缺芯风暴

「芯片荒」从汽车业席卷整个制造业,供需再均衡时间难以预测,它会强化还是重塑全球芯片业现有格局?

始于 2020 年四季度的「缺芯风暴」已持续数月。上汽大众、一汽-大众、长安汽车(000625.SZ)等汽车企业专门成立了「催芯团队」,高管带队,「天天在供应商处要货」;一些车企还组建了「扫货团队」,专抢渠道商的芯片余量,「量不大,能扫一点是一点,多贵都要」。

一名近期参与汽车行业调研的研究机构人士向财新描绘了上述场景。以往,整车厂一般不会直接与芯片厂商对接,而是博世、大陆等这类一级供应商按需采购芯片并系统集成,再将模块化后的零配件销售给整车厂。

中汽协此前预测,芯片短缺对车企生产的影响重点在今年二季度显现、四季度可能会缓解。但中汽协副秘书长陈士华 5 月 12 日透露出更悲观的判断,认为汽车行业的「芯片荒」问题要到 2022 年一季度才可能真正解决。

2020 年 12 月,大众汽车(FWB:VOW)率先披露了对芯片供应的担忧,随后戴姆勒(FWB:DAI)、福特(NYSE:F)、本田(NESE:HMC)、日产(OTCBB:NSANY)等车企也证实了供应链危机,不得不减产甚至停产;国内车企亦大面积受限,有业内人士评估,国内车企芯片缺口普遍在 10% 至 20% 之间。

「芯片荒」从汽车行业发端,迅速席卷整个制造业。正如一名欧洲智库分析师所描述,现在很难找到一个完全不需要半导体的行业,从医疗器械到银行 ATM 机再到农用拖拉机,芯片无处不在。

芯片按功能主要分为存储芯片、功率芯片、逻辑芯片三大类,当下主要是 CPU(中央处理器)、GPU(图形处理器)、AI(人工智能)、MCU(微控制器)等逻辑芯片供不应求。一向供求大体均衡甚至一度还担忧产能过剩的芯片行业,到底怎么了?

「这个行业一般每三年会有一次短缺,但以前基本 9 个月内,产业可以通过价格来自身调节,但这次时间长、影响大。」高通中国区董事长孟樸称,「背后原因之一是需求增加的速度超过了行业的供应能力,其二是产业对需求的判断有失误。」

此轮「芯片荒」缘起众多,首先是新冠肺炎疫情成为行情转折点。2020 年一季度疫情肆虐全球,汽车、手机、电视等消费品的产量均出现两位数的下滑,其中汽车产量更是大降 45.2%。

因芯片易氧化,产业链上下游向来有「以销定产、低库存甚至零库存」的默契。功率半导体往往需要一个月至半年提前下订单,逻辑器件的周期更要半年至一年,厂商往往在一二季度布局三四季度订单。疫情对经济打击严重,令厂商对未来市场做出悲观预期,在一二季度缩小了产品库存和芯片订单;未料三四季度需求井喷,但芯片产业链条长,既有产能满负荷、新增产能扩张慢,晶圆代工厂对市场骤变难以快速反应。

其次,中美贸易战,尤其是美国针对华为一步步加紧制裁,是打破芯片全球产业链动态平衡的导火索。从华为 2019 年提前大量储备芯片,到 2020 年三季度其他手机厂商为分食华为腾出的市场份额抢购芯片,危与机一体两面,裹挟着芯片订单在不稳定的市场预期下大幅波动。过去半年间,台积电因不能再给华为海思代工,导致来自中国大陆的营收在其总收入的占比暴跌近 16 个百分点,收入萎缩 264 亿元;而这部分产能和营收被迅速转移到日韩欧美市场,加剧了中国市场的芯片危机。

值得关注的另一个趋势是,2020 年,5G 智能手机和电动汽车两大消费品的快速发展,大幅拉动芯片新需求。上海集成电路行业协会兼职副秘书长冯锦锋向财新介绍,在中国市场,智能手机 5G 渗透率从 2019 年约 3% 激增到 2020 年约 25%,而 5G 手机对芯片加工产能需求比 4G 手机提高 40%–80%;汽车的智能化和电动化同样推动芯片需求增长,因为智能化对微控制芯片、传感器需求大增,电动化则是功率半导体的沃土。

上一轮全球半导体产业超景气周期,是在 2016 年下半年至 2018 年上半年。该轮周期与宏观经济环境和电子技术蓬勃发展紧密相关,芯片的供不应求推动厂商扩产。摩根士丹利曾指出,2018 年全球半导体实际产量增加 22%,但市场销量增长仅 15% 左右,之间差额被视为过剩产能。

这一轮全球半导体超景气周期在 2018 年底结束,据市场调研机构 Gartner 统计,当年行业总营收增长 13.4%,较 2017 年增速下降 8.8 个百分点;2019 年总营收同比再降 12%。其中内存产品由供应短缺转为供过于求。

新一轮超景气周期的到来令业界措手不及,面临的变量也比上一轮更多、更复杂。芯片供需快速失衡,再度均衡的时间表难以预测,关键看点在供给端。其中一个最不可测的变量是地缘政治因素。华为轮值董事长徐直军在 4 月的分析师大会上表示:「地缘政治的影响,让中国、欧洲、日本等国家和地区都加大了对半导体领域的投资。以欧洲为例,2020 年底,欧洲 17 国签署联合声明,提议未来三年内将投入 1450 亿欧元发展半导体产业,明确强调要实现半导体的自主。」

芯片作为高端制造业、高科技领域的代表,实际是后疫情时代全球化供应链撕裂的缩影。「芯片荒」的表面主因是需求集中爆发,需求方争先恐后储备芯片的「剧场效应」愈演愈烈,导致市场资源严重错配;更深层次的问题是处于动荡期的国际政治经贸关系,打乱了企业对未来决策的安全、稳定预期。

全球蔓延的「芯片荒」,加剧了欧美政策制定者对半导体行业过度集中于东亚(主要在日韩、中国台湾地区)的担忧。欧美正从供应链安全、科技竞争力等方面考量加码芯片制造,甚至考虑动用巨额资金补贴,以激励本身拥有先进技术优势的欧美企业,回到本土发展半导体产业。

在强劲需求和政策牵引下,芯片制造业新一轮全球大扩产已经开启。据 SEMI(国际半导体产业协会)预估,2020 年–2024 年全球将新增至少 38 个 12 英寸晶圆厂,其中一半位于中国大陆和台湾。到 2024 年,全球 12 英寸晶圆月产能将达 720 万片,较 2019 年增长超过三成。从产品类型来看,2021 年–2023 年,逻辑和微处理器的投资支出将稳步提高;电源相关设备将成为 12 英寸厂投资中的佼佼者,2021 年预计增长 200% 以上,2022 年和 2023 年均将实现两位数增长。

这轮扩产将对芯片未来产能格局产生深远影响。众所预期的是,中国大陆将强势崛起,成为继中国台湾地区和韩国之后的第三大产能供给地。预计 2024 年中国大陆 12 英寸晶圆产能将占全球 20%,日本和美国的比例则分别降至 12% 和 10%。但分析人士指出,中国大陆未来三年的产能扩张,仍然很难在高端先进制程部分形成快速有效突破。

这场芯片危机拉响了中国科技自主的警报。美国 2020 年以来对中国科技企业祭出系列制裁,令中国真切感受到了芯片产业链「去美国化」或「国产化」的紧迫。两名国内半导体器材领域人士告诉财新,从 2020 年 5 月起,一批国内企业就在努力打造一条不含美国技术的 28 纳米产线,包括以欧洲和日本的技术来替换美国技术。

以国内较薄弱的光刻机为例,上海微电子计划在今年交付国产 28 纳米光刻机。上海微电子一名市场开发人员告诉财新,这款光刻机研发顺利,目前已进入组装阶段。不过,也有芯片业人士认为,这条 28 纳米产线即便能够成功搭建起来,提升产品的良率等也需要一段时间。以台积电创始人张忠谋的判断,中国大陆的半导体制造水平至少 5 年内都不是中国台湾地区和韩国企业的对手。芯片制造先进制程的国产化,是一场无奈而漫长的征程。

需求端「剧场效应」

一名参与汽车行业调研的人士告诉财新,长安汽车一季度芯片缺口一度接近 30%,这意味着有三成订单难以转化为实际销量,他估计长安汽车一季度少交付车辆或达 8 万辆之多。据市场研究机构 IHS Markit 预测,受缺芯影响,全球一季度汽车减产数量约达 100 万辆。

汽车业此次最短缺的是 MCU 芯片––这是汽车所有电子控制单元(ECU)的必备组件。MCU 较 CPU、GPU 芯片工艺要求低,但应用广泛,包括发动机、安全气囊、防抱死系统、车身、高级驾驶辅助系统等在内均需使用这类芯片。一名国内主流车企高管表示,一辆汽车搭载上百个 MCU 芯片,缺一个芯片就影响整辆车的生产。

「为什么这轮『芯片荒』里,大众缺芯最厉害?它错判了自己的位置,强硬要求芯片厂商不能涨价,最后的结果就是没有货给它。」一名车规电子芯片企业高管告诉财新。不过,汽车缺芯集中爆发,是行业集体误判。2020 年 2 月,国内汽车销量回退至 15 年前水平,多数车企据此对未来销量做出保守预估,进而向一级供应商调低了零件需求;供应商则向上游芯片厂商进一步压低需求。全行业情绪保守。然而,2020 年下半年车市迅速反弹,而此时芯片产能已被消费类电子抢占,车企「望芯兴叹」。

大众拉响缺芯警报后,各大车企相继提出减产或停产计划:2021 年 1 月,戴姆勒集团宣布因芯片断供,部分工厂重新引入短时工作制;奥迪汽车宣布旗下员工强制休假,数量超 1 万名;福特、本田、日产等车企亦关闭各自多条产线。

车企习以为常的供应体系,正被小小的芯片颠覆。「汽车业不懂芯片供应链到底是怎么运作的。」欧洲智库 SNV 分析师克莱汉斯(Jan–Peter Kleinhans)对财新直言,过去全球车企都效仿丰田的「零库存」管理模式,以提效降本。在 2020 年初车企提出悲观预期后,晶圆厂就将产能转移到其他行业;且相较消费电子芯片,车规芯片价格低,需求量又不及家电、手机的亿级规模,一旦产能被挤占就很难挽回。汽车行业因此从去年四季度开始陷入困境。

据 IHS Markit 透露,原本需要 12 周至 16 周的车规 MCU 交货期现需延长 26 周,部分需求较大的组件甚至长达 38 周。

鉴于汽车产业对国家制造业的重要性,政府纷纷入场协助「催芯」。美国政府协调全球供应链为汽车行业提供支持,喊话中国台湾晶圆厂增加汽车芯片供给。中国工信部也发布了《汽车半导体供需对接手册》,以促进供需双方尽快匹配产能。

不过,市场仍然不乐观。前述参与调研人士认为,车企与半导体企业均是「多对多」模式,意味着下游企业难了解上游供应商的产能和销量,上游供应商也无法摸索出下游应用情况。在无力做出全局判断的情况下,车企能做的就是拔高需求抢购芯片,这又加剧了整体的缺货状态,并让行业上下游的供需关系更加不清晰。

错判芯片行情的不止汽车业。一名国内 Top 3 电视大厂的工程师告诉财新:「去年大概六七月份时反应过来备料少了,到 9 月就明显感觉到需求大增。每种芯片都缺,系统芯片、电源芯片,连屏幕里的电容和基础器件都缺。」据群智咨询数据,55 英寸电视面板的出货和价格在 2020 年 6 月起明显上涨,出货量涨幅接近 20%,价格涨幅超过 100%。前述工程师称:「现在电视整机基本是卖一台亏一台。」

电视之外,个人电脑(PC)、平板、家用游戏机等整个电子制造业目前都面临供应瓶颈。苹果公司(NASDAQ:AAPL)预估,供应链问题将在二季度给其带来 30 亿至 40 亿美元的损失。联想集团CEO杨元庆在 5 月 27 日的一季度财报业绩会上称,预计芯片短缺会持续 12 至 18 个月,直到新的产能建立起来后短缺才会缓解;而芯片产能短缺也必然带来零部件价格上升,「我们会消化其中一部分,除此之外的部分则通过调整价格来实现」。

市场调研机构 IDC 的统计显示,2020 年全球 PC 总出货超过 3 亿台,同比增长 13%,涨幅为十年来最高。「2012 年到 2018 年,个人电脑销量连续七年下滑,2019 年略涨,所以这次 PC 销量大涨,对芯片的增量需求是显而易见的。」冯锦锋称。PC 厂商惠普(NYSE:HP)预期,2021 年的 PC 需求可能较疫情前高出 45%。

华为被美国制裁,则是这场芯片危机的「黑天鹅」。2020 年二季度,美国升级对华为的制裁,引发手机行业抢备芯片的连锁反应。因为使用美国技术的晶圆代工厂 9 月 15 日后无法为华为生产芯片,华为抢在禁令生效前紧急追加大量芯片订单。考虑到供应链安全及抢占华为腾出的市场空间,OPPO、小米(01810.HK)等厂商也大举补单储备芯片,比如 OPPO 2020 年 9 月高调宣布下半年手机产量增至 1.1 亿台,全年共 1.7 亿台,同比增长近五成。

据 IDC 预测,手机行业 2021 年整体出货量增长 5%;但据信达证券调研,为应对华为事件,各大手机厂商规划的产能总量却同比增长 10.8%,较市场整体需求高出约 5 个百分点。

「现在大家都是买了囤着,只有 1 万个产品订单,也要下 1.5 万个芯片的单子。整体把对芯片的产能需求人为拔高了 20%–50%,导致全球产能趋紧。」广东半导体行业协会副会长胡建国对财新总结称。此即所谓一人起立看剧引发其他人纷纷站起来,从而导致集体秩序失衡的「剧场效应」。

据高盛估算,美国多达 169 个行业受到此轮缺芯影响,这些行业的芯片采购成本会上浮 1%–3%。「我们在修改设计,比如原来需要 5 颗芯片,现在减到 4 颗。」前述电视厂工程师透露,当前不少厂商都在尝试精简化设计以减少芯片使用,这样做令产品可靠度面临风险,比如今年很多电视厂商使用的原材料标准明显下降。

代工与 IDM 模式之争

下游芯片需求暴增,芯片厂商迎来超景气周期。据 Gartner 统计,2020 年全球半导体收入实际增长 10.4% 至 4662 亿美元,高通、英特尔、联发科等芯片厂商均取得不俗业绩。

芯片厂商通常分为两种模式,一种是 Fabless 模式,即无晶圆厂商,只负责芯片设计和销售,制造、封测等环节交给代工厂,比如高通(NASDAQ:QCOM)、英伟达(NASDAQ:NVDA)、联发科(2454.TPE)等,这类厂商与台积电(NYSE:TSM)、三星(005930.KRX)等代工厂形成紧密的上下游;一种是 IDM 模式(Integrated Device Manufacturing),集芯片设计、制造、封测等于一体,比如英特尔(NASDAQ:INTC)、英飞凌(IFX.DE)。

全球集成电路产业中,IDM 厂商仍占近七成市场份额,但在存储芯片之外的数字芯片领域,尤其是先进制程,专业化的代工模式已是主流,有的 IDM 模式厂商也利用代工产能;从厂商数量上看,Fabless 是绝对主体。

在缺芯危机下,IDM 模式凸显了供应链的稳定性。德国半导体公司英飞凌既是 IDM 又有代工。一名英飞凌大中华区人士对财新证实,从其出货情况看,目前产能短缺主要集中于代工侧,例如车用 MCU;包括功率半导体在内的自产产品的情况则缓和许多。英特尔 4 月 7 日发布新一代数据中心处理器时,「有货」也是其营销亮点,这一产品 2020 年底投产,2021 年一季度加大生产力度,正式发布前已出货 20 万颗。

对于多数采用 Fabless 模式的芯片厂商,现在必须「八仙过海」寻找产能,甚至有芯片设计公司为了保障自己的产能,直接买了设备放在代工厂。

全球芯片设计大厂在争抢晶圆产能上具有先天优势。将于 2021 年 6 月就任高通首席执行官的安蒙(Cristiano Amon)在 4 月底财报会上称,公司有规模优势,稳定的需求可以换取晶圆厂稳定的产能。此外,其亦是少数有能力在领先节点上实现多源供应的厂商之一。预计其供应紧缺的局面在今年底就有实质性改善。

但大量中小芯片设计公司尤其初创公司举步维艰。据财新了解,一家广州的视觉芯片设计公司的一款芯片在一家拥有 12 英寸产线的晶圆制造厂流片,1 月中流片,4 月上旬才完成掩膜(mask),然后还需 2 个月才能拿到晶圆,整个流程排期近 6 个月,而往常只需一两个月。功率半导体厂商江苏佑风微的负责人亦告诉财新:「去晶圆代工厂投片时,4 月开始排队,可能到 6 月才能交单,过去往往一个月内就能交单。」

一名地方芯片设计产业园的运营负责人告诉财新,目前中小芯片设计公司的困境,已夸张到某家企业一个月仅能获得 9 片 12 英寸的晶圆产能。「这够干什么的?」该人士感叹。

「这是马太效应,产能僧多粥少,晶圆厂往往优先保障头部客户,中后部客户越来越被挤出。」一名芯片咨询公司人士称。一家为中小公司提供流片、封测服务的企业负责人测算,从国内来看,通常 13% 的芯片公司覆盖了八成的销售额,代工方理性的选择就是将资源对准前 13% 的企业。

对于中国的芯片公司来说,产能争夺战尤其残酷。近年来,中国大力发展本土集成电路行业,除了科技公司比如阿里(NYSE:BABA)、百度(NASDAQ:BIDU)等自研芯片,更有大量芯片设计创业公司瞄准细分赛道蜂拥而入。清华大学微电子所所长魏少军指出,2020 年中国芯片设计企业数量同比增长 24.6% 达到 2218 家,较 2015 年增加近 2 倍。

IDM 模式正在回归产业界视野。冯锦锋认为,受产能紧缺刺激,短期内中国大陆采用 IDM 模式的企业会有所增加。其一,在全球开放度缩紧的形势下,IDM 成为企业自保手段;其二,本次芯片产能短缺亦为纯设计企业带来教训;其三,中国大陆的纯设计企业渐具规模实力。

业界通常认为,纯芯片设计公司年收入达到 30 亿美元,即可能迈进 IDM 的门槛。冯锦锋指出,尽管目前中国大陆达到这个门槛的企业寥寥无几,但在紧张的国际环境下,5 亿美元、10 亿美元收入规模的企业,探讨 IDM 模式亦有其合理性。

北京半导体行业协会副秘书长朱晶对财新表示,在图像传感器、功率半导体等领域,一些国内企业已开始尝试自建产线。一方面因为这些领域产品若要走向高端,设计与制造需要紧密结合;另一方面,这些领域所需的 8 英寸产线投资规模相对较小;此外,在国内同质化竞争严重的环境下,自有产能亦有利于头部厂商夯实优势。

但冯锦锋认为,长期来看,IDM 模式很难重新成为芯片工业的主流,专业分工是全球工业化以来的大趋势,而芯片短缺亦会直接推动晶圆代工企业快速产能规模化,后者的专业性超过绝大部分 IDM 企业。

暂不考虑受疫情影响波动较大的 2020 年,2005 年至 2019 年,IDM 代表企业英特尔营收增幅为 111%;同期高通、博通、英伟达和联发科等 Fabless 代表厂商的增幅分别为 594%、737%、388% 和 487%,代工龙头台积电增幅亦达到 337%。

朱晶亦称,IDM 难成中国大陆集成电路产业的主流趋势。图像、功率等领域市场相对较小,价值有限;而占比更高的处理器、通信芯片等数字芯片赛道,所需的产线投资动辄百亿美元,并非普通 Fabless 厂商能够承受,仍需依赖台积电、中芯国际(688981.SH/00981.HK)等代工厂商。

有芯片配套企业的负责人担忧,这波「芯片荒」导致产能变成决定设计公司生死的因素,可能会抑制创新,令原本设计能力突出、有望成为细分领域「黑马」的创业公司折戟。前述芯片咨询公司人士,近期与多家大型芯片公司交流发现,业内普遍认为 2021 年下半年至 2022 年初,芯片设计行业会出现洗牌或整合,一些不具备收购价值的中小企业可能直接倒下。

现阶段,能否抢到「货」甚至成为检验芯片设计公司是否优质的标准。一名头部晶圆代工厂高管称,现在代工厂都不会去支持一般客户,「代工厂还在支持的,那就一定是优质公司」。

晶圆厂如何扩产

2020 年一季度,疫情影响芯片需求,三星、华虹半导体晶圆厂产能利用率微幅下滑至八九成。彼时,代工厂普遍预期下半年的接单量、产能利用率、毛利率会下降。全球最大晶圆代工厂台积电,当时对全年业绩预期偏向保守,预估全年收入增长为 14%–19%,而上年的增速是 31%。

2020 年二季度,率先复苏的电脑、电视等芯片需求补上了空缺的产能,大部分晶圆厂的产能利用率明显回升到既往水平。同年三季度,在手机厂商加单、企业恐慌性备货的推动下,台积电、联电、中芯国际等各大晶圆厂的产能利用率基本满载,全球芯片产能几乎被瓜分完毕。

有限的产能还受疫情复工、自然灾害等因素影响。4 月 14 日,台积电台湾工厂发生停电半日事故。研究机构 TrendForce(集邦咨询)当时预估,报废的晶圆损失额达 1000 万至 2500 万美元,工厂还需 2–7 天进行设备重新校正。该事件对车用 MCU 及 CIS logic 的生产造成影响,受影响客户包括恩智浦(NASDAQ:NXPI)、瑞萨(6723.TSE)、索尼等。

过去一年,三星、台积电、联电、英飞凌、瑞萨、恩智浦、美光(NASDAQ:MU)等大厂,都曾因遭遇地震、寒潮、大火、停电等不同灾害而被迫停工。

信达证券在研报中表示,与 2017 年–2018 年全球 8 英寸晶圆产能紧缺不同,本轮「芯片荒」是全线产能紧缺,其中 12 英寸中的 5 纳米–7 纳米先进制程和 40 纳米–65 纳米成熟制程最为紧张。先进制程被台积电和三星垄断,长期供不应求;而成熟制程的紧急插单效应最为严重。此外,8 英寸产能由于长期扩产不足仍告紧缺,目前仅有 12 英寸 14 纳米–28 纳米制程略微缓解。

台积电总裁魏哲家 4 月 15 日表示,全球半导体需求持续高企,今年全年都会处于缺货状态,预计短缺情况会延续到 2022 年。

需求拉动新一轮扩产。5 月 13 日,三星宣布将扩大对逻辑芯片和晶圆制造业务的投资额度,到 2030 年总共投入 171 万亿韩元(约合 9773 亿元人民币),较 2019 年宣布的计划调高近三成。台积电 4 月份宣布大幅调高资本支出计划,未来三年投入 1000 亿美元扩产,其中 2021 年将投入 350 亿美元,远高于上年的 172 亿美元。在中国大陆晶圆厂中,中芯国际、华虹半导体等厂商均在推进 12 英寸扩产。中芯国际 3 月份宣布其深圳晶圆厂将于 2022 年投产。

深圳半导体行业协会秘书长常军锋指出,这轮晶圆厂整体扩产节奏较原计划提前,而供需失衡是最主要的推动因素。

此轮国内晶圆代工厂扩产的重心,为 28 纳米成熟制程和最先进的制程。新产线大多以 12 英寸晶圆为主,相较 8 英寸产线,12 英寸线初始投入成本更大,但长期效益更佳。8 英寸产线主要用来生产 65 纳米或 90 纳米以上成熟工艺制程芯片,12 英寸产线通常用来生产更先进制程的芯片。市场研究机构以赛亚调研(Isaiah Research)对财新称,制程越先进的晶圆厂投资额越大。一座 8 英寸晶圆厂投资额大概要 10 亿–15 亿美元,12 英寸晶圆厂成熟制程可能为 30 亿–50 亿美元,先进制程至少 100 亿美元以上。12 英寸晶圆厂的设备比 8 英寸厂更贵,设备占整体资本支出约 70%–80%。

「纯粹从利润角度出发,这轮 28 纳米制程大扩产有可能赔钱。」一名头部晶圆代工厂高管对财新称,IoT(物联网)等大部分消费电子类产品原先投片需求主要在 40/55 纳米上,40/55 纳米制程紧缺后,部分需求转移到 28 纳米上,推动了 28 纳米需求上升。一旦 40/55 纳米制程新产能释放,这些产品很可能再度回归这一更低成本的选择。而台积电、三星等 28 纳米产线大多已完成折旧摊销,有更大议价权。如果它们采取低价策略,国产 28 纳米产线可能「无路可活」。「现阶段 28 纳米制程扩产,背后逻辑可能不是纯商业运作,更多是一些地方政府和资本在推动。」他认为。

上述代工厂高管认为,现阶段最应该扩产的是 8 英寸产线。8 英寸产线主要用来生产模拟芯片,不受摩尔定律影响,即便产业技术再往前迭代,对 8 英寸的影响都不大,很多产品投在 8 英寸产线上的性价比最佳,需求会一直旺盛。

8 英寸产线投资额相对较小,但其扩产受到上游设备供应不足的掣肘。一家显示驱动芯片公司负责人称,因产品趋势是往更大尺寸方向发展,前几年起,设备厂商都将重心放在了 12 英寸产线的研发生产上,8 英寸设备基本买不到新的,「即使有些号称投 8 英寸厂的,很多都是以收并购设备为主」。

市面上的 8 英寸二手设备,已经到了「一机难求」的地步。二手半导体设备商 SurplusGLOBAL 总经理陈真在一场会议上称,二手的光刻涂胶显影设备价格同比至少涨了 50%,二手工艺设备价格已经涨到接近新机器的七成。

以赛亚调研执行长曾盟斌对财新介绍,这轮晶圆代工厂扩产,会更谨慎地看待客户的订单预测,并与客户签订长约确保未来不会发生严重产能过剩的问题。比如联电「捆绑」客户在台湾扩产,客户以议定价格预先支付订金的方式,确保取得新建厂区未来产能的长期保障。该厂区总投资额为 1000 亿元新台币(约合 36 亿美元),主要聚焦 28 纳米制程,未来可延伸至 14 纳米。

特殊集成电路制造商世界先进,也加大了 2021 年的资本支出计划,要求客户对未来长期需求提出承诺,并预先支付货款,负担扩产增加的折旧费用,共同分担风险,保证新厂不会稀释公司整体毛利率。

部分厂商还通过改造旧有基地的产线实现小幅扩产。安世半导体中国区经理张鹏岗对财新介绍,安世半导体过去一年一直在购买设备增加产能,把东莞、马来西亚、菲律宾等生产基地旧楼进行改造,在现有空间内「填」更多产线。

产能分配新规则

新扩产的产能落地至少要两三年。晶圆代工厂对既有产能的分配,攸关企业甚至行业的命运。

车用半导体约占全球半导体市场份额的 10%,而手机和电脑占据超五成。车用半导体企业大多为 IDM 模式,即芯片设计、晶圆制造、封装测试、销售一体化,只有小部分委外代工。因此,车用芯片在代工厂的投片份额通常较小。台积电和联电每年九成左右的销售份额都来自手机、电脑和高性能计算、消费电子和物联网,车用半导体每年只占台积电 4% 的份额。因而产能紧张之际,车用半导体率先被「牺牲」。

前述代工厂高管称,车用芯片往往不需要很先进的工艺,成熟工艺即可满足需求,这也意味着代工厂生产车用芯片的利润率不会太高。代工厂自然更偏向利润高、投片量大的产品。

若完全依靠市场理性抉择,车用半导体很难得到晶圆代工厂的关照。2021 年初,美国、德国、日本等多国政府向台湾地区表达增产该类芯片需求。之后,台积电、联电、力积电、世界先进等晶圆代工厂开会,表态会优化生产线,将产能拉高,优先供给车用芯片,同时将尝试协调其他客户延迟订单,增加的产能改为支援车用芯片。

从实际表现来看,2020 年四季度,台积电整体晶圆产能向手机行业集中,收入占比达到 51%;高性能计算的收入占比则由三季度的 37% 降至 31%。物联网、车用电子、消费电子、其他品类分别占 7%、3%、4%、4%。2021 年一季度,智能手机的收入占比由四季度的 51% 降至 45%,高性能计算收入占比则由 31% 回升至 35%。值得注意的是,车用电子相关收入在季内环比增长了 31%,收入占比提升了 1 个百分点至 4%。

上述代工厂高管对财新透露,作为全球重要的晶圆代工厂,三星韩国工厂的产能调整也是在政府或大品牌的背书下,去做车用芯片,以满足本国现代、起亚等车企需求为主。在中国区的销售策略上,三星不会去强推汽车芯片,主要还是代工高性能计算(包括挖矿 GPU)、CIS、电源管理芯片等。

按区域来分,代工厂为中国芯片公司分配的产能权重急剧下滑。上述代工厂高管称,以台积电为例,如按区域来分,华为海思未被制裁前,中国市场占比约为 22%,2020 年 9 月 15 日之后台积电彻底不能为海思生产芯片,之后中国市场收入占比剧烈下跌到只有 6%。也就是说,在其最近的两个季度合计 1652 亿元人民币的营收中,来自中国市场的收入萎缩 264 亿元。

「政治因素和市场因素交织,相互影响、恶性循环。如果海思不能下单,大部分中国设计公司也玩不起先进制程,主力都在 40/45/55 纳米。这些单片的价格太低了,利润太薄了。」上述晶圆代工厂高管直言,「对于代工厂来说,如果某个地区只有 5%–6% 营收贡献的话,就不会获得太多优先级产能,更多产能会分配给日韩和欧美企业。」

另一大晶圆代工厂三星的产能分配与台积电类似。据财新了解,韩国市场占据三星约一半的产能,美国市场约分到 30% 产能,中国市场大概占到 6%,其余还包括日本等市场需求。上述头部晶圆代工厂高管预计,2021 年台积电、三星分配给中国区的产能可能连 6% 都没有,接下来中国芯片公司要产能可能更难谈。

政治因素进一步加剧了对中国产能的挤压。上述代工厂高管指出,美国政府方面已两度召请三星、台积电等晶圆厂开会,目的是增加美企芯片供给。同时,美国制裁中国本土晶圆代工厂中芯国际,也在一定程度上抑制了中国产能供给。

对单个企业,冯锦锋分析,在产能紧缺期间,晶圆代工企业也会坚持产能分配的一贯原则:知名大客户作为基石,为穿越行业周期的产能利用率和基本利润提供保障。除非大客户主动砍单,代工企业一般不会减少产能分配。对于中小客户,代工企业会优先考虑单位时间加工费用较高、对单位产能利润贡献较大的产品。潜在新客户中,代工企业则会优先考虑有发展潜力的产品和企业。

当然,一些晶圆代工厂也会考虑疫情时期的「人情」关系。一名协助过地方晶圆制造产线引进的人士告诉财新,走出疫情短期打击后,许多晶圆代工厂按照 2020 年上半年订单比例分配产能,「如果疫情期间根本没有下单,未来产能也不会给你」。

供不应求的局势下,晶圆代工厂的价格话语权更强。2020 年四季度起,联电、中芯国际、世界先进等大型晶圆代工厂都有涨价动作。供应链还传言,部分晶圆代工厂用拍卖方式,按「价高者得」确定产能分配。一家在台厂投片的功率半导体厂商负责人对财新证实,晶圆代工厂大多是在满足长期稳定客户的需求之上,拿出小部分的产能来拍卖。

一些中小设计公司选择「抱团取暖」。多名业内人士告诉财新,目前行业中已有包括摩尔精英在内的芯片行业服务公司牵头,用搭单的方式「团购」产能。「很多小公司订单量小,产能紧缺之际,单独去和代工厂谈,可能是不被理睬的。」

由于产能紧俏,更上游的日常消耗材料以及后端的封测等环节价格也随之上涨。芯片制造最核心的原材料是硅片。3 月初,全球最大的硅片制造商信越化学宣布从 4 月起硅片提价 10%–20%,原因是原材料硅的成本上升。封测方面,全球最大封测厂日月光已在 1 月初将接单价格上调 5%–10%。中国大陆封测厂华天科技一名人士称,从去年四季度至今,总体封测涨价已接近三成。

全球产业链重塑

芯片作为数字经济的基石,任何一个国家都很难忽视其在未来科技发展中的重要作用。目前,欧美仍在芯片产业链中占据关键地位。波士顿咨询(BCG)的数据显示,美国在 EDA、核心 IP、芯片设计、设备这四个环节仍占据绝对主导地位,而欧洲在 EDA 和设备两个环节也占接近四分之一的产值。

一个不容回避的事实是:过去 30 年,随着芯片代工模式崛起,欧美已由芯片制造重镇变为高度依赖海外代工;IDM 模式受冲击,不少厂商将制造外包给工厂,转变为设计公司。BCG 称,1990 年,美国和欧洲的芯片产能分别占全球的 37%、44%,而 2020 年这两个比例萎缩至 12%、9%。

全球晶圆产能逐步向亚洲的中国台湾、韩国两大地区汇聚。TrendForce 在 2 月份预测,2021 年一季度,如以全球十大晶圆厂商总营收为基数统计,来自中国台湾、韩国的厂商各占 4 席、2 席,市场份额分别达到 66%、19%;中国大陆两大晶圆代工厂中芯国际、华虹半导体合计仅占 6%;美国的格芯、以色列的高塔半导体则分别为 7%、2%。

从芯片制造工艺的先进程度来看,目前全球只有台积电和三星能够量产 7 纳米及以下制程,美国英特尔公司的 7 纳米研发仍在推进中。相比之下,中国大陆和欧洲都差距甚远。目前中国大陆仅实现了 14 纳米工艺量产,10 纳米仅能风险量产,7 纳米在研发;据智库 SNV 梳理,欧洲的芯片制造集中在 180 纳米以上成熟制程,整个欧洲没有 10 纳米及以下的芯片工厂,究其原因,主要是欧洲缺乏手机这类对先进制程芯片需求大的客户,欧洲的主要客户群––工业、汽车业,对先进制程芯片需求较弱。

「美国政策制定者非常担心半导体制造能力以及原材料等关键供应商过度集中的现象。」美国半导体行业协会(SIA)副总裁白石(Jimmy Goodrich)对财新称,保护关键技术是目前惟一能在分裂的美国政局中取得共识的议题。

SNV 分析师克莱汉斯也表示,全球只有两个地区可以生产先进制程芯片的局面让政策圈担忧,欧洲也想分散过度集中的芯片制造能力。

疫情叠加「芯片荒」的背景下,欧美正在从供应链安全、科技竞争力等方面考量芯片制造。3 月,美国政府智囊机构「人工智能国家安全委员会」指出,美国在半导体制造方面几乎完全依赖中国台湾、韩国等地的产能,这使得美国「供应链易受破坏」。它举例称,近期美国汽车厂商遭遇的芯片短缺,就让一家汽车公司损失近 25 亿美元,建议美国政府注入投资和激励措施来重振美国芯片制造。同时,美国若要在半导体产业保持全球领先地位,实现在高端微电子设计和制造领域「领先中国两代」的目标,就必须限制中国半导体产业的发展,比如设法阻碍中国进口光刻机等高端的半导体生产设备(SME)。

在 3 月末公布的《美国就业计划》(The American Jobs Plan)中,拜登政府希望国会拨款 500 亿美元,用于资助半导体生产和研究,包括向本土芯片工厂提供数十亿美元量级补贴。

「美国半导体产业欢迎政府投资。」白石认为,近年美国政府在半导体行业的政策重点是出口管制,但保持领先地位的最好方式其实是加大对美国半导体制造生态和研发的投资。在美国修建一座晶圆厂的成本较亚洲高出约三到五成,导致成本差异的主要因素是政府财政措施,而目前美国已经意识到财政措施的重要性。美国半导体行业协会预计,如果美国政府能够落实 500 亿美元的投入,将在未来十年内新建 19 座晶圆厂,美国的芯片制造份额也会因此大幅提高。

美国老牌芯片厂英特尔已响应政策,5 月 3 日宣布投资 35 亿美元升级其位于美国新墨西哥州的产线,而其在 3 月已宣布投入 200 亿美元在亚利桑那州修建两座晶圆厂,未来还将在美国、欧洲继续扩产。

同月,欧盟提出《数字罗盘 2030》(Digital Compass 2030)战略,希望将欧洲制造的芯片产值份额从 2020 年的 10% 提升到 20%,同时实现 2 纳米工艺制程。SNV 智库认为,欧洲追逐 2 纳米这样的先进制程产线缺乏商业逻辑,可能导致损失数十亿欧元。重要因素在于,欧洲本土缺乏需要先进制程的芯片设计公司,而欧洲代工厂也很难从其他地区抢来订单。据市场调研机构 Counterpoint 统计,在全球 5 纳米和 7 纳米产能中,服务欧洲设计公司的仅占 8% 和 6%,绝大部分产能导向了苹果、高通、英伟达、AMD(NASDAQ:AMD)、三星、联发科等美国和亚洲厂商。

对于欧盟扩充本土芯片能力的计划,当地产业界难言积极。据路透社报道,为落实上述产业目标,欧盟正在试图搭建一个本土半导体公司联盟,参与者包括意法半导体(NYSE:STM)、恩智浦、阿斯麦(NASDAQ:ASML)等多家龙头公司。不过,5 月 4 日,意法半导体 CEO 切里(Jean–Marc Chéry)公开表示,没有理由加入这样的联盟。

「《数字罗盘 2030》只是一个号召,离实际政策还很远。」克莱汉斯称,《数字罗盘 2030》落地需通过「欧洲利益重要项目」(IPCEI)这个政策工具实现,2018 年欧洲四国政府率先建立 IPCEI,向半导体产业提供产业投资,目前参与国达到 29 个。

克莱汉斯认为,晶圆厂的一次性建设成本和长期运营成本都很高,十分考验政策制定者的战略定力。「现在无论欧洲还是美国政策界都很关注芯片,这是疫情外最热的话题,但热度能持续多久?芯片产业需要的可是长达十年的持续投入。」

以赛亚调研对财新表示,近期车用芯片的短缺让欧洲各国意识到半导体代工这块过度依赖亚洲国家,为确保未来产能无虞,一方面寄希望于欧洲 IDM 公司如英飞凌、恩智浦扩产,另一方面拿出补助计划、优惠政策等试图吸引台积电、联电、三星等前往设厂。至于美国,除了确保产能,中美贸易战及国防政策可能是主要考量点,比如台积电赴美设厂计划的主要产品可能是军事国防相关,加上一些手机、PC 等消费性产品。

在多国加码晶圆制造之际,未来全球产能会否过剩?冯锦锋判断,短期内不太可能供应过剩,「欧美日的产能计划,究竟有多少比例能够如期转化为现实非常存疑」。典型案例是美国威斯康星州引进富士康面板厂,原计划投资 100 亿美元,如今投资规模缩水超八成。以赛亚调研亦认为,半导体产业需要上中下游紧密的供应链配搭,而目前产业链仍高度集群亚洲,如要在亚洲以外国家自建产业链,需要时间,更需要高额成本投入到设备、人才、技术等方面。

艰难国产化

就中国本土芯片制造能力来看,发展严重滞后于市场需求。魏少军 2020 年 11 月公开表示,目前中国的芯片设计日益壮大,但是芯片制造还很薄弱,尤其 IDM 非常少。根据 IC Insight 数据,2020 年中国集成电路市场规模达 1434 亿美元,其中由中国公司在本土生产的产量仅价值 83 亿美元,其中包括来自晶圆代工厂的 60 亿美元,以及来自 IDM 的 23 亿美元。

近年来,中国政府一方面利用市场需求和补贴、土地优惠政策等优势,吸引台积电、三星等全球代工龙头在本地扩产,比如台积电于 2016 年投资 30 亿美元在南京落地 2 万片 12 英寸晶圆产线,近期又传出台积电要追加对南京工厂的扩产投资;另一方面,中国也在扶持本土晶圆代工厂成长,以中国大陆最大的晶圆代工厂中芯国际为例,其在上海、北京、天津、深圳等地开设工厂,项目模式通常为中芯国际控股,地方政府以及第三方资本承担余下的投资。

政策刺激下,中国大陆芯片产能在全球增长最快。根据波士顿咨询 2020 年数据,从 1990 年到 2020 年,中国大陆芯片在全球的市场份额从零增长至 15%,预计到 2030 年将达 24%,在量上甚至可能超过中国台湾地区和韩国,成为全球第一大芯片制造地。

但美国禁令显然打断了中国的扩产计划。以中芯国际为例,其在 2020 年 8 月宣布年度资本开支计划为 67 亿美元,随着制裁加剧,先进设备采购遇阻,导致实际资本开支降至 57 亿美元,主要用于上海 12 英寸晶圆厂、北京 12 英寸晶圆厂及天津 8 英寸晶圆厂扩产。2021 年,中芯国际计划资本支出进一步降至 43 亿美元,其中大部分用于成熟工艺扩产,小部分用于先进工艺(14 纳米及以下工艺)、北京新合资项目土建等。受美国制裁影响,中芯国际相关生产设备已经出现延期到货情况。

疫情期间,中美贸易战蔓延到科技领域,以国家安全、科技竞争等理由,美国对中国半导体产业的限制不断加码。

从近两年被纳入美国制裁的中国企业名单来看,美国主要限制设计和制造环节。其逻辑一是针对 5G、AI、超级计算等高科技领域,比如华为已经站在了全球 5G 产业的山顶,飞腾和申威为中国超级计算机提供核心处理器;二是打压设计、制造环节的关键企业,比如华为海思具备 5 纳米芯片设计能力,中芯国际是中国大陆规模最大的代工厂,海康威视是全球排名第一的安防企业等。至于中国的半导体设备、材料等相关企业,目前尚未纳入美国制裁视野,业内有观点认为,原因在于中国企业在这些领域的规模、技术水平都还很弱。

从对华为、中芯国际的制裁来看,美国更侧重于打击先进工艺。中芯国际是大陆惟一能够量产 14 纳米的晶圆厂商。2020 年 12 月 18 日,美国商务部以和军工业有联系为由,将中芯国际列入实体清单,明确指出 10 纳米及以下制程所需的技术和设备出口时,原则上将被拒绝;华为亦是可以与高通、微软等美国厂商交易 4G 相关产品和技术,但 5G 相关被拒绝。

如上可见,美国未对中国全面封堵科技产品出口,这得益于中国庞大的市场需求制衡。中国的芯片需求量约占全球四分之一,一旦完全限制中国企业,美国相关供应链公司利益亦受损。比如,在华为的 92 家核心供应商中,美国供应商多达 33 家,华为被制裁后,这些相关美国公司的股价也受累继而暴跌。

据波士顿咨询和美国半导体行业协会共同调研,如果中美在芯片产业上全面脱钩,即美国无法向中国出口所有芯片及上下游工具和设备,美国芯片行业年收入将下滑 37%;而中国可以构建起一套基于日本、欧洲的供应链体系,长期来看也可以发展出基于自身技术的芯片行业,分食此前美国在中国的份额。

目前,中国半导体供应链严重依赖海外,在美国主导的出口限制下显得十分脆弱。仅制造设备一项,根据波士顿咨询的数据,美国、欧洲、日本厂商的合计份额高达 96%。排名前五的设备厂商有三家来自美国,分别是应用材料(NASDAQ:AMAT)、泛林(NASDAQ:LRCX)、KLA(NASDAQ:KLAC),其余两家是荷兰的光刻机制造商阿斯麦和日本的东京电子设备(2070.T)。

在出口限制的重压之下,中国整个电子行业在加速剥离美国供应链。据财新了解,华为正从芯片设计延伸至制造。「未来不管供应制裁是否解除,都不可能再依赖美国的东西做事了。」一名海思员工对财新说,此前只做设计时,工艺部门并不受重视,但近期海思已在大量招募工艺相关人员,「招进来的新员工至少都是 17 级起跳」。

一批中国企业在寻求搭建「去美国化」的制造产线。多名中国半导体行业人士告诉财新,28 纳米「去美国化」产线今年能跑通,但良率到量产程度还需时间。一名美国半导体行业资深人士则对财新分析称,如果中国要从软件、设备到材料,全部做到国产自主可控,40 纳米产线要两到三年,28 纳米产线可能要五年,这是因为中国光刻机的水平很落后。光刻机是生产芯片不可或缺的设备。「中国国产光刻机达到量产水平可能还需两三年。」他认为。

地缘政治威胁之下,芯片紧缺进一步逼迫中国芯片产业加快转型。一位芯片封测人士对财新透露,近期不少合作的芯片设计公司都开始涉足车规级产品,车规级在各类芯片中规格高、难度大,海外已有成熟产品,国产化动力不足。根据中国汽车芯片产业创新战略联盟数据,2019 年中国汽车芯片产业规模仅占全球的 4.5%。「之前国内没人敢说自己做车规,主要做的都是消费级和民用级产品,但现在一方面芯片紧缺,国外产能跟不上,另一方面中美贸易战后一切都回不到原点了,国内厂商不能再依赖国外。」这位人士称。

值得注意的是,美国欲联手欧洲、日本封锁中国半导体产业发展,尤其美日近期不断释放在政治、军事、科技上的联合态度。日本计划于 6 月份制定本财年增长蓝图草案,计划增加资本支出以促进先进半导体的生产,邀请美国制造商在日本投资,以加强两国的芯片供应链。该草案提出的目标是,到 2030 年,日本在用于电动汽车和其他应用的下一代功率半导体领域占据全球 40% 的份额。

「如果欧美日联手围堵,中国的半导体产业基本就停了。但面对中国庞大的市场,美欧日不会齐心,中国仍有斡旋的空间。」一名中国半导体行业资深人士认为。被美国列入实体清单后,中芯国际 3 月仍与全球最大光刻机制造商阿斯麦续签批量采购协议,第一批光刻机订单的总交易额达 12 亿美元,但不包括最先进的极紫外光刻机(EUV)。

实际上,美国意欲切断全球芯片供应链的设想,已经引起企业界的广泛不满;芯片产业链各方共识仍是全球化合作。4 月,阿斯麦 CEO 温彼得(Peter Wennink)表示,出口限制只会迫使中国加速探索自主化,最终的结果是欧洲厂商也将丢掉中国市场;要跑赢中国,欧洲应该加速自身创新,而不是切断供应。美国的出口限制已经影响阿斯麦 EUV 光刻机在中国的销售,而阿斯麦本身在欧洲、美国、亚洲也有约 5000 个供应商。

「这个行业太复杂、太全球化,以至于必须通过高度专业化的全球供应链合作来维持创新。」美国半导体行业协会的白石对财新强调,很多企业都在采用世界各地的设备和技术,并向全球顾客出售产品,「在半导体领域提倡完全自给自足的本地供应链,是死路一条」。

年届九十高龄的台积电创始人张忠谋,近日呼吁台湾厂商守住晶圆制造优势。他认为,在晶圆制造领域,台湾依靠人才聚集、交通便利、产业链完备等优势,在世界竞争中取得了目前的地位。而在当前的竞争者中,美国仍然是最厉害的,其优势在于土地、水、电以及财政补贴,劣势在于企业单位成本高,「短期的补贴不能弥补长期的竞争劣势」;韩国三星才是台积电最强劲的竞争对手。

冯锦锋认为,中国要成为集成电路强国,需要持续发展芯片制造,不能减缓产能扩充步伐;同时也不能被所谓的惯例束缚手脚,要鼓励在传感芯片、功率器件等新兴领域,成长出专业代工龙头企业,「要知道稳懋 1999 年成立时,全球砷化镓芯片生产 100% 是 IDM 模式,且大部分产能利用率不到 50%,而今天全球 75% 的砷化镓芯片由稳懋代工生产」

我们应该学会去理解别人的观点,不仅仅是服从和被告知。

Project Che

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时代的水流漫过了每一只筏子,浸湿了我们的脚,而大雨迟早要来。

开门见山,明知山有虎

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