30年后的半导体预测:28nm还会是“甜蜜节点”

半导体行业观察 · 半导体行业观察·2022-01-27 09:23

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受到新冠疫情的影响,远程办公、网络购物迅速普及,PC、各类电子设备、游戏机等销量暴增。 最终导致全球半导体供给不足。

就半导体而言,既有供给充分的产品、也有真正供给不足的产品,情况不尽相同。笔者将在下文中论述“供给尤其不足的是28纳米的半导体”。此外,在本文的最后,笔者将再次对2050年之前的半导体市场进行预测(笔者在一年前已经做过预测)。

“甜蜜节点”是16纳米?


2021年12月15日一一17日,在东京国际展览中心(Big Sight)召开了为期三天的日本最大的半导体商务活动“SEMICON Japan”。笔者在Semi Technology Symposium(STS)的“尖端材料、制造、分析环节”与原英特尔的龟和田忠司先生合作发表了《日本的设备、材料的竞争力与其源泉》。

STS的演讲者可以免费参加所有的环节。于是笔者几乎参加了所有的环节,并听取了演讲。其中,在“SEMI 市场”这一环节中,笔者听取了Mckinsey & Company(麦肯锡咨询公司)土谷大先生的《半导体产业供应链动力学(Supply Chain Dynamics)》后,相当震惊!

笔者之所以震惊,是因为土谷大先生在“SEMI 市场”这一环节中,提到了“从(Foundry)的半导体生产成本来看,16纳米技术节点很有可能成为“甜蜜节点(Sweet Spot,是指能体现出一件事情最好或最有效的地方,通常是最有生产力的地方,也是因为各种品质的结合而努力的地方)”。由于当时笔者是通过Zoom来参加的,因此在聊天环节,发出了以下消息:“我认为对Foundry而言,其“甜蜜节点”是不是16纳米、而是28纳米,您认为呢?”于是,SEMI办公室回复说:“抱歉,无法回复提问”。于是,笔者又留言说:“这是有偿参加的会议,因此希望贵处可以回复我的问题”。SEMI 办公室回复说:“我们会把您的问题转达给演讲者”。但是,到1月16日,已经一个多月过去了,笔者没有收到来自麦肯锡的任何回复。

SEMI办公室是否已经将笔者的问题转达给土谷大先生?还是已经转达,但被无视了?无论如何,笔者很不满意。因此,笔者决定通过下文证实“对Foundry而言,甜蜜节点是28纳米、不是16纳米!”

谁从新冠疫情带来的“新常态”中收受益?


2020年新冠疫情在全球范围内蔓延,2021年,人们的生活发生了巨大变化,即出现了“新常态(New Normal,新生活方式)”。从2021年6月举办的“TSMC Technology Symposium”来看,主要有以下具体事例。

  • 网络购物在八周内,销售了过去十年的量。

  • 在三个月的时间里,远程办公的人数增长了20倍。

  • 在两个星期的时间里,在线学习的人数增长至2亿5,000万人。

  • 在五个月的时间里,游戏下载数量达到了过去七年的量。


此外,由于“新常态”的普及,各类电子设备的销售也出现了爆发式的增长。下图1是2021年和2022年各类电子设备与上年比较的出货数量增减比例(%)。

图1:各类电子设备的出货数量增长率(YoY %)。笔者根据Joanne Chiao(TrendFore),“Wafer Shortages Drives the General Growth of Foundry Capacity in 2022”,Memory Trend Summit 2022“制作了此图。(图片出自:eetimes.jp)


从图1可以看出,对于远程办公和在线学习而言,作为必需品的PC,与2020年相比,2021年的出货数量增长了16.5%。但是,据预测,今年(2022年)的出货数量预计较2021年下滑7.2%(虽然为负增长,由于受到奥密克戎蔓延的影响,以上预测可能会发生变化)。

从上图1可以看出,在2021年,受到新冠疫情的影响,很多国家和地区不得不封城封国以及宣布进入紧急事态,导致人们不得不“宅在家中”,因此笔记本电脑(16.5%)、游戏机(35%)、可穿戴设备(11.1%)等都出现了畅销现象。

因此,用于以上电子设备的半导体产品的需求急剧扩大。那么,需求增长最明显的半导体主要集中在哪些方向呢?

在2021年一一2022年期间,Foundry扩大了那些技术节点的产能?


下图2是在2021年至2022年期间,全球Foundry厂家扩产的各项技术节点。据预测,2021年5纳米月产能扩大70k,2022年3纳米月产能扩大90k,但以上仅为TSMC一家公司的扩大量,且其主要用途为美国苹果“iPhone”的AP(应用处理器,Application Processor)。

图2:全球Foundry的各技术节点月产能的扩大量。笔者根据Joanne Chiao(TrendFore),“Wafer Shortages Drives the General Growth of Foundry Capacity in 2022”,Memory Trend Summit 2022“的资料制作了此图。(图片出自:eetimes.jp)

用于大部分电子设备的半导体集中在28纳米的理由


28纳米半导体有以下典型特点:

1.28纳米技术节点为采用平面型(Planer)晶体管的最后一代。

2.不使用Self-Aligned Double Patterning(SADP,自对准双模式,从FinFET开始运用SADP)。

3.原本采用IDM(Integrated Device Manufacturer)模式的瑞萨电子等企业从28纳米代际开始交给Foundry代工。

从28/22纳米到16/14纳米,虽然性能得以提高,成本也上升了,存在着这一不可调和的矛盾。就苹果的iPhone、High Performance Computing(高性能计算)方向而言,即使成本稍微上升,也会采用FinFET(采用了SADP),但是,汽车等其他大部分电子设备并不需要如此高的性能。28纳米技术节点的性能已经足够,甚至很多厂家更希望采用在成本上具有优势的28纳米。因此,就出现了下图3的结果,大部分电子设备采用的半导体都集中在了28纳米上。

图3:半导体的技术节点和晶体管的结构(用于大部分电子设备的半导体都集中在28纳米节点)。笔者根据Joanne Chiao( TrendFore),“Wafer Shortages Drives the General Growth of Foundry Capacity in 2022”,Memory Trend Summit 2022“制作了此图。(图片出自:eetimes.jp)

  • 用于笔记本电脑Wi-Fi系统的LSI(System on Chip、SoC)、TCON(Timing Controller,时序控制器)。

  • 平板电脑的SoC和NAND控制器。

  • 电视机的SoC、TCON、起连接作用的半导体(Connnectivity)。

  • 用于路由器Wi-Fi的的SoC.

  • 用于智能手机的SoC(入门级)、通信半导体(RF,Radio Frequency,射频),显示屏驱动IC(Display Drive IC,DDI),CMOS图像传感器(CMOS Image Sensor,CIS)的逻辑半导体、用于人脸识别等的图像信号处理器(Image Signal Processor,ISP)、NAND控制器。

  • 用于汽车的MCU(Micro Controller Unit,一般称为微控制器单元)。

  • 游戏机的SoC、MCU、NAND控制器。

  • 可穿戴设备的MCU、用于无线耳机的True Wireless Stereo(TWS,真无线立体声)、ASIC(用于特定方向的逻辑半导体)、FPGA(Field Programmable Gate Array,现场可编程逻辑门阵列)、用于连接的半导体(Connectivity)。


28纳米(包括改良品22纳米)半导体的用途不胜枚举。以上这些28纳米半导体的需求因新冠疫情而迅速扩大。而且,以上这些28纳米半导体几乎都由Foundry代工生产。

各家Foundry的销售额占比


下面我们来看看各家Foundry的2021年和2022年的销售额预测占比(下图4)。作为TOP 1的TSMC预计,在2022年市占率将会进一步提升,提升至57%。作为TOP 2的三星电子(17%)、作为TOP3的台湾UMC(7%)的市占率几乎没有变化。TOP 4的GF(Global Foundries,格罗方德半导体)市占率下滑了1%,下滑至5%,作为TOP5的中国大陆的SMIC(5%)的占比也没有变化。

图4:对各家Foundry销售额的预测(2021年和2022年)。笔者根据Joanne Chiao(TrendForce),“Wafer Shortages Drives the General Growth of Foundry Capacity in 2022”,Memory Trend Summit 2022“的资料制作了此图。(图片出自:eetimes.jp)

那么,在以上Foundry厂家中,哪家可以生产28纳米呢?TSMC于2011年开始量产28纳米(下图5)。次年(2012年),三星电子和UMC开始量产28纳米。GF于2013年、SMIC于2015年,HH Grace(中国华虹宏力)于2018年分别开始量产28纳米。

图5:各家Foundry厂家的技术节点的进步。笔者根据Joanne Chiao(TrendForce),“Wafer Shortages Drives the General Growth of Foundry Capacity in 2022”,Memory Trend Summit 2022“的资料制作了此图。(图片出自:eetimes.jp)

此处我们需要注意的是三星电子的Foundry主要为其自家的“Galaxy”智能手机生产处理器,因此,微缩化不断进步,已经终止生产传统(Legacy)半导体。三星电子现在很有可能已经无法生产28纳米的半导体。

如此一来,能生产出当下供给紧凑的28纳米半导体的厂家仅有以下五家公司:TSMC、UMC、GF、SMIC、HH Grace。但是,如上图4所示,TSMC的销售额占比为一半以上,稳居第一。因此,可以断言,需求在全球范围内暴增的28纳米半导体订单正向TSMC蜂拥而至。

“甜蜜节点”为28纳米


至此,我们了解到,由于新冠疫情的蔓延,“新的生活方式”得以普及,笔记本电脑、游戏机、可穿戴设备等各类电子设备爆发式增长。此外,以上这些电子设备中所使用的半导体的需求也急剧增长。因此,具有成本优势、性能出色、平面型晶体管的最后一代产品一一28纳米开始在全球范围内出现供给不足。

总而言之,28纳米半导体已经成为“甜蜜节点”(麦肯锡提出的16纳米,由于是采用了SADP的FinFET,因此不会成为“甜蜜节点”)。此外,以上大部分的28纳米产品都由TSMC代工生产,TSMC的28纳米产能很可能已经遇到“瓶颈”。

下图6是TSMC的各技术节点的季度销售额。UMC、GF、SMIC等工厂虽然处于满负荷运营,但TSMC 的28纳米产能依旧是全球最大的。因此全球28纳米的订单向TSMC纷至沓来。为了进一步扩大28纳米的产能,只能新建工厂。但是,我们会在下文说明缘何TSMC没有余力去扩产。

图6:TSMC的各技术节点的销售额(一一2021年第三季度)。笔者根绝TSMC的Historical Operating Data制作了此图。(图片出自:eetimes.jp)

TSMC面临的困境


2021年TSMC投资了约300亿美元(约人民币1,950亿元),今年(2022年)1月13日,TSMC 宣布称2022年将投资440 亿美元(约人民币2,860亿元)(下图7)。在2021年,TSMC曾披露称要在三年内投资1,000亿美元(约人民币6,500亿元),目前还有260亿美元(约人民币1,690亿元)。

图7:TSMC的设备投资额推移表(2009年至2022年)。笔者根据TSMC的IR 数据制作了此图。(图片出自:eetimes.jp)

TSMC自2022年下半期开始必须要量产3纳米,2024年又需要量产2纳米。在2024年以后,毫无疑问会再计划量产1.4纳米、1纳米。很明显,2023年的投资额不会止步于260亿美元(约人民币1,690亿元),那么TSMC的巨额投资到底会是多少呢?

从TSMC的员工数来看,2020年新招了8,000名员工,达到5万6,000名左右,2021年预计新招9000名员工,究竟能否完成以上新招呢?要说TSMC缘何进行如此巨额的投资、新招如此多的员工,其原因在于尖端技术的微缩化发展和半导体的量产。

由上文可以看出,TSMC几乎把所有的资源都集中在了最尖端的半导体的量产和研发方面,无论客户订单如何纷至沓来,TSMC都没有余力去新建十年前的传统型28纳米工厂。

远渡重洋、接受日本政府的邀请


由上分析可以看出,对TSMC而言,不仅尖端工艺的订单源源不断,传统的28纳米订单也纷至沓来,可以说陷入了“困境”。

虽然TSMC需要专注于尖端技术节点的发展,但也不可忽视28纳米工艺。理由如下:去年(2021年)1月25日,日本、美国、德国等各国政府经由台湾当局向TSMC提出了增加供给车载半导体的要求,如果放弃28纳米,来自当局的压力可想而知。

然而,日本政府和经济产业省向TSMC发出了建厂的邀请。从TSMC的各地区的销售额占比来看,日本仅占4%一一5%,因此TSMC没有理由为了日本企业而建工厂(下图8)。

图8:TSMC的各地区的销售额占比(%)。笔者根据TSMC的历史公开数据制作了此图。(图片出自:eetimes.jp)

据日本经济产业省透露,就28纳米一一22纳米的、月产能将达到4.5万颗的新工厂而言,已经在索尼熊本工厂旁边准备好了场地、也会准备相应的基础设施、同时补助50%的建设费用和设备费用(4,000亿一一5,000亿日元,约人民币220亿元一275亿元)。而且日本政府的支援会持续数年,此外,索尼和电装都会进行支援。

此外,日本政府、日本经济产业省、其他分析师甚至对TSMC表示感谢:“为了复兴日本半导体,拥有全球最先进技术的TSMC来日建厂”。对TSMC而言,这正是他们所切望的。对于TSMC的领导层而言,这真是求之不得的邀请!

请不要为了盈利企业,而随意浪费纳税人的税金!


TSMC既不是志愿者、也不是慈善单位。是名副其实的以盈利为目的的单位。其业务的所有目的都是为了盈利。TSMC在日本熊本县建设月产能为4.5万颗的工厂,然后大批量生产全球范围内供给不足的28纳米一一22纳米半导体,再销往全球。最终其利润都涌入TSMC“怀中”。

作为个体经营者的笔者,今年依旧没有少纳税,但是笔者不希望政府把税金用给TSMC这样的利益团体。如果TSMC 要在熊本县建厂,可以自行投资;如果索尼、电装愿意协助,也请自便!

对2050年之前的全球半导体市场进行预测~第三回~


如果本篇文章就此结束的话,似乎有点“后劲不足”。因此,笔者想再次对2050年之前的全球半导体市场做出预测(虽然2021年已经做过预测)。

据WSTS(世界半导体贸易统计组织)统计,2022年全球半导体市场规模将超6,000亿美元(约人民币39,000亿元)。笔者看到6,000亿美元这一整数数字,就马上想对2050年之前的市场进行预测。

笔者已经对2050年之前的全球半导体市场预测过两次。第一次预测是在2011年,当时全球半导体市场规模为3,000亿美元(约人民币19,500亿元),当时,笔者计算了在发达国家、发展中国家,每人平均一年消费多少半导体,并使用了2050年的全球预测人口数量(发达国家和发展中国家),最后预测出2050年全球半导体市场规模将会达到7,500亿美元(约人民币48,750亿元)。

笔者把以上预测值发给了半导体行业杂志一一《电子Journal》(已于2015年停刊),但被指责为“全球市场绝对不会发展到那么大”!几乎没有人认可笔者的观点。但是,从2022年的6,000亿美元的预测值来看,无论是笔者的预测值,还是那些批判笔者的人,似乎都低估了全球半导体市场。

笔者的第二次预测是在2021年1月份,当时笔者基于以下因素:半导体出货数量每年增长310亿个、半导体出货数量每十年增长1.3倍、半导体的平均价格为0.46美元(以上出自WSTS),预测到2050年全球半导体市场将会达到1兆123亿美元(约人民币65,800亿元)。于是笔者将文章投稿给了EE Times Japan。但是,EE Times Japan认为“全球市场不会如此增长”!不过,如果2022年的全球规模超过6,000亿美元的话,以上预测值绝对是保守的。

十年两倍的定律


下面笔者做出第三次预测。接下来,我们看看1991年一一2022年期间的全球半导体市场推移表,1991年一一1993年的市场规模仅为600一一700亿美元(约人民币3,900亿元一一4,550亿元),1995年一一2002年增至两倍,为1,500亿美元(约人民币9,750亿元)。在十年后的2010年一一2013年,又增至两倍,为3,000亿美元(约19,500亿元)。在十年后的2022年,应该会增长至两倍,为6,000亿美元。(下图9)

图9:可以看出,全球半导体市场每十年增长两倍。笔者根据WSTS的数据制作了此图。(图片出自:eetimes.jp)

可以说,全球半导体市场“每十年增长两倍”。按照这种趋势,可以很容易地预测出2050年全球半导体市场的规模。下图10即为预测结果。全球半导体市场“每十年增长两倍”,在2050年前后将会达到4兆8,000亿美元(约人民币312,000亿元)。这是2022年(6,000亿美元规模)的8倍。

图9:2050年的全球半导体市场预测(修正版)。笔者根据WSTS的数据制作了此图。(图片出自:eetimes.jp)

诸位读者如何看以上市场预测?如果笔者在去年(2021年)公布此预测结构,可能没有任何人会相信。但是,我们已经步入TSMC一年投资440亿美元的时代,因此以上预测很有可能会成为现实。

此外,即使到了2050年,完全不使用SADP的、仅用平面型晶体管形成集成电路的28纳米制程依旧会是“甜蜜节点”。

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*免责声明:本文由作者原创。文章内容系作者个人观点,半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点,不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持,如果有任何异议,欢迎联系半导体行业观察。


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