近期，晶圓代工產(chǎn)能越發(fā)緊張，一方面是因?yàn)樾袠I(yè)一直處于供不應(yīng)求的狀態(tài)，而且已經(jīng)持續(xù)了一年左右的時(shí)間。另一方面，華為禁令效應(yīng)也在客觀上起到了催化劑的作用，由于在禁令正式生效之前，華為大量下單各種芯片，進(jìn)一步加劇了這種產(chǎn)能與需求之間的不平衡。

據(jù)中國臺(tái)灣地區(qū)媒體報(bào)道，由于代工產(chǎn)能供不應(yīng)求，有IC設(shè)計(jì)廠商透露，聯(lián)電和世界先進(jìn)已經(jīng)調(diào)漲近期新投片的價(jià)格，并通知客戶要調(diào)升今年第四季度與明年的代工價(jià)格。據(jù)悉，聯(lián)電的0.18微米制程，世界先進(jìn)的0.15微米制程產(chǎn)能很滿。

總體來看，目前8吋（200mm）晶圓代工廠產(chǎn)能最吃緊，從0.13微米至0.18微米制程產(chǎn)能都很滿，而12吋（300mm）廠則是28nm以下制程產(chǎn)能最緊張。

特別是在8吋產(chǎn)能方面，最受業(yè)界關(guān)注，而漲價(jià)最為猛烈的，則是顯示面板驅(qū)動(dòng)IC，一方面是因?yàn)榻衲甏蟪叽顼@示面板銷售非常緊俏，推升了市場(chǎng)對(duì)相應(yīng)驅(qū)動(dòng)IC的需求，另外，過去幾年，驅(qū)動(dòng)IC價(jià)格相對(duì)較低，具有很大的上漲空間。

價(jià)格漲幅百分比方面，有IC設(shè)計(jì)廠商表示，有些品類不只是個(gè)位數(shù)，有MCU廠家表示，晶圓交期開始拖長后，雖然現(xiàn)階段尚未漲價(jià)，但現(xiàn)在若想額外增加投片，就要加價(jià)一至二成，而晶圓代工廠也正在與其洽談第四季度的漲價(jià)幅度，據(jù)說在談判桌上沒有多少話語權(quán)的廠商，也要遭受二成左右的加價(jià)。

在這樣的背景下，8吋產(chǎn)能緊張程度會(huì)延續(xù)到2021上半年，除非有廠商愿意從8吋轉(zhuǎn)至12吋晶圓生產(chǎn)，只有這樣才能在短時(shí)間內(nèi)緩和8吋產(chǎn)能的緊張情況。目前看來，以晶粒較大的指紋辨識(shí)IC等產(chǎn)品轉(zhuǎn)到12吋生產(chǎn)的可行性較高。

指紋辨識(shí)IC廠商神盾證實(shí)，該公司確實(shí)從一、兩年前就著手規(guī)劃從8吋轉(zhuǎn)至12吋晶圓生產(chǎn)，預(yù)計(jì)今年下半年流片，明年將會(huì)大量轉(zhuǎn)換。除了成本之外，產(chǎn)能是神盾此舉更重要的考量因素。

這就像當(dāng)年6吋晶圓產(chǎn)能爆滿一樣，IC設(shè)計(jì)廠商只好在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)選擇8吋晶圓廠生產(chǎn)，這段產(chǎn)能轉(zhuǎn)換的過渡期大約需要一至兩年。

大尺寸晶圓的宿命

晶圓尺寸越大，可利用效率越高。12吋晶圓擁有較大的晶方使用面積，得以達(dá)到效率最佳化，相對(duì)于8吋晶圓而言，12吋的可使用面積超過兩倍。

來自IC Insights的統(tǒng)計(jì)和預(yù)測(cè)顯示，2018-2021年間，全球范圍內(nèi)可量產(chǎn)的12吋晶圓廠每年都會(huì)增加，到2021年，將達(dá)到123家，而這一數(shù)字在2016年為98家，基本上所有新建設(shè)的晶圓廠都將用來生產(chǎn)目前急缺的DRAM、閃存，或者增強(qiáng)現(xiàn)有的代工能力。截至2016年底，12吋晶圓貢獻(xiàn)了全球IC晶圓廠產(chǎn)能的63.6%，預(yù)計(jì)到2021年底這一數(shù)字將達(dá)到71.2%，在這5年內(nèi)，以硅片面積計(jì)算的年復(fù)合平均增長率達(dá)到8.1%。

無論從總體表面積，還是實(shí)際晶圓出貨量來看，12吋晶圓都是現(xiàn)在使用的主力晶圓尺寸。盡管如此，8吋晶圓廠仍然具備相當(dāng)長的生命力。到2021年，8吋晶圓的IC生產(chǎn)能力預(yù)計(jì)仍將保持增長態(tài)勢(shì)，以可用硅片總面積計(jì)算，年均復(fù)合增長率預(yù)計(jì)為1.1%。不過，8吋晶圓占全球晶圓產(chǎn)能的份額，預(yù)計(jì)將從2016年的28.4%下降至2021年的22.8%。

目前，硅晶圓的主力是8吋和12吋的，然而，早些年，6吋（150mm）晶圓曾一度統(tǒng)治市場(chǎng)，6吋廠于1980年開始生產(chǎn)，當(dāng)時(shí)主要是英特爾在推動(dòng)其發(fā)展，在那之前，4吋還是市場(chǎng)主力軍。8吋晶圓廠在1990年開始快速增長，當(dāng)時(shí)是以IBM與西門子合作生產(chǎn)64位DRAM為代表，而12吋晶圓廠從2000年后開始穩(wěn)定增長。

產(chǎn)能方面，8吋晶圓在1998年超過6吋晶圓產(chǎn)能并在2007年達(dá)到頂峰，2008年，12吋晶圓產(chǎn)能超過8吋的，8吋晶圓產(chǎn)能在2008年到2009年間下降，但仍為增長趨勢(shì)。估計(jì)2018年到2019年間8吋晶圓產(chǎn)能近似于2006年的水平。

向大尺寸轉(zhuǎn)移

由于晶圓尺寸越大，成本效率越高，特別是在當(dāng)下行業(yè)對(duì)產(chǎn)能要求大量增加的情況下，大尺寸，特別是12吋晶圓的優(yōu)勢(shì)越來越明顯，相關(guān)的轉(zhuǎn)型也在進(jìn)行當(dāng)中。

實(shí)際上，在多年以前，就有多家IDM和晶圓代工廠想將產(chǎn)能主力從8吋轉(zhuǎn)型到12吋，但難度很大，所以進(jìn)展一直都比較緩慢。

早期的大部分6吋硅晶圓生產(chǎn)線都已經(jīng)轉(zhuǎn)向了8吋的，然而，受制于成本和性能等因素，8吋線轉(zhuǎn)向12吋產(chǎn)線較為困難，主要體現(xiàn)在：12吋晶圓廠進(jìn)入門檻高，參與廠家數(shù)量較少，根據(jù)中芯國際新建上海12吋晶圓廠投資金額數(shù)量可知，12吋廠對(duì)代工企業(yè)廠房潔凈室清潔度及設(shè)備的精密度要求很高，初期投資及后續(xù)研發(fā)投入巨大，要達(dá)到百億美元級(jí)別才能具備市場(chǎng)競(jìng)爭力。因此，盡管12吋晶圓市場(chǎng)高速增長，但直接參與競(jìng)爭的企業(yè)數(shù)量依然是少數(shù)。

另外，代表先進(jìn)制程的12吋晶圓廠生產(chǎn)的產(chǎn)品主要是精密制程的芯片，留給65nm及以上制程的空間并不多，12吋廠的投資金額巨大也導(dǎo)致代工費(fèi)用高昂，而這是對(duì)價(jià)格敏感的成熟制程產(chǎn)品所不希望看到的。同時(shí)，制程尺寸的微縮，會(huì)導(dǎo)致漏電的增加，因此，電池供電類應(yīng)用通常會(huì)選擇8吋產(chǎn)線，另外，MEMS傳感器、LED等產(chǎn)品，采用8吋晶圓更具優(yōu)勢(shì)。

也正是因?yàn)槿绱耍?吋晶圓廠具有相當(dāng)長的生命周期。特別是由于市場(chǎng)對(duì)PMIC、顯示驅(qū)動(dòng)IC，CMOS圖像傳感器（CIS），MCU，MEMS和其它特征尺寸》90nm制程工藝技術(shù)的器件的強(qiáng)勁需求，晶圓代工廠從中受益頗多。這些器件是許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的關(guān)鍵組件，物聯(lián)網(wǎng)為8吋晶圓廠注入了新的活力。

不過，近些年，隨著市場(chǎng)對(duì)存儲(chǔ)和邏輯芯片需求的增加，特別是14nm及更先進(jìn)制程的普及，市場(chǎng)對(duì)12吋晶圓的需求日益迫切，這方面的成本效率越發(fā)突出。因此，8吋向12吋晶圓轉(zhuǎn)型的速度開始加快。

成本效率方面，以臺(tái)積電最新的5nm制程芯片為例簡單說明一下。

著名半導(dǎo)體博客作者RetiredEngineer列出了臺(tái)積電在2020年每個(gè)節(jié)點(diǎn)的假想芯片銷售價(jià)格。

該模型基于假想的5nm芯片，該芯片大小為Nvidia P100 GPU（610 平方毫米，907億個(gè)晶體管）。就每個(gè)12吋晶圓的代工銷售價(jià)格而言，該模型考慮了諸如CapEx，能耗，折舊，組裝，測(cè)試和封裝成本，晶圓代工營業(yè)利潤率以及一些其他因素。

據(jù)估計(jì)，臺(tái)積電使用5nm制程技術(shù)的12吋晶圓售價(jià)約為16988美元。相比之下，使用其7nm制程節(jié)點(diǎn)的12吋晶圓價(jià)格約為9346美元，使用16nm或12nm制程技術(shù)制造的12吋晶圓的價(jià)格為3984美元。

雖然5nm制程的12吋晶圓成本最高，但是，即使按當(dāng)前成本計(jì)算，由于其高晶體管密度和性能，對(duì)于高度復(fù)雜的芯片制造商來說，使用臺(tái)積電的領(lǐng)先工藝也很有意義。根據(jù)提供的數(shù)字，使用5nm制程制造610平方毫米芯片的成本為238美元，而使用7nm生產(chǎn)相同芯片的成本為233美元?？梢?，兩種制程的單個(gè)芯片成本幾乎相同，之所以如此，一個(gè)很重要的原因就是相對(duì)于8吋晶圓，在12吋晶圓上可以制造出更多的芯片，這樣就攤薄了單個(gè)芯片的成本。

1995年，全球8吋晶圓廠的數(shù)量為70個(gè)，到2007年達(dá)到歷史最高峰的200個(gè)，到2015年底又降至180個(gè)，1999到2018年間，全球總共關(guān)閉了76家8吋晶圓廠，在2008-2009年金融危機(jī)期間，多數(shù)8吋晶圓廠關(guān)閉或轉(zhuǎn)型到12吋晶圓廠，關(guān)閉的晶圓廠主要分布在美國、日本、歐洲以及中東地區(qū)。從2016年開始，8吋晶圓廠關(guān)閉速度開始減緩。

2008到2016年期間，總共有15座晶圓廠從8吋轉(zhuǎn)型為12吋的。

不只是在存儲(chǔ)和邏輯芯片方面，模擬和模數(shù)混合芯片廠商也越來越多地向12吋產(chǎn)線轉(zhuǎn)移，典型代表就是德州儀器（TI）和ADI。

以TI為例，今年年初，該公司表示，將在未來幾年內(nèi)關(guān)閉其最后兩個(gè)6吋晶圓廠，同時(shí)，在其德克薩斯州Richardson工廠建造下一個(gè)12吋晶圓廠。德州儀器投資者關(guān)系主管Dave Pahl在電話會(huì)議上說：“這將是一項(xiàng)多年計(jì)劃，預(yù)計(jì)不遲于2023年至2025年完成?！盤ahl表示，每年在這兩個(gè)6吋晶圓廠生產(chǎn)約15億美元的產(chǎn)品，很大一部分將轉(zhuǎn)移到12吋廠，從而提高生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)效益。

TI表示，建成后，這座新工廠將能提供具有競(jìng)爭力的交貨時(shí)間和成本的產(chǎn)品，因?yàn)楦蟮?2吋晶圓生產(chǎn)的模擬芯片數(shù)量是6吋晶圓的兩倍以上。

在模擬芯片市場(chǎng)，像TI、ADI、Maxim這樣的廠商，都有著高于行業(yè)平均水平的毛利率。以TI為例，在過去10年內(nèi)，其利潤和利潤率保持上升態(tài)勢(shì)，并在2018年創(chuàng)造了新高。按照TI的說法，創(chuàng)造高利潤率與他們用12吋晶圓廠生產(chǎn)模擬芯片、降低成本有關(guān)。數(shù)據(jù)顯示，TI的模擬芯片在2018年的運(yùn)營利潤率高達(dá)46.7%。

近些年，TI一直在穩(wěn)步提升其12吋晶圓模擬芯片的產(chǎn)量，以削減成本并提高生產(chǎn)效率。TI表示，12吋晶圓廠的產(chǎn)量比競(jìng)爭對(duì)手使用的8吋工藝生產(chǎn)的芯片便宜40％。此外，對(duì)于模擬用途，12吋晶圓廠的投資回報(bào)率可能更高，因?yàn)樗梢允褂?0到30年。

TI將很多邏輯和嵌入式IC生產(chǎn)外包給代工廠，但模擬芯片主要都是在其自家的工廠生產(chǎn)。該公司目前擁有兩個(gè)12吋晶圓廠，截至2017年，其12吋晶圓模擬芯片產(chǎn)量占其整體模擬芯片產(chǎn)量的40％，而到了2018年，這一比例提升到了50％左右?？紤]到5G，IoT、汽車和云計(jì)算等應(yīng)用的成熟和大規(guī)模擴(kuò)展，會(huì)推動(dòng)相關(guān)模擬芯片需求的增長，因此，該公司有充分的理由進(jìn)行12吋晶圓廠擴(kuò)展，以保持并進(jìn)一步提升其高利潤率。

遙遠(yuǎn)的18吋時(shí)代

在未來15-20年內(nèi)，12吋晶圓廠在半導(dǎo)體制造業(yè)內(nèi)將保持主流地位，因此，12吋硅片在未來至少25年內(nèi)將保持樂觀的發(fā)展態(tài)勢(shì)。與此同時(shí)，近些年，業(yè)界也在關(guān)注更大尺寸的18吋晶圓，不過，由于其成本過于高昂，從投入產(chǎn)出比或成本效率方面來講，不如12吋劃算。因此，18吋晶圓廠數(shù)量在未來15年內(nèi)可能會(huì)有小幅增長，但總體數(shù)量有限，也有預(yù)測(cè)到2030年，將有超過35座18吋晶圓廠。目前來看，同12吋相似，18吋晶圓主要用來制造ASIC和存儲(chǔ)芯片。

第三代半導(dǎo)體進(jìn)軍8吋晶圓

以上談的都是以硅為主要材料載體的晶圓，12吋是主力。

而在另一個(gè)化合物半導(dǎo)體世界里，特別是第三代半導(dǎo)體，目前仍以6吋及4吋晶圓為主。然而，隨著應(yīng)用需求的增長，對(duì)相應(yīng)芯片的需求日益增多，特別是以碳化硅和氮化鎵為代表的第三代半導(dǎo)體的啟航，以前的“小眾”產(chǎn)品和市場(chǎng)，一點(diǎn)點(diǎn)地走到了舞臺(tái)的中央，在這樣的背景下，同硅片一樣，就需要考慮投入產(chǎn)出比或成本效率了。因此，近兩年，一些專注于第三代半導(dǎo)體的IDM或晶圓代工廠開始向8吋晶圓轉(zhuǎn)移，法國的SOITEC就是其中一家，該公司在碳化硅晶圓方面就在向8吋轉(zhuǎn)移。不過，就目前來看，第三代半導(dǎo)體在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)，仍將以6吋及4吋晶圓為主，8吋則代表著未來。
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