硅片七年景气周期开启，国产有机会吗？

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硅片也称硅晶圆，是制造半导体芯片最重要的基本材料，其最主要的原料是单晶硅。 在硅片上可加工制作成各类电路结构， 使之成为具有特定电性功能的半导体产品。

硅片是制作半导体芯片的基础材料

在半导体上游材料市场中，硅片成本占比最高，市场规模保持高速增长。 2017年硅片市场规模达 86.8 亿美元（32%市场占比），远高于气体和光掩膜市场规模。在 2015-2017 期间， 硅片市场规模 CAGR 约为 4.61%；此外， 光刻胶的CAGR 最高，达 5.95%；最低的是光掩膜，同期 CAGR 为 1.95%。

硅片是市场规模最大的半导体原材料

硅片出货量总体上保持向上态势。 由于经济危机，在 2009Q1 全球硅片出货面积大幅滑落，但由于硅片对半导体的不可替代性，此后迅速重拾增长。

硅片出货面积总体保持向上态势

多维度解密硅片制造：设备、材料、工艺

芯片的制造类似于大理石雕像的塑刻。 通过在大理石原石上不断雕刻，塑造出各式形象；通过在硅片上雕刻，得到各类目标芯片。在这里，硅片就相当于是大理石原石，其均匀度、平整度、硅纯净度等指标会严重影响芯片的制造难度与性能表现。

一、纯化是为了得到高纯度的硅， 分为两步。 第一步是钝化，将沙子中的氧化硅转化为 98%以上纯度的硅；第二步是纯化，通过西门子制程（Siemens Process）进一步提纯硅，获得所需的高纯度多晶硅。

通过西门子制程，提纯出符合半导体需求的多晶硅

二、然后是拉晶，目的是把多晶硅变成单晶。 拉晶主要使用 CZ 法，可细分为三种形式。 第一种是传统的 CZ 直拉单晶。 第一步是把上述多晶硅融化，形成液态的硅。 第二步，以单晶的硅种和液体表面接触，一边旋转一边缓缓向上拉起硅晶。 单晶硅种的作用在于， 硅原子排列就和人排队一样，需要排头让后来的人知道该如何正确的排列，硅种便是重要的排头，让后来的原子知道该如何排队。 单晶结构的作用在于， 它具有原子一个接着一个紧密排列在一起的特性，可以形成一个平整的原子表层，有助于获得高平坦度的硅晶。

先融化多晶硅，再通过单晶硅种把单晶硅柱拉出

第二种是磁控直拉单晶硅（MCZ）， 即在磁场作用下进行 CZ 直拉单晶，可分为纵向磁场和横向磁场。 MCZ 具有如下好处： 1）溶体温度波动小，从而抑制了温度变化引起的热对流，使得液面振动减少； 2）无生长条纹：晶体在类似于无重力条件下生长，因此晶柱更加平滑； 3）电学特性好： MCZ 晶柱更加均匀，因此电阻率更均衡，分散性更小，寿命也较 CZ 晶柱更好。

纵向磁场的 MCZ

第三种是连续直拉单晶硅（CCZ）， 即连续、同时进行晶柱拉晶与材料融化。绝大多数的拉晶成本取决于材料成本，尤其是石英坩埚的成本。在传统的 CZ 法下，石英坩埚只能用一次，一次只能产出一根晶柱；而 CCZ 可以在拉晶过程中持续往石英坩埚内加料，并不断产出多条新的晶柱，极大提高了石英坩埚的利用率，并降低了生产成本。

CCZ 在拉晶过程中不断加料，以产生新的晶柱

三和四、 对晶柱进行切割与平滑， 即可得到半导体硅片。 切割是用钻石刀将单晶硅柱横向切成圆片；平滑是将圆片进行研磨、腐蚀、抛光等操作，以提高硅片的平坦度。 最后再经过检测、外延等收尾工序，即可得到满足半导体生产要求的硅片。

硅片制造的主要材料与设备

硅片生产之后，需要运送至代工厂进行芯片制造；此后，半导体芯片需要经受封测厂的检查与封装。 最终，检验合格的芯片将安装在如手机、电脑等半导体终端上。其中， 2017 年硅片所属的材料市场规模约为 470 亿美元，较 2016 年提升 30 亿美元。

半导体终端市场规模远大于上游市场

硅片上游材料市场中，光刻材料市场空间最大。 SEMI 预计， 2020 年光刻材料市场规模达 35.53 亿美元， 2016-2020 的 CAGR 预计为 5%；同时， ALD 的2016-2020 同期 CAGR 将达 21%，在所有上游材料中增速最快。

硅片上游市场中，光刻材料的市场空间最大

预计 ALD 增速最快， Pads&Slurries 市场占比下滑最多。 在 2020 年，预计ALD 市场占比提升最多，由 2017 年的 3%提升至 2020 年的 5%；预计 Pads &Slurries 的市场占比下滑最多，由 2017 年的 17.3 下降至 2020 年的 15.8%。

2020 年预计市场占比

硅片产品家族

硅片产品主要有五大类产品构成，包括抛光片、退火片、外延片、节隔离片和绝缘体上硅片。其中抛光片是用量最大的产品，其他的硅片产品也都是在抛光片的基础上二次加工产生的。

第一类是抛光片（Polished Wafer），抛光片是应用范围最广、最基础的硅片。 首先直接从晶柱上切割出厚度约 1mm的原硅片，然后对其进行抛光镜面加工，就得到了表面平滑的抛光片。此外，通过对其进行纯化，混在其中的金属杂质可被进一步减少。

抛光片是应用范围最广、最基础的硅片

第二类是退火片（Annealed Wafer），其表面完整性更好。 通过将抛光片置于充满氩气或氧气的高温环境中，就能大幅减少抛光片表面的氧气含量。相较于普通的抛光片，退火片表面拥有更好的晶体完整性（crystal perfection），可满足更高的半导体蚀刻需求。

退火片表面的氧气含量更少

第三类是外延片（Epitaxial Wafer），其表面更加平滑。 与退火片类似，外延片也是经抛光片加工而来，目的也是为了加强硅片性能。通过直接在抛光片表面直接应用气相生长技术（Vapor Phase Growth），抛光片表面外延出单晶结构层，其表面将比经切割而来的抛光片更加平滑。

外延片表面更平滑

第四类是结隔离硅片（Junction Isolated Wafer），目的是实现客户特定的电气性能需求。 制作过程分为两步，首先是通过光刻法、离子注入、热扩散技术等技术嵌入中间层，然后再通过气相生长技术在硅片外面形成平滑的外延层。

结隔离硅片的电气性能更加多样化

第五类是绝缘体上硅（Silicon-On-Insulator，即 SOI），具有低能耗及高速等优势。 SOI 有三层结构，上下层均为抛光片，中间层是绝缘层。 SOI 最大的优势在于较高的整合度，因为结构较多，因此可实现较为复杂的电路结构，因大大减少了芯片制造的工序与成本。同时， SOI 也具有低能耗、高速、高可靠性等优势。

SOI 可提高集成电路的集成度

大尺寸成为硅片发展未来方向

大尺寸硅片具有以下优势：

1、 提高生产效率：

集成电路是采用多次光刻、沉积制成的，在核心面积一定的条件下， 晶圆尺寸越大一次制作的核心越多，生产效率就得到提升；

2、 提升硅片利用率：

由于芯片设计绝大部分是矩形的，而所有的晶圆都是圆形的， 所以在边角上光刻的电路是不完整的，必须切掉废弃。 硅片越大，容纳的芯片越多，废弃的比例也就越少， 因此提高利用率的同时降低成本。 OWE 指数用于比较不同晶圆尺寸的利用效率。在芯片面积较小的情况下（比如 100mm2）， 450mm 的晶圆利用率只领先 300mm 约 5%；而当芯片面积增加至 800 mm2 时， 450mm 利用率的领先优势扩大至 12%。

大尺寸硅片的有效利用率更高

3、在合理成本下提升性能： 芯片的计算性能=单位面积晶体管数量 * 芯片面积，在制程进步速度放缓的背景下，单位面积晶体管数量的增速也相应放缓，因此提升计算性能就需要提升芯片的面积。但由于需要考虑芯片的制作成本，所以硅片尺寸必须增加，以保持合理的芯片生产成本。

晶圆尺寸越大， 制造成本越低

但大硅片的制造也拥有很多难点：

1、 尺寸越大， 成本及所需资本投入急升

生成晶柱的过程中，旋转速度越慢则晶柱直径越大， 但成本会急速增加。 一来慢速旋转难以稳定，容易导致晶格结构缺陷，因此需要相对的资本研发投入；二来直径越大意味着晶圆重量越大，边缘处就更容易出现翘曲，导致良品率降低；三来慢速旋转所需时间延长，同时还需要维持多晶硅的融化态来拉晶，提高了能源和时间成本。

厚度并没有与面积增速同步

2、 晶圆尺寸面积增速远高于厚度增速，导致传统 CZ 法难以继续提升晶圆尺寸。 相较于 300mm，450mm 尺寸的面积提升了 125%，但硅片厚度却仅仅提升 2.5%左右，导致边缘翘曲现象更易出现，降低了良品率。

直径 300mm 升至 450mm，面积增长 125%

3、 随着面积倍增，硅晶柱重量也在提升，导致传统 CZ 拉晶法效率降低。

传统的 CZ 拉晶法需要用单晶硅种（Seed）拉出所需的晶柱，其中连接单晶硅种与晶柱的部位被称为颈部（Neck），这也是拉晶过程中最薄弱的位置。随着晶柱横截面面积提升，晶柱的重量也在提升。为了不在拉晶过程中扯断颈部，晶柱的长度必须降低，导致每次锻造的产出降低，侧面提高了制造成本。

颈部（Neck）横截面直径最小，是 CZ 拉晶中最薄弱部位

4、 同时，石英坩埚的一次性使用进一步提高了成本。

为了维持温度的可控性， CZ 法需要石英坩埚来加热多晶硅并控制温度以拉晶。而每次拉晶之后，由于无法 100%充分利用所有的多晶硅，所以石英坩埚内难免留下硅污渍，会严重影响下一次拉晶的纯度。因此，每次拉晶都会启用新的石英坩埚。每次拉晶晶柱长度的降低，会导致单位坩埚产出降低，进一步拉升了成本。

单晶不能被 100%运用，部分会留在石英坩埚壁上留下硅污渍

成本与研发投入的大幅增加，导致大尺寸晶圆进入壁垒提高。 在全球整体的硅片市场中，Top 2 的市占率为 51%；而在大尺寸晶圆领域（200mm 和 300mm），Top 2 市占率提升至 70%以上，形成寡头垄断。晶圆尺寸的提升，也提高了下游的壁垒。从芯片制造厂看，大约有 130 家公司拥有 150mm 晶圆加工厂，而拥有 200mm 晶圆厂的公司不足 90 家，拥有 300mm 晶圆厂的公司更只有 24家。

晶圆尺寸越大，进入壁垒越高

同代硅片尺寸大约支持 4~5 个技术节点。 纵观晶圆尺寸历史，新的硅片尺寸大约能支持 4~5 个进程技术节点，更先进的制程需要更大的晶圆来匹配。 根据原本的计划，现在主流的 300mm 硅片将在 2017 年逐步减少产量，并预计 450mm将在 2018 年投入商用并逐步成为主流。

每代晶圆尺寸大约能支持 4~5 个进程技术节点

450mm 依然难以经济量产，导致 300mm 超期服役。 纵览晶圆尺寸增长历史，传统 CZ 法能较好地应对 300mm 之前的尺寸增长，每次尺寸突破的时间周期约为 5-7 年。 而 450mm 的商用大规模制造却迟迟未出现，导致 300mm 尺寸服役周期高达 17 年，远超过之前尺寸的服役周期。 450mm 晶柱早已能在实验室中产出， 说明制造技术已经到位； 但尚未能大规模商业制造，主要原因是量产成本依旧高企，不符合经济效益。

450mm 迟迟不能商用量产，导致 300mm 依然在服役

为了降低成本，并实现 450mm 的大规模商用量产， 新的拉晶法也应运而生，其中有望实现目标的方法主要有 MCZ 与 CZZ 的结合、无颈拉晶法（Necking less growth method）。

CZ 法可满足 300mm 及以下尺寸晶圆

MCZ 与 CZZ 的结合，有望实现 450mm 的商业生产。 因为 MCZ 提高了产品的电学特性，而 CCZ 可大幅降低生产成本，两项技术可形成有效互补，解决了450mm 生产成本过高这一最大难题。

无颈拉晶法（Neckingless Growth Method） 是另一种有望实现 450mm 商用量产的技术。 传统的拉晶法之所以在 450mm 时代难以为继，主要原因是颈部过于脆弱，导致后续一系列的成本高企。而无颈拉晶法可以解决这一主要难题，使得 CZ 法能够继续用在 450mm 生产。 目前无颈拉晶法可轻松突破 2000kg 的晶柱生产，传统 CZ 法有望继续得到沿用。

Neckingless Growth Method 解决了颈部过于薄弱的缺点

300mm 晶圆价格的 2.5 倍，是 450mm 能否商用的关键价格节点。尽管 450mm的直径为 300mm 的 1.5 倍，但是计划晶圆厚度并没有明显提升，但受困于热和缺陷，单位时间内晶柱生长速度可能只有 300mm 晶柱的 1/5。 因此， 如果芯片制造商需要承担的 450mm 晶圆价格增长 5 倍， 那么 450mm 相较于 300mm的成本优势将不复存在。 业内估计 450mm 晶圆价格应当低于 300mm 晶圆的2.5 倍，才能使得 450mm 具有较好的成本优势。

供需关系： 硅片市场开启新一轮景气周期

从现在看，硅片的供给关系，开启了硅片市场的新一轮景气周期。

从供给端来看，我们首先测算出硅片产线收回投资成本一般需要大约 7 年时间，加上建设产线的 2 年时间，整个过程将近十年时间。然后我们将目前主流的国际硅片供应商和大陆未来新建的硅片产线进行了分析，得到结论：传统硅片大厂缺乏新建产能的动力以及快速增加硅片供应的能力，而国产硅片产能的规模释放也至少需要 1-2 年的等待时间。 因此，大硅片未来供应量不具备快速大量提升的基础。

（1）硅片产线投资回报测算： 7 年收回成本

我们以目前需求最为旺盛的 300mm 硅片产线为例，投资金额约为 2 亿美元。按照最理想的情况，硅片 ASP 约为 120 美元， 产线满产后产能利用率 100%，年产能 100 万片，年收入 1.2 亿美元。按照环球晶圆近几年 EBITDA 折中水平25%测算，每年能够获得利润 3000 万美元，预计需要 7 年左右才可收回成本。

投资回报预期

如果我们以环球晶圆 2018Q1 的 EBITDA 历史最高水平 40%测算，每年能够获得利润接近 5000 万美元，预计需要 4 年左右才能收回成本。而如果我们以2015-2017 年期间最低水平测算 15%测算， 每年能够获得利润 1800 万美元，预计需要 11 年左右才能收回成本。

300 硅片产线投资回报情况比较

（2）传统供应商垄断市场，扩产动力和能力双重缺失

五大供应商垄断全球集成电路硅片供应。 硅片是集成电路最主要的原材料，占到集成电路原材料成本的 32%，是单一用量最大的上游原材料。目前全球硅片的供应商主要有日本的信越化学和 SUMCO、德国的 Siltronic、台湾的环球晶元，以及整合了国内 LG Siltron 的韩国 SK Siltron，这五大供应商目前已经占据了全球 90%的市场份额。

2017 年全球硅片市场格局

十年供大于求影响深远，硅片大厂盈利能力仍然堪忧。 全球 300mm 硅片在2006-2015 经历了十年供大于求的困难时期，直到 2016 首次出现供需缺口。即使在困难时期刚刚过去的 2016-2017 年，即使是排名前五的主流硅片供应商的盈利能力也十分有限，例如 SUMCO 净利率仅为 2%-8%，环球晶圆净利率也仅为 5%-12%。因此我们认为，即使进入了 2016-2017 量价齐升的景气时期，硅片大厂仍然对扩产十分谨慎。

2016-2017 期间净利率

困难十年，整合并购成为行业主旋律。 在 2006-2015 的困难十年，众多的硅片供应商由于行业不景气经营困难，经过不断整合最终形成了五家最大的供应商，并掌握了全市场 90%的份额。其中，主要的并购包括环球晶圆收购环球晶圆收购 SAS、 Sunedison， SUMCO 换股收购 Civdent。

硅片行业主要并购事件（前五家相关）

除了硅片制造商自身扩产意愿不强以外，我们认为产能扩张本身具有客观困难，主要包括以下三个原因：

1、首先是设备供应有限：国外主要的单晶炉供应商都是龙头硅片制造商扶持的，工艺技术和产品基本都是对内供应，这直接导致了行业性扩产的壁垒；

2、其次硅片扩产周期一般长达 2 年： 2016 是近十年行业首次供需紧张的年份，截止到 2018 年新增扩产能的建设刚刚满两年，未来产能的持续释放仍需时间；

供应商专注单位产能成本下降，涨价带来盈利改善

3、 再次目前硅片制造商资本开支偏重技术改进： 2015-2016 Capex 主要投资在新的拉晶厂建设，拉晶厂设备更新和自动化工程； 2017 年 Capex 主要投资技术改进：新的设计方案，下一代拉晶设备，自动化工程（降低成本）。

2016 年首次产生供需缺口

（3）中国新建产能释放仍需等待至少 1-2 年

中国新增 300mm 硅片产能最早 2020 规模释放。 除了传统的五大供应商，中国新建硅片厂是目前全球供给端格局变化的主要 X 因素。

中国和全球 300mm 硅片产能 （KWPM）

但是从我们目前整理得到的数据来看， 2018-2019 年中国计划新增 300mm 硅片产能仅占到全球产能的 3%，因此对于全球供需平衡的影响十分有限。预计到 2020 年， 中国硅片产能达到 17%后才有可能对全球硅片市场产生一定的影响。

中国和全球 200mm 硅片产能（KWPM）

中国 200mm 硅片新增产能 2018 年进入放量阶段。 相对于 300mm 国产硅片量产的进度，200mm 国产硅片有望 2018 年就进入放量，占到当年全球 200mm硅片产能的 15%，到 2020 年国产 200mm 硅片产能将占到全球的 36%。因此，我们预计中国扩产因素对于全球的硅片供应端影响，至少要到 2020 年才会逐渐由 200mm 扩散到 300mm 领域。

供给端分析结论： 由于硅片扩产时间都在两年左右，同时主流供应商的投资方向更加侧重新的设计方案、拉晶设备和自动化工程。综合以上全球五大硅片供应商和国内新增产能的供给端信息来看，目前行业正处在经过了 10 年供应过剩之后刚刚开始的新一轮硅片景气周期，我们认为短期内全球硅片产能扩张将会长期落后于下游需求增长。

从需求侧看，经过 20 年的发展，半导体下游市场已经从单一集中变成了多样性的市场，这对于半导体行业的周期性有着明显的减弱作用，持续成长成为半导体行业的主旋律。近几年随着摩尔定律逐步放缓，存储器 Bit Growth 已经不能依靠制程进步单方面来实现。硅片“剪刀差”预计在 2021 年以前会逐步放大，这让庞大而快速增长的存储器市场对于硅片的需求产生了直接的线性拉动。

1995 硅片下游需求格局

下游需求多样化发展，行业周期性减弱。 1995 年， 单个电脑行业对于硅片的需求就超过整体市场 50%的份额， 电脑、通讯和工业三大下游行业份额接近 90%。而到了 2016 年，电脑、通讯、工业、消费、汽车电子等五大下游行业的市场份额分别为 26%、 27%、 16%、 15%和 15%。我们认为下游需求的多样化发展，对于减弱行业周期性具有明显的作用。

2016 硅片下游需求格局

持续成长成为主旋律。 市场普遍担心周期性将导致行业景气度难以持续，但是我们认为随着半导体行业整体周期性的减弱，持续性增长将成为未来行业主要特征。从 1990 年到 2017 年，全球半导体市场规模大致经历了四轮周期，前两轮周期长度均长达 10 年左右，而后两轮周期则缩短为 4-5 年，周期性明显减弱。同时我们观察到在长达 30 年的时间维度里，全球半导体市场即使有周期性的波动，但是规模持续增长的趋势没有改变。

全球半导体市场周期性减弱

另外，摩尔定律放缓对存储器影响明显， Bit Grwoth 明显超过制程进步速度。

2017 年全球半导体市场规模突破 4000 亿美元，同比增速高达 20%+，其中存储器市场规模占到半导体整体的 40%以上， 增速达到 60%，是 2017 年半导体市场增长的核心动力。目前存储器已经成为 300mm 硅片的最主要市场需求，摩尔定律放缓对存储器的显著影响也直接带动了 300mm 硅片市场需求加速。

全球 DRAM 大厂制程进步缓慢

DRAM 制程进步放缓，存储市场需求直接拉动硅片需求。 从全球主要存储器企业的 DRAM 制成进展来看， 从 2017 年以来各大存储器企业的制程进步都不及预期，特别是在各大企业进入 20nm 以下高端制程之后这种现象越发明显。我们预计， 2018 年将会是全球 DRAM 制程进展缓慢的一年，而存储市场需求的持续增长对于硅片的需求将会产生直接的线性拉动作用。

究竟什么是硅片“剪刀差”。 根据 SUMCO 预测， 2021 年之前 DRAM Bit Growth复合增速约为 24%，远高于制程进步所能带来的 10-14%的复合增速；而 3DNAND 由于叠层技术的引入， NAND Flash 的 Bit Growth 复合增速高达 40%，其中 3D 叠层技术带来的 Bit Growth 复合增速约为 20-24%。存储器 Bit Growth增速超越制程进步的“剪刀差” 必须有增加硅片供应来实现，因此 2021 年前存储器领域的硅片需求将会由于“剪刀差”的存在而持续增长。

从历史上来看，硅片产业以景气程度可以分为 2001-2007 和 2009-2015 两轮大的周期。 2001-2007 年，全球硅片出货总面积复合增速高达 14%，主要是受到NB/PC 市场需求的快速拉动。同时期，硅片市场从 200mm 向 300mm 大规模转移， 300mm 硅片市占率从 2001 年的 3%上升到了 2007 年的 35%，硅片总出货量也从 1.25 亿片上升到了 2 亿片。

全球硅片出货量（m^2）

2009-2015 年， 经过经济危机之后的逐渐复苏，全球硅片出货量下降到了 7%的复合增速。虽然同期智能手机市场形成了市场的主要拉动力量，，但是硅片总出货量仍然维持在 2 亿片左右。同时期 300mm 硅片的市占率从 48%上升到了60%，因此这一时期的主旋律是硅片市场 300mm 替代 200mm 的结构性变化。

全球硅片市场规模和单价

从市场规模的变化来看， 2001-2007 是硅片市场整体量价齐升的绝对景气周期，2009-2015 年则主要是硅片市场内部的结构性替代周期。随着硅片市场从 2016开始重新进入量价齐升的新周期， 我们认为有望产生新一轮七年的景气周期。放眼当下： 硅片库存持续下降， 新一轮景气周期正式开启。

除了国外那几家主要企业外，国内也涉足这个领域，谋求分一杯羹。

现在国内有了新昇、超硅、中环股份等企业聚焦大硅片，其中新昇公司 300mm 大硅片于 2017 年取得突破，从二季度开始已经向中芯国际等芯片代工企业提供正片进行验证，并于当年实现了挡片、陪片、测试片等产品的销售。目前公司的认证工作一切顺利，已实现部分产品的销售。2017 年公司收入为 2470 万元，净利润亏损-2588 万元。

而上海超硅成立于 2008 年 7 月，拥有土地 50 亩，厂房约 3 万平米；重庆超硅成立于 2014 年 6 月，拥有土地 400 亩，一期建筑约 13万平方米，涉及产能为 50 万片/月。公司硅片涵盖所有主流尺寸，包括 150mm、 200mm、 300mm、以及 450mm。同时，公司技术范围较广，具备外延片，高电阻率片、无原生缺陷片（COP free）、超薄片、以及 SOI 等产品生产技术；

至于中环股份，主营业务围绕硅材料展开，专注单晶硅的研发和生产，产品的应用领域包括集成电路、消费电子、新能源业务等产业。 2017 年，公司顺利实现大直径区熔硅单晶技术产业化，继续保持区熔单晶产品全球前三的行业地位； 5-6 英寸区熔硅抛光片快速上量，市场占有率全球领先；积极扩充 8 英寸硅抛光片生产规模，预计 2018 年第四季度实现 30 万片/月的产销规模；同时通过投资 30 亿美元启动集成电路和功率器件用 8-12 寸抛光片项目，集约各股东方资源， 为实现公司半导体产业升级打下坚定基础。

未来他们会做起怎样的一个新局面？让我们拭目以待。

今天是《半导体行业观察》为您分享的第1655期内容，欢迎关注。

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