技術基礎、設計方式和地緣政治變化,，半導體行業(yè)情況復雜

　　市場、地區(qū)以及產(chǎn)品節(jié)點和封裝類型都在改變半導體的經(jīng)濟狀況,，由此，決定為哪種產(chǎn)品使用哪種技術及其相關原因上的情況也原來越復雜了。

　　資金是所有這些決定的共同之處,，不管這是通過何種方式衡量的——投資資本回報率、季度利潤或長期投資（其中可能包括收購,、有機增長進入新市場或多種情況的混合）,。問題在于，對于芯片行業(yè)來說,，要做出能使利潤增長的明智決策越來越難了,，因為這里面牽扯到太多因素了。

　　僅僅幾年之前,，芯片的終端市場還很明確,，開發(fā)的方向很大程度上就是圍繞著如何快速地遷移到下一個工藝節(jié)點?？爝M到 2018 年,，現(xiàn)在有了很多工藝選擇、更多新的終端市場,、更多封裝選擇和各種來源的新競爭,。而且所有這些領域的問題都還沒得到解答，這可能會給開發(fā)的盈利能力和總成本產(chǎn)生影響,。

　　比如說,，我們目前還不確定 7nm 芯片的成本如何，因為目前還沒有芯片在晶圓廠中移動速度的數(shù)據(jù),。這在很大程度上取決于工藝的成熟度和芯片的復雜度,，但也有部分取決于 EUV 光刻每小時所能加工的晶圓的數(shù)量。

　　圖 1：根據(jù) EUV 電源情況的 7nm 成本比較,；來自Gartner/SEMI Industry Strategy Symposium

　　Gartner 一位分析師 Samuel Wang 在本周 SEMI 的行業(yè)戰(zhàn)略研討會（Industry Strategy Symposium）上說：“7nm 節(jié)點有很高的設計成本,，一款新芯片需要超過 2 億美元的投資。但到 2019 年也可能會出現(xiàn)產(chǎn)能過剩的情況,。我們預計到那時每月的產(chǎn)能會超過 400,000 塊晶圓,。每塊晶圓 10,000 美元，7nm 可能無法支撐這些數(shù)字,?！?/p>

　　他說對 7nm 的需求將會局限在少數(shù)幾個終端市場，比如智能手機,、人工智能和比特幣（比特幣與人工智能都會使用并行處理方法,，但算法不一樣）。而這就是讓人困惑的地方,。比特幣目前還沒有得到芯片廠商的重點關注,，但 Wang 說,，預計到 2022 年比特幣將為臺積電每季度貢獻 4 億美元。物聯(lián)網(wǎng)終端芯片也是如此,，預計屆時將會成長為一個 240 億美元的市場,；另外還有 ADAS 半導體市場預計將會達到 100 億美元。人工智能深度神經(jīng)網(wǎng)絡芯片預計還能為這塊大餡餅增加另外 160 億美元,。

　　所有這些都在推動設備銷售和設計的增長,，但針對這些才剛剛開始成型的市場進行規(guī)劃是很困難的。

　　圖 2：晶圓廠設備收入明細,；來自 Gartner/ISS

　　其它技術轉(zhuǎn)移

　　除了架構(gòu)開發(fā)不確定之外,，很多工具、材料和結(jié)構(gòu)也正在失勢,。目前部署的 EUV 僅被用于替代 193nm 浸沒式光刻技術,。finFET 能夠再續(xù)一個節(jié)點還仍存爭議，也可能需要 GAA FET（gate-all-around FET）來控制漏電和改善越來越高的 fin 的可制造性,。如果 GAA FET 取代了 finFET,，那么遷移到 7/5nm 的時間可能會比預期更長一些,，從而進一步偏離摩爾定律,。

　　與此同時，廠商對先進封裝的興趣卻越來越來濃厚——不管是 2.5D,、3D,、fan-out 還是其它一些變體；而且這種技術轉(zhuǎn)移是有數(shù)據(jù)支持的,。

　　SEMI 行業(yè)研究與統(tǒng)計部門的高級總監(jiān) Dan Tracy 說內(nèi)存封裝已經(jīng)讓 gold wire 增長了 7%,，而 leadframe 在 2017 年增長了 8%。gold wire 用于汽車和醫(yī)療等需要高可靠性的市場的封裝,，而 leadframe 則被用于汽車和移動領域的連接器,。

　　Tracy 說：“我們也看到了銅合金供應的緊張。在過去的六到七年時間里,，銅合金已經(jīng)出現(xiàn)了下滑,。更小更薄的封裝趨勢意味著對銅合金的需求更小了?！?/p>

　　與此同時,，wire bond 已經(jīng)迎來了復蘇，而且廠商對晶圓級封裝的興趣還要更加濃厚,。他說：“隨著行業(yè)向下一個硅節(jié)點遷移,，需要新的解決方案來實現(xiàn)之前通過尺寸縮減實現(xiàn)的經(jīng)濟優(yōu)勢?！?/p>

　　設計的必然趨勢

　　但是,，在制造側(cè)發(fā)生的情況只是全景的一部分,。不同于過去許多年變化通常集中在供應鏈中一個部分的情況，向 10/7nm 的遷移給所有地方都帶來了問題,。應對這些問題并且降低風險的最好方法是通過嚴格的設計規(guī)則來限制靈活性以及小心謹慎地管理向新制造技術的遷移,。

　　這有一定的效果，但不能解決所有問題,。復雜的設計會需要遠遠更多的模擬,、驗證和調(diào)試時間——尤其是當芯片被用于安全性至關重要的功能時，比如用在汽車,、工業(yè)和醫(yī)療等市場中,。一種解決方案是通過提升并行性來增加處理能力。

　　亞馬遜 Web Services 的信息技術/半導體全球業(yè)務發(fā)展負責人 David Pellerin 說：“有相當一些半導體公司已經(jīng)在很有效地使用云來進行回歸測試或驗證了,。它們在 AWS 上做了相當多的回歸測試,。那都是些類似 EDA 的工作，因為它們在測試自己用 FPGA 設計的軟件,。這讓它們可以極大減少完成回歸以及讓結(jié)果返回它們的團隊的時間,。Cadence 也一直都在非常積極地使用云?！?/p>

　　這里的關鍵是要并行化設計流程中的各個部分,，尤其是在驗證方面——這會消耗芯片設計的大量時間。這也是錯誤可能乘虛而入的地方,，因為根本就沒有足夠的時間來測試所有東西,。但通過利用 AWS 上的數(shù)千臺計算機，這整個過程可以得到加速,。這既能幫助實現(xiàn)針對消費者市場的更快上市時間,，也能讓設計者將更多時間用來分析數(shù)據(jù)以及尋找可能的問題所在和未來可能出問題的地方。

　　Pellerin 說：“在這樣的規(guī)模下,，通過使用云能讓它們的回歸過程快 20 倍,。我們看到 EDA 領域正在采用云，我們看到時序分析和 DRC,、軟件回歸,、硬件回歸等工作負載上出現(xiàn)了更快速的創(chuàng)新，而且我們預計未來幾個月還會有更多,。云正在推動設計工程的創(chuàng)新,，其中包括半導體設計?！?/p>

　　圖 3：云給設計方面帶來的提升,；來自 Amazon/Cadence/ISS

　　這是一個方面。另一個方面是一開始就要做出正確的設計。

　　Gartner 的 Wang 說：“設計的復雜性已經(jīng)讓設計成本增大了,。對 7nm 而言,，一次就成功是非常重要的?！?/p>

　　傳統(tǒng)的市場線

　　但是,，我們目前仍然不清楚哪些設備將會利用上最先進的節(jié)點。我們也不清楚它們將被如何使用以及哪些技術將會成為最終的贏家,。

　　一直以來都有不錯效果的一個指標是 Benjamin Gompertz 開發(fā)的一個模型,。Gompertz 是一位自學成才的英國數(shù)學家，他在 1825 年最早發(fā)表了死亡率法則,。這個模型常被用來描繪產(chǎn)品生命周期以及預測需求的增長速度和持續(xù)時間,，而且該模型具有相當好的準確性。

　　圖 4：Gompertz 公式及所得到的 S 曲線,；來自 Mentor/Siemens/ISS

　　該模型可被用于展示不同技術的市場機會——即收緊或伸展該 S 曲線,。

　　西門子旗下 Mentor 的總裁兼 CEO Wally Rhines 說：“半導體行業(yè)的增長以大浪的形式涌來，這會導致半導體收入又一步增長,。所以看看物聯(lián)網(wǎng)可穿戴設備,，我們還處于這個市場的非常早期階段。在 2025 至 2030 年之前,，這會是一個快速增長的市場,。”

　　圖 5：根據(jù) Gompertz 曲線預測的可穿戴設備的發(fā)展,；來自 Mentor/ISS

　　將其與汽車夜視市場（大概會被自動駕駛汽車市場取代）相比,，曲線的形狀看起來會非常不同,。

　　圖 6：汽車夜視系統(tǒng),；來自 Mentor/ISS

　　地緣政治的影響

　　如果再考慮到全球地緣政治的變化，情況會更加晦暗難辨,。在一個節(jié)點之前,，這些問題中很多都是按次序發(fā)生的而且看起來是良性的。而現(xiàn)在它們是并發(fā)的而且還在逐漸加劇,，并且這些問題出現(xiàn)在這樣一個復雜的地緣政治世界秩序之中——某些不確定性在增大,，另一些則在減輕。

　　對于半導體行業(yè)來說,，中國是一個大問題,。自 2000 年以來，該國一直在境外大力投資,；而且在其建設自身經(jīng)濟的過程中,，其內(nèi)部一直都以非常驚人的速度消耗著進口。這已經(jīng)造成了巨大的貿(mào)易赤字——在 2016 年達到了 2601 億美元,。中國現(xiàn)在正通過收緊資本和削減進口的方式來解決這個入超問題,。

　　BCA Research 的地緣政治戰(zhàn)略副總裁 Matt Gertken 說：“隨著美國債務下降和中國進口削減,，中國正在失去與美國達成新協(xié)議的能力。中國由于戰(zhàn)略上的原因正在讓自己擺脫出口,?！?/p>

　　這會造成雙重的打擊，因為中國的增長正在減速,，而此時企業(yè)債務則在往回漲,。企業(yè)債務目前接近中國 GDP 的 180%（見下圖 7）。

　　圖 7：為什么中國正走向變革,；來自 BCA Research/ISS

　　Gertken 說：“市場相信變革即將來臨,。金屬價格和進口量已經(jīng)出現(xiàn)了下降。中國會試圖維持穩(wěn)定,。貨幣緊縮有所加劇,，監(jiān)管也在收緊。因為現(xiàn)在有反腐敗運動,，所以監(jiān)管者不會與銀行走得太近,。另外房地產(chǎn)行業(yè)也面臨著更大的減輕債務的壓力?！?/p>

　　在其它地區(qū),，歐洲似乎從英國脫歐事件中完整幸存了下來。美國的 2017 年對企業(yè)來說是很好的一年,。但 Gertken 指出如果民主黨控制了美國國會,，可能會導致回到保護主義，因為這會迫使特朗普總統(tǒng)鞏固他的基本盤,。所有這些都會對半導體行業(yè)的增長和需求產(chǎn)生連鎖影響,。

　　圖 8：保護主義的萌芽？來自 BCA Research/ISS

　　結(jié)論

　　全球供應鏈涉及到非常多的變化因素,，但由于沒人能真正確定終端市場將會如何變化,、哪些技術對自己最好以及行業(yè)將會在接下來的一二十年里如何變化，情況會更加糟糕,。

　　在一定程度上講,，這個情況在全球性的環(huán)境下是很常見的。但在所有這些問題之下,，每個層面上都有某種更大的不確定性,。有報告稱很多系統(tǒng)供應商都在增加庫存，另外什么時候在什么地方什么會減緩以及會持續(xù)多長時間方面都存在問題,。正如 AlphaOne NexGen Technology Fund 創(chuàng)始人 Dan Niles 指出的那樣：自第二次世界大戰(zhàn)以來,，這是標準普爾指數(shù)持續(xù)時間第二長的牛市。

　　圖 9：歷史上的標準普爾指數(shù)牛市；來自 AlphaOne/ISS