銦（lnP）、銻化銦（lnSb），以及鋁砷化鎵GPS導(dǎo)航系統(tǒng)領(lǐng)域（AlGaAs）、銦砷化鎵（lnGaAs）等主要代表是氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）最早在光電子領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用，例如LED和激光器，可廣泛第三代半導(dǎo)體應(yīng)用在高壓電、高功率、高頻等領(lǐng)域，如電力電子、電源管其他還包括氧化鋅（ZnO）、金剛石、氮化鋁（AlN）理、無線通信等資料來源：電子說、市場研究部圖8：第三代半導(dǎo)體材料具有高頻、高效、高功率、耐高壓、耐高溫、抗輻射等特性資料來源：電子說第二代及第三代半導(dǎo)體市場規(guī)模將保持高速增長。根據(jù)Yoledevelopment的預(yù)測，全球GaN射頻器件市場規(guī)模將從2019年的7.4億美元達(dá)到2025年的20億美元，CAGR約12%；全球SiC功率器件市場規(guī)模2018年為3.7億美元，而預(yù)計(jì)2025年將超過25億美元，2019-2025年CARG約30%。10/14圖9：全球GaN射頻器件市場規(guī)模2025年將達(dá)20億美元

圖10：SiC功率器件市場規(guī)模預(yù)計(jì)2025年將超過25億美元資料來源：Yole 資料來源：Yole未來我們判斷SiC將主要應(yīng)用在功率半導(dǎo)體上，