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鏈相關機密信息表示擔憂。

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)劃和目標收入等。

看來,隨著汽車芯片短缺危機的延續(xù),半導體還有電池已經(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》,迫使半導體公司共享敏感信息。

芯片短缺讓經(jīng)濟復蘇背上沉重壓力

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

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)性供應鏈問題。由于芯片生產(chǎn)由少數(shù)制造商主導,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已經(jīng)超出了汽車行業(yè),全球半導體供應鏈瓶頸顯現(xiàn),在這個典型的設備密集型加工行業(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,全球大部分半導體供應的實際生產(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”半導體公司的設計組裝芯片。

隨著人們擔心汽車以外眾多業(yè)務的多米諾骨牌效應導致全球半導體供應枯竭,世界各國越來越不安,開始尋找權(quán)宜之計。加大對制造廠和設備的投資以提高產(chǎn)量是領先半導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)絡和數(shù)據(jù)中心服務器基站的廣泛部署,半導體需求開始飆升。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。

供應鏈挑戰(zhàn)前所未有

用天災人禍來形容近兩年的半導體供應鏈一點也不過分。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,以作為潛在供應鏈風險的緩沖,這超越了采用更精簡庫存的財務效益原則。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)線和供應鏈因?qū)嵤┓怄i而中斷。隨著政府和企業(yè)適應了疫情期間開展業(yè)務,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。汽車領域尤為明顯,主機廠原來預計,經(jīng)濟不確定性將導致新車需求下降,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。而當主機廠對此做出回應時,代工產(chǎn)能已經(jīng)沒有了。

芯片短缺的雪球效應

消費設備需求的增長主要歸因于疫情對全球經(jīng)濟的影響。隨著學校和辦公室調(diào)整政策實施遠程學習和工作,學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。任何不合標準或過時的家庭系統(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)被用來滿足學生在新的遠程學習環(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,美國嚴冬、工廠火災、中國臺灣水荒等災難,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,日本地震又導致瑞薩車用芯片工廠部分設備停工,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)沒有受到尖端技術節(jié)點競爭的影響,但其市場受到了災難和供應鏈的影響,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”的供應鏈。盡管如此,Yole預計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估

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

過去6個月,各大半導體制造商紛紛宣布增加投資,特別是為無晶圓廠半導體公司(Fabless)提供晶圓加工服務的代工廠。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合資企業(yè);臺積電增加了2021年資本支出預期,預計未來三年將支出1000億美元;到2030年,三星將非內(nèi)存半導體投資估算提高到1510億美元……

這些都是高不可攀的投資估算,遠遠高于行業(yè)觀察家一年前的預期。

代工和資本支出

處理器和微控制器市場關鍵走勢

Yole基于市場監(jiān)測給出了應用處理器(AP)和微控制器等方面的市場分析和預期。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供應鏈也在重組。

CPU和GPU市場預期

APU是管理和執(zhí)行現(xiàn)代“智能”設備許多功能的中央芯片。事實上,隨著越來越多的消費類設備始終開啟/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)消費設備領域,僅在2020年APU就實現(xiàn)了410億美元的收入。加上用于PC和服務器的CPU(630億美元),用于PC和服務器的分立式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,在微處理器領域,系統(tǒng)設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,如人工智能訓練和推理。設計師、IP持有人和制造商合作,通過為傳統(tǒng)計算和圖形領域以及神經(jīng)網(wǎng)絡處理、深度學習和人工智能領域的創(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期

再看MCU,監(jiān)測預示,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。對電子設備和MCU市場趨勢的分析表明,在供應鏈中斷的情況下,MCU的收入復合年增長率(CAGR)為7．0%,預計在全球疫情后,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,供應鏈應在1-2年內(nèi)恢復正常,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市場收入預期

在半導體短缺——更準確地說是供應鏈中斷期間,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供應商在合并和收購中占據(jù)了相當大份額,現(xiàn)在占整個MCU市場的80%以上。他們都是綜合設計制造商。不過,市場上仍然有許多設計公司。據(jù)估計,至少有40家供應商每年的收入超過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的MCU來說,只有少數(shù)MCU能夠維持尖端技術的非經(jīng)常性產(chǎn)能。

2020年頭部MCU設計公司市場份額

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。這促使設計師仔細考慮新功能的應用。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持續(xù)增長的同時,預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)的機器學習的過程被稱為微型機器學習,即TinyML。它是機器學習和嵌入式IoT設備的交叉領域。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)聽或感知應用,機器學習也能節(jié)省更多時間和金錢。

競爭結(jié)果:技術市場不對稱

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長的時間來演進。半導體行業(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水平,需要在研發(fā)方面進行大量投資,并在新的制造設備和基礎設施方面進行更大的投資。在2014年,有7家公司能夠在半導體制造技術的前沿加工產(chǎn)品,當時制造工藝為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主題活動為其技術路線圖提供了更新的定義和目標,引導技術節(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。至此,半導體制程將告別“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,領先代工廠很少同時達到相同的技術地位,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半導體、內(nèi)存和計算部門的計算和軟件技術和市場分析師John Lorenz指出:“當然,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,如果關鍵技術和終端系統(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,這些投資仍將是謹慎的。但是,永遠充滿活力的半導體行業(yè)永遠不會枯燥乏味!”