在2021年11月，IPC發(fā)布了一個(gè)標(biāo)題為“評(píng)估北美先進(jìn)封裝生態(tài)系統(tǒng)的差距：對(duì)關(guān)鍵系統(tǒng)、能力、生產(chǎn)能力的分析與建議”的行業(yè)報(bào)告。這個(gè)報(bào)告由IPC的首席技術(shù)專家Matt Kelly和TechSearch International公司的總裁 Jan Vardaman發(fā)布，詳細(xì)介紹了目前先進(jìn)封裝的技術(shù)與基礎(chǔ)設(shè)施的狀況，以及后續(xù)可能需要的技術(shù)與基礎(chǔ)設(shè)施。

本文從這個(gè)報(bào)告中節(jié)選了一些關(guān)于半導(dǎo)體制造問(wèn)題的描述，包括經(jīng)濟(jì)問(wèn)題和技術(shù)問(wèn)題，這些問(wèn)題涉及制造各種成品封裝，用這些成品封裝來(lái)組裝印刷電路的子組件。

半導(dǎo)體晶圓制造廠和代工廠的全球分布情況

芯片工廠一周運(yùn)行7天，每天運(yùn)轉(zhuǎn)24小時(shí)。他們之所以這么做，原因只有一個(gè)：成本。

建立一座每月生產(chǎn)5萬(wàn)片晶圓的入門級(jí)工廠大約需要150億美元的成本。這些錢的大部分用于專業(yè)設(shè)備——2020年，芯片市場(chǎng)的銷售額首次超過(guò)600億美元。

英特爾、三星和臺(tái)積電（ TSMC）這三家公司占工廠投資中的大部分。他們的工廠更加先進(jìn)，每建成一座工廠，成本都超過(guò)200億美元。

在2021年，臺(tái)積電在新工廠和設(shè)備上的投入高達(dá)280億美元。相比之下，美國(guó)政府試圖通過(guò)一項(xiàng)支持在美國(guó)本土芯片生產(chǎn)的法案。

這個(gè)法案將在五年內(nèi)提供500億美元，其中，只有三分之二的資金用于促進(jìn)短期芯片生產(chǎn)。

一旦你把所有的錢都花在建造大型設(shè)施上，這些設(shè)施在五年或更短的時(shí)間內(nèi)就會(huì)過(guò)時(shí)。為了避免虧損，芯片制造商必須從每家工廠獲得30億美元的利潤(rùn)。

但現(xiàn)在只有最大的幾家公司，尤其是去年?duì)I收總額達(dá)到1880億美元的前三家公司，才有能力建設(shè)更多的工廠。

能夠建立多個(gè)批量制造的工廠的能力很重要；一家公司制造的產(chǎn)品越多，他們就會(huì)做得越好。成品率——沒(méi)有被丟棄的芯片的百分比——是關(guān)鍵的衡量標(biāo)準(zhǔn)。

任何低于90%的成品率都是有問(wèn)題的。但芯片制造商只有通過(guò)反復(fù)吸取昂貴的教訓(xùn)，在此基礎(chǔ)上不斷提高對(duì)芯片制造的認(rèn)識(shí)，才能超越這個(gè)90%成品率的水平線。

這個(gè)行業(yè)的經(jīng)濟(jì)狀況是如此殘酷，這就意味著只有很少的幾家公司能夠在這個(gè)行業(yè)中維持下去。全球每年的智能手機(jī)處理器出貨量大約是140億個(gè)，其中大部分都是由臺(tái)積電生產(chǎn)的。英特爾占有80%的電腦處理器市場(chǎng)。

三星在存儲(chǔ)芯片領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。對(duì)于其他人，包括中國(guó)許多有抱負(fù)的新公司，要想打入存儲(chǔ)芯片領(lǐng)域并非易事。

?許多北美的晶圓廠（臺(tái)積電，英特爾，三星）已經(jīng)擴(kuò)大在2024年的代工能力——無(wú)晶圓工廠模式

?應(yīng)當(dāng)指出的是，每一家代工廠都有重要的先進(jìn)封裝開發(fā)

?無(wú)晶圓工廠模式的發(fā)展和成功（高通、博通、英偉達(dá)、聯(lián)發(fā)科、AMD、蘋果）

向Chiplets遷移

芯粒將成為未來(lái)十至二十年電子產(chǎn)品市場(chǎng)的關(guān)鍵推動(dòng)者。由于單芯片集成電路高企的成本，不可能再次實(shí)現(xiàn)過(guò)去曾經(jīng)有過(guò)的那種經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

不斷上升的制造成本包括：諸如掩模組之類的前期費(fèi)用和每個(gè)芯片的成本，越來(lái)越復(fù)雜的先進(jìn)工藝設(shè)計(jì)規(guī)則，以及為滿足對(duì)計(jì)算能力無(wú)止境的要求而帶來(lái)的架構(gòu)挑戰(zhàn)。

作為對(duì)這些情況的回應(yīng)，一種趨勢(shì)是將系統(tǒng)級(jí)芯片（SoCs）分解成多個(gè)比較小的芯粒。

全球晶圓制造設(shè)備市場(chǎng)中，2020年對(duì)芯片制造使用的重型設(shè)備的投資是2015年的兩倍（數(shù)據(jù)來(lái)源：SEMI）

在2020年，在芯片制造行業(yè)營(yíng)收排名前15位的公司中，英特爾、三星和臺(tái)積電這三家公司的營(yíng)收大約是排在后面的12家公司營(yíng)收的總和

半導(dǎo)體工藝

7納米工藝已經(jīng)量產(chǎn)，一些最新的處理器也已經(jīng)引進(jìn)了5納米工藝。這個(gè)行業(yè)正在引進(jìn)3納米工藝。三星已經(jīng)提供了其3納米工藝開發(fā)計(jì)劃的一些細(xì)節(jié)。

臺(tái)積電正在采用5納米半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)，為蘋果的iPhone提供應(yīng)用處理器。臺(tái)積電正在著手研發(fā)3納米工藝和2納米工藝。IBM宣布開發(fā)基于全環(huán)繞柵極晶體管（gate-all-around FET）的2納米芯片。

英特爾表示，該公司正在研發(fā)先進(jìn)工藝，并宣布在2021年推出Intel 7，在2022年下半年推出Intel 4，在2023年下半年推出Intel 3的計(jì)劃。

英特爾將在2024年開發(fā)使用全環(huán)繞柵極晶體管的Intel 20A，緊接著是Intel 18A。3納米半導(dǎo)體工藝預(yù)計(jì)在2022年年中開始生產(chǎn)，2納米工藝預(yù)計(jì)在2023-24年開始生產(chǎn)。

只有少數(shù)幾家公司能夠負(fù)擔(dān)得起開發(fā)這些先進(jìn)工藝的費(fèi)用，而具備制造這些先進(jìn)工藝能力的公司就更少了。表1說(shuō)明主要晶圓工廠和代工廠，以及它們提供的技術(shù)工藝。

表1：物流運(yùn)輸時(shí)間對(duì)需求和生產(chǎn)的支持

半導(dǎo)體器件的短缺

各種半導(dǎo)體元器件的短缺正在影響汽車、家電、個(gè)人電腦、智能手機(jī)和服務(wù)器的出貨量。COVID-19疫情的各種限制措施造成供應(yīng)鏈中斷，導(dǎo)致芯片制造工廠關(guān)閉或生產(chǎn)放緩，而市場(chǎng)對(duì)電子產(chǎn)品的需求卻在持續(xù)上升。

IDC的報(bào)告稱，包括臺(tái)式電腦、筆記本電腦和工作站在內(nèi)的傳統(tǒng)個(gè)人電腦（PC）出貨量在第二季度達(dá)到8360萬(wàn)臺(tái)，與去年第二季度相比增長(zhǎng)了13.2%。針對(duì)游戲市場(chǎng)的筆記本電腦的需求仍保持強(qiáng)勁的勢(shì)頭。

IDC報(bào)告稱，全球服務(wù)器的需求量仍然很大，但元件和CPU的短缺可能會(huì)阻礙發(fā)貨。TrendForce預(yù)計(jì)全球的服務(wù)器出貨量今年會(huì)有所增長(zhǎng)。

分析師預(yù)計(jì)，最嚴(yán)重的半導(dǎo)體器件短缺將在2022年結(jié)束，不過(guò)UMC和英特爾認(rèn)為，這種情況要持續(xù)到2023年。汽車行業(yè)使用的半導(dǎo)體器件正在和消費(fèi)產(chǎn)品、工業(yè)產(chǎn)品使用的模擬IC、電源管理IC、微控制器和傳感器競(jìng)爭(zhēng)。這些器件中的許多器件都是在200毫米晶圓上制作的，產(chǎn)能仍然不足。SEMI的報(bào)告稱，制造200毫米晶圓的工廠將從2019年的197個(gè)增加到2022年的215個(gè)。

同期，制造300毫米晶圓工廠的數(shù)量將從121個(gè)增加到151個(gè)。其中有10家新建的制造300毫米晶圓工廠在2021年開始運(yùn)營(yíng)，還有14家將在2022年開始運(yùn)營(yíng)。

業(yè)內(nèi)專家普遍認(rèn)為，雖然重復(fù)預(yù)訂是造成短缺的部分原因，但貿(mào)易摩擦所帶來(lái)的影響更大。在過(guò)去的兩個(gè)季度里，主要的無(wú)晶圓廠公司已經(jīng)將他們的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)從位于中國(guó)的晶圓廠中轉(zhuǎn)移出來(lái)。

?各家公司繼續(xù)超額訂購(gòu)，例如蘋果、特斯拉已經(jīng)開始訂購(gòu)下一代4/5納米工藝。

?持續(xù)的半導(dǎo)體器件短缺是由一系列因素造成的，這些因素包括產(chǎn)能不足和高于預(yù)期的強(qiáng)勁需求，凸顯供應(yīng)鏈的脆弱性。

?一些芯片客戶正在用提前付款的辦法來(lái)確保供應(yīng)。

?汽車電子化（EV）導(dǎo)致芯片短缺。

硅晶片的短缺

人們?cè)絹?lái)越關(guān)注晶片供應(yīng)的限制。TECHCET的報(bào)告稱，2022年，300毫米主要晶片需求的利用率高于99%。外延產(chǎn)能也在99%的范圍內(nèi)。

在未來(lái)的兩年里，全球的300毫米晶片產(chǎn)能必須擴(kuò)大6%甚至更高，才能避免出現(xiàn)晶片短缺，無(wú)法滿足目前預(yù)測(cè)的300毫米晶片出貨量。

有幾家公司已經(jīng)宣布了他們的投資計(jì)劃。MEMC電子材料公司是臺(tái)灣GlobalWafers公司的子公司，MEMC將對(duì)其位于美國(guó)密蘇里州的工廠投資2.1億美元以生產(chǎn)300毫米的晶圓。

SK Siltron預(yù)計(jì)最早在今年擴(kuò)大晶片生產(chǎn)。這是SK集團(tuán)在2017年收購(gòu)LG集團(tuán)的Siltron公司和擴(kuò)大它的Gumi工廠之后，時(shí)隔四年再次擴(kuò)大工廠的規(guī)模。在生產(chǎn)300毫米晶片領(lǐng)域，世界排名前兩位的Shinetsu公司和Sumco公司已經(jīng)宣布它們擴(kuò)建工廠的計(jì)劃。

臺(tái)灣的半導(dǎo)體技術(shù)繼續(xù)占據(jù)主導(dǎo)地位

?臺(tái)積電的晶圓工廠是全球最先進(jìn)的晶圓工廠。英特爾使用臺(tái)積電的高級(jí)工藝。

?臺(tái)積電將在未來(lái)幾年內(nèi)繼續(xù)進(jìn)行大量投資（1000億美元）以擴(kuò)大產(chǎn)能。

?臺(tái)灣仍然是IC晶圓產(chǎn)能最大的生產(chǎn)基地。

?臺(tái)積電生產(chǎn)全球50%到55%的半導(dǎo)體器件，提供先進(jìn)的工藝，這些工藝支持從最新的智能手機(jī)型號(hào)到數(shù)據(jù)中心與人工智能應(yīng)用中使用的圖形處理單元。

先進(jìn)工藝來(lái)自亞洲；北美的半導(dǎo)體供應(yīng)商正在奮起直追

?北美的晶圓工藝有些滯后，主要是28納米、10納米和7納米。

?總部設(shè)在北美的晶圓工廠在先進(jìn)工藝方面落在后面。

?北美的工藝范圍：10-28納米，主要工藝是5-7納米，最先進(jìn)的工藝是2-3納米。

?臺(tái)積電和三星在生產(chǎn)中使用的最先進(jìn)的工藝從7納米到5納米，在2022年使用3納米工藝。全球晶圓代工廠采用28納米工藝，英特爾使用10納米工藝，并計(jì)劃采用7納米工藝。IBM目前正在研制、按比例增加最小2納米工藝。

全球排名前15位的半導(dǎo)體公司的關(guān)注點(diǎn)

硅晶圓廠和公司格局仍處于巨變的過(guò)程中

例子：在3月23日的消息中，英特爾的首席執(zhí)行官Pat Gelsinger表示，英特爾將向位于美國(guó)亞利桑那州的兩座新建的芯片代工廠投資200億美元，消息中說(shuō)的芯片是由一個(gè)被稱為“英特爾代工服務(wù)”（Intel Foundry Services-IFS）的獨(dú)立部門制造的首批元件?，F(xiàn)在這個(gè)IFS代工廠可以為任何公司的各種架構(gòu)制造芯片”。

這座IFS代工廠以近26億美元的季度銷售額進(jìn)入前15位半導(dǎo)體供應(yīng)商名單

?前15家半導(dǎo)體供應(yīng)商名單中，有8家供應(yīng)商的總部在美國(guó)；臺(tái)灣、韓國(guó)和歐洲各有兩個(gè)；一個(gè)在日本。

?除了在這個(gè)報(bào)告中列出的代工廠之外，英特爾和三星還有更多的晶圓廠進(jìn)行各種內(nèi)部系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

在這15家公司中，有14家的單季度營(yíng)收高于30億美元

?在前15名公司的名單中，有兩家新上榜的公司：聯(lián)發(fā)科（取代了海思）和AMD（取代了索尼）；

?海思是華為公司的半導(dǎo)體設(shè)計(jì)部門（之所以會(huì)被聯(lián)發(fā)科取代是受關(guān)稅、制裁的影響）；

?增長(zhǎng)率最高的是無(wú)晶圓工廠的芯片設(shè)計(jì)公司（AMD，聯(lián)發(fā)科技，高通，英偉達(dá)）。

北美的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在硅和系統(tǒng)設(shè)計(jì)上

在半導(dǎo)體行業(yè)中，許多頂級(jí)半導(dǎo)體公司的營(yíng)收來(lái)源都是芯片設(shè)計(jì)。這些公司擁有設(shè)計(jì)方面的專業(yè)知識(shí)，通過(guò)代工廠為他們制造芯片。通過(guò)這種模式，他們能夠保持很高的毛利率。

北美半導(dǎo)體晶圓工廠和代工廠的現(xiàn)狀

?美國(guó)的政策制定者把半導(dǎo)體行業(yè)視為具有重要戰(zhàn)略意義的行業(yè)，因?yàn)樗鼮槠渌袠I(yè)中先進(jìn)的國(guó)防、通信、大數(shù)據(jù)和人工智能提供最基礎(chǔ)的賦能技術(shù)；

?北美已具備非常強(qiáng)大的半導(dǎo)體研發(fā)能力與生產(chǎn)能力。

?無(wú)晶圓工廠模式：在16家半導(dǎo)體公司中，有6家公司（占比為40%）沒(méi)有晶圓工廠，英特爾、臺(tái)積電和三星在美國(guó)亞利桑那州進(jìn)行的最新投資都是代工廠，可以滿足北美芯片設(shè)計(jì)公司的需求。

?英特爾現(xiàn)有的晶圓工廠也將在2024年提供代工服務(wù)。

? Global Foundries（GF）雖然有工廠，但沒(méi)有先進(jìn)的工藝（28納米）。

?臺(tái)積電和三星計(jì)劃2024年在美國(guó)建立5納米和3納米的代工廠。

美國(guó)西海岸無(wú)晶圓工廠（Febless）模式的生態(tài)體系

臺(tái)積電、三星和英特爾計(jì)劃在2024年為總部設(shè)在美國(guó)硅谷的蘋果公司、英偉達(dá)公司和博通（Broadcom）公司，以及總部設(shè)在美國(guó)圣地亞哥的高通公司（Qualcomm）這些頂級(jí)芯片設(shè)計(jì)公司提供新的代工服務(wù)。他們?cè)诰A代工廠的位置選擇上首先要能夠滿足硅谷和南加州無(wú)晶片工廠的芯片制造商的服務(wù)要求。

美國(guó)政府為提高本土的半導(dǎo)體產(chǎn)能已經(jīng)做了大量的投資：

?英特爾、臺(tái)積電和三星（排名前三位的公司）都在2024年建立代工廠，以滿足芯片設(shè)計(jì)公司的需求。

?臺(tái)積電：已經(jīng)在亞利桑那州建立5納米工藝的晶圓工廠，可能還要在美國(guó)追加建設(shè)五座晶圓工廠。正式公布的投資額已經(jīng)達(dá)到120億美元。

?英特爾：投資200億美元，在亞利桑那州新建兩座工廠

?三星：在美國(guó)德克薩斯州奧斯汀投資170億美元建設(shè)5納米工藝晶圓廠。

（注：臺(tái)積電擔(dān)心北美的能力、產(chǎn)量，因?yàn)檫@可能會(huì)使進(jìn)度放緩并導(dǎo)致價(jià)格上升。）

編輯：黃飛

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