Semiengineering：全球“芯荒”开始收尾，产能过剩苗头逐渐显现
当前的半导体和 IC 封装短缺浪潮预计将持续到 2022 年，但也有迹象表明供应可能最终会赶上需求。
半导体和封装领域的产能、材料和设备也是如此。在所有细分市场都经历了一段时间的短缺之后，目前的观点是，尽管汽车芯片等一些产品短缺可能会在 2022 年持续，但大部分芯片供应可能会在 2022 年中期恢复相对正常。但这取决于几个经济因素，因此所有这一切都可能在一夜之间改变。
半导体行业经历了一个混乱时期。2020 年初，业务看起来很光明，但在 COVID-19 爆发后市场下跌。整个 2020 年，各国采取了各种措施来缓解疫情，例如居家令和关闭企业。经济动荡很快接踵而至。
到 2020 年年中，由于居家经济推动了对计算机、电视和其他消费电子产品的需求，IC 市场出现反弹。消费类芯片和高级 IC 封装出现短缺。然后，在 2021 年上半年，对汽车、智能手机和其他产品的需求激增，导致这些领域的芯片短缺。今天，许多类型的芯片供应紧张，交货期长，而其他一些芯片更容易得到。这取决于芯片和供应商。
全球芯片制造能力也很紧张，尤其是有更成熟工艺的 8 英寸晶圆厂。一段时间以来，8 英寸晶圆厂产能已经售罄，预计这种情况不会很快改变。而现在，许多代工厂客户正准备迎接新一轮的全面涨价。同时，在封装方面，一些封装类型将继续供不应求，许多领域的产能紧张。高级设备的交货时间很长。
半导体短缺的情况并非全是悲观的。IBS CEO Handel Jones 在一份新报告中表示：“除部分产品外，供需形势预计将主要在 2022 年上半年或 2022 年下半年得到解决。”“许多因素促成了对半导体的强劲需求。然而，由于市场饱和，一些推动过去需求增长的因素正在减弱。由于刺激措施的减少和高通胀的影响，消费者的购买力将减弱。”
供应商方面也有一些不好的迹象。根据 IBS 的说法，产能过剩可能会在 2022 年下半年或 2023 年的某个时候发生，具体取决于不同的产品。
想要解释清楚每个半导体产品或封装的情况是不可能的，每一个产品都有自己的供需背景。但是有几个关键产品可以对这种情况提供一些见解。其中包括应用处理器、MCU、PMIC 和 WiFi 芯片以及各种封装技术。
晶圆厂
多年来，集成电路行业经历了起起落落。当前的复苏是近期记录中最大的复苏之一。根据 IBS 的数据，总体而言，预计 2021 年半导体市场将达到 5425.5 亿美元，比 2020 年增长 21.62%。IBS 预测，该市场预计将在 2022 年增长 7.13%。
据 TEL 称，晶圆制造设备 (WFE) 市场预计 2021 年将增长 40%。TEL 总裁兼 CEO Toshiki Kawai 在一次演讲中表示：“由于对前沿逻辑芯片和存储器的需求急剧上升，预计 WFE 市场将出现显著扩张。”
尽管如此，半导体行业设计和制造了大量不同的芯片，例如模拟芯片、GPU、MCU、内存、微处理器和功率半导体。GPU、处理器和其他高级逻辑芯片在 12 英寸晶圆厂中生产，使用从 16nm/14nm 到 5nm 节点的各种工艺技术。
从 16nm/14nm 到 5nm，芯片制造商依赖于 finFET。“与之前的平面晶体管相比，fin 在三个侧面与栅极接触，可以更好地控制 fin 内形成的通道，”Lam Research 大学项目主管 Nerissa Draeger 说。
12 英寸晶圆厂也生产 65nm 到 28nm 的成熟工艺节点的芯片。同时，其他芯片是在较旧的 8 英寸晶圆厂中使用 350nm 到 90nm 的工艺制造的。许多芯片也在晶圆厂以更小的晶圆尺寸生产，例如 6 英寸、4 英寸等。
目前，8 英寸和 12 英寸晶圆厂的成熟工艺节点即使没有售罄也很紧张。“在过去的几年里，无论是在传统的 CMOS、双极 CMOS DMOS 还是基于 RF-SOI 的工艺平台上，对在 8 英寸和成熟 CMOS 技术节点≥28nm 上制造的各种芯片的需求激增。这些器件包括 MCU、PMIC、数字显示驱动器 IC (DDIC)、RF IC 和制造背照式 CMOS 图像传感器所需的图像信号处理 (ISP) 晶圆。这种需求也受到多个细分市场技术趋势的支撑，”Lam Research 战略营销董事总经理 David Haynes 表示。
“汽车半导体的供应问题有据可查，但与此同时，消费产品、支持 5G 的新设备和显示应用的需求也在增加，”Haynes 说。“由于制造这些芯片的许多 IDM 和代工厂生产的不是一种产品而是多种产品，因此情况进一步复杂化。从历史上看，他们已经能够重新平衡晶圆厂产能以满足对某种产品类型不断增长的需求，但是当对如此多产品的需求同时激增时，很难或不可能以这种方式调整产量。尽管某些设备类型（例如显示驱动器）的全球产能有所增加，但最近的报告表明，整个行业尚未达到供需平衡。”
总而言之，代工产能紧张。联电联席总裁 Jason Wang 表示,“展望第四季度，我们预计晶圆出货量和 ASP 趋势将保持坚挺。8 英寸和 12 英寸设施的产能利用率将继续保持满负荷状态。”
不论是成熟工艺节点还是前沿节点，在可预见的未来，晶圆厂产能预计都将吃紧。这取决于生产流程和供应商。“虽然我们不排除库存调整的可能性，但我们预计台积电的产能在 2021 年和整个 2022 年仍将非常紧张，”台积电 CEO 魏哲家在最近的一次电话会议上称。
Gartner 分析师 Samuel Wang 在总结情况时表示：“代工厂大多被预订了 2022 年上半年的产能，有些与无晶圆厂客户签订了 3-4 年的长期协议。Gartner 的假设是，芯片库存将在 2022 年第二季度达到常态。小型供应商的各种组件短缺可能会持续更长时间。”
应用处理器问题
与此同时，据 IBS 称，无线是半导体领域最大的细分部门，占总业务的 40%。在无线领域，5G 智能手机和相关基础设施是许多芯片的主要驱动力。IBS 表示，总体而言，2021 年 5G 智能手机的出货量预计将达到 5.78 亿部，高于 2020 年的 2.25 亿部。尽管 5G 在许多地区都在增长，但中国的智能手机市场正在放缓。
5G 智能手机由应用处理器、CMOS 图像传感器、内存、PMIC 和 RF 等多种芯片组成。应用处理器是将 CPU、图形和 AI 功能集成在同一芯片上的前沿设备。
▲ 应用处理器的复杂性不断提升 ｜图源：Semiconductor Engineering
苹果新款 iPhone 13 采用了 A15 应用处理器，其基于台积电 5nm 工艺的 150 亿晶体管设计。许多其他手机采用了高通的骁龙 888，这是一种 5nm SoC。
这些芯片由代工厂商生产。如今，台积电和三星是仅有的能够制造 7nm 和 5nm 芯片的代工厂商，并且都在研发 3nm。最近重新进入代工业务的英特尔正在加大 10nm 和 7nm 的生产力度，研发 4nm。
一段时间以来，对基于 5G 的前沿应用处理器和芯片组的需求一直很强劲。但代工厂给这些芯片的产能似乎略有不足。IBS 的 Jones 表示：“晶圆产能短缺可能会持续到 2021 年第四季度或 2022 年第一季度。”
产能短缺会持续多久取决于几个因素。“苹果 A15 和高通骁龙 888 等最新设计的技术是 5nm，并计划在 2022 年迁移到 3nm，”Jones 说。“如果 3nm 的智能手机芯片组在 2022 年下半年推出，那么 5nm 和 7nm 的产能可能会在 2022 年第三季度或 2022 年第四季度出现过剩。”
情况可能会改变。分析师称，定于 2022 年推出的苹果 iPhone 14 本应该使用台积电的 3nm 工艺作为应用处理器。然而，现在 iPhone 14 有望使用 4nm。分析师表示，苹果将于 2023 年推出的 iPhone 15 将采用 3nm 应用处理器。换句话说，台积电 3nm 的收入增长被推迟到 2023 年了。
总而言之，各方的 3nm 生产上量是一个不断变化的目标。“有迹象表明，台积电和三星都在推迟增加 3nm 晶圆的产量，”Jones 说。
对于苹果和其他智能手机供应商来说，这并不是唯一的问题。在最近一个财季，由于芯片和制造产能短缺，苹果的销售额出现了 60 亿美元的缺口。问题不是出在无法获取前沿节点，而是成熟工艺芯片短缺。
据 KeyBanc 称，苹果的销售受到多个领域短缺的影响，包括 OLED 触摸屏控制器。用于控制显示器的触摸屏控制器采用的是成熟工艺制造。
其他成熟节点的芯片也供不应求，包括 Wi-Fi 6 芯片。Wi-Fi 和部分射频芯片的生产工艺为 28nm、22nm 和 16nm。据 IBS 称，Wi-Fi 和其他射频芯片的短缺可能会持续到 2022 年第二季度，甚至可能是 2022 年第三季度。
智能手机和其他产品的 PMIC 也一直供不应求。PMIC 用于控制电力的流动和方向，采用 180 nm 到 40nm 的工艺制造。据 IBS 称，预计 PMIC 的短缺将持续到 2022 年第二季度或 2022 年第三季度。
