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芯片产业的2024年

半导体行业观察(ID:icbank)| 来源

龚佳佳 | 作者

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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”?

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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)。

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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。

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图片来源:ASML

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。

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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。

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图片来源:经济日报

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。

02

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。

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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。

美国这几年对芯片制造产业的心思属于“司马昭之心,路人皆知”。为了缓解半导体制造焦虑,美国正式通过了520亿美元的芯片法案,并积极邀请企业在美建厂,除了表格中提到的外,格芯在去年7月宣布将投资10亿美元在美国纽约州马耳他市附近建造第二家工厂。德州仪器也曾宣布计划于2022年在美国德克萨斯州北部谢尔曼开始建造新的12英寸半导体晶圆制造厂,并有可能建设多达四个晶圆制造厂。

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;

英特尔则有2座,其在德国马德堡新建的两个新工厂预计2023年上半年开工,2027年量产,所以笔者并未统计进去;三星、联电、力积电各一座,其中三星在美国的工厂虽然是5nm制程,但此前也有消息传出,三星规划要在2026年将3nm GAA制程引入美国厂,打造全美国最先进的晶圆厂,虽然是否会引入3nm制程还未确定,但有英特尔两座2nm工厂在,“打造全美国最先进的晶圆厂”这个愿望应该是无法实现了。

03

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,半导体行业观察曾在《缺芯何时缓解?产业链是这样看的》一文中,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。

从上文的图表中也可以看出,厂商们在成熟制程方面资本支出较大,扩产较多,以台积电为例,台积电在成熟制程领域的资本支出高达 20% 或约 90 亿美元。随着亚洲产量增加,芯片短缺将在 2022 年略有缓解,成熟制程的芯片供应将大幅增加,但高端芯片将依旧短缺。

大众汽车CFO Arno Antlitz 近日在接受德国日报 Boersen-Zeitung采访时表示,半导体芯片供应虽然瓶颈可能会在今年年底开始缓解,明年产量将恢复到 2019 年的水平,但这不足以满足对芯片的日益增长的需求,结构性供应不足可能要到 2024 年才会自行解决。

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。

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图片来源:Knometa Research

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写在最后

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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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