开源刘翔团队|后摩尔时代的投资机会,关注新集成、新材料、新架构
（以下内容从开源证券《开源刘翔团队|后摩尔时代的投资机会,关注新集成、新材料、新架构》研报附件原文摘录）
报告摘要 摩尔定律放缓，后摩尔时代来临。中共中央政治局委员、国务院副总理、国家科技体制改革和创新体系建设领导小组组长刘鹤主持召开国家科技体制改革和创新体系建设领导小组第十八次会议，讨论了面向后摩尔时代的集成电路潜在颠覆性技术。摩尔定律：集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过18个月便会增加一倍。换言之，处理器的性能每隔两年翻一倍。然而近些年，随着芯片工艺不断演进，硅的工艺发展趋近于其物理瓶颈，晶体管再变小变得愈加困难，成本也愈加高昂，因此摩尔定律逐渐放缓。同时，随着5G及物联网的进一步发展，接入网络的设备越来越多，对于算力及存储的需求迅速提升，以硅为主体的经典晶体管很难维持集成电路产业的持续发展，后摩尔时代到来。 后摩尔时代的创新，关注新集成、新材料、新架构。新集成：摩尔定律发展受限，先进封装因能同时提高产品功能和降低成本是主流发展方向，通过小型化和高集成实现终端电子产品的轻薄短小、低功耗等功能，降低厂商成本。据Yole预测，先进封装规模预计保持较高增速，2018-2024年CAGR达8%，2024年规模440亿美元，高于传统封装的2.4%复合增速。新架构：RISC-V推动指令集架构创新。而异构计算是将不同的任务分配给对应的芯片进行处理，能够充分发挥不同计算平台的优势以提升计算效率（如让CPU从事管理和调度，而将计算交给运算能力更强的GPU），随着AI技术的发展，异构架构已得到了广泛的应用，前景广阔。新材料：与第一代半导体Si、Ge相比，第二代及第三代半导体材料具有高频、高功率、耐高压、耐高温、抗辐射等特性。根据Yole development的预测，全球GaN射频器件市场规模将从2019年7.4亿美元达到2025年20亿美元，CAGR约12%；全球SiC功率器件市场规模从2018年3.7亿美元到2025年超25亿美元，高速增长。未来SiC将会取代Si作为大部分功率器件的材料，同时射频器件对GaAs、GaN等新材料需求较大，射频前端器件市场广阔，在后摩尔定律时代，是我国反超世界先进水平的绝佳机会。 后摩尔时代，先进封装、第三代半导体等领域机会较大。在后摩尔时代，先进封装、特色工艺、第二代及三代半导体等领域我们认为将获得较大发展机遇。受益标的：先进封装：长电科技、通富微电、华天科技、晶方科技；特色工艺：中芯国际、华虹半导体、华润微、士兰微；第二代及第三代半导体：立昂微、三安光电、华润微、闻泰科技；半导体设备：北方华创、中微公司、华峰测控、长川科技、万业企业、芯源微。 风险提示：架构创新应用不及预期、中美贸易摩擦加剧、半导体需求不及预期、国产替代不及预期。 目录 1 摩尔定律放缓，后摩尔时代来临 2 后摩尔时代的创新，关注新集成、新材料、新架构 2.1、 新集成：从平面转为三维，先进封装前景广阔 2.2、 新架构：提升计算效率 2.3、 新材料：更高性能，未来将高速成长 3 后摩尔时代，先进封装、第三代半导体等领域机会较大 4 风险提示 正文 1 摩尔定律放缓，后摩尔时代来临 国家科技体制改革和创新体系建设领导小组第十八次会议5月14日在北京召开。会议要求，要高质量做好“十四五”国家科技创新规划编制工作，聚焦“四个面向”，坚持问题导向，着力补齐短板，注重夯实基础，做好战略布局，强化落实举措。中共中央政治局委员、国务院副总理、国家科技体制改革和创新体系建设领导小组组长刘鹤还组织专题讨论了面向后摩尔时代的集成电路潜在颠覆性技术。 后摩尔定律是根据摩尔定律提出的，摩尔定律是英特尔创始人之一戈登·摩尔的经验之谈，其核心内容为：集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过18个月便会增加一倍。换言之，处理器的性能每隔两年翻一倍。 然而近些年，随着芯片工艺不断演进，硅的工艺发展趋近于其物理瓶颈，晶体管再变小变得愈加困难。 一方面，技术难度迅速加大。目前最新的制程工艺节点为5nm，使用的是FinFET（鳍式场效应晶体管）技术，而再往下的制程，将不得不使用GAAFET（Gate-All-Around，闸极环绕场效应晶体管）等新技术，这对于芯片制造厂商来说，是一项不小的挑战。对于决定制程突破关键的上游设备厂商来说，5nm以下的制程对设备的要求也极高，以光刻机为例，荷兰ASML是全球唯一有能力制造EUV光刻机的厂商，而面向3nm及更先进的工艺，芯片制造商将需要一种称为高数值孔径EUV（high-NA EUV）的EUV光刻新技术。据ASML年报披露正在研发的下一代采用high-NA技术光刻机大约在2024年前后量产。 另一方面，由于随着技术节点的不断缩小，集成电路制造设备的资本投入越来越高。在摩尔定律的推动下，元器件集成度的大幅提高要求集成电路线宽不断缩小，导致生产技术与制造工序愈为复杂，制造成本呈指数级上升趋势。当技术节点向5 纳米甚至更小的方向升级时，普通光刻机受其波长的限制，其精度已无法满足工艺要求。因此，集成电路的制造需要采用昂贵的极紫外光刻机，或采用多重模板工艺，重复多次薄膜沉积和刻蚀工序以实现更小的线宽，使得薄膜沉积和刻蚀次数显著增加，意味着集成电路制造企业需要投入更多且更先进的光刻机、刻蚀设备和薄膜沉积设备等，造成巨额的设备投入。以5纳米技术节点为例，其投资成本高达数百亿美元，是14纳米的两倍以上，28纳米的四倍左右。巨额的设备投入只有具备一定规模的头部集成电路制造厂商可以负担。 因上述原因，摩尔定律逐渐放缓，同时，随着5G及物联网的进一步发展，接入网络的设备越来越多，对于算力及存储的需求迅速提升，以硅为主体的经典晶体管很难维持集成电路产业的持续发展，后摩尔时代到来。因此不仅我国于5月14号讨论了后摩尔时代的关键技术，美国也早在2016年就部署了“后摩尔时代”创新支持、并在2017年启动“后摩尔时代”电子复兴计划，欧盟在2018年也提出了“后摩尔时代半导体增值策略”。 2 后摩尔时代的创新，关注新集成、新材料、新架构 未来集成电路的长期演进有三种主流的路线：More Moore（使用创新半导体制造工艺缩小数字集成电路的特征尺寸）、More than Moore（在系统集成方式上创新，系统性能提升不再靠单纯的晶体管特征尺寸缩小，而是更多地靠电路设计以及系统算法优化）、Beyond CMOS（使用CMOS以外的新器件提升集成电路性能）。 前面我们已经提到，目前MoreMoore（使用创新半导体制造工艺缩小数字集成电路的特征尺寸）技术上难度较高，而且从成本上也较高。因此将更多采用More than Moore（在系统集成方式上创新，系统性能提升不再靠单纯的晶体管特征尺寸缩小，而是更多地靠电路设计以及系统算法优化）及Beyond CMOS（使用CMOS以外的新器件提升集成电路性能）来进行突破。 More than Moore主要是通过新集成（如3D封装、SiP等先进封装）及新架构（如以RISC-V为代表的开放指令集将取代传统芯片设计模式，更高效应对快速迭代、定制化与碎片化的芯片需求）来进行突破。 Beyond CMOS主要是以除了硅以外的第二代半导体（GaAs）、第三代半导体（GaN、SiC）等新材料来进行突破。 2.1、新集成：从平面转为三维，先进封装前景广阔 摩尔定律发展受限，先进封装因能同时提高产品功能和降低成本是主流发展方向： （1）小型化：3D封装首先突破传统的平面封装的概念，通过单个封装体内多次堆叠，实现了存储容量的倍增，进而提高芯片面积与封装面积的比值。 （2）高集成：系统级封装SiP能实现数字和非数字功能、硅和非硅材料、CMOS和非CMOS电路等光电、MEMS、生物芯片等集成在一个封装内，完成子系统或系统，在不单纯依赖半导体工艺缩小的情况下，提高集成度，以实现终端电子产品的轻薄短小、低功耗等功能，同时降低厂商成本。 半导体封装技术发展大致分为四个阶段，芯片封装目前处于第三阶段成熟期，正向第四阶段演进。全球封装技术的主流处于第三代的成熟期，主要是CSP、BGA封装技术，目前封测行业正在经历从传统封装（SOT、QFN、BGA等）向先进封装（FC、FIWLP、FOWLP、TSV、SIP等）的转型。 先进封装技术未来发展方向朝着两大板块演进。先进封装技术与传统封装技术以是否焊线来区分，先进封装主要有倒装芯片(FC)结构的封装、晶圆级封装(WLP)、2.5D封装、3D封装等。未来发展方向：一个是以晶圆级芯片封装WLCSP(Fan-In WLP、Fan-out WLP等)，在更小的封装面积下容纳更多的引脚数;另一方向是系统级芯片封装(SiP)，封装整合多种功能芯片于一体，压缩模块体积，提升芯片系统整体功能性和灵活性。 更高集成度的广泛需求，以及5G、消费电子、物联网、人工智能和高性能计算等大趋势的推动，先进封装规模预计保持较高增速。据Yole数据，先进封装在2018-2024年间，预计将以8%的CAGR成长，到2024年达到近440亿美元。在同一时期，传统封装市场规模预计仅以2.4%的CAGR成长，而整个IC封装产业市场规模CAGR约为5%。 其中主流先进封装技术渗透领域广泛，预计CAGR超26%。随着智能驾驶、AIOT、数据中心及5G等市场的成熟，Yole预计2.5D/3DTSV技术、FanOut技术、ED等主流先进封装技术的市场规模将保持高速增长，2018-2024年CAGR分别达26%、26%、49%。 中国先进封装市场产值全球占比较低，但是占比稳步提升，国内大陆封测厂技术平台已经基本和海外厂商同步。我国的封装业起步早、发展快，但是主要以传统封装产品为主，近年来国内厂商通过并购，快速积累先进封装技术，技术平台已经基本和海外厂商同步，WLCSP、SiP、TVS等先进封装技术已经实现量产，2015-2019年先进封装占全球比例逐渐提升。 2.2、新架构：提升计算效率 指令集架构是CPU用来控制和计算指令的一种规范，所有采用高级语言编出的程序，都需要翻译（编译或解释）成为机器语言后才能运行，这些机器语言中所包含的就是一条条的指令。每一种新型的CPU在设计时就规定了一系列与其他硬件电路相配合的指令系统，而指令集的先进与否，也关系到CPU的性能发挥，因为指令系统决定了一个CPU能够运行什么样的程序。打个比方，表达同一个意思用汉语的字数通常少于用英语的单词数，如果某人读一个汉字的速度等于另一个读一个英语单词的速度，那么理解同一句话，读汉字的人花的时间就更少。 RISC-V推动指令集架构创新。RISC-V指令集完全开源，设计简单，易于移植Unix系统，模块化设计，完整工具链，同时有大量的开源实现和流片案例，得到很多芯片公司的认可，英伟达的GPU也使用了RSIC-V内核，组成了异构计算单元。以RISC-V为代表的开放指令集及其相应的开源SoC芯片设计、高级抽象硬件描述语言和基于IP的模板化芯片设计方法，将取代传统芯片设计模式，更高效应对快速迭代、定制化与碎片化的芯片需求。目前RISC-V适用于现代云计算、智能手机和小型嵌入式系统，未来有望成为和X86、ARM比肩的重要架构。 异构计算（CPU+GPU、CPU+FPGA、CPU+ASIC等）是将不同的任务分配给对应的芯片进行处理，能够充分发挥不同计算平台的优势以提升计算效率（例如让CPU从事管理和调度，而将计算交给运算能力更强的GPU），随着AI技术的发展（尤其是CUDA等技术的出现），异构架构目前已经得到了较为广泛的应用。2021年3月ARM推出指令集更新ArmV9，完全兼容前代V8，同时以安全性、AI性能、矢量计算拓展三大优势实现下游应用的从端到云，从高能效到高性能的全面覆盖。在异构计算时代，采用Arm指令集的Cortex A系列IP核相较于X86指令集的IP核具有先发优势，英特尔直到2019年才推出同时使用SunnyCove大核和TreMont小核的LakeField异构处理器。同时，存算一体架构将原有的以计算为中心的架构转变为以数据为中心的架构，消除了冯诺依曼架构的瓶颈，适合于后摩尔时代如AI深度学习等大容量大规模并行计算的场景，前景广阔。 2.3、新材料：更高性能，未来将高速成长 Beyond CMOS主要是以除了硅以外的第二代半导体（GaAs）、第三代半导体（GaN、SiC）等新材料来进行突破。 半导体材料的发展分三个阶段： 第一阶段是以硅（Si）、锗（Ge）为代表的第一代半导体原料； 第二阶段是以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等化合物为代表； 第三阶段是以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、硒化锌（ZnSe）等宽带半导体原料为主。 第三代半导体材料具有高频、高效、高功率、耐高压、耐高温、抗辐射等特性，可以实现更好电子浓度和运动控制，特别是在苛刻条件下备受青睐，在5G、新能源汽车、消费电子、新一代显示、航空航天等领域有重要应用。 第二代及第三代半导体市场规模将保持高速增长。根据Yole development的预测，全球GaN射频器件市场规模将从2019年的7.4亿美元达到2025年的20亿美元，CAGR约12%；全球SiC功率器件市场规模2018年为3.7亿美元，而预计2025年将超过25亿美元，2019-2025年CARG约30%。 未来我们判断SiC将主要应用在功率半导体上，SiC将会取代Si作为大部分功率器件的材料，但数字芯片SiC不适合对Si进行替代。射频前端器件一般使用成熟制程，对GaAs、GaN等新材料、新工艺的需求较大，未来在5G进一步发展和万物互联的趋势下，射频前端器件意义重大、市场广阔，在后摩尔定律时代，是我国反超世界先进水平的绝佳机会。 3 后摩尔时代，先进封装、第三代半导体等领域机会较大 在后摩尔时代，先进封装、特色工艺、第二代及三代半导体等领域我们认为将会获得较大的发展机遇。 基于以上分析，我们认为受益标的：先进封装：长电科技、通富微电、华天科技、晶方科技；特色工艺：中芯国际、华虹半导体、华润微、士兰微；第二代及第三代半导体：立昂微、三安光电、华润微、闻泰科技；半导体设备：北方华创、中微公司、华峰测控、长川科技、万业企业、芯源微。 4 风险提示 架构创新应用不及预期、中美贸易摩擦加剧、半导体需求不及预期、国产替代不及预期。 研究报告信息： 刘翔（分析师） 罗通（联系人） liuxiang2@kysec.cn 证书编号：S0790520070002 luotong@kysec.cn 证书编号：S0790120070043 对外发布时间：2021年05月22日 开源电子首席介绍 刘翔，开源证券研究所副所长、电子行业首席分析，浙江大学学士、中科院硕士，4年半导体行业工作经验、10年证券研究经验，多年大满贯分析师（新财富最佳分析师、水晶球最佳分析师、金牛奖最佳分析师、金麒麟最佳分析师等）。曾先后任职于MStar(晨星)半导体、联发科（上海、新竹）、第一创业证券、国信证券、 太平洋证券，参与过北斗卫星规划与设计、数字电视主芯片及手机基带芯片的核心研发；主持设计的 DisplayPort芯片年出货量位居全球首位。 法律声明 开源证券股份有限公司是经中国证监会批准设立的证券经营机构，已具备证券投资咨询业务资格。 本报告仅供开源证券股份有限公司（以下简称“本公司”）的机构或个人客户（以下简称“客户”）使用。本公司不会因接收人收到本报告而视其为客户。本报告是发送给开源证券客户的，属于机密材料，只有开源证券客户才能参考或使用，如接收人并非开源证券客户，请及时退回并删除。 本报告是基于本公司认为可靠的已公开信息，但本公司不保证该等信息的准确性或完整性。本报告所载的资料、工具、意见及推测只提供给客户作参考之用，并非作为或被视为出售或购买证券或其他金融工具的邀请或向人做出邀请。本报告所载的资料、意见及推测仅反映本公司于发布本报告当日的判断，本报告所指的证券或投资标的的价格、价值及投资收入可能会波动。在不同时期，本公司可发出与本报告所载资料、意见及推测不一致的报告。客户应当考虑到本公司可能存在可能影响本报告客观性的利益冲突，不应视本报告为做出投资决策的唯一因素。本报告中所指的投资及服务可能不适合个别客户，不构成客户私人咨询建议。本公司未确保本报告充分考虑到个别客户特殊的投资目标、财务状况或需要。本公司建议客户应考虑本报告的任何意见或建议是否符合其特定状况，以及（若有必要）咨询独立投资顾问。在任何情况下，本报告中的信息或所表述的意见并不构成对任何人的投资建议。在任何情况下，本公司不对任何人因使用本报告中的任何内容所引致的任何损失负任何责任。若本报告的接收人非本公司的客户，应在基于本报告做出任何投资决定或就本报告要求任何解释前咨询独立投资顾问。 本报告可能附带其它网站的地址或超级链接，对于可能涉及的开源证券网站以外的地址或超级链接，开源证券不对其内容负责。本报告提供这些地址或超级链接的目的纯粹是为了客户使用方便，链接网站的内容不构成本报告的任何部分，客户需自行承担浏览这些网站的费用或风险。 开源证券在法律允许的情况下可参与、投资或持有本报告涉及的证券或进行证券交易，或向本报告涉及的公司提供或争取提供包括投资银行业务在内的服务或业务支持。开源证券可能与本报告涉及的公司之间存在业务关系，并无需事先或在获得业务关系后通知客户。 本报告的版权归本公司所有。本公司对本报告保留一切权利。除非另有书面显示，否则本报告中的所有材料的版权均属本公司。未经本公司事先书面授权，本报告的任何部分均不得以任何方式制作任何形式的拷贝、复印件或复制品，或再次分发给任何其他人，或以任何侵犯本公司版权的其他方式使用。所有本报告中使用的商标、服务标记及标记均为本公司的商标、服务标记及标记。
报告摘要 摩尔定律放缓，后摩尔时代来临。中共中央政治局委员、国务院副总理、国家科技体制改革和创新体系建设领导小组组长刘鹤主持召开国家科技体制改革和创新体系建设领导小组第十八次会议，讨论了面向后摩尔时代的集成电路潜在颠覆性技术。摩尔定律：集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过18个月便会增加一倍。换言之，处理器的性能每隔两年翻一倍。然而近些年，随着芯片工艺不断演进，硅的工艺发展趋近于其物理瓶颈，晶体管再变小变得愈加困难，成本也愈加高昂，因此摩尔定律逐渐放缓。同时，随着5G及物联网的进一步发展，接入网络的设备越来越多，对于算力及存储的需求迅速提升，以硅为主体的经典晶体管很难维持集成电路产业的持续发展，后摩尔时代到来。 后摩尔时代的创新，关注新集成、新材料、新架构。新集成：摩尔定律发展受限，先进封装因能同时提高产品功能和降低成本是主流发展方向，通过小型化和高集成实现终端电子产品的轻薄短小、低功耗等功能，降低厂商成本。据Yole预测，先进封装规模预计保持较高增速，2018-2024年CAGR达8%，2024年规模440亿美元，高于传统封装的2.4%复合增速。新架构：RISC-V推动指令集架构创新。而异构计算是将不同的任务分配给对应的芯片进行处理，能够充分发挥不同计算平台的优势以提升计算效率（如让CPU从事管理和调度，而将计算交给运算能力更强的GPU），随着AI技术的发展，异构架构已得到了广泛的应用，前景广阔。新材料：与第一代半导体Si、Ge相比，第二代及第三代半导体材料具有高频、高功率、耐高压、耐高温、抗辐射等特性。根据Yole development的预测，全球GaN射频器件市场规模将从2019年7.4亿美元达到2025年20亿美元，CAGR约12%；全球SiC功率器件市场规模从2018年3.7亿美元到2025年超25亿美元，高速增长。未来SiC将会取代Si作为大部分功率器件的材料，同时射频器件对GaAs、GaN等新材料需求较大，射频前端器件市场广阔，在后摩尔定律时代，是我国反超世界先进水平的绝佳机会。 后摩尔时代，先进封装、第三代半导体等领域机会较大。在后摩尔时代，先进封装、特色工艺、第二代及三代半导体等领域我们认为将获得较大发展机遇。受益标的：先进封装：长电科技、通富微电、华天科技、晶方科技；特色工艺：中芯国际、华虹半导体、华润微、士兰微；第二代及第三代半导体：立昂微、三安光电、华润微、闻泰科技；半导体设备：北方华创、中微公司、华峰测控、长川科技、万业企业、芯源微。 风险提示：架构创新应用不及预期、中美贸易摩擦加剧、半导体需求不及预期、国产替代不及预期。 目录 1 摩尔定律放缓，后摩尔时代来临 2 后摩尔时代的创新，关注新集成、新材料、新架构 2.1、 新集成：从平面转为三维，先进封装前景广阔 2.2、 新架构：提升计算效率 2.3、 新材料：更高性能，未来将高速成长 3 后摩尔时代，先进封装、第三代半导体等领域机会较大 4 风险提示 正文 1 摩尔定律放缓，后摩尔时代来临 国家科技体制改革和创新体系建设领导小组第十八次会议5月14日在北京召开。会议要求，要高质量做好“十四五”国家科技创新规划编制工作，聚焦“四个面向”，坚持问题导向，着力补齐短板，注重夯实基础，做好战略布局，强化落实举措。中共中央政治局委员、国务院副总理、国家科技体制改革和创新体系建设领导小组组长刘鹤还组织专题讨论了面向后摩尔时代的集成电路潜在颠覆性技术。 后摩尔定律是根据摩尔定律提出的，摩尔定律是英特尔创始人之一戈登·摩尔的经验之谈，其核心内容为：集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过18个月便会增加一倍。换言之，处理器的性能每隔两年翻一倍。 然而近些年，随着芯片工艺不断演进，硅的工艺发展趋近于其物理瓶颈，晶体管再变小变得愈加困难。 一方面，技术难度迅速加大。目前最新的制程工艺节点为5nm，使用的是FinFET（鳍式场效应晶体管）技术，而再往下的制程，将不得不使用GAAFET（Gate-All-Around，闸极环绕场效应晶体管）等新技术，这对于芯片制造厂商来说，是一项不小的挑战。对于决定制程突破关键的上游设备厂商来说，5nm以下的制程对设备的要求也极高，以光刻机为例，荷兰ASML是全球唯一有能力制造EUV光刻机的厂商，而面向3nm及更先进的工艺，芯片制造商将需要一种称为高数值孔径EUV（high-NA EUV）的EUV光刻新技术。据ASML年报披露正在研发的下一代采用high-NA技术光刻机大约在2024年前后量产。 另一方面，由于随着技术节点的不断缩小，集成电路制造设备的资本投入越来越高。在摩尔定律的推动下，元器件集成度的大幅提高要求集成电路线宽不断缩小，导致生产技术与制造工序愈为复杂，制造成本呈指数级上升趋势。当技术节点向5 纳米甚至更小的方向升级时，普通光刻机受其波长的限制，其精度已无法满足工艺要求。因此，集成电路的制造需要采用昂贵的极紫外光刻机，或采用多重模板工艺，重复多次薄膜沉积和刻蚀工序以实现更小的线宽，使得薄膜沉积和刻蚀次数显著增加，意味着集成电路制造企业需要投入更多且更先进的光刻机、刻蚀设备和薄膜沉积设备等，造成巨额的设备投入。以5纳米技术节点为例，其投资成本高达数百亿美元，是14纳米的两倍以上，28纳米的四倍左右。巨额的设备投入只有具备一定规模的头部集成电路制造厂商可以负担。 因上述原因，摩尔定律逐渐放缓，同时，随着5G及物联网的进一步发展，接入网络的设备越来越多，对于算力及存储的需求迅速提升，以硅为主体的经典晶体管很难维持集成电路产业的持续发展，后摩尔时代到来。因此不仅我国于5月14号讨论了后摩尔时代的关键技术，美国也早在2016年就部署了“后摩尔时代”创新支持、并在2017年启动“后摩尔时代”电子复兴计划，欧盟在2018年也提出了“后摩尔时代半导体增值策略”。 2 后摩尔时代的创新，关注新集成、新材料、新架构 未来集成电路的长期演进有三种主流的路线：More Moore（使用创新半导体制造工艺缩小数字集成电路的特征尺寸）、More than Moore（在系统集成方式上创新，系统性能提升不再靠单纯的晶体管特征尺寸缩小，而是更多地靠电路设计以及系统算法优化）、Beyond CMOS（使用CMOS以外的新器件提升集成电路性能）。 前面我们已经提到，目前MoreMoore（使用创新半导体制造工艺缩小数字集成电路的特征尺寸）技术上难度较高，而且从成本上也较高。因此将更多采用More than Moore（在系统集成方式上创新，系统性能提升不再靠单纯的晶体管特征尺寸缩小，而是更多地靠电路设计以及系统算法优化）及Beyond CMOS（使用CMOS以外的新器件提升集成电路性能）来进行突破。 More than Moore主要是通过新集成（如3D封装、SiP等先进封装）及新架构（如以RISC-V为代表的开放指令集将取代传统芯片设计模式，更高效应对快速迭代、定制化与碎片化的芯片需求）来进行突破。 Beyond CMOS主要是以除了硅以外的第二代半导体（GaAs）、第三代半导体（GaN、SiC）等新材料来进行突破。 2.1、新集成：从平面转为三维，先进封装前景广阔 摩尔定律发展受限，先进封装因能同时提高产品功能和降低成本是主流发展方向： （1）小型化：3D封装首先突破传统的平面封装的概念，通过单个封装体内多次堆叠，实现了存储容量的倍增，进而提高芯片面积与封装面积的比值。 （2）高集成：系统级封装SiP能实现数字和非数字功能、硅和非硅材料、CMOS和非CMOS电路等光电、MEMS、生物芯片等集成在一个封装内，完成子系统或系统，在不单纯依赖半导体工艺缩小的情况下，提高集成度，以实现终端电子产品的轻薄短小、低功耗等功能，同时降低厂商成本。 半导体封装技术发展大致分为四个阶段，芯片封装目前处于第三阶段成熟期，正向第四阶段演进。全球封装技术的主流处于第三代的成熟期，主要是CSP、BGA封装技术，目前封测行业正在经历从传统封装（SOT、QFN、BGA等）向先进封装（FC、FIWLP、FOWLP、TSV、SIP等）的转型。 先进封装技术未来发展方向朝着两大板块演进。先进封装技术与传统封装技术以是否焊线来区分，先进封装主要有倒装芯片(FC)结构的封装、晶圆级封装(WLP)、2.5D封装、3D封装等。未来发展方向：一个是以晶圆级芯片封装WLCSP(Fan-In WLP、Fan-out WLP等)，在更小的封装面积下容纳更多的引脚数;另一方向是系统级芯片封装(SiP)，封装整合多种功能芯片于一体，压缩模块体积，提升芯片系统整体功能性和灵活性。 更高集成度的广泛需求，以及5G、消费电子、物联网、人工智能和高性能计算等大趋势的推动，先进封装规模预计保持较高增速。据Yole数据，先进封装在2018-2024年间，预计将以8%的CAGR成长，到2024年达到近440亿美元。在同一时期，传统封装市场规模预计仅以2.4%的CAGR成长，而整个IC封装产业市场规模CAGR约为5%。 其中主流先进封装技术渗透领域广泛，预计CAGR超26%。随着智能驾驶、AIOT、数据中心及5G等市场的成熟，Yole预计2.5D/3DTSV技术、FanOut技术、ED等主流先进封装技术的市场规模将保持高速增长，2018-2024年CAGR分别达26%、26%、49%。 中国先进封装市场产值全球占比较低，但是占比稳步提升，国内大陆封测厂技术平台已经基本和海外厂商同步。我国的封装业起步早、发展快，但是主要以传统封装产品为主，近年来国内厂商通过并购，快速积累先进封装技术，技术平台已经基本和海外厂商同步，WLCSP、SiP、TVS等先进封装技术已经实现量产，2015-2019年先进封装占全球比例逐渐提升。 2.2、新架构：提升计算效率 指令集架构是CPU用来控制和计算指令的一种规范，所有采用高级语言编出的程序，都需要翻译（编译或解释）成为机器语言后才能运行，这些机器语言中所包含的就是一条条的指令。每一种新型的CPU在设计时就规定了一系列与其他硬件电路相配合的指令系统，而指令集的先进与否，也关系到CPU的性能发挥，因为指令系统决定了一个CPU能够运行什么样的程序。打个比方，表达同一个意思用汉语的字数通常少于用英语的单词数，如果某人读一个汉字的速度等于另一个读一个英语单词的速度，那么理解同一句话，读汉字的人花的时间就更少。 RISC-V推动指令集架构创新。RISC-V指令集完全开源，设计简单，易于移植Unix系统，模块化设计，完整工具链，同时有大量的开源实现和流片案例，得到很多芯片公司的认可，英伟达的GPU也使用了RSIC-V内核，组成了异构计算单元。以RISC-V为代表的开放指令集及其相应的开源SoC芯片设计、高级抽象硬件描述语言和基于IP的模板化芯片设计方法，将取代传统芯片设计模式，更高效应对快速迭代、定制化与碎片化的芯片需求。目前RISC-V适用于现代云计算、智能手机和小型嵌入式系统，未来有望成为和X86、ARM比肩的重要架构。 异构计算（CPU+GPU、CPU+FPGA、CPU+ASIC等）是将不同的任务分配给对应的芯片进行处理，能够充分发挥不同计算平台的优势以提升计算效率（例如让CPU从事管理和调度，而将计算交给运算能力更强的GPU），随着AI技术的发展（尤其是CUDA等技术的出现），异构架构目前已经得到了较为广泛的应用。2021年3月ARM推出指令集更新ArmV9，完全兼容前代V8，同时以安全性、AI性能、矢量计算拓展三大优势实现下游应用的从端到云，从高能效到高性能的全面覆盖。在异构计算时代，采用Arm指令集的Cortex A系列IP核相较于X86指令集的IP核具有先发优势，英特尔直到2019年才推出同时使用SunnyCove大核和TreMont小核的LakeField异构处理器。同时，存算一体架构将原有的以计算为中心的架构转变为以数据为中心的架构，消除了冯诺依曼架构的瓶颈，适合于后摩尔时代如AI深度学习等大容量大规模并行计算的场景，前景广阔。 2.3、新材料：更高性能，未来将高速成长 Beyond CMOS主要是以除了硅以外的第二代半导体（GaAs）、第三代半导体（GaN、SiC）等新材料来进行突破。 半导体材料的发展分三个阶段： 第一阶段是以硅（Si）、锗（Ge）为代表的第一代半导体原料； 第二阶段是以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等化合物为代表； 第三阶段是以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、硒化锌（ZnSe）等宽带半导体原料为主。 第三代半导体材料具有高频、高效、高功率、耐高压、耐高温、抗辐射等特性，可以实现更好电子浓度和运动控制，特别是在苛刻条件下备受青睐，在5G、新能源汽车、消费电子、新一代显示、航空航天等领域有重要应用。 第二代及第三代半导体市场规模将保持高速增长。根据Yole development的预测，全球GaN射频器件市场规模将从2019年的7.4亿美元达到2025年的20亿美元，CAGR约12%；全球SiC功率器件市场规模2018年为3.7亿美元，而预计2025年将超过25亿美元，2019-2025年CARG约30%。 未来我们判断SiC将主要应用在功率半导体上，SiC将会取代Si作为大部分功率器件的材料，但数字芯片SiC不适合对Si进行替代。射频前端器件一般使用成熟制程，对GaAs、GaN等新材料、新工艺的需求较大，未来在5G进一步发展和万物互联的趋势下，射频前端器件意义重大、市场广阔，在后摩尔定律时代，是我国反超世界先进水平的绝佳机会。 3 后摩尔时代，先进封装、第三代半导体等领域机会较大 在后摩尔时代，先进封装、特色工艺、第二代及三代半导体等领域我们认为将会获得较大的发展机遇。 基于以上分析，我们认为受益标的：先进封装：长电科技、通富微电、华天科技、晶方科技；特色工艺：中芯国际、华虹半导体、华润微、士兰微；第二代及第三代半导体：立昂微、三安光电、华润微、闻泰科技；半导体设备：北方华创、中微公司、华峰测控、长川科技、万业企业、芯源微。 4 风险提示 架构创新应用不及预期、中美贸易摩擦加剧、半导体需求不及预期、国产替代不及预期。 研究报告信息： 刘翔（分析师） 罗通（联系人） liuxiang2@kysec.cn 证书编号：S0790520070002 luotong@kysec.cn 证书编号：S0790120070043 对外发布时间：2021年05月22日 开源电子首席介绍 刘翔，开源证券研究所副所长、电子行业首席分析，浙江大学学士、中科院硕士，4年半导体行业工作经验、10年证券研究经验，多年大满贯分析师（新财富最佳分析师、水晶球最佳分析师、金牛奖最佳分析师、金麒麟最佳分析师等）。曾先后任职于MStar(晨星)半导体、联发科（上海、新竹）、第一创业证券、国信证券、 太平洋证券，参与过北斗卫星规划与设计、数字电视主芯片及手机基带芯片的核心研发；主持设计的 DisplayPort芯片年出货量位居全球首位。 法律声明 开源证券股份有限公司是经中国证监会批准设立的证券经营机构，已具备证券投资咨询业务资格。 本报告仅供开源证券股份有限公司（以下简称“本公司”）的机构或个人客户（以下简称“客户”）使用。本公司不会因接收人收到本报告而视其为客户。本报告是发送给开源证券客户的，属于机密材料，只有开源证券客户才能参考或使用，如接收人并非开源证券客户，请及时退回并删除。 本报告是基于本公司认为可靠的已公开信息，但本公司不保证该等信息的准确性或完整性。本报告所载的资料、工具、意见及推测只提供给客户作参考之用，并非作为或被视为出售或购买证券或其他金融工具的邀请或向人做出邀请。本报告所载的资料、意见及推测仅反映本公司于发布本报告当日的判断，本报告所指的证券或投资标的的价格、价值及投资收入可能会波动。在不同时期，本公司可发出与本报告所载资料、意见及推测不一致的报告。客户应当考虑到本公司可能存在可能影响本报告客观性的利益冲突，不应视本报告为做出投资决策的唯一因素。本报告中所指的投资及服务可能不适合个别客户，不构成客户私人咨询建议。本公司未确保本报告充分考虑到个别客户特殊的投资目标、财务状况或需要。本公司建议客户应考虑本报告的任何意见或建议是否符合其特定状况，以及（若有必要）咨询独立投资顾问。在任何情况下，本报告中的信息或所表述的意见并不构成对任何人的投资建议。在任何情况下，本公司不对任何人因使用本报告中的任何内容所引致的任何损失负任何责任。若本报告的接收人非本公司的客户，应在基于本报告做出任何投资决定或就本报告要求任何解释前咨询独立投资顾问。 本报告可能附带其它网站的地址或超级链接，对于可能涉及的开源证券网站以外的地址或超级链接，开源证券不对其内容负责。本报告提供这些地址或超级链接的目的纯粹是为了客户使用方便，链接网站的内容不构成本报告的任何部分，客户需自行承担浏览这些网站的费用或风险。 开源证券在法律允许的情况下可参与、投资或持有本报告涉及的证券或进行证券交易，或向本报告涉及的公司提供或争取提供包括投资银行业务在内的服务或业务支持。开源证券可能与本报告涉及的公司之间存在业务关系，并无需事先或在获得业务关系后通知客户。 本报告的版权归本公司所有。本公司对本报告保留一切权利。除非另有书面显示，否则本报告中的所有材料的版权均属本公司。未经本公司事先书面授权，本报告的任何部分均不得以任何方式制作任何形式的拷贝、复印件或复制品，或再次分发给任何其他人，或以任何侵犯本公司版权的其他方式使用。所有本报告中使用的商标、服务标记及标记均为本公司的商标、服务标记及标记。
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