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半导体产业的十大关键词:关于硝烟弥漫,刀光剑影中的2020年

2016-10-03 18:11:00 【东智精密】   来源: OFweek电子工程网     阅读

回望逝去的2020年,疫情笼罩下的世界充满了「意外」。这一年里,我们邂逅了许多只黑天鹅,也无数次见证历史。疫情对全球半导体产业影响颇大,从停工停产到复工复产,从芯片需求暴涨到缺货涨价,从「实体清单」卡脖子到「并购潮」……这一年注定会载入史册。站在2021新年之初,让我们一起用10个关键词,来总结下2020年半导体产业都有怎样的「打开方式」?

缺货涨价

「缺货」、「涨价」成为了2020年下半年电子产业人士最为关注的话题之一。由晶圆产能紧张引发的蝴蝶效应,半导体晶圆、材料、芯片、封装、测试各环节均有厂商宣布产品涨价,涨价通知接踵而至。

据业内分析认为,半导体产业链整体涨价源头来自晶圆产业,其中尤以8英寸晶圆为主。当前市面上8英寸晶圆供不应求,需求暴增,主要受年初疫情影响,远程办公、远程教育等生活模式的兴起,促进了移动显示设备的火爆,笔记本、平板电脑所需的8英寸晶圆订单加剧,产能严重不足。而美国政府近来加强对中芯国际出口管制,无疑会让本就紧张的全球晶圆代工产能进一步承压。

半导体材料方面,移动设备的兴起导致面板行业产能需求旺盛,三星、LGD等大厂供不应求,靶材产能也十分紧缺。虽然ITO靶材的物料成本并没有增长,但人工及运营成本都在增加,面板厂追加的订单已经有涨价的趋势;此外PCB线路板的核心材料覆铜板也于近期出现提价趋势,已经是2020年第三次涨价,无外乎两个原因,一是覆铜板主要生产国受疫情影响严重,二是下游需求端暴增带动了覆铜板的涨价;同样,硅料、硅片等材料也呈现持续涨价之势。

芯片方面,恩智浦(NXP)、瑞萨电子(Renesas Electronics),意法半导体等知名企业厂商陆续发布调价函,盛群(合泰)、凌通、松翰、闳康、新唐五大台湾厂亦同步传出调高产品报价的消息,部分品项涨幅超10%,交期甚至拉长至10个月。同样,封测市场也没有「逃脱」涨价狂潮,日月光、颀邦、南茂、华泰、菱生、超丰等封测厂产能满载年底前难以缓解,封装产能吃紧情况至少会延续到明年年中,明年第一季全面涨价5~10%势在必行。

整个行业缺货涨价背后反映的是全球电子产业一体化的现状,「牵一发而动全身」无疑是对当前半导体产业最真实的写照。上游晶圆产能不足问题或将持续到明年年中才有可能得到缓解,其同步影响的材料、封测及终端芯片产品等一时间也绝对不会停下涨价的脚步,目前只剩下终端消费产品所受的影响微乎其微。就目前情况来看,国内在这几年发展正旺,产品与国际一线大厂之间距离也逐渐拉近,进口半导体产品涨价难买情况下,或许可以给国内厂商更多的机会。

并购潮

2020年,全球肆虐的新冠疫情对半导体产业的生产制造造成了一定影响,但是半导体市场的繁荣以及对半导体行业长期前景的看好,仍有大量资本运转于其中。

2020年堪称半导体并购大年,回顾各方并购案例,各家芯片厂商试图以并购这种方式获得更先进的技术,或者是借机掌握更大的市场份额,已经成为非常普遍的现象。

简单回顾下2020年几起知名的并购案,ADI 209.1亿美元收购Maxim,紧追头号霸主TI;英伟达 400亿美元收购ARM,未来或许能有与英特尔「叫板」的实力;AMD 350亿美元收购赛灵思,步步「紧逼」英特尔;SK海力士 90亿美元收购英特尔NAND业务……

不难发现,不管是收购方还是标的方,都是在某一特定领域极为拔尖的企业。众所周知,半导体产业具有极高的国家战略性价值,重要性不言而喻。从技术层面看,摩尔定律发展放缓,各家企业在面临技术压力剧增的同时,将目光投向了并购这种进一步壮大自身实力的方式。借助并购,企业可以轻易踏过半导体产业的高门槛,在新的领域占有一定市场份额。

另外一方面,席卷全球的新冠肺炎疫情对全球经济造成严重影响,但半导体产业却成为疫情之下少数呈现逆势增长的行业,资本方也助推有实力的芯片巨头加快新业务板块扩张的步伐。同时,巨头们也都试图打造多样化的产品组合,瞄准了高性能计算、边缘计算以及数据中心这一行业新增长点。

并购潮同样影响着国内企业,随着2018年中美贸易摩擦加剧,美国对中国实行了日益严苛的技术禁令,使得中国企业难以再到海外市场展开相关产业并购等操作,由此所带来的挑战远大于利好。如果国内半导体企业没有参与权,而海外巨头却能一口一口吞下诸多小而美的半导体企业,然后再通过多元化的产品组合打入中国市场,将对我国的「国产替代」造成更严重的冲击。

2nm

先进的制造工艺可以使CPU与GPU内部集成更多的晶体管,使处理器具有更多的功能以及更高的性能;更先进的制造工艺会减少处理器的散热设计功耗(TDP),从而解决处理器频率提升的障碍;更先进的制造工艺还可以使处理器的核心面积进一步减小,也就是说在相同面积的晶圆上可以制造出更多的CPU与GPU产品,直接降低了CPU与GPU的产品成本,从而最终会降低CPU与GPU的销售价格使广大消费者得利。

广大芯片厂商也深刻认识到这一点,因此大家都在努力冲击着芯片工艺的极限。来到2020年,5nm工艺已经进入量产,最先进的工艺制程研发已经来到2nm节点。目前,台积电在这条道路上展现了自己最为高超的技巧。

半导体产业的十大关键词:关于硝烟弥漫,刀光剑影中的2020年

图片源自OFweek维科网

在3nm工艺节点上,台积电仍旧选用了成熟的鳍式场效应晶体管技术(FinFET),但是来到2nm关口,台积电将会用上环绕栅极晶体管技术(GAA)。原因是因为5nm之后的工艺节点栅线之间间距的减小,再想像以往一样在一个单元内填充多个鳍线已不现实,同时栅线间距的减小还会导致FinFET的静电问题急速加剧并直接制约晶体管性能的提升,此外FinFET的出现虽然突破了平面晶体管的短沟道效应限制让电压得以降低,但是还不够,在理想情况下沟道应该被栅极完全包围。因此,在5nm之后,业界迫切需要一个新的结构来替代鳍式晶体管结构,这就带来了全环绕栅极晶体管,也就是我们所说的GAA。

无疑,2nm已成为目前已知芯片工艺能达到的极限所在,不仅仅是台积电在追赶这项技术。近日,欧盟委员会召开欧盟17国家电信部长视频会议,共同签署了《欧洲处理器和半导体科技计划联合声明》,并宣布将在未来2-3年内投入1450亿欧元(约合人民币1.2万亿元)的资金,以推动欧盟各国联合研究及投资先进处理器以及2nm先进工艺制造上进行追赶。

同样,中国半导体也在加速摆脱对美依赖。中科院已经研发出了新型垂直纳米环栅晶体管,并被视为2nm及以下工艺的主要技术候选。这意味着,等该项技术成熟之后,国产2nm芯片有望成功破冰。因为这一技术可比之前三星所发布的3nm工艺需要采用的GAA环绕栅极晶体管性能更强、功耗更低!但遗憾的是,中科院研发的2nm芯片并不能投入量产,更不能用于手机等智能设备。其原因是我国并没有能够大量生产这种芯片的设备,尤其是光刻机。

政策扶持

作为高端的「皇冠明珠」,国民经济和社会发展的战略基石,的发展一直备受关注。随着新一轮科技革命与产业变革的推进,我国产业发展势头更趋积极,市场规模进一步扩张,产业链企业逐步发展壮大。

国内集成电路产业的发展离不开政策扶持和帮助,不管是从国际竞争的角度考虑,还是为了尽快从疫情中复苏,通过政策手段支撑集成电路产业稳步发展至关重要。

2020年以来,国内多条与集成电路产业相关的政策出台。具体来看,2020年3月,工信部、发改委、财政部、税务总局四部门联合发布通知,为深入推进行政审批制度改革,决定废止《企业认定管理办法》。

废止《集成企业认定管理办法》将为集成电路设计企业带来直接利好,国内集成电路企业股票齐齐飘红,显示出资本市场对于这一决定的热烈欢迎;同期出台的《加强「从0到1」基础研究工作方案》则有望为我国集成电路基础理论研究和核心技术突破带来巨大助力;8月4日,国务院公开发布《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》中,公布了针对集成电路产业和软件产业发展环境的系列优化措施及相应政策,重点包括新出台政策重点包括八大方向,分别为:一、财税政策;二、投融资政策;三、研究开发政策;四、进出口政策;五、人才政策;六、知识产权政策;七、市场应用政策;八、国际合作政策。其中,财税等方面的规定或将为半导体行业带来一些显著的利好,甚至在这个中美贸易战持续、脱钩风险亦不可忽视的大危机背景下,催生出难得的产业大机遇。

在教育方面,2020年,国务院学位委员会会议投票通过集成电路专业将作为一级学科,并将从电子科学与技术一级学科中独立出来的提案。集成电路专业拟设于新设的交叉学科门类下,待国务院批准后,将与交叉学科门类一起公布。这意味着,集成电路将成为未来国内电子专业选择的一大重点方向,对于高校来说,这更加充分的把集成电路方面的人才资源进行了聚合,具有重大意义。

此外,集成电路产业发展对于资金的需求十分惊人。为了满足国内集成电路产业发展的资金需要,国家成立了集成电路产业基金二期,有望带动7000亿元-9000亿元资金投入集成电路产业。在各项政策加速落地、资金保障逐步到位的情况下,我国集成电路产业的发展或将迎来新一轮爆发。

GaN

说起2020年电子产品圈的热词,「氮化镓(GaN)快充」必有一席之地。GaN为什么突然大火,还要归功于小米10发布会上雷军对65W小米GaN充电器的大肆夸赞,新品火起来的同时,还引起投资人对于第三代半导体的广泛关注。

随着产品、电动车、家用电器等产品更新换代,产品的性能也越来越受重视,尤其是在方面。如何提升电源转换能效,提高功率密度水平,延长电池续航时间,成为了新一代电子产品面临的最大挑战。在这样的背景下,一种新型的功率半导体――氮化镓(GaN)的出现,或许会成为未来电子产业的「香饽饽」。

半导体材料发展已经来到了第三代,第三代半导体材料主要以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN)为代表的宽禁带半导体材料。在应用方面,根据第三代半导体的发展情况,其主要应用为半导体照明、电力电子器件、激光器和探测器、以及其他4个领域。而GaN并不存在于自然界,只能在实验室中制成。

与SiC产业链类似,GaN产业链可依次分为GaN衬底→GaN外延→器件设计→器件制造。从国内外GaN产业发展来看,美国、日本成为GaN产业发展的佼佼者,中国企业入局者则为数不多。

快充产品、5G射频、电动汽车、光伏等功率半导体、照明成为了GaN的主要应用领域。相比于Si等材料,GaN更节能、更快,具备更好的恢复特性,但是仍然谈不上彻底取代。由于若干原因,GaN并不常用于晶体管中,因为GaN器件通常是耗尽型器件,当栅极-源极电压为零时它们会产生导通,这是一个问题。

其次,GaN器件极性太大,难以通过高掺杂来获得较好的金属-半导体的欧姆接触,这是GaN器件制造中的一个难题,现在最好的解决办法就是采用异质结,首先让禁带宽度逐渐过渡到较小一些,然后再采用高掺杂来实现欧姆接触,但这种工艺很复杂。

欧美等国家正在持续加大第三代半导体领域研发支持力度,以GaN、SiC为首的第三代半导体材料被广泛应用,是半导体以及下游电力电子、通讯等行业新一轮变革的突破口。近年来,国内第三代半导体产业稳步发展,但在材料指标、器件性能等方面与国外先进水平仍存在一定差距,第三代半导体产业本土化、高端化的需求依然紧迫。

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资料源自OFweek、东吴证券研究所

晶圆代工

自半导体产业诞生以来,就不断分化出越来越庞杂、广大、繁荣的产业生态。

而近年来,这个过程中一个显著的影响就是:晶圆代工厂变得越发重要。

数据也体现了这个细分环节的继续高速成长:据TrendForce旗下半导体研究处报告(以下简称「报告」),2020年疫情导致众多产业受到冲击,然受惠于远距办公与教学的新生活常态,加上5G 智能手机渗透率提升,以及相关基础建设需求强劲的带动,全球半导体产业逆势上扬,预估2020年全球晶圆代工产值年成长将高达23.8%,突破近十年高峰。但即便是如此高的成长,也还是不够填平芯片生产的需求。

报告指出,从接单情况看,半导体代工产能的吃紧预估将至少延续到2021年上半年,10nm以下先进制程工艺方面,台积电与三星现阶段产能都在近乎满载的水准。2021、2022年,将陆续有4 / 3nm制程问世,ASML的EUV设备更成为各家晶圆厂亟欲争夺的稀缺资源。

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内容来自TrendForce相关报告

据TrendForce报告2020年8月的报告预测,当年前三季度晶圆代工领域的前十位营收排名将会如上所示,1、台积电;2、三星;3、格芯;4、联电;5、中芯国际;6、高塔半导体;7、力积电;8、世界先进;9、华虹半导体;10、东部高科。

总体来说,台湾企业明显领先,韩国其次,美国企业凭借深厚其国内深厚的产业积累,依然保有重要行业地位,中国则是这个领域不可小觑的新兴势力。

还有一个值得特别注意的是,随着中美贸易战、科技战的推进,关于晶圆代工产业重要性、技术能力的话题也受到越来越多的讨论。特朗普政府对以华为、中芯国际为代表的中国高科技产业广泛的「实体清单」政策,更是助长了这方面话题的关注度。

量子计算

2019年,Google悬铃木实现量子优越性的消息引发了一轮较为广泛的「量子计算」热议。

进入2020年,在中国,这一消息更是将这一晦涩的概念在广泛的范围内得以传播:中科大潘建伟团队成功构建76个光子的量子计算原型机「九章」,200秒求解数学算法高斯玻色取样,使中国成为全球第二个实现「量子优越性」的国家。

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与《九章》相关的研究成果,在线发表在了国际学术期刊《科学》(Science)网站上,截图自Science网站

当然,在「量子计算」领域做研究的团队、机构远不只这两家,英特尔、IBM、微软等企业,或者日本、欧洲、台湾等地区也都在这个领域里投入可观资源。

然而,现阶段,实现量子计算至少有两个要面对重要问题:1、苛刻条件,2、有限的应用领域。

苛刻条件方面,最典型的就是对走近绝对零度的极低温环境需求,而为了实现、维持这种环境,需要耗费大量资源。

有限的应用领域方面,据维基百科词条给出的概念,量子计算机是一种使用量子逻辑进行通用计算的设备。不同于传统的电子计算机,量子计算用来存储数据的对象是量子比特,它使用量子算法来进行数据操作。量子计算机在舆论中有时被过度渲染成无所不能或速度快数亿倍等,其实这种计算机是否强大极度看问题而定,若该问题已经有提出速算的量子算法只是困于传统计算机无法执行,那量子计算机确实能达到未有的高速,若是没有发明算法的问题则量子计算机表现与传统无异甚至更差。

也是基于这方面的原因,「九章」问世后,这一获得大量盛誉的成就,就引来了大量质疑。

在此,引用台湾的「微系统暨奈米科技协会」的专业解释来说明一下:「九章」所使用到的「玻色子取样机」并不同于量子比特计算机,虽能提供通往高速量子计算的捷径,但该取样机仅执行1种固定任务,它是由分光镜组成的网络,能将抵达平行输入埠的一组光子转换成由平行输出埠离开的第二组光子,玻色子取样便是用来计算光子输入输出组态之间对应的概率。「玻色子取样机」是2011年麻省理工学院的斯科特・阿伦森和亚历克斯・阿基波夫(Alex Arkhipov)所提出的装置,能提供通往高速量子计算的「捷径」。玻色子取样是一种替代方案,并不是通用的量子计算。

毫无疑问,量子计算方面的研究将继续被推动,而同样,关于它的争议与祛魅,也将长期存在下去。

卡脖子

虽然长期以来习惯于喊「独立自主」口号的中国人,一直在盘算着各种中国无法充分自主供应的技术、资源。但大概也是从华为被美国特朗普政府「实体清单」限制开始,这个概念的热度提升变得快了很多。

中美两大经济体之间的技术战、科技战背景下,包括半导体产业在内的大量行业领域被指出存在「卡脖子」问题。

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大飞机,其实也是一个深度依赖外部技术的领域,图片来自OFweek维科网

国内的《科技日报》就总结过「35项卡脖子的关键技术」和「60余项中国尚未掌控的核心技术」。

「35项卡脖子的关键技术」包括:光刻机、芯片、操作系统、航空发动机短舱、触觉传感器、真空蒸镀机、手机射频器件、iCLIP技术、重型燃气轮机、激光雷达、适航标准、高端电容电阻、核心工业软件、ITO耙材、核心算法、航空钢材、铣刀、高端轴承钢、高压柱塞泵、航空设计软件、光刻胶、高压共轨系统、透射式电镜、掘进机主轴承、微球、水下、燃料电池关键材料、高端焊接电源、锂电池隔膜、医学影像设备元器件、超精密抛光工艺、环氧树脂、高强度不锈钢、数据库管理系统、扫描电镜。

「60余项中国尚未掌控的核心技术」包括:半导体加工设备/半导体材、超高精度机床、工业机器人、顶尖精密仪器、工程器械、轴承、炭纤维、光学、发电用燃气机轮、脱销催化装置、垃圾焚烧设备、PP PE大型挤压造粒机、工业水泵、企业级扫描仪、血液诊断设备、全球氧化锌避雷器、光伏逆变器、HFC-23分解回收装置、海外淡化,废水利用、建筑设计、加氢反应器、粉体加工机、核心卷绕设备皮带张紧机、味之素、焦炭生成器、动力总成精密测试设备、特殊类钢材、全成型电脑横机、热转化处理领域、证件制造设备、液压式伺服冲压机、电波暗室、高端光缆、SDN-软件定义网络、物联网安全解决方案、全站仪、化妆品、乐器、电池、海底电缆、超级计算机、cpu/gpu异构式超算系统、光纤传输、量子计算、量子通信、激光光量子计算机的、矢量超级计算机、电脑多头秤、三维图形转换软件、复合材料热压烧结炉、GPS精度、太阳帆飞船、引力波望远镜、X射线自由电子激光(XFEL)研究设备、超冷中子源生成设施、高速离子作为惯性约束核聚变加热介质的愿望变为现实、激光、除甲烷水合物外另一种可燃冰、通讯测量设备、移动设备用锂电池不锈钢外壳、轮转印刷、稀土。

可以看出,无论是「35项卡脖子关键技术」还是「60余项中国尚未掌控的核心技术」,都有大量和半导体产业密切相关。

事实上,半导体产业自诞生以来,之所以能不断分化出如此庞杂、广大而繁荣的产业生态,与全球各国人才、资源、市场的多方面因素都密切相关。如今,中国要以一国之力自力更生,掌控所有这些产业环节而不被境外卡脖子,其难度之大,其实不难想象……

内循环

其实,从本次OFweek维科网盘点的10个关键词就可以看出,中国半导体产业的发展已深深被国际政治大环境――尤其是中美关系――所影响。

如前所述,半导体产业如今已是非常庞杂、广大而繁荣的一个巨大产业,它涉及大量细分而少有从业企业/人员的领域。而每一个细分领域,其所涉及的专业技术,往往都是「外人」所难以充分掌握和取代的。「隔行如隔山」的道理,在这里体现得更加淋漓尽致。

一个典型典型例子就是超纯水,半导体产业的一些生产环节,在生产过程中都需要用到纯度极高的水,作冲洗等用途。而虽然普通纯净水的生产不管是原理还是过程都很容易实现,但极高纯度的水,生产起来就会出现大量非常难以克服的困难。也因此,这个领域也被少数几家外企所把控。

其实很多人都知道,全球化时代,更好地分工合作、将专业的事交给专业的人来做,才是经济效率更高的选择。然而,在如今的全球政治、经济大环境下,中国被迫提出包括「内循环」在内的「国内国际双循环」政策,也是现有环境下,基于一些问题难以解决的基础,不得不采取的应对策略。

对于半导体产业而言,如何解决一些关键领域的「卡脖子」困境,实现独立自主的「内循环」,是国内所有半导体产业从业者和政策制定者需要共同努力解决的难题。

当然,就一些局部产业链来说,对外依赖的程度也可能没有那么严重。

例如在物联网芯片方面,对工艺要求其实并不高,大部分物联网芯片生产所需的工艺技术指标,国内相关企业其实已经可以覆盖了,而相对不那么尖端、关键的技术、材料、零部件供应,除非极端对立情况出现,否则也不会轻易被切断。

光刻机

光刻机应该算是半导体产业最被公众所熟知的生产设备了。

最受关注的光刻机也是技术最先进的EUV光刻机,也就是极紫外光光刻机。现阶段,它被用来生产7nm和5nm制程工艺的芯片。全球EUV光刻机的出货都由荷兰ASML一家企业所掌握,而受限于供应链中的提供、零部件等供应问题,ASML对外销售EUV光刻机的决定也很大程度上受美国政府的管控。

EUV是业界最顶尖的光刻机,自上市销售以来长期供不应求。

2020年10月,ASML发布了其当年第三季度财报。财报显示,其当季合并营收达到了40亿欧元,税后净利为11亿欧元,三季度新增订单达到29亿欧元,环比成长超1.6倍,其中包括四台EUV光刻机新订单。ASML预期2021年EUV产能可提升至45~50台,但即便达到这个水平也还是无法完全满足市场需求。

如今,台积电、三星、SK海力士等半导体大厂都已开始量产EUV工艺产品,可以想见,供应链对于EUV产品的需求只会让它更加短缺。

到目前为止,受《瓦森纳协定》限制,整个中国大陆还没有哪怕一台EUV光刻机,中芯国际2018年向ASML订购的一台也迟迟无法接收到位用于生产。

中国大陆市场对于EUV光刻机的渴望还催生出一些不必要的误会。2020年8月下旬,轰动业界的弘芯半导体爆雷事件,就附带着一个关于EUV光刻机的传言。传言称弘芯半导体拥有全中国大陆唯一一台能生产7nm制程工艺芯片的光刻机(这也被业界自动联想为EUV光刻机),但弘芯半导体因为资金紧张而在尚未开始生产的情况下就将其抵押出去了。这台光刻机后来被证实并非EUV光刻机,而是DUV(深紫外光)光刻机。

半导体产业的十大关键词:关于硝烟弥漫,刀光剑影中的2020年

ASML生产的某一型号DUV光刻机

当然,业界不常讨论的是,非顶尖光刻机受到的限制其实并没有这么高,如中芯国际就有如弘芯半导体抵押出去的那种DUV光刻机用于芯片生产。此外,由上海微电子研发制造的、可用于28nm芯片生产的国产光刻机,据媒体报道称,也将于2021年向国内企业交付。

如果上海微电子的光刻机能如期交付企业用于生产,至少对于国内厂商而言,多了一个难得的基础保障。

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