2023半導體：未來(lái)十大趨勢預測
發(fā)布人：傳感器技術(shù)
時(shí)間：2023-02-12
來(lái)源：工程師
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本文來(lái)自浙商科技·行業(yè)專(zhuān)題報告“2023年半導體未來(lái)十大趨勢預測”，基于2023年消費芯片的庫存拐點(diǎn)和國產(chǎn)半導體的國產(chǎn)化率拐點(diǎn)行情，提出對2023年半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的十大預測。
預測一：成熟工藝將成為國內晶圓廠(chǎng)擴產(chǎn)主力軍
TrendForce集邦咨詢(xún)顯示，2021年晶圓代工廠(chǎng)中，成熟制程仍占據76%的市場(chǎng)份額。2022年全球晶圓代工廠(chǎng)年增產(chǎn)能約14%，其中十二英寸新增產(chǎn)能當中約有65%為成熟制程（28nm及以上）。以全球視角來(lái)看，成熟工藝仍是主流：
1、全球視角：世界三大晶圓代工巨頭（臺積電、聯(lián)電、格芯），成熟工藝約占總產(chǎn)能的74%。
① 臺積電：成熟工藝約占產(chǎn)能的64%，占銷(xiāo)售額的34%。預計臺積電產(chǎn)能為120萬(wàn)片/月（12英寸），16nm/7nm/5nm的產(chǎn)能約為13.7/17.8/12.0萬(wàn)片，先進(jìn)制程產(chǎn)能約為43.5萬(wàn)片/月，占比36%。到2025年其成熟和專(zhuān)業(yè)節點(diǎn)的產(chǎn)能將擴大50%。
② 聯(lián)電：放棄先進(jìn)制程，專(zhuān)注成熟工藝。聯(lián)電在2018年宣布不再投資12nm以下的先進(jìn)制程，自此專(zhuān)注在成熟工藝擴大市場(chǎng)。目前聯(lián)電產(chǎn)能為40萬(wàn)片/月（12英寸），全部集中在成熟工藝。此外，公司于21年投入約36億美元擴大28nm芯片產(chǎn)能。
③ 格芯：成熟工藝產(chǎn)能約占83%，退出10nm以下先進(jìn)制程。格芯于2018年宣布退出10nm及以下的先進(jìn)制程的研發(fā)，目前擁有的先進(jìn)制程為12nm。預計目前格芯產(chǎn)能約為20萬(wàn)片/月（12英寸），擁有先進(jìn)制程的紐約fab8約占17%。
2、目前國內晶圓廠(chǎng)擴產(chǎn)聚焦在成熟工藝，需求大、供給足、成本性?xún)r(jià)比高。 ① 需求：成熟制程能覆蓋除智能手機以外的絕大多數應用場(chǎng)景，更是電動(dòng)汽車(chē)、智能家電的芯片主力軍。② 供給：在光刻機方面，美國芯片法案對中國芯片制造的重點(diǎn)在剛需高端EUV光刻機的先進(jìn)制程，即14nm及以下的fab、18nm的DRAM、128層的NAND。而目前成熟制程應用的DUV光刻機由日本、歐洲掌握，美國的影響力有限。其他設備方面，北方華創(chuàng )、中微、盛美、拓荊、華海清科、芯源微、萬(wàn)業(yè)、精測等國內半導體設備廠(chǎng)商的產(chǎn)品滿(mǎn)足成熟工藝的標準，產(chǎn)品管線(xiàn)覆蓋除光刻機外的所有領(lǐng)域，產(chǎn)品性能得到持續驗證，半導體設備國產(chǎn)化率不斷提升。③ 成本/工藝：隨著(zhù)先進(jìn)制程不斷演進(jìn)，制造工藝的研發(fā)和生產(chǎn)成本逐代上漲，高漲的技術(shù)難度和成本高筑進(jìn)入壁壘。結論：成熟工藝作為芯片需求的主力節點(diǎn)，并且在CHIPLET異構集成的大潮下，部分先進(jìn)工藝可以用成熟工藝+先進(jìn)封裝來(lái)實(shí)現。另外由于目前國產(chǎn)設備材料的技術(shù)發(fā)展階段的條件約束，且我國的成熟工藝產(chǎn)能仍大面積依靠進(jìn)口，后續國內的擴產(chǎn)主力就是基于國產(chǎn)可控技術(shù)的成熟工藝。預測二：全球半導體產(chǎn)業(yè)政策進(jìn)入密集區中國在全球半導體產(chǎn)業(yè)中仍為“追趕者”姿態(tài)，根據SIA，2021年半導體行業(yè)格局（按產(chǎn)值）為美國（46%）、韓國（21%）、日本（9%）、歐洲（9%）、中國臺灣（8%）、中國大陸（7%）。隨著(zhù)半導體行業(yè)走向成熟以及競爭環(huán)節產(chǎn)生劇變，全球半導體產(chǎn)業(yè)政策也進(jìn)入密集區，政策主要圍繞“強化自身供應鏈”和“加強研發(fā)力度”兩條主線(xiàn)。
預測三：Chiplet將成為跨越制程鴻溝的主線(xiàn)技術(shù)
Chiplet將滿(mǎn)足特定功能的裸芯片通過(guò)Die-to-Die內部互聯(lián)技術(shù)，實(shí)現多個(gè)模塊芯片與底層基礎芯片的系統封裝，實(shí)現一種新形勢的IP復用。Chiplet不僅是延續后摩爾時(shí)代的關(guān)鍵，也是國內布局先進(jìn)制程的解決方案之一，將成為未來(lái)行業(yè)發(fā)展的主線(xiàn)：1、Chiplet是延續后摩爾時(shí)代，解決產(chǎn)業(yè)發(fā)展難題的關(guān)鍵所在
- Chiplet可以大幅提高大型芯片的良率：在高性能計算、AI等方面的巨大運算需求，使得整個(gè)芯片晶體管數量暴漲，芯片的面積也不斷增大，固有不良率帶來(lái)的損失增大。而Chiplet可以切割成獨立小芯片，有效改善良率，降低不良率帶來(lái)的成本增長(cháng)。
- Chiplet可以降低設計的復雜度和設計成本：如果將大規模SoC按不同模塊分解成芯粒，做到類(lèi)似模塊化設計，可以重復利用在不同的芯片產(chǎn)品中。這樣可以大幅降低設計難度和成本，并且有利于后續產(chǎn)品的迭代，加速產(chǎn)品上市周期。
- Chiplet可以降低芯片制造成本：SoC中主要是邏輯計算單元依賴(lài)于先進(jìn)制程提升性能，Chiplet化后可以根據不同的芯粒選擇合適的制程，分開(kāi)制造，再用先進(jìn)封裝進(jìn)行組裝，極大的降低了芯片的制造成本。
- 能用芯片：135-28nm，對應3G手機、家電、消費電子產(chǎn)業(yè)
- 夠用芯片：14-7nm含chiplet，對應4G手機、L2輔助駕駛、普通座艙
- 好用芯片：7-2nm的尖端工藝，對應5G手機、L5無(wú)人駕駛、高級座艙
預測四：FD-SOI將為國內開(kāi)啟先進(jìn)制程大門(mén)提供可能隨著(zhù)5G通信、智能駕駛、人工智能等潮流興起，SOI技術(shù)憑借高性能、低功效的優(yōu)勢，帶動(dòng)SOI硅片需求量大幅增加?；赟OI材料的FD-SOI是先進(jìn)工藝（28nm以下）兩大技術(shù)路線(xiàn)之一，也是國內突破先進(jìn)工藝的方案之一：1、基于SOI的兩大技術(shù)路線(xiàn)：RF-SOI技術(shù)用于5G射頻芯片，FD-SOI開(kāi)啟28nm以下先進(jìn)制程
- RF-SOI（射頻絕緣體上硅）：相較于傳統的GaAs和SOS技術(shù)，不僅成本更低、集成度更高，還發(fā)揮了SOI材料結構的優(yōu)勢，所實(shí)現的器件具有高品質(zhì)、低損耗、低噪聲等射頻性能，主要用于制造智能手機和無(wú)線(xiàn)通信設備上的射頻前端芯片。
- FD-SOI：FinFET和FD-SOI是發(fā)展先進(jìn)工藝（28nm以下）的兩大解決方案。FinFET技術(shù)路線(xiàn)的先進(jìn)工藝帶來(lái)了工藝復雜、工序繁多、良率下降等問(wèn)題，使得在28 nm以下制程的每門(mén)成本不降反升。FD-SOI技術(shù)路線(xiàn)逐漸得到業(yè)界關(guān)注。
- 理論上，利用DUV光刻機制造的FD-SOI產(chǎn)品，可以達到與采用EUV光刻機制造的FinFET產(chǎn)品相當的性能。
預測五：RISC-V將引領(lǐng)國產(chǎn)CPU IP突破指令集封鎖RISC-V開(kāi)放的定位是國產(chǎn)芯片實(shí)現全產(chǎn)業(yè)鏈自主可控的必要基礎，條件約束和技術(shù)優(yōu)勢兩方面因素決定了RISC-V與中國半導體產(chǎn)業(yè)雙向選擇。從技術(shù)架構、軟硬件生態(tài)到量產(chǎn)應用，我國RISC-V產(chǎn)業(yè)正加速邁向成熟。隨著(zhù)2023年正式步入高性能計算場(chǎng)景，基于RISC-V開(kāi)發(fā)的CPU IP將成為2023年國產(chǎn)IP主線(xiàn)。
- RISC-V可以滿(mǎn)足國產(chǎn)CPU架構自主可控需求。不同于x86、ARM等國外商業(yè)公司壟斷的私有指令集架構，RISC-V最大的特點(diǎn)是開(kāi)放標準化，是CPU技術(shù)變革的一次絕佳機遇，能夠很好的調節軟件普適生態(tài)和CPU國產(chǎn)自主可控的雙重需求。RISC-V生態(tài)體系也因此正在全球范圍內快速崛起，成為半導體產(chǎn)業(yè)及物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算等新興應用領(lǐng)域的重要創(chuàng )新焦點(diǎn)。
- RISC-V全球化立場(chǎng)鮮明。2019年，RISC-V基金會(huì )因為擔憂(yōu)美國的貿易法規而搬到了瑞士，并更名為RISC-V International，進(jìn)而該開(kāi)源社區的代碼上傳下載可不受美國出口管制。目前RISC-V基金會(huì )的22個(gè)主要成員中有12個(gè)來(lái)自中國，占比超過(guò)50%。其中包括華為公司、阿里巴巴集團、中科院計算所等知名企事業(yè)單位。
- IP是實(shí)現芯片設計國產(chǎn)化的必經(jīng)之路。IP作為深層關(guān)鍵要素，對于基礎軟件、芯片設計等淺層要素，以及代工制造、封裝測試等中層要素，乃至芯片全產(chǎn)業(yè)鏈都是不可或缺的存在。當前產(chǎn)業(yè)界90%以上的SoC都是采用以IP核為主而進(jìn)行設計的，大量復用IP核代碼和專(zhuān)利等硅知識產(chǎn)權。
- 基于RISC-V的CPU IP將迎來(lái)歷史性發(fā)展機遇。目前我國絕大部分的芯片都建立在國外公司的IP授權或架構授權基礎上。近年來(lái)美國對華科技產(chǎn)業(yè)限制層出不窮，IP和芯片底層架構國產(chǎn)化替代已經(jīng)迫在眉睫，必須實(shí)現深層要素的國產(chǎn)化才能實(shí)現全棧要素創(chuàng )新。RISC-V憑借其開(kāi)放優(yōu)勢有望成為IP獨立自主的關(guān)鍵根技術(shù)。
- 2023年將成為RISC-V的高性能計算元年。截至2022年末，我國大約有50款不同型號的國產(chǎn)RISC-V芯片量產(chǎn)，應用場(chǎng)景集中在MCU、電源管理、無(wú)線(xiàn)連接、存儲控制、物聯(lián)網(wǎng)等中低端場(chǎng)景。而目前已有多家創(chuàng )新企業(yè)計劃在2023年發(fā)布對標64核高性能的服務(wù)器級處理器，應用領(lǐng)域也有望從專(zhuān)業(yè)應用場(chǎng)景逐步拓展到通用計算場(chǎng)景。
預測六：反全球化持續，中國半導體內循環(huán)開(kāi)啟2022年美國通過(guò)《美國芯片與科學(xué)法案》，其中針對半導體行業(yè)，計劃五年內投入527億美元的政府補貼。此外，加入“中國護欄”條款，禁止獲得聯(lián)邦資金的公司在中國大幅增產(chǎn)先進(jìn)制程芯片。這標志著(zhù)半導體行業(yè)將由全球化大分工，轉向反全球化。
預測七：終端廠(chǎng)商及設計公司向產(chǎn)業(yè)鏈前端滲透
半導體產(chǎn)業(yè)鏈三種權利：設計權（決定創(chuàng )新和供給）+代工權（決定安全和產(chǎn)能）+設備權（決定產(chǎn)業(yè)鏈安全和工藝底層突破）。芯片產(chǎn)業(yè)全球化分工使設計與制造環(huán)節分離，存在供應鏈的地理分割，加劇了受外部因素影響而供需失衡的風(fēng)險，因此企業(yè)向產(chǎn)業(yè)鏈前端滲透、實(shí)現自主可控已是大勢所趨。1、對于終端廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)，芯片領(lǐng)域將成為新的主戰場(chǎng)，著(zhù)力于掌握芯片設計權甚至代工權是終端企業(yè)未來(lái)發(fā)展方向。目前部分下游軟硬件公司逐步開(kāi)啟芯片自研模式。①智能手機：小米、OPPO、vivo等芯片研發(fā)主要聚焦于影像、藍牙、電池管理等細分領(lǐng)域；②智能汽車(chē)：以特斯拉為先鋒，傳統車(chē)企以及造車(chē)新勢力如通用、比亞迪、蔚來(lái)等也先后進(jìn)軍芯片自研；③互聯(lián)網(wǎng)：亞馬遜、微軟、谷歌、阿里等通過(guò)推出定制化的自研芯片，驅動(dòng)云計算服務(wù)的創(chuàng )新迭代。參考全球智能手機巨頭的發(fā)展歷程，隨著(zhù)產(chǎn)品同質(zhì)化加劇，芯片區別的重要性日益突顯，成功的頭部手機廠(chǎng)商均擁有較強的芯片設計研發(fā)水平，如蘋(píng)果的A系列芯片、三星的獵戶(hù)座芯片以及華為的麒麟系列芯片，驗證了掌握核心造芯技術(shù)對于終端廠(chǎng)商的重要性。終端廠(chǎng)商自研芯片主要由于外部缺芯壓力和內部自身發(fā)展需要。①把握產(chǎn)能主動(dòng)權：全球芯片短缺使部分下游企業(yè)產(chǎn)能無(wú)法釋放，布局芯片領(lǐng)域將保障供應鏈穩定性。②滿(mǎn)足應用領(lǐng)域功能需求：隨智能化發(fā)展，高通、英特爾等芯片企業(yè)供應的通用芯片難以滿(mǎn)足終端日益提升的性能需求，自研定制芯片將形成軟硬一體化發(fā)展，構建芯片、系統軟件、終端產(chǎn)品的生態(tài)閉環(huán)，搶占智能網(wǎng)聯(lián)高地。③提升話(huà)語(yǔ)權和競爭力：提高對核心技術(shù)的把控能力，使自己擁有產(chǎn)品創(chuàng )新節奏的主導權。2、對于IC設計公司來(lái)說(shuō)，自建晶圓廠(chǎng)、在成熟工藝節點(diǎn)掌握獨立代工權、將芯片設計和生產(chǎn)制造環(huán)節集于一體，將成為趨勢。當前，缺乏代工權已經(jīng)成為制約中國半導體設計公司發(fā)展的關(guān)鍵因素。①產(chǎn)能不足：設計公司晶圓制造是芯片產(chǎn)業(yè)鏈的重要環(huán)節，在當前全球晶圓產(chǎn)能緊缺、終端消費需求復蘇的大背景之下，中國大陸芯片仍有較大供需缺口，晶圓代工廠(chǎng)產(chǎn)能無(wú)法匹配設計公司不斷提升的技術(shù)水平。②利潤承壓：晶圓短缺導致代工廠(chǎng)漲價(jià)，增加IC設計公司成本。
預測八：智能座艙將成為電車(chē)智能化主戰場(chǎng)電車(chē)智能化進(jìn)程可分為智能座艙和智能駕駛兩條線(xiàn)。1、智能座艙：經(jīng)歷三段式發(fā)展，未來(lái)3-5年將成為電車(chē)智能化主戰場(chǎng)。1.0階段（1980s-2011）：以1986年第七代別克Riviera標配9英寸觸摸屏為起點(diǎn)，歷史上第一輛搭載觸屏技術(shù)的汽車(chē)誕生，開(kāi)啟座艙智能化進(jìn)程。2.0階段（2012-2021）：特斯拉Model S創(chuàng )新性地采用大尺寸車(chē)載顯示屏，取消絕大部分機械按鍵，標志著(zhù)智能座艙進(jìn)入電子化時(shí)代。3.0階段（2022-2027）：理想L9開(kāi)創(chuàng )智能化交互模式，采用五塊大屏，即HUD+安全駕駛交互屏+中控屏+副駕屏+后艙娛樂(lè )屏，并且擁有6音區、3D ToF傳感器及21個(gè)揚聲器等，實(shí)現三維交互，此后智能座艙發(fā)展聚焦于人機交互的智能體驗。2、智能駕駛：目前發(fā)展受限，時(shí)機尚未成熟，2025后有望突破約束得以發(fā)展。短期內，智能駕駛無(wú)法成為智能電車(chē)發(fā)展重點(diǎn)的主要原因：①缺少芯片代工：雖然我國有先進(jìn)制程的設計能力和封測能力，但先進(jìn)制程的生產(chǎn)制造水平落后，缺少掌握先進(jìn)工藝的芯片代工廠(chǎng)，高性能芯片供給受約束。②缺少算法算力：盡管以地平線(xiàn)、海思為代表的國產(chǎn)芯片廠(chǎng)商具備大算力優(yōu)勢，但整體來(lái)看，仍難以滿(mǎn)足由傳感器數量提升帶來(lái)的爆發(fā)式增長(cháng)的算力需求。③缺少法律法規：當前我國自動(dòng)駕駛相關(guān)法律法規尚不完善，其商業(yè)化應用將面臨法律挑戰。因此，預計2025年前，智能駕駛方面依然以輔助駕駛為主、智能駕駛創(chuàng )新為輔，長(cháng)遠來(lái)看自動(dòng)駕駛將是電車(chē)智能化的終局。
預測九：芯片去庫存繼續推進(jìn)，周期拐點(diǎn)已至在我們的半導體研究框架中，短期看庫存周期，中期看創(chuàng )新周期，長(cháng)期看國產(chǎn)替代。典型的庫存周期可分為四個(gè)階段：①主動(dòng)去庫存（量?jì)r(jià)齊跌）：晶圓廠(chǎng)產(chǎn)能供過(guò)于求，全行業(yè)芯片庫存達到高點(diǎn)，以手機和家電為代表的下游需求緊縮，于是降價(jià)以去庫存，消費芯片呈現出量?jì)r(jià)齊跌狀態(tài)。②被動(dòng)去庫存（量跌價(jià)平/升）：隨需求復蘇，庫存繼續減少，價(jià)格保持，隨后逐步漲至正常利潤線(xiàn)水平。③主動(dòng)補庫存（量?jì)r(jià)齊升）：需求增加的速度高于供給增長(cháng)，庫存持續下行，庫存去完后供需平衡，廠(chǎng)商擴大供給，進(jìn)入補庫存階段，量?jì)r(jià)齊升，處于盈利最佳狀態(tài)。④被動(dòng)補庫存（量升價(jià)平/跌）：需求相對平穩，而廠(chǎng)商為了應付未來(lái)可能的需求，繼續增加產(chǎn)量，存在供給慣性，導致供給側產(chǎn)能過(guò)剩。
預測十：國產(chǎn)化5.0推進(jìn)，建立中國半導體生態(tài)系統
通過(guò)梳理國內半導體行業(yè)國產(chǎn)替代的發(fā)展脈絡(luò )，可以分為五個(gè)階段，2023年國產(chǎn)化將從4.0向5.0推進(jìn)：1、國產(chǎn)化1.0（芯片設計）：2019年以信創(chuàng )軟件（操作系統）和芯片設計（數字芯片、模擬芯片）幾大類(lèi)為主2019年5月，限制華為終端的上游芯片供應，目的是卡住芯片下游成品，直接刺激了對國產(chǎn)模擬芯片、國產(chǎn)射頻芯片、國產(chǎn)存儲芯片、國產(chǎn)CMOS芯片的傾斜采購，這是第一步。2、國產(chǎn)化2.0 （晶圓制造）：2020年以晶圓代工和周邊產(chǎn)業(yè)鏈，主要以中芯國際、封測鏈、設備鏈為主2020年9月，限制海思設計的上游晶圓代工鏈，目的是卡住芯片中游代工。由于全球晶圓廠(chǎng)都嚴重依賴(lài)美國的半導體設備（PVD、刻蝕機、離子注入機等），海思只能轉移到備胎代工鏈，直接帶動(dòng)了中芯國際等國產(chǎn)晶圓廠(chǎng)和封測廠(chǎng)的加速發(fā)展。3、國產(chǎn)化3.0（設備材料） ：2021年以晶圓廠(chǎng)上游的半導體設備和材料鏈為主，比如前道核心設備和黃光區芯片材料2020年12月，中芯國際進(jìn)入實(shí)體名單，限制的是芯片上游半導體供應鏈，本質(zhì)是卡住芯片上游設備。想要實(shí)現供應鏈安全，必須做到對半導體設備和半導體材料的逐步突破，由于DUV不受美國管轄，此階段的關(guān)鍵是針對刻蝕等美系技術(shù)的替代。
4、國產(chǎn)化4.0（設備零部件、EDA/IP、材料上游） ：2022年以零部件和EDA為主，進(jìn)入到國產(chǎn)鏈條的深水區，最底層的替代2022年8月，美國發(fā)布芯片法案，對國內先進(jìn)制程的發(fā)展進(jìn)行封鎖。想要實(shí)現產(chǎn)業(yè)自主可控，必須進(jìn)入國產(chǎn)鏈條的深水區，實(shí)現從根技術(shù)到葉技術(shù)的全方位覆蓋。因此，底層的半導體設備逐漸實(shí)現1-10的放量，芯片材料逐漸實(shí)現0-1的突破，EDA/IP登陸資本市場(chǎng)，成為全新品類(lèi)，最底層的設備零部件也將迎來(lái)歷史性發(fā)展。5、國產(chǎn)化5.0（中國半導體生態(tài)系統）：2023年以后，將以建立產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節強供需聯(lián)系、打通內循環(huán)為主要替代目標我國半導體產(chǎn)業(yè)全而不強，半導體產(chǎn)業(yè)鏈的幾乎每一個(gè)環(huán)節都有中國企業(yè)，但是整體處于落后位置。由于產(chǎn)業(yè)鏈上下游的中國企業(yè)缺乏深度聯(lián)系，單個(gè)企業(yè)的進(jìn)步很容易受美國制裁影響。因此，培育良好的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，實(shí)現全自主制造，打通內循環(huán)，依托國內的市場(chǎng)優(yōu)勢，實(shí)現半導體產(chǎn)業(yè)鏈的不斷升級，將成為國內半導體行業(yè)國產(chǎn)化5.0的重要目標。來(lái)源：光刻人的世界
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