自从半导体技术问世以来，美国一直是该行业的领先者。它在设计、制造和市场营销方面拥有深厚的技术和经验，在全球芯片市场中占据着重要地位。与此同时，中国在过去几十年里取得了巨大的发展，并且已经成为世界上最大的消费者市场之一。根据2021年的数据，美国半导体市场规模为530亿美元，而中国市场规模为2070亿美元，二者合计占据了全球总销售额的60%。
数据来源：世界半导体贸易统计 （WSTS）
下面，我们将从芯片产业链的角度来分析全球芯片行业的发展现状以及中美两国之间的发展差异。
芯片产业链：美国占据高产值环节，研发一家独大
根据CSET的分类方法，芯片产业链主要由芯片研发和制造产业链两部分（如下图）构成，也包括所使用设备的研制产业链。
制图：数据猿
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根据CSET2020年发布的报告《半导体产业链：各国竞争力评估》， 从产值占比来看，研发部分占比2.4%；制造部分占比97.6%。
表：芯片产业链各部分产值与市场份额（2019年）
来源：CSET报告《半导体产业链：各国竞争力评估》
而在制造环节中，生产的产值占比最高，达38.4%；其次是设计，占比29.8%；生产的工具占比14.9%；封装、测试与包装占比9.6%；晶圆占比2.5%。
数据来源：CSET报告 制图：数据猿
从市场份额来看，研发部分，美国的占比最高，电子设计自动化占比96%；核心知识产品占比52%；欧洲在核心知识产品部分占比43%；中国在研发部分的占比在1-3%。
数据来源：CSET报告 制图：数据猿
制造部分，美国在设计、生产的工具、生产三个环节的市场份额均排第一，分别达47%、44%、33%；日本在晶圆、封装/测试/包装的工具这两个环节的市场份额最高，分别为56%、44%；中国在晶圆部分的市场份额合计为20%，封装/测试/包装的市场份额43%，生产的市场份额26%，设计的市场份额11%。
从市场份额的角度来看，美国在设计、生产的工具、生产三个环节占据领先地位；中国主要在封装/测试/包装部分处于优势位置；生产部分在全球排第二，仅次于美国；晶圆部分优于美国；而在设计、生产的工具等部分均表现较弱，尤其是生产的工具部分，仅占1%。
结合产值的比例来看，封装、测试与包装的占比9.6%；晶圆占比2.5%；可以说这两个环节都属于低产值。
而产业链中高产值的部分是生产（38.4%）、设计（29.8%）、生产的工具（14.9%），这三个环节目前占据领先地位的均是美国。
总的来说，在芯片产业链上，美国在研发部分一家独大，而在制造部分又占据了高产值的环节。
制造产业链上的明珠：技术为王，ASML&台积电各领风骚
本节，我们将按照制造产业链上的主要环节，选取有代表性的上市公司，结合公司产品与财务数据进行分析，从而对芯片行业的最新技术发展以及运营情况有所了解。
制造-设计环节
芯片设计是整个产业链中最基础的环节之一。在设计阶段，设计公司需要根据市场需求和技术发展趋势确定芯片的规格和性能要求，然后进行电路设计、仿真和验证等工作。包括CPU、GPU、FPGA等各种类型的芯片设计。主要公司有美国的英特尔（Intel）、英伟达（Nvidia）和高通（Qualcomm），以及中国的海思半导体（HiSilicon）和展讯通信（Spreadtrum）等公司。
代表公司：英伟达（Nvidia）
2023年2月21日市值：5081亿美元
英伟达（Nvidia）成立于1993年，主要从事GPU（图形处理器）的设计、制造和销售，是全球最大的独立GPU生产商之一。在芯片制造产业链中，英伟达属于最上游的Fabless设计公司。
Nvidia的GPU广泛应用于电子游戏、专业可视化、高性能计算、深度学习等领域，被视为行业标准。Nvidia在芯片行业中地位显著，其GPU和AI芯片被广泛应用于多个行业和领域，市场份额和影响力都非常强大。据Top500.Org 数据显示，英伟达GPU产品在全球 Top 500 超算中心的渗透率逐年提高，由 2013H1 的72.2%提升至 2021H2 的90.3%，几乎处于垄断地位。
英伟达的产品主要为数据中心、游戏、专业可视化和汽车市场而设计。Nvidia的GPU产品主要分成三个系列产品，分别面向不同的应用类型和用户群体，分别是：主要面向3D游戏应用的GeForce系列、面向专业图形工作站应用的Quadro系列、专用GPU加速计算的Tesla系列。在芯片、服务器等硬件设施之上，CUDA、DOCA 等开发套件构成了英伟达软件业务的底层基础框架，在此之上形成HPC、AI、Omniverse平台，最终在应用工具&框架层面提供企业 AI、自动驾驶、云游戏、元宇宙、医疗等众多计算服务。
来源：富途证券
英伟达的GPU架构平均每2年更新一次架构，每6个月推出一款新产品。从 Tesla 到Ampere、从 GTX 到 RTX 性能稳步提升。在同代显卡制程工艺落后于AMD情况下，性能、能耗比却能与AMD打平，反映出英伟达顶级芯片设计能力。
来源：富途证券
2022年，在数据中心方面，英伟达开始出货 NVIDIA H100 张量核心 GPU 的生产样品；宣布与微软建立多年合作，打造基于云的人工智能超级计算机；宣布与甲骨文建立多年合作伙伴关系，将 NVIDIA 的全加速计算堆栈引入甲骨文云基础设施；宣布Rescale正在将NVIDIA AI Enterprise集成到其HPC即服务产品中；宣布推出两项新的大型语言模型云AI服务—NVIDIA NeMo LLM和NVIDIA BioNeMo LLM服务；并宣布推出新的数据中心解决方案，提供针对 VMware vSphere 8 优化的零信任安全性。
在游戏方面，英伟达开始出货 GeForce RTX 4090；推出 NVIDIA DLSS 3；并扩展了 GeForce NOW 库，新增了 85+ 款游戏，使可用游戏总数达到1400+。
在专业视觉中，英伟达引入了 NVIDIA Omniverse Cloud。
在汽车方面，英伟达推出了 NVIDIA DRIVE Thor；宣布Hozon Auto的Neta品牌将在NVIDIA DRIVE Orin平台上生产未来的电动汽车；并宣布了新的DRIVE IX生态系统合作伙伴。
在营收方面，截止2022年10月30日的前9个月，公司营收209.23亿美元， 毛利率55.1%。
数据来源：SEC文件 单位：百万美元
从收入构成来看，数据中心占比54%，游戏占比35%，专业视觉占比6%，汽车占比3%。
数据来源：SEC文件 单位：百万美元
从区域构成来看，美国占比29%，中国台湾占比24.5%，中国大陆加香港占比23%。
制图：数据猿
从2018-2022财年的财务指标来看，英伟达的收入增速在最近两年达到了53%、61%，相当高；毛利率也稳定在60%以上，运营利润率也上升至37%。研发费用占比保持在20%左右。
制图：数据猿
我们综合来看英伟达、英特尔、高通2022财年的运营数据，还是英伟达表现最佳，英特尔经营有异常。
制造-生产环节
芯片制造是将设计好的电路图转化为实际的芯片产品的过程。制造过程中包括光刻、蚀刻、清洗、电镀等多个环节。目前全球主要的芯片制造厂商主要集中在亚洲地区，其中台积电、三星是市场份额最大的厂商。中国大陆的主要厂商有中芯国际。
本环节选取的代表公司：台积电（TSMC）、中芯国际（SMIC）
代表公司：台积电（TSMC）
2023年2月21日市值：4545亿美元
台积电（TSMC）成立于1987年，主要业务包括集成电路及其他半导体装置的设计制造、光罩与封装技术服务等。
台积电（TSMC）是全球最大的晶圆代工厂之一，其产品线涵盖了从20纳米到3纳米等多个制程节点，以及针对不同应用场景的特定工艺。
2022年12月，台积电宣布其3nm技术已成功进入批量生产，产量良好，并透露台积电在新竹和台中的2nm工程正如期进行。
与5nm（N5）工艺相比，相同速度下台积电3nm的逻辑密度增益增加60%，功耗降低30-35%，并支持创新的台积电FINFLEXTM架构。3nm技术将大量应用在推动未来顶尖产品中，包括超级计算机、数据中心、高速国际网络、AR/VR等。
据Business Next采访报道，半导体行业分析师和专家估计，目前台积电的N3良率可能在60%~70%，最高在75%~80%，第一批的成绩还算不错。相比之下，三星代工厂的3GAE良率在早期阶段从10%~20%不等，废片率高得离谱，并且没有改善。
目前，台积电3nm晶圆的报价是2万美元/片，比5nm贵了20%。
营收方面，2022年台积电营收2.26万亿新台币（758.81亿美元），同比增长42.6%；毛利率59.6%。
从产品收入构成来看，7nm占比27%，5nm占比26%，两者合计占比53%；16nm占比13%，28nm占比10%。
来源：台积电财报
从收入变化来看，5nm的收入逐季上升，7nm的收入较为稳定。
来源：台积电财报
从收入平台来看，HPC（高性能计算机）占比41%，智能手机占比39%，这两项合计占比80%；汽车领域占比5%。
从年度同比增速来看，汽车领域最高，达74%；HPC（高性能计算机）年度增长59%，智能手机增长28%；来自物联网（IoT）的收入2022年度同比增长47%。
来源：台积电财报
制图：数据猿
根据2018-2022财年的主要财务指标，台积电的收入增速在近三年分别为25%、19%、42%，毛利率也出现逐年上升的趋势，2022年达到了60%；运营利润率也是同样的表现出色，2022年达到50%。研发费用占比保持在8%左右。同时，可以看出经营现金流的表现也非常优秀。
代表公司：中芯国际
2023年2月21日市值：1320亿港币
中芯国际成立于2000年，是中国内地规模最大、技术最先进的集成电路芯片代工企业。向全球客户提供0.35微米到FinFET不同技术节点的晶圆代工与技术服务。
来源：招股书
公司主要从事基于多种技术节点、不同技术平台的集成电路晶圆代工业务，以及设计服务设计与IP支持、光掩模制造等配套服务，集成电路晶圆代工是公司主营业务收入的主要来源。
中芯国际集成电路晶圆代工业务系以8英寸或12英寸的晶圆为基础，到2022年底折合8英寸月产能达到71.4万片，全年产能利用率为92%。
营收方面， 2022年度未经审计的营业收入为 495.16亿元人民币，同比增长39%。
根据2022年第三季度财报数据，主营业务收入中，晶圆收入占比92.5%，其中，12英寸晶圆收入占比68.4%，8英寸晶圆收入占比31.6%。按应用领域划分，智能手机占比26%，消费电子占比23.3%，智能家居占比14.9%。从区域来看，69.6%的收入来自中国内地与香港；境外收入占比30.4%。
来源：中芯国际财报
根据2021年财报数据，技术类晶圆的销售比例分别为55/65nm（29%）、0.18微米（29%）、40/45nm（15%）、FinFET/28nm（15%）。
数据来源：中芯国际财报
制图：数据猿
根据2017-2021财年的财务指标数据，中芯国际在2020-2021年的收入增速有明显改善，2021达到了39%；毛利率表现稳定，处于20%-30%之间；运营利润率在2021年有明显好转，上升至26%；研发费用占比在20%以下。
制图：数据猿
从上图数据来看，中芯国际与台积电之间的差距还是非常大的。
制造-生产的工具
芯片生产的工具是指用于制造芯片的设备和工具。常用的芯片生产工具有：
光刻机：用于将设计好的芯片电路图案转移到硅片上。
离子注入机：用于在硅片上注入离子，改变硅片材料的导电性能。
化学气相沉积设备：用于在硅片上沉积薄膜。
除此之外，还有许多其他的设备和工具，如化学机械抛光设备、电子束曝光机等。不同的设备和工具在芯片制造过程中发挥着不同的作用，共同构成了芯片制造的生产线。
代表公司：ASML（阿斯麦）
2023年2月21日市值：2500亿美元
ASML是一家总部位于荷兰的半导体制造设备供应商。该公司成立于1984年，主要提供先进的光刻机设备给半导体制造商，是全球最大的光刻机制造商，也是世界上唯一的极紫外线（EUV）设备制造商。ASML的光刻机技术是制造芯片的关键步骤之一，也是半导体制造业中最复杂的制造工艺之一。
ASML的产品线非常广泛，涵盖了芯片制造的各个方面，包括光刻机、暴露机、薄膜沉积设备和化学机械抛光设备等。其产品为各种行业波长提供图案化解决方案，从最先进的 13.5 nm EUV 波长到 193 nm、248 nm 和 365 nm 的行业主力 DUV 波长。
来源：SEC文件
主要产品包括：
1、光刻机（lithography systems）：用于芯片制造的关键设备，利用光学投影技术在硅片上“绘制”微小的电路图案。ASML的光刻机产品线包括传统的DUV光刻机、多重电子束刻蚀系统（MEB）和极紫外光（EUV）光刻机。
2、EUV光源（EUV sources）：用于为EUV光刻机提供光源，将更小的电路图案“绘制”到芯片上。TWINSCAN NXE：3600D是其最新一代的EUV 0.33 NA光刻系统，结合了最高分辨率，生产率提高了15-20%，覆盖率提高了约30%，同时还提高了系统可用性。
同时，ASML已经开始构建下一代EUV光刻系统，与当前EUV平台的0.33 NA相比，更高的数值孔径（NA）为0.55 NA，进一步提高了分辨率。预计EUV 0.55 NA（高NA）技术将在2025/2026年开始支持大批量生产。
来源：ASML
2022年，ASML收到了来自所有现有EUV客户的采购订单，以交付业界首个TWINSCAN EXE：5200系统—EUV大批量生产系统，具有高数值孔径和每小时220片晶圆的生产率。这些采购客户将在2024-2025年开始研发，目标是在2025-2026年实现大批量生产。
最新的先进浸入式系统TWINSCAN NXT：2100i，于2022年第三季度推出。除了对透镜计量、光罩调节和晶圆表的内在改进以及整体交叉匹配改进外，NXT：2100i还具有对准优化器12颜色包等创新。该系统提供每小时 295 片晶圆的生产率以及前所未有的覆盖性能，为客户提供了 3 nm 以下节点上关键浸没层的最具成本效益的解决方案。
在干式系统方面，继新一代KrF系统TWINSCAN XT：860N之后，ASML向客户交付了第一台TWINSCAN NXT：870 248 nm步进扫描系统。NXT：870是一款高生产率的双级KrF光刻工具，设计用于110 nm分辨率及以上的300 mm晶圆生产。通过使用NXT平台，该系统将生产率从XT：860N的每小时260个晶圆提高到每小时330个晶圆。对于更关键的KrF层，0.93 NA TWINSCAN XT：1060K是最先进的双级KrF光刻工具，波长为248 nm，具有业内最高的数值孔径和生产率，在80 nm及以下提供一流的分辨率。TWINSCAN XT：400L是其最新的i-line光刻系统，可以打印分辨率低至220 nm的特征，用于200 mm和300 mm晶圆生产。
在EUV High-NA业务中，ASML从供应商那里收到了第一台High-NA机械投影光学和照明器，以及新的晶圆架台。这些模块将用于初始测试和集成，是EXE:5000项目的重要一步。
此外，为了进一步增强其产品提供，ASML发布了ALO12C - 一种硬件-软件组合，可以使其客户使用12种颜色而不是4种颜色来优化晶圆对准性能。
ASML还继续推进计量和检查路线图。例如，HMI eScan 1100多光束系统是ASML第一代多光束系统，具有25束（5x5），已被交付供客户评估。
2022年，ASML还交付了第一台eScan460系统，这是ASML的下一代单光束检测系统。
同时，ASML预计2025-2026年将产能增加到90台EUV 0.33 NA和600台DUV系统；2027-2028年之间将把EUV 0.55 NA（高NA）的产能提升到20台。
在营收方面，ASML的大部分收入来自光刻系统的销售。截止2022年12月31日，ASML 2022财年销售额达到211.73亿欧元，与2021年相比增长了13.8%，毛利率为50.5%。ASML预计2020-2030年期间可以保持14%的年收入增长率。
在具体产品销售方面，2022 年确认了 40 台 EUV 系统（全部为 NXE：3600D）， 305 台DUV系统的销售量。40台EUV 系统净销售额70.45亿欧元，算下来平均单价在1.76亿欧元。
数据来源：SEC文件
从EUV、ArFi、ArF三个高端机型的出货来看，ASML出货149台，2022年全球共出货157台，ASML占有95%的市场份额。EUV方面还是ASML独占鳌头，市占率100%；ArFi方面ASML市占率高达95%+；ArF方面ASML占有87%+的市场份额；KrF方面ASML也是占据72%+的市场份额；在i线方面ASML也有23%+的市场份额。
在区域营收上，中国台湾2022年贡献了80.95亿欧元，占比38%；韩国60.45亿欧元，占比28.5%；中国大陆29.16亿欧元，占比13.8%。
数据来源：SEC文件
制图：数据猿
从2018-2022财年的主要财务指标来看，ASML的收入增速分别达18%、33%、14%；毛利率基本稳定在50%左右，研发费用占比在15%左右，运营利润率上升至30%以上。
制造-封装测试
封装测试是芯片产业链中的后续环节，包括芯片封装、测试、打标、排序等过程。根据CINNO Research 的报告，2022 年上半年全球半导体封测(OSAT) 前十大厂商市场营收增至约 175 亿美元，同比增加约 16.7%。其中，日月光控股 (ASE) 营业收入同比增长约 27.1%，位居第一。
数据来源：CINNO Research
代表公司：日月光控股 (ASE)
2023年2月21日市值：147亿美元
日月光控股是全球最大的封装与测试服务供应商之一，主要为半导体设计公司和晶圆制造厂提供封装和测试服务。该公司成立于1987年，总部位于台湾新竹市，目前在亚洲、美洲和欧洲拥有多个制造基地和客户服务中心。其封装和测试服务范围涵盖从功率半导体器件到微处理器和存储器等多种产品。
该公司的主要业务包括前段封装、后段封装和测试。前段封装涵盖了晶圆级封装和芯片级封装，后段封装则包括多种型号的塑封、陶瓷封装和金属封装。测试方面则涵盖了逻辑IC、存储器、模拟和射频器件等多种产品的测试。此外，公司还提供芯片设计服务和先进封装研发等增值服务。
营收方面，日月光控股 (ASE) 2022年营收6708.73亿新台币，同比增长18%，毛利率20%。
数据来源：ASE财报 制图：数据猿
从2019-2022财年的主要财务指标来看，研发费用占比稳定在4%，收入增速在15-20%之间，毛利率基本在20%左右，营业利润率在10%左右。
综合以上各产业链节点的分析，我们可以得出如下结论：
1、2020年以来芯片市场发展强劲，产业链上的各环节均出现显著增长。其中，设计与生产环节尤其受益，英伟达的增速高达61%，台积电、中芯国际的增速也在40%左右。
从各公司的最新营收水平来看，台积电遥遥领先。台积电（2022年）营收高达758.81亿美元，英伟达（2021年）269.74亿美元，阿斯麦（2022年）ASML 226.5亿美元，中芯国际（2021年）营收约52亿美元，日月光控股（2022年）营收约195亿美元。
制图：数据猿
2、在毛利率方面，阿斯麦ASML、英伟达、台积电的毛利率远超中芯国际与日月光控股。这也说明高产值环节的毛利率水平较好，而中芯国际虽然也处于高产值的生产环节，但是由于产品在技术节点上还属于比较低端的，因此，毛利率水平偏低。日月光控股处于封测环节，毛利率仅20%。
3、 在全球光刻机市场，ASML独占鳌头，ASML日前在2022年度财报中表示，2030年之后，将有望实现NA高于0.7(Hyper-NA)的EUV光刻机。
4、各方数据均再一次说明，台积电在生产领域的绝对领先地位。根据Gartner的报告，台积电和三星是唯一拥有10nm以下先进技术的公司，2021年台积电以53%的市场份额引领市场，其次是三星（18%）。从这个角度来看，台积电已成为兵家必争之地。
关于芯片的战略意义
对于中国来说，在芯片产业的全产业链进行布局，尤其是设计与生产的工具这两个环节，虽然任重而道远，但又是势在必行的。这不仅仅是因为商业价值，其中的战略意义更为重大。
根据美国半导体工业协会（SIA）2021年《行业现状》报告，在逻辑芯片（CPU、DSP等）产能方面，中国大陆在45nm以上占23%，美国9%，中国台湾31%，韩国10%，日本13%，欧洲6%，其他7%；28-45nm里，中国大陆占19%，美国6%，中国台湾47%，韩国6%，日本5%，欧洲4%，其他13%；10-22nm里，中国大陆占3%，美国43%，中国台湾28%，韩国5%，欧洲12%，其他9%；10nm以下只有中国台湾（92%）和韩国（8%）。
制图：数据猿
毋庸置疑，在不同技术水平的芯片里，最抓眼球的肯定是10nm以下的，尤其是5nm以下的。
美国总统拜登在2022年签署《芯片和科学法案》，将在五年内投资超过2000亿美元来帮助美国重新获得半导体芯片制造领域的领先地位。
该法案提供520亿美元的补贴及约240亿美元的投资税收减免，投资超过1700亿美元推动科技研发，意在增强美国半导体产业链的完整性与增强国际竞争力。
值得注意的是，该法案也表明禁止获得资助的公司在中国投资先进制程芯片，为期十年，尤其是14纳米以下的先进制造。
韩国产业经济与贸易研究院（KIET）的报告指出，美国芯片法案的最终目的是在经济、军事以及科技领域上压倒中国。
2023年1月24日，《欧洲芯片法案》正式通过。根据最新的《欧洲芯片法案》草案及修正案内容显示，其芯片战略主要围绕五大目标：
一、强化欧盟在研究和技术层面的领导地位；
二、建立并强化欧盟在先进、节能和安全芯片设计、制造和封装方面的创新能力，并将其转化为商业产品；
三、建立一个适当的框架，到2030年大幅提高芯片生产能力（在全球半导体产能中的份额提高到20%），减少对外依赖；
四、解决严重的技能短缺问题，吸引创新人才并支持熟练劳动力的培养；
五、加深对全球半导体供应链的了解。
当前，芯片行业正在经历一场结构性转型，其驱动力是：
1、五大超级大国加速了万物的数字化：计算、无处不在的连接、云到边缘的基础设施、人工智能和传感。
2、计算机架构的代际转变：从SoC到小芯片的转变，芯片对工作负载的定制增加，以及指令集的多样化。
3、原始设备制造商和CSP与芯片制造的垂直整合。
4、增加先进节点技术的研发成本和产能。
5、地缘政治问题凸显了供应链风险。
这些转型趋势正在推动由移动、计算和汽车应用驱动的前沿先进节点的半导体市场显著增长。同时，COVID-19大流行和地缘政治问题凸显了世界对半导体的依赖以及支撑该行业的供应链的脆弱。
文：七七 / 数据猿
