10月7日,針對(duì)美國(guó)政府打算實(shí)施《國(guó)防生產(chǎn)法案》(DPA),要求半導(dǎo)體公司提供機(jī)密資料的舉措,韓國(guó)貿(mào)易部發(fā)聲:對(duì)美國(guó)要求在美運(yùn)營(yíng)的韓國(guó)芯片制造商披露供應(yīng)鏈相關(guān)機(jī)密信息表示擔(dān)憂,。

此前,美國(guó)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(gè)敏感問題,包括生產(chǎn)計(jì)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(jī)的延續(xù),半導(dǎo)體還有電池已經(jīng)成為國(guó)家安全利益的新核心,。美國(guó)擬援引冷戰(zhàn)時(shí)期的《國(guó)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(jì)復(fù)蘇背上沉重壓力

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

作為智能手機(jī)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(jī)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(gè)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(jìng)爭(zhēng)中保持領(lǐng)先地位,因此,全球具有競(jìng)爭(zhēng)力的公司屈指可數(shù),。

實(shí)際上,全球大部分半導(dǎo)體供應(yīng)的實(shí)際生產(chǎn)差不多都是外包,尤其是中國(guó)臺(tái)灣,、韓國(guó)和中國(guó)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(jì)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(guó)越來越不安,開始尋找權(quán)宜之計(jì),。加大對(duì)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(shí)抑制了需求,但封鎖和社交距離措施也刺激了個(gè)人電腦和智能手機(jī)的銷售,汽車芯片市場(chǎng)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(diǎn)也不過分。美國(guó)和中國(guó)之間的貿(mào)易科技爭(zhēng)端為刺激非典型商業(yè)運(yùn)營(yíng)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(tái)積電獲得產(chǎn)能,。其他未受到特別限制的OEM也在爭(zhēng)取庫存,以作為潛在供應(yīng)鏈風(fēng)險(xiǎn)的緩沖,這超越了采用更精簡(jiǎn)庫存的財(cái)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(jì)衰退威脅抑制了消費(fèi)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(jī)廠原來預(yù)計(jì),經(jīng)濟(jì)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(shí)上,疫情降低了公共交通使用率,對(duì)新型汽車的需求有所增加,。而當(dāng)主機(jī)廠對(duì)此做出回應(yīng)時(shí),代工產(chǎn)能已經(jīng)沒有了。

芯片短缺的雪球效應(yīng)

消費(fèi)設(shè)備需求的增長(zhǎng)主要?dú)w因于疫情對(duì)全球經(jīng)濟(jì)的影響,。隨著學(xué)校和辦公室調(diào)整政策實(shí)施遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)和工作,學(xué)生和員工必須重新評(píng)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(shí)的家庭系統(tǒng)都是升級(jí)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(yuǎn)程學(xué)習(xí)環(huán)境中最低要求,。

Yole處理器季度市場(chǎng)監(jiān)測(cè)顯示,長(zhǎng)期客戶端PC(APU、CPU和GPU)增長(zhǎng)強(qiáng)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(jìn)一步的壓力,。過去一年,天公也不作美,美國(guó)嚴(yán)冬、工廠火災(zāi),、中國(guó)臺(tái)灣水荒等災(zāi)難,遇上蘋果,、微軟、英偉達(dá),、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(jià)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(jī)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(gè)(甚至幾百個(gè))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(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)的影響,但其市場(chǎng)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(gè)“分秒不差”的供應(yīng)鏈,。盡管如此,Yole預(yù)計(jì)MCU市場(chǎng)在2021年將售出價(jià)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(gè)過于依賴現(xiàn)有產(chǎn)能的行業(yè)現(xiàn)狀,。因此,臺(tái)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(jì),代工廠對(duì)更多樣化晶圓生產(chǎn)能力的投資將使處理器(CPU+APU)市場(chǎng)持續(xù)增長(zhǎng),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(dú)立器件制造商(IDM)的130億美元價(jià)值,。加上GPU和FPGA,2026年前端處理總收入將達(dá)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(zhǎng)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(gè)更加強(qiáng)大的技術(shù)行業(yè)向前發(fā)展,。共識(shí)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(duì)未來的壓力,。

過去6個(gè)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(tái)積電增加了2021年資本支出預(yù)期,預(yù)計(jì)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(chǎng)關(guān)鍵走勢(shì)

Yole基于市場(chǎng)監(jiān)測(cè)給出了應(yīng)用處理器(AP)和微控制器等方面的市場(chǎng)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(zhēng)端和設(shè)計(jì)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(chǎng)的潛力,。其中包括:蘋果計(jì)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(shì)APU供應(yīng)鏈也在重組。

CPU和GPU市場(chǎng)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(shí)上,隨著越來越多的消費(fèi)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(fèi)設(shè)備領(lǐng)域,僅在2020年APU就實(shí)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(chǎng)創(chuàng)造了超過1200億美元的收入,。伴隨發(fā)展,這些市場(chǎng)之間的界限開始模糊,例如蘋果在其個(gè)人電腦中轉(zhuǎn)向APU解決方案,還有更多設(shè)計(jì)師希望在超便攜個(gè)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(zhǎng)期趨勢(shì)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(shí)還需要滿足高移動(dòng)性和BOM限制。同樣,在微處理器領(lǐng)域,系統(tǒng)設(shè)計(jì)者尋求以不斷提高的效率部署不斷增加的計(jì)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(jì)師,、IP持有人和制造商合作,通過為傳統(tǒng)計(jì)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(diǎn)增加功能來滿足這些需求,。

事實(shí)上,人工智能支持(通過獨(dú)立或嵌入式AI加速器)是處理器設(shè)計(jì)師和OEM的最新優(yōu)勢(shì),。將不斷增長(zhǎng)的計(jì)算能力封裝到半導(dǎo)體器件中一直是整個(gè)計(jì)算行業(yè)的趨勢(shì)。處理器的下一個(gè)十年也不會(huì)有什么不同,。不過,我們正在經(jīng)歷計(jì)算能力單位成本下降放緩,因此處理器設(shè)計(jì)者的一個(gè)選擇是:繼續(xù)改進(jìn)計(jì)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(rùn)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(cè)預(yù)示,2026年,全球MCU市場(chǎng)將達(dá)到242億美元,推動(dòng)增長(zhǎng)的是汽車和工業(yè)市場(chǎng),。對(duì)電子設(shè)備和MCU市場(chǎng)趨勢(shì)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(zhǎng)率(CAGR)為7．0%,預(yù)計(jì)在全球疫情后,MCU仍將呈現(xiàn)反彈增長(zhǎng),。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(chǎng)可能需要兩倍的時(shí)間。未來,汽車,、工業(yè),、航空航天與國(guó)防、醫(yī)療等行業(yè)MCU市場(chǎng)收入復(fù)合年增長(zhǎng)率均有望達(dá)到9%以上,。個(gè)人數(shù)據(jù)處理在經(jīng)歷近期繁榮后,將是唯一一個(gè)出現(xiàn)短期下跌的市場(chǎng),。

MCU市場(chǎng)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?yàn)橹袛嗟墓?yīng)鏈需要時(shí)間來重新平衡。MCU市場(chǎng)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(dòng),同樣無法制造汽車,許多常見的MCU訂單也將被擱置,。

MCU市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)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(gè)MCU市場(chǎng)的80%以上,。他們都是綜合設(shè)計(jì)制造商,。不過,市場(chǎng)上仍然有許多設(shè)計(jì)公司。據(jù)估計(jì),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(chǎng)可以提供大量MCU,但對(duì)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(jì)公司市場(chǎng)份額

與微處理器和SoC市場(chǎng)相比,MCU市場(chǎng)對(duì)不斷增長(zhǎng)的成本、面積和功率限制更為敏感,。這促使設(shè)計(jì)師仔細(xì)考慮新功能的應(yīng)用,。傳統(tǒng)上,成本和擴(kuò)展混合信號(hào)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(shí),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(zhǎng)的同時(shí),預(yù)計(jì)這一組合將減少每月晶圓的用量,。

AI不僅僅針對(duì)汽車和數(shù)據(jù)中心,。在終端和邊緣側(cè)微處理器上實(shí)現(xiàn)的機(jī)器學(xué)習(xí)的過程被稱為微型機(jī)器學(xué)習(xí),即TinyML。它是機(jī)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(dá)25億個(gè)MCU將運(yùn)行AI,。雖然大型強(qiáng)大處理器在視覺處理方面在不斷改進(jìn),但OEM發(fā)現(xiàn),即使在MCU上運(yùn)行簡(jiǎn)單的監(jiān)聽或感知應(yīng)用,機(jī)器學(xué)習(xí)也能節(jié)省更多時(shí)間和金錢。

競(jìng)爭(zhēng)結(jié)果:技術(shù)市場(chǎng)不對(duì)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(zhǎng)的時(shí)間來演進(jìn),。半導(dǎo)體行業(yè)本身的特點(diǎn)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(dá)到最高的工藝技術(shù)水平,需要在研發(fā)方面進(jìn)行大量投資,并在新的制造設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施方面進(jìn)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(shí)制造工藝為20nm,。但就在去年的7nm或今天的5nm節(jié)點(diǎn),只有臺(tái)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(dòng)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(diǎn)INTEL 7(10納米增強(qiáng)型SuperFin)將在2021年晚些時(shí)候推出產(chǎn)品,。預(yù)計(jì)到2025年,英特爾可能逆襲,將在其18A節(jié)點(diǎn)上處于行業(yè)領(lǐng)先地位。據(jù)英特爾稱,18A節(jié)點(diǎn)(Angstrom級(jí)芯片的“A”)需要業(yè)界首次實(shí)施ASML最先進(jìn)的高NA EUV光刻技術(shù),。至此,半導(dǎo)體制程將告別“納米時(shí)代”,正式進(jìn)入“埃時(shí)代”,。“?！?Angstrom)是0．1nm長(zhǎng)度,。

高科技競(jìng)爭(zhēng)的一個(gè)自然結(jié)果是,領(lǐng)先代工廠很少同時(shí)達(dá)到相同的技術(shù)地位,從而將進(jìn)一步造成市場(chǎng)不對(duì)稱。例如,第一個(gè)達(dá)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(jì)帶到最新的節(jié)點(diǎn),并獲得速度和功耗方面的改進(jìn),。知名度高的客戶愿意為新代工節(jié)點(diǎn)上的早期批量支付額外的費(fèi)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(jì)算部門的計(jì)算和軟件技術(shù)和市場(chǎng)分析師John Lorenz指出:“當(dāng)然,今天進(jìn)行的投資需要一段時(shí)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(zhǎng)時(shí)間后半導(dǎo)體行業(yè)的狀況,而且到那時(shí),該行業(yè)可能已不需要額外的產(chǎn)能,。”

他補(bǔ)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(shì)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(yuǎn)充滿活力的半導(dǎo)體行業(yè)永遠(yuǎn)不會(huì)枯燥乏味!”