文︱立厷

图︱Yole

10月7日,针对美国政府打算实施《国防生产法案》(DPA),要求半导体公司提供机密资料的举措,韩国贸易部发声:对美国要求在美运营的韩国芯片制造商披露供应链相关机密信息表示担忧。

此前,美国已将芯片短缺问题提到了新的高度,发出了“自愿”问卷调查,限上述公司45天内提供信息。三星和SK海力士被敦促回答14个敏感问题,包括生产计划(内存芯片和代工芯片)、库存水平、客户名单及管理规划和目标收入等。

看来,随着汽车芯片短缺危机的延续,半导体还有电池已经成为国家安全利益的新核心。美国拟援引冷战时期的《国家安全法案》,迫使半导体公司共享敏感信息。

芯片短缺让经济复苏背上沉重压力

全球芯片短缺已成为一个令人担忧的问题,可能会阻碍受疫情影响的全球经济复苏。

作为智能手机和汽车的重要组成部分,芯片需求的激增加剧了系统性供应链问题。由于芯片生产由少数制造商主导,短缺或将成为堪比疫情的旷日持久的新常态。

芯片短缺的直接影响是汽车产量下降,所有主机厂无一幸免。芯片短缺的连锁反应已经超出了汽车行业,全球半导体供应链瓶颈显现,在这个典型的设备密集型加工行业,没有巨额投资就无法在竞争中保持领先地位,因此,全球具有竞争力的公司屈指可数。

实际上,全球大部分半导体供应的实际生产差不多都是外包,尤其是中国台湾、韩国和中国大陆的分包商,他们主要是依据“无晶圆厂”半导体公司的设计组装芯片。

随着人们担心汽车以外众多业务的多米诺骨牌效应导致全球半导体供应枯竭,世界各国越来越不安,开始寻找权宜之计。加大对制造厂和设备的投资以提高产量是领先半导体制造商和代工厂所能做的唯一一件事。

近期,随着超高速、宽带5G无线通信网络和数据中心服务器基站的广泛部署,半导体需求开始飙升。尽管疫情暂时抑制了需求,但封锁和社交距离措施也刺激了个人电脑和智能手机的销售,汽车芯片市场在去年秋季也已反弹。

供应链挑战前所未有

用天灾人祸来形容近两年的半导体供应链一点也不过分。美国和中国之间的贸易科技争端为刺激非典型商业运营创造了条件,直接恶果之一就是芯片囤货。华为和海思等直接受到限制,失去了本应在2020年9月之前的芯片库存,无法从台积电获得产能。其他未受到特别限制的OEM也在争取库存,以作为潜在供应链风险的缓冲,这超越了采用更精简库存的财务效益原则。随着全球贸易事态的继续,这种行为也将继续。

在需求方面,疫情曾一度令生产线和供应链因实施封锁而中断。随着政府和企业适应了疫情期间开展业务,加之迫在眉睫的经济衰退威胁抑制了消费欲望,需求出现了新的不确定性。汽车领域尤为明显,主机厂原来预计,经济不确定性将导致新车需求下降,生产线放缓,零部件订单减少。但事实上,疫情降低了公共交通使用率,对新型汽车的需求有所增加。而当主机厂对此做出回应时,代工产能已经没有了。

芯片短缺的雪球效应

消费设备需求的增长主要归因于疫情对全球经济的影响。随着学校和办公室调整政策实施远程学习和工作,学生和员工必须重新评估家用电脑、笔记本电脑和平板电脑的性能。任何不合标准或过时的家庭系统都是升级的主要候选系统。在许多家庭环境,全新的系统(如Google Chromebook)被用来满足学生在新的远程学习环境中最低要求。

Yole处理器季度市场监测显示,长期客户端PC(APU、CPU和GPU)增长强劲。

2021年第3季度APU、CPU和GPU收入

除了疫情的影响,恶化的环境给科技行业带来了进一步的压力。过去一年,天公也不作美,美国严冬、工厂火灾、中国台湾水荒等灾难,遇上苹果、微软、英伟达、AMD、英特尔推出新产品,令缺芯雪上加霜。直到最近,日本地震又导致瑞萨车用芯片工厂部分设备停工,为试图加速摆脱疫情引起的行业停滞增加了颠簸。种种原因令芯片制造商不断重新分配产能,汽车芯片价格一涨再涨也就不足为奇了。

由于今天的终端系统和供应链高度集成,芯片短缺也影响了产能不足的器件交付。例如,如果主机厂由于缺少关键部件而无法组装某一车型,就不需要采购几十个(甚至几百个)其他零部件。这种情况表现在许多方面:MCU(微控制器)没有受到尖端技术节点竞争的影响,但其市场受到了灾难和供应链的影响,最终系统减少了需求,特别是汽车行业已经发展成为一个“分秒不差”的供应链。尽管如此,Yole预计MCU市场在2021年将售出价值175亿美元的器件,到2026年将增至242亿美元。

所有这些因素可以看出一个过于依赖现有产能的行业现状。因此,台积电、英特尔和三星及其他公司都在寻求将自身产能提升到卓越水平。例如,德州仪器斥资15亿美元买下了美光科技犹他州工厂,这似乎是增加产能的最快方式:在现有设备中重新装备。

节流不成,只能开源

Yole估计,代工厂对更多样化晶圆生产能力的投资将使处理器(CPU+APU)市场持续增长,到2026年超过1400亿美元,前端代工服务将超过340亿美元,再加上独立器件制造商(IDM)的130亿美元价值。加上GPU和FPGA,2026年前端处理总收入将达到600亿美元。

包括IDM前端的代工厂收入预估

一系列挑战代表着日益复杂的技术行业的成长烦恼,但半导体供应链的脆弱性已经暴露并已受到关注,这将有助于一个更加强大的技术行业向前发展。共识是,生产线和供应链应该通过新的政策和投资来应对未来的压力。

过去6个月,各大半导体制造商纷纷宣布增加投资,特别是为无晶圆厂半导体公司(Fabless)提供晶圆加工服务的代工厂。作为“IDM 2．0”的一部分,英特尔宣布打算投资200亿美元建立一家新的代工服务合资企业;台积电增加了2021年资本支出预期,预计未来三年将支出1000亿美元;到2030年,三星将非内存半导体投资估算提高到1510亿美元……

这些都是高不可攀的投资估算,远远高于行业观察家一年前的预期。

代工和资本支出

处理器和微控制器市场关键走势

Yole基于市场监测给出了应用处理器(AP)和微控制器等方面的市场分析和预期。处理器包括FPGA、CPU、GPU和APU,涉及所有IDM、无晶圆厂公司和代工厂。

在全球贸易争端和设计创新中,处理器格局正在重组,特别是重新调整大规模处理器市场的潜力。其中包括:苹果计划从基于英特尔的Mac过渡到苹果自研的ARM处理器的Mac;GPU的迅速崛起加速了数据中心的协同处理;围绕中美贸易紧张局势APU供应链也在重组。

CPU和GPU市场预期

APU是管理和执行现代“智能”设备许多功能的中央芯片。事实上,随着越来越多的消费类设备始终开启/连接,APU已成为更耗电的基于x86的传统器件有力的替代品。在互联消费设备领域,仅在2020年APU就实现了410亿美元的收入。加上用于PC和服务器的CPU(630亿美元),用于PC和服务器的分立式GPU(150亿美元),处理器市场创造了超过1200亿美元的收入。伴随发展,这些市场之间的界限开始模糊,例如苹果在其个人电脑中转向APU解决方案,还有更多设计师希望在超便携个人电脑中用高通+Nuvia和三星+AMD取代x86。

应用处理器行业的长期趋势是,OEM不断寻求差异化,并要求增加最终产品的处理能力,同时还需要满足高移动性和BOM限制。同样,在微处理器领域,系统设计者寻求以不断提高的效率部署不断增加的计算能力。在某些情况下,这需要新的硬件和软件,如人工智能训练和推理。设计师、IP持有人和制造商合作,通过为传统计算和图形领域以及神经网络处理、深度学习和人工智能领域的创新重点增加功能来满足这些需求。

事实上,人工智能支持(通过独立或嵌入式AI加速器)是处理器设计师和OEM的最新优势。将不断增长的计算能力封装到半导体器件中一直是整个计算行业的趋势。处理器的下一个十年也不会有什么不同。不过,我们正在经历计算能力单位成本下降放缓,因此处理器设计者的一个选择是:继续改进计算,并接受不断增加的成本,或者调整创新以匹配成本下降率,并在历史BOM和利润范围内生存。

可以看出,英特尔的最新路线图是一条追赶和超越代工厂的积极道路;而三星发布了第一款大规模量产的全环绕栅极晶体管(GAA)架构3nm工艺,有望在2023年之后量产。

代工和逻辑资本支出预期

再看MCU,监测预示,2026年,全球MCU市场将达到242亿美元,推动增长的是汽车和工业市场。对电子设备和MCU市场趋势的分析表明,在供应链中断的情况下,MCU的收入复合年增长率(CAGR)为7．0%,预计在全球疫情后,MCU仍将呈现反弹增长。大多数MCU采用更成熟的工艺制造,供应链应在1-2年内恢复正常,即使其他组件市场可能需要两倍的时间。未来,汽车、工业、航空航天与国防、医疗等行业MCU市场收入复合年增长率均有望达到9%以上。个人数据处理在经历近期繁荣后,将是唯一一个出现短期下跌的市场。

MCU市场收入预期

在半导体短缺——更准确地说是供应链中断期间,5万美元的汽车正等待5美元的零部件,因为中断的供应链需要时间来重新平衡。MCU市场受到OEM需求影响的程度与汽车厂商难以获得其他高性能组件的程度一样。即使MCU产能可用,如果要等待GPU或显示器驱动,同样无法制造汽车,许多常见的MCU订单也将被搁置。

MCU市场的竞争格局因多次收购而改变。过去十年,前五大MCU供应商在合并和收购中占据了相当大份额,现在占整个MCU市场的80%以上。他们都是综合设计制造商。不过,市场上仍然有许多设计公司。据估计,至少有40家供应商每年的收入超过5000万美元。由于许多MCU是采用成熟工艺制造的,因此市场可以提供大量MCU,但对于那些尖端制造技术的MCU来说,只有少数MCU能够维持尖端技术的非经常性产能。

2020年头部MCU设计公司市场份额

与微处理器和SoC市场相比,MCU市场对不断增长的成本、面积和功率限制更为敏感。这促使设计师仔细考虑新功能的应用。传统上,成本和扩展混合信号及内存特性的难度使MCU落后于尖端处理器的工艺几何结构,与此同时,MCU正在从传统8英寸晶圆转到12英寸。在制造收入和芯片供应持续增长的同时,预计这一组合将减少每月晶圆的用量。

AI不仅仅针对汽车和数据中心。在终端和边缘侧微处理器上实现的机器学习的过程被称为微型机器学习,即TinyML。它是机器学习和嵌入式IoT设备的交叉领域。与其他AI框架的结合意味着,到2026年将有多达25亿个MCU将运行AI。虽然大型强大处理器在视觉处理方面在不断改进,但OEM发现,即使在MCU上运行简单的监听或感知应用,机器学习也能节省更多时间和金钱。

竞争结果:技术市场不对称

许多因素正在重塑代工厂景观,其中一些是突然出现的,而另一些则需要相当长的时间来演进。半导体行业本身的特点以及来自更广泛的地理和政治因素的影响正在发挥重要作用。

首先,要达到最高的工艺技术水平,需要在研发方面进行大量投资,并在新的制造设备和基础设施方面进行更大的投资。在2014年,有7家公司能够在半导体制造技术的前沿加工产品,当时制造工艺为20nm。但就在去年的7nm或今天的5nm节点,只有台积电和三星在大批量生产,英特尔紧随其后。

谈到英特尔,7月份的Intel Accelerated主题活动为其技术路线图提供了更新的定义和目标,引导技术节点INTEL 7(10纳米增强型SuperFin)将在2021年晚些时候推出产品。预计到2025年,英特尔可能逆袭,将在其18A节点上处于行业领先地位。据英特尔称,18A节点(Angstrom级芯片的“A”)需要业界首次实施ASML最先进的高NA EUV光刻技术。至此,半导体制程将告别“纳米时代”,正式进入“埃时代”。“埃”(Angstrom)是0．1nm长度。

高科技竞争的一个自然结果是,领先代工厂很少同时达到相同的技术地位,从而将进一步造成市场不对称。例如,第一个达到5nm的代工厂吸引了大量客户的注意力,他们希望将自己的设计带到最新的节点,并获得速度和功耗方面的改进。知名度高的客户愿意为新代工节点上的早期批量支付额外的费用,而其他客户必须等待技术变得更成熟和/或不那么稀缺才能介入。

充满活力的行业

Yole半导体、内存和计算部门的计算和软件技术和市场分析师John Lorenz指出:“当然,今天进行的投资需要一段时间才能上线,而且可能只有在2023年才能完全用于制造业。没有人能确切地说出两年或更长时间后半导体行业的状况,而且到那时,该行业可能已不需要额外的产能。”

他补充说:“不过,如果关键技术和终端系统(如汽车电气化、AR/VR和micro-LED)的趋势保持不变,那么晶圆需求将大幅增加,这些投资仍将是谨慎的。但是,永远充满活力的半导体行业永远不会枯燥乏味!”