10月7日,針對美國政府打算實施《國防生產(chǎn)法案》(DPA),要求半導(dǎo)體公司提供機密資料的舉措,韓國貿(mào)易部發(fā)聲:對美國要求在美運營的韓國芯片制造商披露供應(yīng)鏈相關(guān)機密信息表示擔(dān)憂。

此前,美國已將芯片短缺問題提到了新的高度,發(fā)出了“自愿”問卷調(diào)查,限上述公司45天內(nèi)提供信息。三星和SK海力士被敦促回答14個敏感問題,包括生產(chǎn)計劃(內(nèi)存芯片和代工芯片)、庫存水平、客戶名單及管理規(guī)劃和目標(biāo)收入等。

看來,隨著汽車芯片短缺危機的延續(xù),半導(dǎo)體還有電池已經(jīng)成為國家安全利益的新核心。美國擬援引冷戰(zhàn)時期的《國家安全法案》,迫使半導(dǎo)體公司共享敏感信息。

芯片短缺讓經(jīng)濟復(fù)蘇背上沉重壓力

全球芯片短缺已成為一個令人擔(dān)憂的問題,可能會阻礙受疫情影響的全球經(jīng)濟復(fù)蘇。

作為智能手機和汽車的重要組成部分,芯片需求的激增加劇了系統(tǒng)性供應(yīng)鏈問題。由于芯片生產(chǎn)由少數(shù)制造商主導(dǎo),短缺或?qū)⒊蔀榭氨纫咔榈臅缛粘志玫男鲁B(tài)。

芯片短缺的直接影響是汽車產(chǎn)量下降,所有主機廠無一幸免。芯片短缺的連鎖反應(yīng)已經(jīng)超出了汽車行業(yè),全球半導(dǎo)體供應(yīng)鏈瓶頸顯現(xiàn),在這個典型的設(shè)備密集型加工行業(yè),沒有巨額投資就無法在競爭中保持領(lǐng)先地位,因此,全球具有競爭力的公司屈指可數(shù)。

實際上,全球大部分半導(dǎo)體供應(yīng)的實際生產(chǎn)差不多都是外包,尤其是中國臺灣、韓國和中國大陸的分包商,他們主要是依據(jù)“無晶圓廠”半導(dǎo)體公司的設(shè)計組裝芯片。

隨著人們擔(dān)心汽車以外眾多業(yè)務(wù)的多米諾骨牌效應(yīng)導(dǎo)致全球半導(dǎo)體供應(yīng)枯竭,世界各國越來越不安,開始尋找權(quán)宜之計。加大對制造廠和設(shè)備的投資以提高產(chǎn)量是領(lǐng)先半導(dǎo)體制造商和代工廠所能做的唯一一件事。

近期,隨著超高速、寬帶5G無線通信網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心服務(wù)器基站的廣泛部署,半導(dǎo)體需求開始飆升。盡管疫情暫時抑制了需求,但封鎖和社交距離措施也刺激了個人電腦和智能手機的銷售,汽車芯片市場在去年秋季也已反彈。

供應(yīng)鏈挑戰(zhàn)前所未有

用天災(zāi)人禍來形容近兩年的半導(dǎo)體供應(yīng)鏈一點也不過分。美國和中國之間的貿(mào)易科技爭端為刺激非典型商業(yè)運營創(chuàng)造了條件,直接惡果之一就是芯片囤貨。華為和海思等直接受到限制,失去了本應(yīng)在2020年9月之前的芯片庫存,無法從臺積電獲得產(chǎn)能。其他未受到特別限制的OEM也在爭取庫存,以作為潛在供應(yīng)鏈風(fēng)險的緩沖,這超越了采用更精簡庫存的財務(wù)效益原則。隨著全球貿(mào)易事態(tài)的繼續(xù),這種行為也將繼續(xù)。

在需求方面,疫情曾一度令生產(chǎn)線和供應(yīng)鏈因?qū)嵤┓怄i而中斷。隨著政府和企業(yè)適應(yīng)了疫情期間開展業(yè)務(wù),加之迫在眉睫的經(jīng)濟衰退威脅抑制了消費欲望,需求出現(xiàn)了新的不確定性。汽車領(lǐng)域尤為明顯,主機廠原來預(yù)計,經(jīng)濟不確定性將導(dǎo)致新車需求下降,生產(chǎn)線放緩,零部件訂單減少。但事實上,疫情降低了公共交通使用率,對新型汽車的需求有所增加。而當(dāng)主機廠對此做出回應(yīng)時,代工產(chǎn)能已經(jīng)沒有了。

芯片短缺的雪球效應(yīng)

消費設(shè)備需求的增長主要歸因于疫情對全球經(jīng)濟的影響。隨著學(xué)校和辦公室調(diào)整政策實施遠程學(xué)習(xí)和工作,學(xué)生和員工必須重新評估家用電腦、筆記本電腦和平板電腦的性能。任何不合標(biāo)準(zhǔn)或過時的家庭系統(tǒng)都是升級的主要候選系統(tǒng)。在許多家庭環(huán)境,全新的系統(tǒng)(如Google Chromebook)被用來滿足學(xué)生在新的遠程學(xué)習(xí)環(huán)境中最低要求。

Yole處理器季度市場監(jiān)測顯示,長期客戶端PC(APU、CPU和GPU)增長強勁。

2021年第3季度APU、CPU和GPU收入

除了疫情的影響,惡化的環(huán)境給科技行業(yè)帶來了進一步的壓力。過去一年,天公也不作美,美國嚴(yán)冬、工廠火災(zāi)、中國臺灣水荒等災(zāi)難,遇上蘋果、微軟、英偉達、AMD、英特爾推出新產(chǎn)品,令缺芯雪上加霜。直到最近,日本地震又導(dǎo)致瑞薩車用芯片工廠部分設(shè)備停工,為試圖加速擺脫疫情引起的行業(yè)停滯增加了顛簸。種種原因令芯片制造商不斷重新分配產(chǎn)能,汽車芯片價格一漲再漲也就不足為奇了。

由于今天的終端系統(tǒng)和供應(yīng)鏈高度集成,芯片短缺也影響了產(chǎn)能不足的器件交付。例如,如果主機廠由于缺少關(guān)鍵部件而無法組裝某一車型,就不需要采購幾十個(甚至幾百個)其他零部件。這種情況表現(xiàn)在許多方面:MCU(微控制器)沒有受到尖端技術(shù)節(jié)點競爭的影響,但其市場受到了災(zāi)難和供應(yīng)鏈的影響,最終系統(tǒng)減少了需求,特別是汽車行業(yè)已經(jīng)發(fā)展成為一個“分秒不差”的供應(yīng)鏈。盡管如此,Yole預(yù)計MCU市場在2021年將售出價值175億美元的器件,到2026年將增至242億美元。

所有這些因素可以看出一個過于依賴現(xiàn)有產(chǎn)能的行業(yè)現(xiàn)狀。因此,臺積電、英特爾和三星及其他公司都在尋求將自身產(chǎn)能提升到卓越水平。例如,德州儀器斥資15億美元買下了美光科技猶他州工廠,這似乎是增加產(chǎn)能的最快方式:在現(xiàn)有設(shè)備中重新裝備。

節(jié)流不成,只能開源

Yole估計,代工廠對更多樣化晶圓生產(chǎn)能力的投資將使處理器(CPU+APU)市場持續(xù)增長,到2026年超過1400億美元,前端代工服務(wù)將超過340億美元,再加上獨立器件制造商(IDM)的130億美元價值。加上GPU和FPGA,2026年前端處理總收入將達到600億美元。

包括IDM前端的代工廠收入預(yù)估

一系列挑戰(zhàn)代表著日益復(fù)雜的技術(shù)行業(yè)的成長煩惱,但半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的脆弱性已經(jīng)暴露并已受到關(guān)注,這將有助于一個更加強大的技術(shù)行業(yè)向前發(fā)展。共識是,生產(chǎn)線和供應(yīng)鏈應(yīng)該通過新的政策和投資來應(yīng)對未來的壓力。

過去6個月,各大半導(dǎo)體制造商紛紛宣布增加投資,特別是為無晶圓廠半導(dǎo)體公司(Fabless)提供晶圓加工服務(wù)的代工廠。作為“IDM 2．0”的一部分,英特爾宣布打算投資200億美元建立一家新的代工服務(wù)合資企業(yè);臺積電增加了2021年資本支出預(yù)期,預(yù)計未來三年將支出1000億美元;到2030年,三星將非內(nèi)存半導(dǎo)體投資估算提高到1510億美元……

這些都是高不可攀的投資估算,遠遠高于行業(yè)觀察家一年前的預(yù)期。

代工和資本支出

處理器和微控制器市場關(guān)鍵走勢

Yole基于市場監(jiān)測給出了應(yīng)用處理器(AP)和微控制器等方面的市場分析和預(yù)期。處理器包括FPGA、CPU、GPU和APU,涉及所有IDM、無晶圓廠公司和代工廠。

在全球貿(mào)易爭端和設(shè)計創(chuàng)新中,處理器格局正在重組,特別是重新調(diào)整大規(guī)模處理器市場的潛力。其中包括:蘋果計劃從基于英特爾的Mac過渡到蘋果自研的ARM處理器的Mac;GPU的迅速崛起加速了數(shù)據(jù)中心的協(xié)同處理;圍繞中美貿(mào)易緊張局勢APU供應(yīng)鏈也在重組。

CPU和GPU市場預(yù)期

APU是管理和執(zhí)行現(xiàn)代“智能”設(shè)備許多功能的中央芯片。事實上,隨著越來越多的消費類設(shè)備始終開啟/連接,APU已成為更耗電的基于x86的傳統(tǒng)器件有力的替代品。在互聯(lián)消費設(shè)備領(lǐng)域,僅在2020年APU就實現(xiàn)了410億美元的收入。加上用于PC和服務(wù)器的CPU(630億美元),用于PC和服務(wù)器的分立式GPU(150億美元),處理器市場創(chuàng)造了超過1200億美元的收入。伴隨發(fā)展,這些市場之間的界限開始模糊,例如蘋果在其個人電腦中轉(zhuǎn)向APU解決方案,還有更多設(shè)計師希望在超便攜個人電腦中用高通+Nuvia和三星+AMD取代x86。

應(yīng)用處理器行業(yè)的長期趨勢是,OEM不斷尋求差異化,并要求增加最終產(chǎn)品的處理能力,同時還需要滿足高移動性和BOM限制。同樣,在微處理器領(lǐng)域,系統(tǒng)設(shè)計者尋求以不斷提高的效率部署不斷增加的計算能力。在某些情況下,這需要新的硬件和軟件,如人工智能訓(xùn)練和推理。設(shè)計師、IP持有人和制造商合作,通過為傳統(tǒng)計算和圖形領(lǐng)域以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理、深度學(xué)習(xí)和人工智能領(lǐng)域的創(chuàng)新重點增加功能來滿足這些需求。

事實上,人工智能支持(通過獨立或嵌入式AI加速器)是處理器設(shè)計師和OEM的最新優(yōu)勢。將不斷增長的計算能力封裝到半導(dǎo)體器件中一直是整個計算行業(yè)的趨勢。處理器的下一個十年也不會有什么不同。不過,我們正在經(jīng)歷計算能力單位成本下降放緩,因此處理器設(shè)計者的一個選擇是:繼續(xù)改進計算,并接受不斷增加的成本,或者調(diào)整創(chuàng)新以匹配成本下降率,并在歷史BOM和利潤范圍內(nèi)生存。

可以看出,英特爾的最新路線圖是一條追趕和超越代工廠的積極道路;而三星發(fā)布了第一款大規(guī)模量產(chǎn)的全環(huán)繞柵極晶體管(GAA)架構(gòu)3nm工藝,有望在2023年之后量產(chǎn)。

代工和邏輯資本支出預(yù)期

再看MCU,監(jiān)測預(yù)示,2026年,全球MCU市場將達到242億美元,推動增長的是汽車和工業(yè)市場。對電子設(shè)備和MCU市場趨勢的分析表明,在供應(yīng)鏈中斷的情況下,MCU的收入復(fù)合年增長率(CAGR)為7．0%,預(yù)計在全球疫情后,MCU仍將呈現(xiàn)反彈增長。大多數(shù)MCU采用更成熟的工藝制造,供應(yīng)鏈應(yīng)在1-2年內(nèi)恢復(fù)正常,即使其他組件市場可能需要兩倍的時間。未來,汽車、工業(yè)、航空航天與國防、醫(yī)療等行業(yè)MCU市場收入復(fù)合年增長率均有望達到9%以上。個人數(shù)據(jù)處理在經(jīng)歷近期繁榮后,將是唯一一個出現(xiàn)短期下跌的市場。

MCU市場收入預(yù)期

在半導(dǎo)體短缺——更準(zhǔn)確地說是供應(yīng)鏈中斷期間,5萬美元的汽車正等待5美元的零部件,因為中斷的供應(yīng)鏈需要時間來重新平衡。MCU市場受到OEM需求影響的程度與汽車廠商難以獲得其他高性能組件的程度一樣。即使MCU產(chǎn)能可用,如果要等待GPU或顯示器驅(qū)動,同樣無法制造汽車,許多常見的MCU訂單也將被擱置。

MCU市場的競爭格局因多次收購而改變。過去十年,前五大MCU供應(yīng)商在合并和收購中占據(jù)了相當(dāng)大份額,現(xiàn)在占整個MCU市場的80%以上。他們都是綜合設(shè)計制造商。不過,市場上仍然有許多設(shè)計公司。據(jù)估計,至少有40家供應(yīng)商每年的收入超過5000萬美元。由于許多MCU是采用成熟工藝制造的,因此市場可以提供大量MCU,但對于那些尖端制造技術(shù)的MCU來說,只有少數(shù)MCU能夠維持尖端技術(shù)的非經(jīng)常性產(chǎn)能。

2020年頭部MCU設(shè)計公司市場份額

與微處理器和SoC市場相比,MCU市場對不斷增長的成本、面積和功率限制更為敏感。這促使設(shè)計師仔細考慮新功能的應(yīng)用。傳統(tǒng)上,成本和擴展混合信號及內(nèi)存特性的難度使MCU落后于尖端處理器的工藝幾何結(jié)構(gòu),與此同時,MCU正在從傳統(tǒng)8英寸晶圓轉(zhuǎn)到12英寸。在制造收入和芯片供應(yīng)持續(xù)增長的同時,預(yù)計這一組合將減少每月晶圓的用量。

AI不僅僅針對汽車和數(shù)據(jù)中心。在終端和邊緣側(cè)微處理器上實現(xiàn)的機器學(xué)習(xí)的過程被稱為微型機器學(xué)習(xí),即TinyML。它是機器學(xué)習(xí)和嵌入式IoT設(shè)備的交叉領(lǐng)域。與其他AI框架的結(jié)合意味著,到2026年將有多達25億個MCU將運行AI。雖然大型強大處理器在視覺處理方面在不斷改進,但OEM發(fā)現(xiàn),即使在MCU上運行簡單的監(jiān)聽或感知應(yīng)用,機器學(xué)習(xí)也能節(jié)省更多時間和金錢。

競爭結(jié)果:技術(shù)市場不對稱

許多因素正在重塑代工廠景觀,其中一些是突然出現(xiàn)的,而另一些則需要相當(dāng)長的時間來演進。半導(dǎo)體行業(yè)本身的特點以及來自更廣泛的地理和政治因素的影響正在發(fā)揮重要作用。

首先,要達到最高的工藝技術(shù)水平,需要在研發(fā)方面進行大量投資,并在新的制造設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施方面進行更大的投資。在2014年,有7家公司能夠在半導(dǎo)體制造技術(shù)的前沿加工產(chǎn)品,當(dāng)時制造工藝為20nm。但就在去年的7nm或今天的5nm節(jié)點,只有臺積電和三星在大批量生產(chǎn),英特爾緊隨其后。

談到英特爾,7月份的Intel Accelerated主題活動為其技術(shù)路線圖提供了更新的定義和目標(biāo),引導(dǎo)技術(shù)節(jié)點INTEL 7(10納米增強型SuperFin)將在2021年晚些時候推出產(chǎn)品。預(yù)計到2025年,英特爾可能逆襲,將在其18A節(jié)點上處于行業(yè)領(lǐng)先地位。據(jù)英特爾稱,18A節(jié)點(Angstrom級芯片的“A”)需要業(yè)界首次實施ASML最先進的高NA EUV光刻技術(shù)。至此,半導(dǎo)體制程將告別“納米時代”,正式進入“埃時代”?！鞍！?Angstrom)是0．1nm長度。

高科技競爭的一個自然結(jié)果是,領(lǐng)先代工廠很少同時達到相同的技術(shù)地位,從而將進一步造成市場不對稱。例如,第一個達到5nm的代工廠吸引了大量客戶的注意力,他們希望將自己的設(shè)計帶到最新的節(jié)點,并獲得速度和功耗方面的改進。知名度高的客戶愿意為新代工節(jié)點上的早期批量支付額外的費用,而其他客戶必須等待技術(shù)變得更成熟和/或不那么稀缺才能介入。

充滿活力的行業(yè)

Yole半導(dǎo)體、內(nèi)存和計算部門的計算和軟件技術(shù)和市場分析師John Lorenz指出:“當(dāng)然,今天進行的投資需要一段時間才能上線,而且可能只有在2023年才能完全用于制造業(yè)。沒有人能確切地說出兩年或更長時間后半導(dǎo)體行業(yè)的狀況,而且到那時,該行業(yè)可能已不需要額外的產(chǎn)能?！?/p>

他補充說:“不過,如果關(guān)鍵技術(shù)和終端系統(tǒng)(如汽車電氣化、AR/VR和micro-LED)的趨勢保持不變,那么晶圓需求將大幅增加,這些投資仍將是謹(jǐn)慎的。但是,永遠充滿活力的半導(dǎo)體行業(yè)永遠不會枯燥乏味!”