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芯片产业的2024年

作者:匿名    来源:未知   
浏览:607    发布:2022-04-24 11:06:31

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2019年,在冬奥会、冬残奥会的加持下,人们对于2022年充满了无限期盼,那时候的人们应该不会想到,美好的2022年会变成恐慌的“20饿饿年”。显然,当前的我们处在了一个瞬息万变的时代,除了不断反复的疫情,贸易冲突、全球变暖、数字化转型以及战争的阴影,都让未来充斥着巨大的不确定性。


2024年会变成怎么样,我们无法预测,但是不管人类社会的未来如何“神秘莫测”,科技却依旧在按部就班的发展。2024年,在这个摩尔定律被提出的第59年,全球芯片产业又将呈现怎样的局面?即将迈入“花甲之年”的摩尔定律能否“枯木逢春”?全球是否依旧在“芯荒”?


纳米的终结,埃米的开始?


对于芯片产业来说,最受关注的当属未来先进制程应该如何发展,是向着埃米时代迈进,还是会有一匹黑马半路杀出,如同光刻机的“湿刻法”一样,扭转关键局面。当然是否会有黑马杀出,笔者没有预知能力,故而无法告知,不过可以说一说2024年芯片产业以及行业巨头们在先进制程领域可能的进展。


先说芯片产业整体的情况,到了2024年,全球半导体产业或许正在为进入埃米时代马不停蹄得研发相关材料、设备。从比利时微电子研究中心(IMEC)去年公布的未来十年技术蓝图可以看到,他们预测2025年后,晶体管微缩化进入埃米尺度,2025年A14、2027年为A10、2029年为A7(注意,这里的A代表的是Ångstrom,1纳米等于10埃米)。(半导体行业招聘


换句话说,2025年后先进制程将进入埃米时代,那么2024年或许就会成为芯片工艺制程史上至关重要的转折年,在那一年,纳米时代也许即将迈入终结,而那时候的巨头们是否早已“万事俱备,只欠东风”?


ASML


无论先进制程如何发展,光刻机总是至关重要的关键一环。埃米时代的到来意味着光刻机也要升级下一代的高NA(数值孔径)标准,现在的0.33 NA已无法满足,0.55 NA才是3nm之后的工艺必备的条件。


从目前的消息来看,2024年ASML两款0.55NA 光刻机都有望实现交付。根据ASML的路线图,用于工艺研发的TWINSCAN EXE:5000在今年下半年就可以出货,每小时可生产185片晶圆。而用于量产的第二代High-NA光刻机TWINSCAN EXE:5200则会在2024年底出货,每小时可生产超过220片晶圆。


与前最先进的0.33NA平台相比,下一代EUV 0.55 NA平台具有更高数值孔径的新型光学设计,允许将芯片缩小1.7倍,分辨率从13nm升级到8nm,可以更快更好地曝光更复杂的集成电路图案,同时密度增加2.9倍,全面支持3nm以下乃至埃米级工艺节点。


英特尔


笔者这里先聊英特尔,一方面,上述提到的ASML最新款光刻机,英特尔是新一代NA 0.55首台光刻机的用户;另一方面,去年7月,英特尔在公布了最新的制程工艺和封装技术路线图的同时,明确表示,计划于2024年发布“20A”工艺,正式进入埃米时代。


当时消息显示,英特尔计划,于2024年上半年发布采用RibbonFET全新晶体架构的英特尔20A,2025 年则会量产采用PowerVia技术的 18A 工艺。不过,近期英特尔提前了第二代“埃”节点的时间,预计2024 年下半年就可以开始制造英特尔 18A节点。


据英特尔称,18A 开发进展顺利,研发业务现在处于或领先于所有开发里程碑,有信心在 2024 年底而不是 2025 年开始制造基于工艺节点的产品按照最初的计划。


这意味着,在2024年一年时间中,英特尔将发布Intel 20A和Intel 18A两款先进工艺。此外,英特尔还表示,2024年的Intel 3工艺节点将正式超越台积电,成为晶圆代工技术最好的公司。


可以说,英特尔在先进制程方面雄心勃勃,2024年或许也将成为其重回半导体龙头宝座的关键一年。


台积电


在先进半导体工艺上,台积电目前是无可争议的老大,虽然此前传出其在3nm工艺良率方面存在困难,但是从最新消息来看,台积电决定如期在2022年推动3纳米芯片量产。


3nm成功量产后,目光自然将聚焦在2nm上。在2020年的时候,媒体大多报道台积电2nm预计2023中下旬试产,2024年就能步入量产阶段。但随着时间的推移,2nm的量产时间也开始变得“飘忽不定”,台积电首席执行官魏哲家在去年10月回答有关台积电2nm工艺的问题时曾表示,他仍然有信心该公司的 2nm 制程将于 2025 年进入量产。


总的来说,无论台积电的2nm是2024年还是2025年量产,可以肯定的是,在2024年的时候离量产应该只差“临门一脚”了。


三星


三星是目前唯一一家可以和台积电在先进工艺上一教高下的企业。根据三星此前的计划,3nm工艺分为两个版本,其中3GAE(低功耗版)将在2022年年初投入量产,3GAP(高性能版)则会在2023年年初批量生产。而2nm工艺,三星高管曾表示会在2025年量产。


不过从近期的消息来看,三星3nm制程的进展并不顺利,前有相关专利缺乏,后有制造技术泄密。外媒semianalysis在去年6月表示,尽管三星围绕3nm节点进行了大量营销和炒作,但它看起来越来越严峻,因为对于商业代工合作伙伴来说,3nm节点现在看起来像是推迟到 2024年。


从目前来看,2024年,三星是迎来3nm的量产,还是2nm的试产还是未知数。


晶圆厂“遍地开花”


近两年芯片短缺之苦,想必已无需多言,相机离谱般的涨价,笔记本漫长的交期,新能源汽车的减产等都与缺芯息息相关。为了尽快走出产能不足窘境,全球半导体产业都卯足了劲,纷纷加入扩产行业。


根据Ajit Manocha的统计,在2020年到2024年间,总计将有25座8英寸与60座12英寸晶圆厂建成,投入晶圆制造。换句话说,到了2024年,全球将新增85座新建晶圆厂。笔者在此统计了将在2022年-2024年期间投片、量产的晶圆代工厂。


2022年-2024年间投片、量产的晶圆厂/产线


粗略统计,2022年-2024年期间将有12座晶圆厂,1条台积电南京新产线投片、量产。从工艺制程方面来看,成熟制程的晶圆厂最多,有8座,其中又属28nm制程的晶圆厂数量最多;5nm及以下的晶圆厂有5座。


从地区上来看,亚洲地区以成熟工艺为主,主要集中在中国大陆和中国台湾,此外台积电在日本也有一座新建晶圆厂。台积电熊本晶圆厂涉及的工艺制程较多,从刚开始宣布的22/28nm,到后续增加了12/16nm FinFET 工艺技术。而先进工艺则集中在美国,除了台积电Fab 20 晶圆厂在中国台湾竹科宝山外,其余4座都位于美国。


从企业来看,台积电的数量最多,有4座新建晶圆厂以及南京的新建产线,其中Fab20工厂将分为4期厂房逐步动工,前2期厂房预估会在2023年下半年完工并展开装机作业,2024年下半年可望进入量产阶段,2nm工艺4期厂房全部完工量产要到2025~2026年,总月产能将逾10万片规模;


中芯国际其次,有3座新建的晶圆厂,都为成熟制程,虽然上海晶圆厂未公布投片时间,但是从开工时间来看(2022年初上海临港项目已破土动工),在2024年之前投片概率很大,所以笔者将其列入其中;


供不应求or供过于求?


从2020年“缺芯风波”来袭,业界对于芯荒何时能解就做出了很多的猜想,在去年年底,我们整理了产业链上企业对于缺芯的看法,从这篇文章可以看出,当时大部分企业认为芯片危机持续到2022年。但到了2022年,反复的疫情、俄乌战争的阴影、地震、晶圆厂污染等各种意料之外的天灾人祸,以及不断拉长的交付周期,让这场芯片危机看起来“遥遥无期”。


那么,到了2024年,全球的芯片产业又将呈现怎么样的局面?是持续供不应求,还是在晶圆厂陆续扩建后,开始供过于求?芯片价格又会不会在此影响下开始大幅降价?


其实从去年巨头们疯狂砸钱扩建开始,人们对产能过剩的担忧就未曾停止过。而近期绿到发光的半导体股票以及接连不断地上市当日就破发的半导体新股,更是让人不禁怀疑,芯片产业是否即将入冬。


ICinsights预测,半导体世界持续强劲的销售增长可能会在 2024 年碰壁。2024 年将是市场的下一个周期性低迷期,2025-2026 年将恢复增长。此外,其还表示,半导体领域已经出现裂痕,随着新工厂的上线,28nm 制造节点明年可能面临供过于求的局面。


由此可见,从目前的趋势来看,到2024年,大部分芯片供应应该已恢复正常,但是先进制程领域的芯片或许仍然供不应求。至于会不会引起芯片价格大幅下降,第三方调研机构Knometa Research最新发布的《2022年全球晶圆产能报告》则预测,尽管近期半导体晶圆工厂在大幅提升产能,并可能在2024年导致一部分半导体产品降价,但不会导致整个市场的大幅降价产生。


五年前,英特尔的市值相当于英伟达和AMD的总和。如今,英伟达的市值与另外两家公司相当。台积电的股价也在飙升,反映出半导体行业在过去10年发生了巨大的变化。


就在不久前,英特尔公司还是美国芯片制造商中无可置疑的王者,也是市值最大的半导体公司。而且大多数计算都是通过个人电脑完成的。


从那以后,人们与科技互动的方式发生了一系列变化,其他公司也开始专门利用这些变化,导致英特尔逐渐落后。尽管该公司的市值与竞争对手AMD和英伟达的综合不相上下,而如今英伟达的市值相当于另外两家公司(英特尔和AMD)市值加起来的总和,这是半导体行业估值的巨大变化,也反映出半导体行业本身的变化。


比如高通公司(Qualcomm),随着手机的崛起,以及随后黑莓(blackberry)、苹果公司(Apple)iphone和其他移动设备的崛起,高通开始崭露头角。2005年前后,AMD与英特尔正面交锋,获得了四分之一的中央处理器(CPU)市场份额,这是英特尔的主要业务,但后来AMD撤退,并在近年来在服务器领域采取了类似举措。英伟达的图形处理单元GPU)曾以优化视频游戏而闻名,但在发现其在机器学习方面的实用性后,GPU已经开始为云计算数据中心提供支持。台积电已成长为芯片制造商最大的尖端代工企业,过去几年,其架构在过去几年中超过了英特尔。


在费城半导体指数(PHLX Semiconductor Index)追踪的30家公司中,英特尔是数十年来市值最高的公司,但在过去几年,这种领先地位已经消失。如今,它现在是第五大公司,其他公司争相将其推到更远的位置。英特尔付出了惨痛的代价才认识到,面对如此众多的竞争对手,它也需要不断发展,而新任首席执行长Pat Gelsinger似乎也在实施这一计划。


英伟达如何超越英特尔的?


要了解芯片行业是如何走到这一步的,一种方法是看看目前重量级的、SOX指数中最有价值的半导体公司——英伟达,其市值约为5800亿美元。英伟达在增长最快的芯片领域的两个相关领域取得了成功:数据中心,来自亚马逊微软和谷歌等公司的云计算服务的增长,都要求在耗电更少的情况下实现更高的性能和人工智能功能。


首先,英伟达展示了GPU可以帮助提高数据中心的能力,而数据中心长期以来都是由CPU运行的。CPU可以快速地处理需要用户或系统交互的任务,而GPU可以将复杂的问题分解成数百万个单独的任务,并在同一时间进行处理,这就是所谓的并行处理。


然后,英伟达试图以400亿美元收购Arm公司,以垄断基于Arm的处理器市场,但在监管压力下,该交易最终被撤回。Arm使用的架构不同于英特尔在计算领域早期构建的标准的x86架构。虽然英伟达不能直接运营Arm,但它与Arm有20年的许可证。


Lopez Research首席分析师Maribel Lopez在接受MarketWatch采访时表示:“我认为,很多人对英特尔不感兴趣的原因之一是,英特尔要想取得成功,必须打造的产品的广度是巨大的。”“例如,没有人看到高通时说,他们预计高通会在数据中心取代英伟达的GPU。”


“与此同时,像英伟达这样的公司,必须在数据中心构建一些CPU以配合GPU使用” Maribel Lopez说。“这是一个整体认识,如果你想在更大的领域竞争,你就必须进行收购。”


此外,英特尔在另一个领域要赶上英伟达还有很长的路要走:软件。多年来,英伟达已经建立了一个牢固的软件生态系统来运行他们的芯片,这促使一些分析师将其与软件公司进行比较。


分析师表示,英伟达在软件领域远远领先于英特尔和其他公司,但英特尔正在努力追赶。英特尔最近宣布,它正在收购以色列的Granulate云解决方案有限公司,但没有透露收购金额,尽管TechCrunch援引“知情人士”透露的消息报道称,这笔交易的价值约为6.5亿美元, Granulate开发云优化软件,帮助提高现有硬件的性能。


这与英特尔在今年7月放弃基于纳米的命名惯例的理由是一致的,因为高管们希望开始将芯片的“每瓦性能”作为衡量标准,而不仅仅是在给定的空间中可以容纳多少个晶体管。


不仅仅是英特尔。最近,AMD和高通都宣布将扩大他们在软件领域的影响力。AMD表示,它将以近20亿美元的价格收购广泛使用的数据中心服务平台Pensando,恰好略低于该公司在假日季获得的22.4亿美元的企业、嵌入式和半定制芯片业务(即数据中心和游戏机部门)收入。


另一方面,高通表示,已经完成了从SSW Partners手中收购Arriver全部股份的交易。此前,高通和SSW Partners以45亿美元的价格联合收购了Veoneer。Arriver是高通与Veoneer共同创建的驾驶自动化软件公司。高通计划使用Arriver为其Snapdragon Ride平台构建一个全自动驾驶堆栈。


芯片生产商博通(Broadcom)。相比之下,AVGO在扩大其软件资产方面走得比较早,该公司在2018年收购了赛门铁克(Symantec)的企业安全业务,并在2017年底以55亿美元收购了博科通信系统公司(Brocade Communications Systems Inc.)。这些收购一度令分析师感到困惑,但截至上一季,Broadcom 77.1亿美元的季度营收中约有四分之一来自软件销售。


目前,试图将英特尔从第五名的宝座上拉下来的是AMD,该公司在最近几周的市值有时超过了英特尔,这是十年前跟踪该行业的少数人当时可能会相信的。多年来,AMD一直生活在英特尔的阴影下,英特尔在数据中心和个人电脑芯片市场的市值被称为“较小”的竞争对手,但随着两家公司争夺市场位置,情况已不再是这样。


在AMD完成以350亿美元收购芯片制造商Xilinx的股票交易后,两家公司之间的价差大幅收窄。这笔交易使AMD的估值首次超过英特尔。在2月15日收盘时,AMD股价的上涨使其市值达到1,976.3亿美元,当日收盘价为121.47美元,而英特尔的收盘价为4844美元,市值为1,972.5亿美元,两者相差约3.8亿美元。


此后,这一领先地位几经反复,AMD在2月28日以约62亿美元的价格获得了迄今为止最大的领先地位。不过,随着AMD股价最近的下跌,英特尔目前领先约340亿美元。


一个晶圆厂统治所有


当芯片制造商寻求多样化来竞争时,有一个背景因素导致了实际上的垄断,那就是硅晶体管的制造。Raymond James 分析师 Chris Caso告诉MarketWatch,无论单个芯片制造商多么多元化,如果你没有硅片的制造能力,多元化就没有什么意义,而这使得该行业受惠于台积电。


Caso表示:“几乎没有一件电子产品不含台积电的实质性内容,而且来自中国台湾。台积电接触一切。”


台积电拥有为芯片制造商生产硅片的制造工厂。晶圆厂是一项巨大的资本投资,由于其复杂性,通常需要两到三年的时间来建设。


台积电的市值在2017年3月首次超过英特尔,然后在接下来的三年时间里反复较量,直到2020年6月才开始加速,距离英特尔宣布其下一代芯片将推迟发布近两个月。就在此之前,英伟达开始与英特尔展开竞争,在英特尔宣布推迟上市后,英伟达也与英特尔拉开了距离。


虽然三星电子(Samsung Electronics)和GlobalFoundries也提供第三方代工服务。三星虽然拥有领先的产能,但在代工领域的规模比台积电小,而且“更有选择性”,而GlobalFoundries则迎合了那些生产落后但仍有必要的技术的芯片制造商。


就连以拥有自己的晶圆代工厂而自豪的英特尔,也在寻求通过提供第三方晶圆服务进入台积电的市场。该公司的一些需要更高晶体管密度的尖端产品,也要依赖台积电。该公司在2020年7月的延期公告中表示,其制造过程中的“缺陷模式”是延迟的根本原因,其应急计划将使用“别人的代工厂”,人们普遍认为这就是台积电。


"这更像是一个全行业的问题,如果台积电在中国台湾本土的生产能力出现问题,那么几乎整个半导体行业、整个电子行业,坦白地说,整个世界经济都将面临一些大问题," Caso称。


"我认为,成为许多厂商的晶圆代工厂的理念非常成功," Lopez在谈到台积电时说。“这是英特尔战略转变的原因之一。它能让你一直保持满负荷运转。”


从规模上看,在费城半导体指数30家公司的3万亿美元市值中,英伟达和台积电目前合计占三分之一以上(1.1万亿美元)。相比之下,英特尔和AMD的总市值约占该指数的12%。

 

中国台湾清华大学荣誉教授李家同日前撰文称,台湾仍然缺少半导体人才,因此几个顶尖大学也都设立半导体学院,希望能产生大量的半导体人才。但他强调,工业界需要的绝对不是普通的技术人员,而是希望有高级的半导体研发人才。


在他看来,半导体工业绝对不仅仅是制造芯片的工业,因为我们首先需要能够设计芯片。很少人知道台湾有一个非常好的特色,那就是芯片设计公司相当之多,有些非常有名,有些不有名。虽然台湾有很多芯片设计公司,而且有好几家也都在国际上享有名声,但是在芯片设计的技术上,我们仍然比不上欧美。这当然不是容易解释的事情,相信专家们都会同意。


所以台湾如果要在半导体工业上再上一层楼,芯片设计的人才是值得政府重视的。芯片设计是相当难的,牵涉到芯片的制造,而且在线路设计时,需要比较深的物理观念。


芯片的制造需要非常精密的设备,有的设备卖价高达1亿美元,在这方面,我们已经有在努力,但是最贵重的仪器设备都被欧美日所控制。希望大家了解,韩国有野心,他们在这方面的努力绝对是超过我们的,中国大陆也很注意这个项目。


这种设备不仅仅牵涉到电子,其实所需要的知识和技术都是相当多元的。比方说,光学就在这些设备中扮演了重要的角色。半导体设备不仅和半导体有关,也和精密工业有非常密切的关系。


制造半导体的过程中,需要非常高级的特用化学品和材料,感光剂当然是必须的。但是台湾半导体工业所要用到的感光剂,仍依赖外国。


台湾已经有相当多化工系和材料系毕业的工程师,如果台湾有好的研发计划,总可以慢慢地在特用化学品和材料上摆脱对外国的依赖。


半导体制造工厂当然是讲究自动化的,半导体制造过程中需要用到不同种类的气体和液体,它们的输送都是相当不容易的,不能有任何差错。这些系统也是半导体产业中不可缺乏的设备。


半导体产业需要很多感测器,感测器和物理及化学有关,尤其是物理中的光学。我们可以说,半导体产业需要各式各样的人才,不论是哪一种人才,最重要的是,他们必须在物理、化学和数学上有很好的基础,而且在精密工业所需要的技术上,也有好的经验。


为此,在他看来,与其设立半导体学院,还不如通盘地提高台湾工学院和理学院的学生水准。


台湾芯片工程师美中想抢


香港南华早报报导,随着美国和中国大陆加紧推动提高国内芯片产能的计划,双方可能很快展开对台湾工程师的抢人大战:大陆估计到明年欠缺20万名半导体专家;美国晶圆厂也缺有经验的人,必须跨海到台湾和南韩找。这意味半导体的国际抢人才大战一触即发。


事实上,人才荒几乎是所有半导体厂当前面临的最大挑战,包括台积电董事长刘德音、联发科董座蔡明介、日月光半导体执行长吴田玉等台湾半导体三巨头都曾公开呼吁政府要重视人才议题。


刘德音不讳言:「人才短缺是台湾直接的挑战」,并点出台积电最欠现场操作、设备及研发工程师等三大类员工,期盼更开放的产业环境,进而吸引更多全球半导体人才。吴田玉更直言,半导体人才短缺,未来十年将会是常态。


大陆力拼芯片供货能达成自给自足的目标,根据半官方机构去年11月发布的预测报告,大陆到2023年的半导体人才缺口达到20万人,大约是整个行业总就业人数的四分之一。


中芯国际创办人张汝京去年演讲时表示,大陆半导体发展的最大挑战不是缺乏资金或政策支持,而是缺乏经验丰富的人才。


为缓解人才荒,大陆在境内各地广设半导体工程学校,另外,上海市在内的地方政府提供慷慨诱因,吸引半导体人才到当地工作。


在太平洋彼岸,拜登政府也努力提振国内芯片产量,因此创造出新的人力需求。美国智库CSET分析师William Hunt说,美国很难找到具晶圆代工厂经验的人才,求才范围有必要扩大到台湾和南韩。根据CSET,未来十年,美国可能创造出27,000个晶圆厂职缺,其中大约3,500个需靠外国人填补。


CSET在之前发布的报告里,建议为半导体制程相关高技能劳工设立专门类别的签证,加速其移民途径-也许该针对愿赴美国新晶圆厂工作的台湾或南韩人。


这对大陆不利,尤其是台湾已修订新法,对于窃取或泄露智财权给大陆或香港的「经济间谍罪」,可处以12年刑期、得并科最高1亿元罚金。


在美国受教育、经台积电等晶圆厂培训出来的台湾工程师,向来是大陆半导体业发展的重要助力来源,然而,这一类人才由台湾流向大陆的速度放缓。2020年,各行各业包括在内,台湾人出境赴陆港澳工作的人数连七年下降。(高芯圈

写在最后


未来的世界仍然存在许多不确定性,这是我们当下唯一可以确定的。谁也无法保证,2024年是芯片产业的“春天”还是“冬天”,面对越来越多的黑天鹅事件,唯有拥抱长期主义,以不变应万变,才是这个多变时代的生存指南。


而对于中国大陆来说,或许如何保持强劲的发展势头才是关键。SIA曾分析,如果中国大陆在未来三年保持 30% 的复合年增长率,并假设其他国家/地区的产业增长率保持不变,到 2024 年,中国大陆半导体产业的年收入可能达到 1160 亿美元,超过 17.4 % 的全球市场份额,仅次于美国和韩国。但显然,在美国不断加大的芯片制裁力度下,中国大陆半导体企业身上的担子也将愈发沉重。

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