Semiengineering：全球“芯荒”開始收尾，產能過剩苗頭逐漸顯現

當前的半導體和 IC 封裝短缺浪潮預計將持續到 2022 年，但也有跡象表明供應可能最終會趕上需求。

半導體和封裝領域的產能、材料和設備也是如此。在所有細分市場都經歷了一段時間的短缺之后，目前的觀點是，盡管汽車芯片等一些產品短缺可能會在 2022 年持續，但大部分芯片供應可能會在 2022 年中期恢復相對正常。但這取決于幾個經濟因素，因此所有這一切都可能在一夜之間改變。

半導體行業經歷了一個混亂時期。2020 年初，業務看起來很光明，但在 COVID-19 爆發后市場下跌。整個 2020 年，各國采取了各種措施來緩解疫情，例如居家令和關閉企業。經濟動蕩很快接踵而至。

到 2020 年年中，由于居家經濟推動了對計算機、電視和其他消費電子產品的需求，IC 市場出現反彈。消費類芯片和高級 IC 封裝出現短缺。然后，在 2021 年上半年，對汽車、智能手機和其他產品的需求激增，導致這些領域的芯片短缺。今天，許多類型的芯片供應緊張，交貨期長，而其他一些芯片更容易得到。這取決于芯片和供應商。

全球芯片制造能力也很緊張，尤其是有更成熟工藝的 8 英寸晶圓廠。一段時間以來，8 英寸晶圓廠產能已經售罄，預計這種情況不會很快改變。而現在，許多代工廠客戶正準備迎接新一輪的全面漲價。同時，在封裝方面，一些封裝類型將繼續供不應求，許多領域的產能緊張。高級設備的交貨時間很長。

半導體短缺的情況并非全是悲觀的。IBS CEO Handel Jones 在一份新報告中表示：“除部分產品外，供需形勢預計將主要在 2022 年上半年或 2022 年下半年得到解決。”“許多因素促成了對半導體的強勁需求。然而，由于市場飽和，一些推動過去需求增長的因素正在減弱。由于刺激措施的減少和高通脹的影響，消費者的購買力將減弱。”

供應商方面也有一些不好的跡象。根據 IBS 的說法，產能過剩可能會在 2022 年下半年或 2023 年的某個時候發生，具體取決于不同的產品。

想要解釋清楚每個半導體產品或封裝的情況是不可能的，每一個產品都有自己的供需背景。但是有幾個關鍵產品可以對這種情況提供一些見解。其中包括應用處理器、MCU、PMIC 和 WiFi 芯片以及各種封裝技術。

晶圓廠

多年來，集成電路行業經歷了起起落落。當前的復蘇是近期記錄中最大的復蘇之一。根據 IBS 的數據，總體而言，預計 2021 年半導體市場將達到 5425.5 億美元，比 2020 年增長 21.62%。IBS 預測，該市場預計將在 2022 年增長 7.13%。

據 TEL 稱，晶圓制造設備 (WFE) 市場預計 2021 年將增長 40%。TEL 總裁兼 CEO Toshiki Kawai 在一次演講中表示：“由于對前沿邏輯芯片和存儲器的需求急劇上升，預計 WFE 市場將出現顯著擴張。”

盡管如此，半導體行業設計和制造了大量不同的芯片，例如模擬芯片、GPU、MCU、內存、微處理器和功率半導體。GPU、處理器和其他高級邏輯芯片在 12 英寸晶圓廠中生產，使用從 16nm/14nm 到 5nm 節點的各種工藝技術。

從 16nm/14nm 到 5nm，芯片制造商依賴于 finFET。“與之前的平面晶體管相比，fin 在三個側面與柵極接觸，可以更好地控制 fin 內形成的通道，”Lam Research 大學項目主管 Nerissa Draeger 說。

12 英寸晶圓廠也生產 65nm 到 28nm 的成熟工藝節點的芯片。同時，其他芯片是在較舊的 8 英寸晶圓廠中使用 350nm 到 90nm 的工藝制造的。許多芯片也在晶圓廠以更小的晶圓尺寸生產，例如 6 英寸、4 英寸等。

目前，8 英寸和 12 英寸晶圓廠的成熟工藝節點即使沒有售罄也很緊張。“在過去的幾年里，無論是在傳統的 CMOS、雙極 CMOS DMOS 還是基于 RF-SOI 的工藝平臺上，對在 8 英寸和成熟 CMOS 技術節點≥28nm 上制造的各種芯片的需求激增。這些器件包括 MCU、PMIC、數字顯示驅動器 IC (DDIC)、RF IC 和制造背照式 CMOS 圖像傳感器所需的圖像信號處理 (ISP) 晶圓。這種需求也受到多個細分市場技術趨勢的支撐，”Lam Research 戰略營銷董事總經理 David Haynes 表示。

“汽車半導體的供應問題有據可查，但與此同時，消費產品、支持 5G 的新設備和顯示應用的需求也在增加，”Haynes 說。“由于制造這些芯片的許多 IDM 和代工廠生產的不是一種產品而是多種產品，因此情況進一步復雜化。從歷史上看，他們已經能夠重新平衡晶圓廠產能以滿足對某種產品類型不斷增長的需求，但是當對如此多產品的需求同時激增時，很難或不可能以這種方式調整產量。盡管某些設備類型（例如顯示驅動器）的全球產能有所增加，但最近的報告表明，整個行業尚未達到供需平衡。”

總而言之，代工產能緊張。聯電聯席總裁 Jason Wang 表示,“展望第四季度，我們預計晶圓出貨量和 ASP 趨勢將保持堅挺。8 英寸和 12 英寸設施的產能利用率將繼續保持滿負荷狀態。”

不論是成熟工藝節點還是前沿節點，在可預見的未來，晶圓廠產能預計都將吃緊。這取決于生產流程和供應商。“雖然我們不排除庫存調整的可能性，但我們預計臺積電的產能在 2021 年和整個 2022 年仍將非常緊張，”臺積電 CEO 魏哲家在最近的一次電話會議上稱。

Gartner 分析師 Samuel Wang 在總結情況時表示：“代工廠大多被預訂了 2022 年上半年的產能，有些與無晶圓廠客戶簽訂了 3-4 年的長期協議。Gartner 的假設是，芯片庫存將在 2022 年第二季度達到常態。小型供應商的各種組件短缺可能會持續更長時間。”

應用處理器問題

與此同時，據 IBS 稱，無線是半導體領域最大的細分部門，占總業務的 40%。在無線領域，5G 智能手機和相關基礎設施是許多芯片的主要驅動力。IBS 表示，總體而言，2021 年 5G 智能手機的出貨量預計將達到 5.78 億部，高于 2020 年的 2.25 億部。盡管 5G 在許多地區都在增長，但中國的智能手機市場正在放緩。

5G 智能手機由應用處理器、CMOS 圖像傳感器、內存、PMIC 和 RF 等多種芯片組成。應用處理器是將 CPU、圖形和 AI 功能集成在同一芯片上的前沿設備。

▲ 應用處理器的復雜性不斷提升 ｜圖源：Semiconductor Engineering

蘋果新款 iPhone 13 采用了 A15 應用處理器，其基于臺積電 5nm 工藝的 150 億晶體管設計。許多其他手機采用了高通的驍龍 888，這是一種 5nm SoC。

這些芯片由代工廠商生產。如今，臺積電和三星是僅有的能夠制造 7nm 和 5nm 芯片的代工廠商，并且都在研發 3nm。最近重新進入代工業務的英特爾正在加大 10nm 和 7nm 的生產力度，研發 4nm。

一段時間以來，對基于 5G 的前沿應用處理器和芯片組的需求一直很強勁。但代工廠給這些芯片的產能似乎略有不足。IBS 的 Jones 表示：“晶圓產能短缺可能會持續到 2021 年第四季度或 2022 年第一季度。”

產能短缺會持續多久取決于幾個因素。“蘋果 A15 和高通驍龍 888 等最新設計的技術是 5nm，并計劃在 2022 年遷移到 3nm，”Jones 說。“如果 3nm 的智能手機芯片組在 2022 年下半年推出，那么 5nm 和 7nm 的產能可能會在 2022 年第三季度或 2022 年第四季度出現過剩。”

情況可能會改變。分析師稱，定于 2022 年推出的蘋果 iPhone 14 本應該使用臺積電的 3nm 工藝作為應用處理器。然而，現在 iPhone 14 有望使用 4nm。分析師表示，蘋果將于 2023 年推出的 iPhone 15 將采用 3nm 應用處理器。換句話說，臺積電 3nm 的收入增長被推遲到 2023 年了。

總而言之，各方的 3nm 生產上量是一個不斷變化的目標。“有跡象表明，臺積電和三星都在推遲增加 3nm 晶圓的產量，”Jones 說。

對于蘋果和其他智能手機供應商來說，這并不是唯一的問題。在最近一個財季，由于芯片和制造產能短缺，蘋果的銷售額出現了 60 億美元的缺口。問題不是出在無法獲取前沿節點，而是成熟工藝芯片短缺。

據 KeyBanc 稱，蘋果的銷售受到多個領域短缺的影響，包括 OLED 觸摸屏控制器。用于控制顯示器的觸摸屏控制器采用的是成熟工藝制造。

其他成熟節點的芯片也供不應求，包括 Wi-Fi 6 芯片。Wi-Fi 和部分射頻芯片的生產工藝為 28nm、22nm 和 16nm。據 IBS 稱，Wi-Fi 和其他射頻芯片的短缺可能會持續到 2022 年第二季度，甚至可能是 2022 年第三季度。

智能手機和其他產品的 PMIC 也一直供不應求。PMIC 用于控制電力的流動和方向，采用 180 nm 到 40nm 的工藝制造。據 IBS 稱，預計 PMIC 的短缺將持續到 2022 年第二季度或 2022 年第三季度。