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預(yù)計 2018 年晶圓代工業(yè)務(wù)將實現(xiàn)穩(wěn)定增長，但增長背后存在若干挑戰(zhàn)。
在全球晶圓代工巨頭方面，GlobalFoundries、Intel、Samsung 和 TSMC 正在從 16nm / 14nm 向 10nm / 7nm 節(jié)點遷移。分析師表示，英特爾已經(jīng)遇到了一些困難，因為這家芯片巨頭從 2017 年下半年至 2018 年上半年剛推出了新的 10nm 制程。此外時間也將會證明其他芯片制造商是否會在 10/7nm 節(jié)點下完成平穩(wěn)或粗糙的過渡。
不僅如此，另外幾家代工廠也正在抓緊推出 22nm 工藝，不過目前這種技術(shù)的需求前景不算很明朗。重要的是，代工廠商看到了 8 英寸晶圓的巨大需求，然而 2018 年，8 英寸晶圓的需求依舊很短缺。
盡管如此，這個行業(yè)也沒有想象的那么悲觀，據(jù) Semico Research 的分析師 Joanne Itow 透露，代工業(yè)務(wù)預(yù)計繼續(xù)保持穩(wěn)定增長（2018 年將比 2017 年增長 8％）。這與 2017 年的增長預(yù)測完全一致。
“增長的驅(qū)動因素包括人工智能、汽車和傳感器，”分析師說：“盡管智能手機銷量的增長速度已經(jīng)放緩，但智能手機的 BOM 仍然是代工業(yè)務(wù)中最重要的部分。其中包括傳感器、處理器、圖像傳感器、無線和模擬射頻?！?/p>
代工廠也在關(guān)注高性能計算、電力電子甚至加密貨幣的增長。中國市場是最值得關(guān)注的，許多代工廠都在擴大或建造新的晶圓廠。
根據(jù)研究公司 TrendForce 的數(shù)據(jù)，在全球晶圓代工市場中，臺積電繼續(xù)占主導(dǎo)地位（2017 年占有 55.9％的份額）。根據(jù)該公司的數(shù)據(jù)，GlobalFoundries 排在第二位，聯(lián)電，三星，中芯，TowerJazz，力晶，先鋒，華虹和東部緊隨其后。
圖 1：按收入排名前十的代工廠商（三星，力晶的數(shù)據(jù)屬于預(yù)估）。來源：TrendForce
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世界半導(dǎo)體貿(mào)易統(tǒng)計公司（WSTS）最近預(yù)測，2017 年半導(dǎo)體市場將達到 4090 億美元，比 2016 年增長 20.6％。收入增長是由于 DRAM 平均銷售價格的上漲。以及對于模擬，閃存和邏輯的強勁需求。
WSTS 預(yù)計 2018 年 IC 產(chǎn)業(yè)市場將達到 4370 億美元，比 2017 年增長 7％。根據(jù) VLSI Research 的統(tǒng)計，2018 年 IC 總體預(yù)計增長 7.1％，而 2017 年為 12.8％。
多年來，IC 產(chǎn)業(yè)一直圍繞著摩爾定律（晶體管密度每 18 個月翻一番）處于不斷變化中。根據(jù)這個定律，芯片制造商每 18 個月就會推出一項新工藝，表面上是為了降低晶體管的成本。
目前來看，摩爾定律仍然是可行的，不過它正在經(jīng)歷新的發(fā)展。每經(jīng)歷一個新的節(jié)點，流程成本和復(fù)雜性都在急劇上升，因此，一個完全擴展的節(jié)點節(jié)奏已經(jīng)從 18 個月延長到 2.5 年或更長的時間。此外，更少的代工業(yè)務(wù)客戶能負擔(dān)起往高級節(jié)點躍遷的能力。根據(jù) Gartner 的數(shù)據(jù)，一款 16nm/14nm 芯片的芯片設(shè)計成本約為 8000 萬美元，28nm 芯片的芯片設(shè)計成本為 3000 萬美元。相比之下，設(shè)計一個 7nm 芯片則要花費 2.71 億美元。
和以往一樣，手機仍是芯片業(yè)的最大市場。根據(jù) IC Insights 的數(shù)據(jù)，手機 IC 銷售占 IC 市場總收入的 25％，預(yù)計 2018 年將達到 973 億美元，比 2017 年增長 8％。 該機構(gòu)還認為，個人電腦相關(guān)芯片是第二大 IC 市場，預(yù)計 2018 年將增長 5％，達到 726 億美元。
其他市場增速更為驚人。例如，汽車 IC 銷售額預(yù)計在 2018 年將增長 16％，達到 324 億美元; 到 2018 年，與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的 IC 銷售額將增長 16％，達到約 168 億美元。
圖 2：IC 領(lǐng)域的市場增長情況（以十億美元計）。數(shù)據(jù)來源 IC Insights
“越來越多的客戶正在重新定義他們的產(chǎn)品組合，以適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)、汽車市場，”UMC 美國銷售副總裁 Walter Ng 說：“就拿汽車領(lǐng)域來說，信息娛樂、數(shù)據(jù)安全和先進操作功能的進步，正在增加對 MCUs 的需求，其集成了嵌入式非易失性存儲器、RF 元件和 MEMS 傳感器。
Walter Ng 還表示：“在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，我們看到了許多不同類型的設(shè)備，但主要關(guān)注的焦點似乎是將 MCU 與多協(xié)議通信集成在一起的 IC，包括 Wi-Fi，藍牙甚至 Zigbee。我們也看到了企業(yè)對家庭自動化的巨大興趣?！?/p>
考慮到這些增長驅(qū)動因素，代工廠商必須開發(fā)更多不同的工藝來滿足客戶日益增長的需求。 GlobalFoundries 首席技術(shù)官 Gary Patton 表示：“一個技術(shù)平臺能滿足從高端 IBM z 系統(tǒng)（大型機）一直到電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，這顯然是不切實際的?！?/p>
為了滿足這些需求，晶圓廠必須每年增加他們的資本支出和研發(fā)支出。但是只有少數(shù)的晶圓廠有開發(fā)多種技術(shù)的資源。規(guī)模較小的公司當(dāng)然也是可行的，不過他們對市場必須更專一。
除了研發(fā)資本的支出，還有一些晶圓代工廠需要面對的挑戰(zhàn)：
?經(jīng)濟和政治問題可能影響電子行業(yè)。
?低迷的需求和庫存問題往往會在第一季度出現(xiàn)，這可能會在隨后的季度中持續(xù)存在。
?集成電路業(yè)務(wù)正在進行一波并購活動。整合的結(jié)果則是代工廠商的客戶群縮減。
?硅片的可用性令人擔(dān)憂。在多年的供應(yīng)過剩之后，硅片供應(yīng)商看到了新的需求。但是，供應(yīng)商并沒有對新工廠進行投資，許多公司已經(jīng)提高了價格。
?封裝測試供應(yīng)鏈是晶圓廠的另一個問題。對芯片需求的上升導(dǎo)致了制造能力、各種封裝類型甚至一些設(shè)備的短缺。
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10nm/7nm，22nm 工藝技術(shù)的遷移
到 2018 年，英特爾預(yù)計將增長 10 納米投入。此外，GlobalFoundries，三星和臺積電將開始出貨各自的 7nm finFET 工藝產(chǎn)品。 三星還宣布了各種半節(jié)點產(chǎn)品。
節(jié)點名稱很混亂。 簡而言之，Intel 的 10nm 技術(shù)大致相當(dāng)于其他晶圓廠的 7nm 節(jié)點。
無論如何,節(jié)點遷移是具有挑戰(zhàn)性的。 例如，一些芯片制造商花費比預(yù)期更長的時間從平面節(jié)點遷移到 16nm/14nm。在 16nm/14nm 工藝中，許多供應(yīng)商轉(zhuǎn)向下一代稱為 FinFET 的晶體管類型。在 FinFET 中，對電流的控制是通過在鰭的三側(cè)面上的柵極來實現(xiàn)的。
圖 3：FinFET 與平面。 來源：Lam Research
一般而言，F(xiàn)inFET 解決了短溝道效應(yīng)和其他縮放問題，但是該技術(shù)制造起來更困難且成本更高。
舉個例子：英特爾本應(yīng)在 2017 年下半年發(fā)布 10 納米 FinFET 工藝，但最近的進度有所下滑。投資銀行公司晨星（Morningstar）分析師 Abhinav Davuluri 在最近的一次采訪中表示：“英特爾 10nm FinFET 工藝看起來像是被推遲到了 18 年上半年。 “這可能是遭遇了一系列的問題。但是，他們解決 14 納米工藝問題的時間，在 10nm 工藝基本上是成倍增加。因為現(xiàn)在你正在做自對齊的四軸模式，而不是雙模式。它需要更多的步驟和更好的功能尺寸，顯然這兩個問題是相互矛盾的。”
從時間上來看，GlobalFoundries，三星和臺積電在 7nm 將面臨類似的問題。 Gartner 分析師 Samuel Wang 表示：“三家代工廠似乎都在取得良好的進展。”
Samuel Wang 預(yù)計，在 2018 年 7nm 工藝將有一個較大的增長，但在短期內(nèi)，根本不能與 10nm 抗衡。預(yù)計在 2017 年，10nm 將產(chǎn)生價值 50 億美元的業(yè)務(wù)。相比之下，預(yù)計到 2018 年，7nm 的銷售額將從 25 億美元增至 30 億美元。
那么隨著時間的推移，7nm 將如何發(fā)展呢？“這是一個循序漸進的過程，”GlobalFoundries 的 Patton 說?！坝幸恍┛蛻粼诟e極地布局到下一個節(jié)點。其他人則會緩慢跟進。”
根據(jù) Patton 的說法，7nm 將會是一個長壽的節(jié)點。FinFET 將會有很多延伸，有很大的擴展空間。
臺積電表示，7nm 節(jié)點可能會達到 28nm 一樣的成就。 “7nm 的最初應(yīng)用是高端應(yīng)用處理器和高性能計算。我們預(yù)計到 2018 年底，將會有超過 50 次流片，“臺積電聯(lián)席首席執(zhí)行官兼總裁 C. C. Wei 在最近一次電話會議上表示。
然而，并非所有的代工廠客戶都是世界領(lǐng)先廠商。雖說許多公司正在開發(fā)新的芯片，并正在探索遷移到 16nm/14nm 甚至更遠的想法。但是許多公司都停留在 28 納米節(jié)點以上，因為他們無法承受先進節(jié)點的高昂 IC 設(shè)計成本。
為填補市場空白，GlobalFoundries，英特爾，臺積電和聯(lián)電正在開發(fā)一種新的 22 納米工藝。 22 納米比 28 納米更快，芯片開發(fā)成本低于 16 納米 /14 納米。
然則并不是所有的 22nm 技術(shù)都一樣。例如，GlobalFoundries 正在準備 22 納米 FD-SOI 技術(shù)。臺積電和聯(lián)電正在開發(fā) 22 納米大容量 CMOS 工藝。而 Intel 則采用了新的低功耗 22nm FinFET 技術(shù)。
從此以后，客戶必須權(quán)衡各種選項。 “這取決于你在什么空間，”GlobalFoundries 的 Patton 說:“如果你專注于高性能，并且正在嘗試制造大型芯片，那么你會選擇 FinFET。如果你期望芯片體積小，而且成本和功耗達到了平衡，那么你就可以沿著 FD-SOI 路徑走下去。
大容量 CMOS 工藝也是一種選擇，聯(lián)電正在開發(fā)一個 22nm 制程，用于 RF、毫米波和其他應(yīng)用?！斑@個工藝能提供性能和成本的最佳組合，”聯(lián)電的專業(yè)技術(shù)部門的副總裁 Raj Verma 說。
盡管如此，在未來許多晶圓廠客戶仍將堅持使用 28nm。Gartner 公司的 Wang 說：“28 納米級技術(shù)提供了速度，功耗和成本的最佳組合，其將繼續(xù)保持良好的需求，28nm 晶圓代工年收入可達 100 億美元?！?/p>
那么，22nm 會起飛嗎？“是的，因為 22 納米是 28 納米的延伸，”Wang 說?！八峁┝烁玫男阅芎兔芏??！?/p>
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8 英寸晶圓的熱潮
在過去兩年中，由于某些芯片的需求激增，集成電路產(chǎn)業(yè)在 8 英寸晶圓廠產(chǎn)能方面嚴重短缺。
2018 年，8 英寸供應(yīng)量仍將保持緊俏，12 英寸的供應(yīng)預(yù)計也將遵循類似的路徑。“2018 年將是 8 英寸技術(shù)供應(yīng)緊張的第三年，”聯(lián)電的 Ng 說。“隨著 12 英寸技術(shù)能力開始跟進，我們看到客戶采購戰(zhàn)略開始變得更具戰(zhàn)略意義?！?/p>
一般來說，一個典型的 8 英寸晶圓廠每月生產(chǎn)大約 4 萬片晶圓，生產(chǎn)的芯片從 6 微米到 65nm 不等。Ng 說:“傳統(tǒng)的 MCUs、功率分立器件、PMICs、指紋傳感器和顯示屏驅(qū)動的晶片仍然比現(xiàn)有的需求更大?！?/p>
總而言之，8 英寸的需求將會持續(xù)一段時間，這促使芯片制造商尋找新的創(chuàng)造性的方法來應(yīng)對產(chǎn)能緊縮。例如，芯片制造商已經(jīng)將一些設(shè)備從 8 英寸轉(zhuǎn)移到 12 英寸廠。12 英寸晶圓廠已經(jīng)能生產(chǎn)出高端芯片。
Ng 表示：“12 英寸技術(shù)預(yù)計將會向更高的利用率邁進。傳統(tǒng)的 12 英寸工藝主要由電源管理，指紋傳感器和顯示驅(qū)動 IC 等應(yīng)用驅(qū)動，而更主流的 12 英寸需求則由 MCU，無線通信和存儲應(yīng)用驅(qū)動?！?/p>
在成熟的節(jié)點上，晶圓廠能夠提供專業(yè)的工藝，如模擬、雙極性 CMOS-DMOS（BCD）、MEMS、混合信號、電源管理和 RF。
如今，由于 5G 和汽車的出現(xiàn)，專業(yè)代工業(yè)務(wù)正在復(fù)興。電力電子和無線仍然是增長型市場。 Ng 表示：“聯(lián)電在 BCD 電源管理應(yīng)用方面正處于增長階段，受全球新能源的驅(qū)動，這將需要更完整，安全和可用的電源管理解決方案。
同時，汽車市場仍然是整體晶圓代工廠商的一小部分業(yè)務(wù)，但該領(lǐng)域正在快速增長。因此，代工廠正爭相在競技場上擴大業(yè)務(wù)。
GlobalFoundries 汽車副總裁 Mark Granger 表示：“過去幾年，我們開始看到一個真正的拐點，你可以開始看到車輛中的半導(dǎo)體含量開始增長。隨著 ADAS 的加入，這些增長尤其明顯。“
一般來說，該汽車領(lǐng)域分為五個主要領(lǐng)部分：車身，連接性，融合 / 安全性，信息娛樂和動力傳動系。
晶圓廠在所有領(lǐng)域都看到了芯片的需求。有些領(lǐng)域會發(fā)展更快?！霸谄嚒踩到y(tǒng)和電力列車的電氣化方面，這些領(lǐng)域正在驅(qū)動半導(dǎo)體發(fā)展?！?TowerJazz 射頻 / 高性能模擬部門高級副總裁兼總經(jīng)理 Marco Racanelli 如是說。
代工廠商也在加緊推進先進的駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）和自動駕駛技術(shù)。 ADAS 涉及汽車中的各種安全功能，如自動緊急制動和車道檢測。
豪華車已經(jīng)包含了許多 ADAS 功能。而現(xiàn)在的目標是將這些安全功能納入中級和入門級車型。這而背后將與成本有關(guān)，需要一些時間來進行推進。盡管如此，全自動駕駛的出現(xiàn)還是要等好幾個年頭，甚至幾十年。
除了汽車之外，5G 對 OEM、設(shè)備制造商和代工廠來說也是另一個潛在的大市場。 5G 是當(dāng)前 4G、LTE 的無線標準的后續(xù)產(chǎn)品。它將使數(shù)據(jù)傳輸速率超過 10Gbps，或者說是 LTE 的 100 倍吞吐量。
如果 5G 起飛，該技術(shù)將推動基礎(chǔ)設(shè)施和手機新芯片的發(fā)展。TowerJazz 公司的 Racanelli 說：“更快，更多的移動數(shù)據(jù)需求正在推動對超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心和云計算中心擴展的迫切需求，并將為手機 5G 系統(tǒng)創(chuàng)造未來的機會。
Racanelli 說:“數(shù)據(jù)中心需要從電源管理到高速光纖前端的更專業(yè)級半導(dǎo)體，5G 系統(tǒng)將會讓射頻前端變得更加復(fù)雜，需要更多的 RF-soi 開關(guān)、過濾器和放大器。最后，5G 還包括一個 28GHz 的頻段，我們的客戶和合作伙伴已經(jīng)在先進的 SiGe 中創(chuàng)建了 12Gb/s 的連接。”
然而，聯(lián)電的 Ng 表示：“短期內(nèi)，有關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施將如何發(fā)展，以支持目前定義的 Wi-Fi 和 6GHz 以下頻段的路由器和智能手機等產(chǎn)品的 5G 無線電頻率仍存在疑問。 5G 基礎(chǔ)設(shè)施部署需要很長時間才能為普通公眾使用?！?/p>
中國市場的機遇
中國市場對晶圓廠商來說是一個巨大的機遇，中芯國際和其他中國代工廠正繼續(xù)擴張。國外廠商聯(lián)電已經(jīng)在中國建立了一個新的 12 英寸晶圓廠。 GlobalFoundries，TowerJazz 和臺積電正在中國建設(shè)新工廠。
晶圓代工業(yè)務(wù)不僅會為多國 IC 制造商生產(chǎn)芯片，而且還會為越來越多的國內(nèi)無晶圓廠設(shè)計公司提供芯片。 據(jù) TrendForce 統(tǒng)計，2017 年中國 IC 設(shè)計行業(yè)收入預(yù)計將增長 22％。 根據(jù)研究公司的數(shù)據(jù)，到 2018 年，增長率預(yù)計將維持在 20％左右。
TrendForce 研究總監(jiān) Jeter Teo 表示：“這一增長將歸功于物聯(lián)網(wǎng)市場，其中 AI 和 5G 解決方案也將推動擴張的勢頭。“其他機會將來自新興應(yīng)用，如用于指紋和面部識別的生物傳感器、雙攝和 AMOLED。”
圖 4：中國 IC 設(shè)計行業(yè)的增長情況 來源：TrendForce
圖 5：中國半導(dǎo)體 Fab 設(shè)計公司按營收排名 來源：TrendForce
盡管業(yè)內(nèi)密切關(guān)注著中國的半導(dǎo)體行業(yè)，其實我們也應(yīng)該關(guān)注中國在應(yīng)用領(lǐng)域的努力。SEMI 中國公司總裁 Lung Chu 表示，中國正在追求 5G、工業(yè) 4.0、智能電網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展。在某些地區(qū)，中國的發(fā)展速度比世界其他地區(qū)都快。
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