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数字经济核心科技深度报告:AI 5G是数字时代通用技术平台

核心层:数字经济发展的底层建筑

核心层的范畴及其经济含义

从宏观视角看,核心层是支撑数字经济发展的底层建筑。这个基座主要包括(1)体、 (2)信息技术(IT)、(3)通信技术、(4)智能硬件四个领域。在这一基座中,半导体 作为最本质的计算、存储硬件单元,发挥了砖瓦的作用,支撑数据处理功能的实现,生 产了更多可交互、有价值的数据信息。信息技术相当于基座的架构,通过软件手段赋能 核心层运转,决定了数据传递、价值创造的效率。通信技术是基座建筑中的连接管道, 在核心层中发挥信息传输载体的作用。智能硬件相当于核心层的“网络神经末梢”,通过 人机交互方式获取信息、展示信息,实现经济活动主体与核心层中数据信息的交互,或 是与其他硬件交互、收集新的数据。


具体而言,核心层技术迭代是数据特殊属性的根基。正是在核心层技术的不断迭代中, 才在软硬件层面实现了信息的存储、计算、传输成本的指数型下降,从而降低了数字经 济活动中的搜索成本、复制成本、传输成本、追踪成本和验证成本。而数据作为数字经 济时代的生产要素,造就了数字经济非竞争性、规模经济、网络效应、范围经济等特殊 微观规律。

半导体是数字经济核心层发展的基石,“摩尔定律”推动产业长期迭代创新。过去 50 年,半导体在价格几乎不变的前提下,单位面积可容纳的元器件数目每隔约 18 个月便会增加一倍(摩尔定律),成为推动生产率提升的重要动力之一。全球半导体 市场主要包括半导体设计,晶圆代工、封测、设计软件(EDA)、设备、半导体材料 等环节。其中美国企业在设计软件、半导体设备等环节占据主导地位。未来,半导 体的发展,会推动(1)云端数据中心算力、(2)AI 算力、(3)5G 上层应用等市场 的快速增长。

信息技术代表数字经济核心层的架构,ABC(人工智能、区块链、云计算)推动社 会数字化转型。PC 时代下,计算机和互联网开始走近个人消费者,搜索引擎、门户 网站、电子商务等网站兴起,人类社会开始真正进入信息时代;而在移动互联网时 代,伴随着智能移动终端的普及,苹果 App Store、谷歌 Play Store 应用商店的快速 发展,使得移动支付、打车、订餐外卖、共享单车等服务的数字化成为可能。自 2015 年英伟达与亚马逊等公司提出“云 AI”概念后,下一代通用计算平台的变革正在发 生。根据 IDC,2019 年全球公有云市场达到 2,334 亿美元(同比增长 26%);根据 Gartner, 2019 年企业软件市场规模达到 4,770 亿美元。

通信技术是数字经济核心层的连接管道,4G 到 5G 改变社会。从 2G 到 5G,信息传 输阻力不断减小,手机通信的带宽 0.1MB/s 提升至最高 10G/s,时延从 500ms 降至 1ms;同时通信流量资费却不断下降。更加好用、便宜的通信技术,催生微信、手 游、移动电商、短视频等新应用,改变了我们生活的方方面面的同时,也不断推动 智能终端的升级换代。展望 5G 时代,高频段、高密度的基站能够处理大量接入信号, 网络的能源利用更加高效,支持海量智能终端的通信需求,我们预计有望实现万物 互联,推动社会变革;而物联网、车联网、卫星互联网等新型连接技术也有望更进 一步发展。根据 Gartner,2019 年全球用于通信服务的开支规模达到 13,720 亿美元;基础设施侧,全球无线网络基础设施市场规模约为 359 亿美元。主设备环节中,华 为、中兴、爱立信和诺基亚形成了四分天下的垄断竞争格局。

智能硬件是数字经济核心层的“神经末梢”,交互方式变革拓展数字技术应用边界。交互方式的升级是智能硬件迭代升级的主线。回顾历史,我们看到从键盘(按动)、 触摸屏(多点触摸)、AI 语音助手(语音),到 ARVR(光学)、脑机接口(神经电信 号),每一轮交互方式的升级均带来交互带宽和数据量的大幅提升,亦不断拓宽数字 技术的应用范围,连接量级正走向万物互联。从科技硬件的演进来看,每 10-15 年 出现一轮大的科技硬件创新周期,我们认为下一个 10 年的接入信号创新周期正在开 启,根据我们预测,2019 年全球智能硬件市场规模约为 8,355 亿美元,以 8%的 CAGR 增长至 2025 年的 13,126 亿美元;其中 AIoT 行业市场规模约为 1,578 亿美元,以 21% 的 CAGR 增长至 2025 年的 4,892 亿美元,超过智能手机。而从广义的 AIoT(AIoT 汽车电子)来看,2023 年市场规模就将超过智能手机,其中 TWS、智能手表、智能 音箱、ARVR、智能汽车等品类成长值得期待。

核心层的发展路径

过去三十年,科技行业的通用技术平台经历(1)从主机到个人电脑;(2)从个人电脑到 手机;(3)从手机到 AI 云计算的三次重大迭代。这几次变革中,通信技术从最初的专网, 升级为有线互联网、4G 和 5G;计算架构从最初的集中式,到 PC 和手机的分布计算,由 AI 云计算时代又回归到集中式计算。展望未来,基于分布式架构的区块链 物联网是否成 为云计算之后的通用技术平台受到广泛关注。

每次技术的变革都包括一批重要的科技企业的崛起。这包括主机时代的 IBM,PC 互联网 时代的微软和 Intel(Wintel 联盟),到移动互联网时代的苹果、ARM、谷歌,和 AI 云计 算时代的亚马逊、微软和英伟达。


主机时代(集中式计算):上世纪 90 年代以前,伴随金融体系 IT 化进程,高可靠性、 高完整性、强一致性的集中式计算得以快速发展,以 IBM 为代表的企业推出的软硬 件一体的大型主机(Mainframe)成为算力的主流,受到金融等大企业的支持,但高 昂的价格限制了其普及。大型机最初是指装在非常大的带框的铁盒子里的大型计算机 系统;随着芯片的集成度越来越高,小型计算机的计算性能逐渐增强,大型机的市场 占有率面临严峻挑战。

PC 时代(分布式计算):上世纪末、本世纪初开始,伴随半导体成本的大幅下降,以 及个人互联网(有线网络为主)的出现,以微软和 Intel 为代表的个人电脑平台开始 普及。Wintel 联盟(Microsoft Windows IntelCPU)出现,微软和 Intel 推行的软硬件 分离的商业模式成为主流,并逐渐取代了 IBM 在主机时代的主导地位。硬件层面,Intel 在摩尔定律下不断提升 CPU 算力,微软则相应对 Windows 系统快速升级换代。强强 联合推动 PC 行业不断迭代,PC 产品的发展日新月异。

移动互联网时代(分布式计算):2007 年 1 月苹果发布第一代 iPhone,开启智能手机 与移动互联网时代。算力载体进一步从固定的电脑端向便携移动的手机端转移。苹果 推行的软硬件一体模式与谷歌推行的安卓操作系统 ARM 芯片的软硬件分离成为两 大主要模式。

人工智能 云计算时代(集中式计算):云计算最早由亚马逊在 2006 年推出,为企业 提供了一种按需索取、按量计费的计算和存储服务,帮助企业应对突发的需求变化, 降低 IT 支出。云计算平台能够汇聚大量数据,并为人工智能发展提供基础,随着技 术的发展,其优势受到重视,AI Cloud 也逐渐成为通用计算平台。

下一个时代或是区块链 物联网(分布式计算):在人工智能 云计算时代,我们认为 一方面数据的价值不断凸显,已成为数字经济时代的“石油”;另一方面,数据越来 越集中于少数互联网巨头/云计算厂商手中,“数据孤岛”问题日益突出,数据的跨国 界流通也成为科技企业跨国合作的难题之一。我们认为,大数据立法是规范和促进数据使用的先决条件,而由区块链 物联网驱动的数据资产交易平台的建设,有望促进 数据流通、提高数据使用效率,充分发挥数据整合后的潜在价值。

核心层企业在全球经济中占比不断上升

核心层包括硬件、软件、信息和通讯技术等行业,其中硬件领域以半导体和电子制造行 业最为重要。从数字经济的角度理解,核心层是数字经济的重要基础环节。根据中国信数字,我国 2019 年包括互联网在内的数字产业化增加值规模达到 7.1 万亿元,占 GDP 比重达到 7.2%。数字经济核心层既是数字经济的重要组成部分,又是支撑上层平台经济 和行业应用的重要支柱。

过去 10 年,在 4G 移动互联网大发展的背景下,包括硬件制造、软件、信息服务在内的 核心层产业得到快速发展,信息技术行业在实体经济和资本市场的重要性不断彰显。以 美国为例,包含软硬件设备以及互联网企业的美国信息技术公司(相当于下图核心数字 部门和狭义数字经济)在全部美股的市值占比在过去 10 年上升了 15ppt 至 27%,同期能 源行业的总市值占比明显下降。中国市场表现出更为明显的“剪刀差”走势,在全部 A 股 港股 美国中概股市场中的信息技术类企业的市值占比,从 2010 年的 9%,增长 13.4ppt 至 2020 年 7 月的 22.4%;同期能源企业市值占比下滑 16.9ppt。


中美差距在哪里?

经过近一个世纪的全球产业转移,目前全球核心层领域的格局基本形成。1)美国在云计 算、互联网服务、软件、半导体等处于全球领先地位;2)日韩以电子元器件、半导体为 主,其中日本偏向电子元器件,韩国侧重半导体;3)中国台湾以半导体代工及电子元器 件为主;4)中国大陆以通信设备、电子元器件、互联网服务等为主;5)随近年来产业 转移,越南、印度承接部分组装与零组件业务。

总体来看,经过 30 年发展,在 5G(通信技术)、AI 应用、硬件制造等科技领域中国具备 全球领先优势;但半导体、软件等领域中国仍存在较大差距。以下分行业具体阐述。

过去十年,中国在零部件、通信设备、互联网服务能力提升明显。通过对全球四千余家 科技行业上市公司的整理分析,我们看到十年间,中国(含香港)在科技行业各个领域 的收入占比都有所提升,其中通信设备、电子元器件、互联网服务的提升显著,在云计 算、半导体、软件上也有所提升。目前美国在云计算、互联网服务、软件、半导体等环 节上,仍然在全球占据领先地位,其中美国公司在半导体环节占据 40%以上的收入份额。


中国半导体的差距在哪里?

半导体:从芯片产品来看,得益于科创板的设立及华为进口替代需求的带动,过去几年 国内芯片设计公司发展迅速,目前国产芯片设计公司已对主要中低阶产品实现了国产替 代。但是在一些专利/技术壁垒高、资本投入大、行业高度垄断的如处理器(CPU/GPU)、 存储器等领域份额仍然十分有限,高度依赖从美、韩、日等地进口。从产业链环节来看, 国内目前中芯国际与台积电仍有 3 代/约 6 年技术差距,而上游的半导体设备、设计软件 等环节美国企业目前处于垄断地位,国产厂商自给能力薄弱,成为美国制裁华为等中国 企业的主要抓手。

中国云计算落后美国 3-5 年

云计算:规模上,中国厂商(阿里云、腾讯云)公有云全球市场份额占比 9%左右,而美独占 85%左右;结构上,中国云市场 IaaS 占比较高,美国主导的全球云市场则以 SaaS 为主。此外,我们认为不足之处还在于中国云计算企业出海进度较慢,业务主要集中在 国内。

AI:应用领先,但基础算法有待提高

AI 应用领先,基础算法有待提高。在移动互联网,和安防产业的推动下,人工智能在中 国落地速度领先美国,但在基础算法方面落后明显。今日头条/TikTok 在美国的成功,也 部分反映其 AI 推荐算法的优势。Tiktok 已经成为中国企业“出海头牌”,拥有 8 亿海外月 活用户。但是,各国在数据立法和数据伦理(欧洲 GDPR,中国网络安全法等)方面存在 较大差异,是阻碍中国技术形成向外输出的能力的原因之一。全球各地对数据监管的加 强,保护用户隐私、重建数据流通中的信任关系成为监管趋势。

通信:从追赶者到领头羊,实现全产业链领先

通信技术(5G):中国在通信标准上经历了从全面落后到突破和反超,在 5G 发展中扮演 愈加重要的角色。通信基础设施建设角度,中国从落后快速赶超,在 4G 时代实现领先, 人均移动基站数约达到美国的 5 倍。5G 时期,华为、中兴等企业和三大运营商强势参与 标准制定,在专利数上开始取得领先,中国公司在 5G 专利申请数上领先,占比达到 33%。但目前,5G 应用(车辆网、物联网等)落地速度较慢,整体生态链还需要进一步扶持。此外,我们认为美国 SpaceX 推进的卫星互联网可能成为颠覆 5G 优势的革命性技术。

电子制造业:中国占约 30%。短期很难替代

电子制造业:中国是全球最大电子制造业大国,贡献全球电子总出口额/进口额的 36%/29%。虽然组装等部分低附加价值环节出现向印度、越南迁移现象,但其中不少是 中国企业应客户要求的迁移,核心技术还在中国企业手里。未来应该大力发展工业互联 网、新材料、精密加工等核心技术,提高中国电子制造业的竞争力。

硬科技创新不足是中国最大的短板

回顾数字经济核心技术的发展历史,我们看到从个人电脑(微软)、智能手机(苹果)到 电动汽车(特斯拉)、AR/VR(Facebook)、商业火箭(SpaceX)等,数次变革几乎都是由 美国企业所主导,我们认为其背后原因包括美国企业全球化的商业模式来支持其高研发 投入,以及对知识产权良好的保护机制。展望未来,我们认为 5G、人工智能、云计算、 区块链、半导体等信息科学技术,与机器人、医疗、航天技术融合发展,催生 AR、无人 驾驶、商业航天等新产品和新业态是科技行业未来十年的发展主线。实现这些变革的核 心技术包括:火箭可回收、认知智能、量子计算、脑机接口、Micro OLED、光波导等。



我们认为中国厂商在通信技术、机械技术、算法、电商渠道、精密制造等方面能力全面, 未来要在更多核心层领域提升话语权,还需进一步加强研发投入。全球头部的科技企业 研发投入规模和占收比普遍较高,研发是支撑公司形成长期竞争力的核心要素之一。但 我们观察到 2019 年全球科技企业中,FAAMG(Facebook、Amazon、Apple、Microsoft 和 Google)和 Intel 的研发投入均超过 100 亿美元,中国仅华为一家科技企业的研发投入达 到这一规模。中国的科技企业在研发投入占比及规模上仍有提升空间。


半导体:数字经济发展的基石

半导体如何推动数字经济发展?

半导体沿着摩尔定律发展,成为推动全球算力增长与数字经济的重要动力。1965 年,Intel 联合创始人 Gordon Moore 预测,集成电路上可容纳的元器件数目每隔 12 个月便会增加 一倍,后来摩尔定律被修正为在价格几乎不变的前提下,集成电路上可容纳的元器件数 目每隔约 18 个月便会增加一倍,即单位成本(如 1000 美元)能够买到的算力,每隔约 18 个月可以翻一倍。根据 PCPartPicker 数据,2017 年英特尔的 G3930 处理器已将 1 GFLOPS (每秒 10 亿次的浮点运算数)的算力成本降至 3 美分,而 2007 年 1 GFLOPS 的算力成本 则高达 59 美元,1997 年 1 GFLOPS 的算力成本则达到 48,000 美元。我们看到,在摩尔定 律的指引下,单位算力的成本在过去几十年呈指数级下降,带动个人电脑、智能手机、 AIoT 等终端应用的成本下降与性能升级,更成为推动信息技术发展及全球劳动生产率提 升的关键要素之一。


计算能力成为数字经济时代的新型生产力。随着社会经济的发展,人均算力随之水涨船 高,我们看到算力与人均 GDP 之间具有高度相关性。算力是数字经济发展的核心动力, 但即便是美国等高算力国家,仍处于智能社会的起步阶段。我们认为,在数字经济时代, 计算能力将成为一种新型生产力,作为推动 AI、物联网、云计算等行业发展的关键动力, 而以处理器为代表的半导体技术则是计算能力能够持续提升的关键所在,也是未来推动 数字经济发展的基石。


存储器的迭代与容量提升将承载数字时代数据量的爆发式增长。近年来,随着 AI、大数 据、云计算等信息技术的发展及传统行业的数字化转型,以及 AIoT 带来的终端数量快速 上升,全球数据总量呈现几何式增长。根据 IDC 预测,2020 年全球数据总量将达到 44ZB, 其中中国数据量将达到 8060EB,占全球数据总量的 18%。存储器将为数字经济时代数据 容量的爆发式增长提供载体:一方面,随着 3D 结构的兴起以及制程技术的持续迭代,单 位存储颗粒的成本有望不断下降;另一方面,半导体存储器技术将持续迭代,新型存储 材料、架构等技术趋势将带动存储器向大容量、低功耗、高速读写、长保存周期的发展 方向持续演进,以满足不断高速增长的数据存储需求。

半导体行业框架:全球约 4000 亿美金市场,美国企业占据领导地位

行业具有强周期性,科技创新驱动行业成长。从半导体行业销售额及费城半导体指数的 变动趋势来看,全球半导体行业具备明显的周期属性。21 世纪以来,半导体行业总共经 历了三次大的上行周期:第一次为 2002-2005 年,互联网泡沫破裂后行业迎来恢复性增 长,叠加 12 英寸晶圆厂扩产潮,行业呈现景气上行;第二次为 2010-2011 年,iPhone 引 领智能手机横空出世,带来半导体需求快速增长;第三次为 2016-2017 年,数据中心及 智能手机需求的快速增长带动存储颗粒需求快速提升。我们认为,下游科技领域创新带 来的增量需求是推动半导体行业进入上行周期的重要动力,根据 WSTS 数据,2019球半导体市场规模为 4,123 亿美元,比 2018 年下滑 12%,我们预计受新冠疫情冲击,短 期内全球半导体行业可能会再度进入下行周期;但长期来看,随着数字经济的兴起,AI、 5G、云计算等需求提升有望推动半导体进入下一个成长周期。


设计 代工(“Fabless Foundry”)模式大获成功,逐渐取代 IDM 模式。从产业链环节来 看,全球半导体产业链自上游至下游可分为芯片设计、晶圆代工及封装测试三个主要环 节,并涉及 EDA/IP、半导体设备、半导体材料等领域。从经营模式来看,目前半导体行 业主要采用两种商业模式:其一是以英特尔、三星、海力士等为代表的 IDM(垂直一体 化)模式,其二是以台积电等晶圆代工企业与高通、海思、联发科等设计公司为代表的 “Fablss Foundry”模式。在行业发展初期,IDM 厂商几乎占据了整个半导体市场,但随 着“Fabless Foundry”模式的出现与普及,行业的技术门槛与资本要求被大大降低,进 入 21 世纪以来,Fabless 与晶圆代工的行业增速整体超过了 IDM 的行业增速,推动高通、 海思、英伟达等设计公司跻身顶级半导体公司行业,代表着“Fabless Foundry”模式大 获成功。


全球前十大半导体企业变迁史:日本半导体公司衰落,美国设计公司崛起。纵观全球前 十大半导体企业的变迁历史,日本半导体在 1980 年代至 2000 年左右,一直保持世界领 先,主要得益于其在 DRAM 等产品上的技术优势。但由于 1)商业模式固守 IDM 模式;2) 对 CPU 投资不足;以及 3)在 DRAM 等传统强项上资本开支决策输给三星等因素,日本 半导体公司逐渐在与台积电和美国设计公司主导的“Fabless Foundry”模式的竞争中落 于下风,根据 IC Insights 数据,2019 年全球前十大半导体公司中,日本企业仅剩东芝 (Toshiba)一家,而美国企业超过半数,高通、博通、英伟达等设计企业纷纷跻身前十。

全球变局下中国半导体的发展路径

美国主导全球半导体行业,中国产业链国产化取得长足进展。从市场竞争格局来看,美EDA 软件、半导体设备等领域竞争力突出。从芯片产品来看,根据 Gartner 数据, 美国在微处理器领域处于绝对领导地位,2019 年市占率高达 98%,并在无线通讯芯片、 模拟、逻辑、MCU、存储器等多个领域具备较强竞争力。经过近年来的努力,中国半导 体企业在多个环节都取得了长足进步。



从产业链环节来看,

EDA 软件:是一种在计算机的辅助下,用以完成集成电路的功能设计、综合、验证、 物理设计等流程的工具集群,在半导体产业链中,EDA 软件处于上游位置,是芯片 设计的“基石”。根据 ESD Alliance 数据,2019 年全球 EDA 市场规模达到 105 亿美元, 行业被 Synopsys、Cadence、Mentor 三家企业寡头垄断,合计市占率超过 60%。目 前华大九天、概伦电子等国产 EDA 软件厂商已在一些特定领域及部分工具上取得突 破,但在全流程解决方案的能力及与晶圆厂和 IP 公司的产业链配合等方面与海外厂 商存在较大差距,我们认为未来 EDA 软件厂商与代工厂的合作是缩短差距的重要手 段。

半导体设备:是用于半导体制造的设备,根据制造工序可分为光刻、刻蚀、沉积、 离子注入、清洗、过程控制等不同细分品类。根据 Gartner 数据,2019 年全球半导 体制造设备市场规模达到 555 亿美元,总体来看,美国设备厂商占据领导地位,2019 年市场份额达到 41%,AMAT、Lam Research 等企业在刻蚀、沉积、离子注入等关键 环节占据垄断地位。日本设备商市场份额仅次于美国,达到 29%,并在涂胶/显影、 清洗、热处理等领域份额领先。目前北方华创、中微、屹唐等国产设备商已在刻蚀、热处理、清洗等领域实现了突破,但长期来看仍需加强区域合作,并在光刻、刻蚀、 沉积、离子注入等关键环节提升国产能力。

半导体材料:主要为半导体制造用的硅片与电子化学品为主,处于产业链的上游, 是半导体产业的重要支撑,根据 SEMI 数据,2019 年全球半导体材料市场规模 521 亿美元,其中晶圆制造材料市场规模为 328 亿美元。半导体材料市场细分品类较多, 各个子板块行业集中度较高,基本为日本、欧美、韩国等少数企业垄断,硅片、光 刻胶、电子特种气体、CMP 抛光垫等关键材料前五大企业市占率均超过 90%。目前 国产材料在靶材、CMP 抛光垫、湿电子化学品等细分品种实现了突破,沪硅产业、 中环等企业在硅片等关键材料环节取得一定进展,我们认为未来有望不断提升国产 化率。

晶圆代工:是一种专门为芯片设计公司提供委托晶圆制造服务,而不自行设计芯片 的运营模式。根据 IC Insights 数据,2019 年全球晶圆代工市场规模达到 576 亿美元, 目前市场呈现台积电寡头垄断的格局,全球市场份额达到 60%,特别是在 14nm 及 以下工艺节点几乎处于绝对垄断地位。根据我们测算,2019 年国内晶圆代工厂的市 场份额达到 10%,自给率约为 25%,在先进制程上中芯国际实现了 14nm 的突破, 未来将进一步缩短与国际龙头的差距,在成熟制程上则将受益于半导体国产化机遇 实现快速增长。

封装测试:是指将功能、性能不符合要求的产品筛选出来,并对通过测试的晶圆进 行贴片等加工以保护芯片免受物理、化学损伤,是芯片制造的后道工序。根据 Yole 数据,2019 年全球 IC 封装市场规模为 564 亿美元,行业主要由中国台湾、中国大陆 及美国等企业主导,目前国产封测企业已基本实现进口替代,根据 TrendForce 数据, 2Q20 长电、通富、华天分别位居全球第 3/6/7 名,市占率合计为 26%。



从芯片产品来看,

来源: 时间:2021-03-18 12:59:50

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