失效分析 赵工 半导体工程师 2022-08-07 08:01 发表于北京
根据半导体行业协会（SIA）和波士顿咨询集团(BCG)的数据，到 2030 年，半导体行业的规模将翻一番，达到 1 万亿美元以上，而中国将占到这一增长的 60% 左右。因此，中国能否成为第四次工业革命领导者的结果可能取决于该国到 2030 年芯片生产的自给率。目前，中国消耗了全球约 40% 的芯片，而仅根据 GlobalData 的数据，其中有12% 通过自给自足。该国对半导体的需求反映了其在物联网方面的领先地位。
根据 IHS Markit的数据，到 2030 年，全球将有多达 1250 亿台联网设备。中国的物联网企业融资情况可以反映这一增长，从 2017 年的 14 笔交易增加到 2021 年的 27 笔交易；总交易额也在上升，根据 GlobalData 的数据，从 2017 年的 5.86 亿美元增至 2021 年的 15.9 亿美元。
中国参与到全球半导体产业
根据 GlobalData 的数据，美国半导体行业 30% 以上的收入来自向中国的出口。此外，中国是韩国芯片供应商三星电子和SK海力士的最大市场。另外总部位于荷兰的ASML也有超过 20%的收入来自中国。其他欧洲公司比如意法半导体、英飞凌和恩智浦也严重依赖中国的进口能力。
GlobalData 预测，到2030 年中国市场对外国供应商的依赖作用将小得多。因为在全球销售和使用的芯片中，有90%以上涉及低工艺生产技术。中国拥有一个主要由国家资助且不断发展的半导体代工行业，并且该行业正在稳步建设以满足国内低工艺技术的生产需求。
根据我们的 FDI （国际直接投资）项目数据库，中国除了半导体制造能力正在不断增长，还在 2019-2020 年间引进了很多与半导体相关且由外国直接投资的项目。
半导体全球供应链中的瓶颈在哪里？
FDI短缺
高度互联的全球半导体供应链通过自由贸易在全球范围内运输材料、设备、知识产权 (IP) 和组装产品。根据SIA的数据，半导体是仅次于原油、成品油和汽车的全球第四大贸易产品，该行业的跨境贸易和投资可能会变得越来越复杂。可以毫不夸张地说，在半导体领域吸引国际直接投资并在其供应链中实现自由贸易已经达到了对国家至关重要的程度。
这个挑战并不是限制半导体制造能力的唯一潜在障碍。SIA 估计，要将集成的全球供应链迁移到每个地区同时满足当前的半导体消费水平，至少需要 1 万亿美元的投资，从而实现 35-65%的半导体价格整体上涨。
美国在大多数知识密集型半导体生产领域处于世界领先地位。根据 CSIS 的数据，2019 年按收入计算，排名前 20 的半导体电子设计自动化和核心 IP 公司中有四家总部位于美国。然而相比之下，全球四分之三的半导体制造业集中在亚洲。比如制造供应链中技术难度较低和资本密集型的环节，例如代工、封装和测试，中国在全球市场份额中排名第一，其次是马来西亚。
技术霸权
全球半导体供应链中最重要的瓶颈在于高端芯片制造能力，中国台湾和韩国在七纳米和5纳米芯片方面几乎拥有全球100%的制造能力。BCG估计，这一比例为韩国有8%和中国台湾拥有92%。这种垄断意味着如果发生自然灾害、基础设施破坏或地缘政治冲突等问题将导致全球高端芯片严重短缺。
据GlobalData首席分析师Michael Orme称，“台积电在供应5纳米芯片方面拥有全球垄断能力，随着老一辈工程师退休，年轻工程师想要赚取更多收入，纷纷移民大陆导致中国大陆半导体制造能力不增加。”
美国对台积电的先进半导体制造能力的依赖，使得华盛顿官员更加坚定地要尽快吸引台积电在美国建厂。“特别是因为三星在逻辑芯片的工艺代工技术方面无法与台积电匹敌，英特尔也仍然落后几代芯片，”他补充道。
据悉，台积电坚称在美国开始支付建造和运营5纳米晶圆厂的额外成本之前，该公司将不得不推迟其在亚利桑那州的1200万美元的新建晶圆厂项目。据报道，该项目将在2024年之前生产5纳米芯片。Orme表示，与英特尔和三星不同，台积电在中国台湾以外的多元化建厂方面没有既得利益，因为中国台湾本身的所有前沿研究和5纳米以下的生产都可能会保留下来。
资金并不是唯一的挑战，台积电也无法获得完成其在美国新晶圆厂建设所需的设备、材料和劳动力。所有这些都表明，台积电完成美国工厂的建立至少要延迟六个月，也或许直到2024或2025年才开始批量生产。“在那之前，美国半导体供应链将不得不依赖来自中国台湾的7纳米及以下芯片的供应，”Orme说。
成熟芯片短缺
随着5G的广泛部署，半导体行业在2025年左右走向了一个重大转折点，因为在物联网时代越来越多地传感器被应用。然而，许多人认为，到2025年，新兴技术所需的更先进的5纳米和10纳米芯片将不是最紧迫的问题，而是缺乏28纳米及以上的传统芯片（特别是90或130纳米及以上）。事实上，全球最大的大型芯片供应商Sumco曾公开表示，到2026年由他们生产的28纳米晶圆将售罄。
“虽然28纳米晶圆不用于高端应用，例如用于最新智能手机的处理器或用于自动驾驶汽车的AI芯片，但它们对于大多数消费电子和相关下游行业仍然至关重要，”PragmatIC Semiconductor首席执行官斯科特·怀特（Scott White）说。“例如，英国的汽车生产由于缺乏简单的加热座椅控制器就会受到阻碍。”并且在这些领域，通过新技术和商业模式进行创新，可以缓解未来的供应链问题。全球分散的制造能力，可以确保半导体的稳定供应，以满足未来世界的需求。怀特所说的创新机会可能只是解决世界上一些最紧迫问题的方法。在一个高度复杂和全球互联互通的行业中，很多事情都处于危险之中，还有很多事情有待观察。
中国成长为芯片超级大国
GlobalData 研究发现，中国专利在 2022 年 1 月和 2022 年 4 月显著下降，这可能是由于新冠疫情的影响，尤其是针对硬件制造的企业。然而，到 2022 年，美国、日本、韩国、中国台湾和德国的半导体专利也有所减少，这或许表明了半导体技术正在走向成熟的拐点。
话虽如此，中国在开发新型超导材料方面拥有强硬的专业知识。例如华为在光子计算以及石墨烯晶体管的开发方面处于领先地位。此外，中国在半导体代工、测试和封装方面也处于领先地位。根据 GlobalData 的研究，先进芯片封装、新晶体管架构和新碳基材料的发展也可能会改变半导体的市场规则，使中国在 2025 年就提前成为全球半导体领导者。
全球对半导体芯片的大部分需求依旧是 28 纳米及以上芯片，而不是更先进的 5 纳米或 10 纳米芯片。随着中芯国际、华虹和上海先进半导体等国内公司增加代工产能，中国正走向自给自足，到 2024 年至少有 7 家主要的新代工厂投产。虽然多年来没有一个国家可以在 15 年内实现国内半导体供应链自给自足，但GlobalData预测中国将通过不断增长的市场规模和国内强大的生产能力成为世界芯片超级大国。
来源：旺材芯片
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