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美国的芯片产能“危机”

2020年7月10日 10:00:00

本文来自 微信公众号“半导体行业观察”,作者: 张健keya。

作为全球半导体业的霸主,同时也是古典的IDM龙头,英特尔(INTC.US)最近几年遇到的麻烦和挑战越来越多,而依然能够保持行业第一的位置,还是很见功力的。

在各种挑战中,产能不足无疑是一个非常令其头疼的问题,特别是其最先进的量产制程工艺14nm,饱受产能不足的困扰,不仅给英特尔,还给其主要客户,如戴尔、惠普和联想等带来了不少麻烦,2019年,因为英特尔迟迟不能交货,使得戴尔等PC厂商不得不改变事先制定好的产品上市策略和节奏。这对双方来讲都是件尴尬的事。

14nm产能不足的问题不仅仅出现在2019年,在更早的时间就有苗头,只是问题在2018和2019年较为集中地爆发出来。之所以如此,一方面是因为英特尔对先进制程工艺的要求较为严苛,对“摩尔定律”高度摩拜,几乎是一丝不苟地按照每18~24个月,将CPU的晶体管数量和性能提升一倍的规律进行,在很长一段时期内是不打折扣的,这种策略与晶圆代工厂还是有区别的。毕竟英特尔是传统的IDM模式,芯片的生产制造是一个完全面向内部的闭环系统,不存在各种各样的Fabless客户需求压力,可以按照自己的节奏进行,这样,先进制程的整体节奏就不会那么快。

另外,在坚定不移地遵循“摩尔定律”的情况下,英特尔对先进制程(10nm及7nm)的研发困难程度预估不足,导致10nm制程经过5年多的攻关才进入初步量产阶段。这也是导致其14nm产能不足的一个重要原因,因为该公司在10nm上投入了大量的资源,本来认为会按照事先制定的时间表量产,但事与愿违,量产时间一拖再拖,这肯定会打乱其先进制程发展节奏,从而对14nm的推进产生了影响。因此,2018和2019年不断传出其14nm制程CPU要找外部晶圆代工厂代工生产的消息。

到了2019年11月,媒体终于确认,英特尔将部分CPU的生产订单外包给了三星,这在很大程度上缓解了其14nm产能不足的问题。

实际上,最近这些年,英特尔将其芯片制造外包出去的案例越来越多,主要的承接方自然是台积电(强者更相信强者),例如,英特尔曾将采用16nm制程的Nervana NPP-T神经网络加速器,以及7nm制程的Mobieye汽车芯片和Barefoot网络芯片交由台积电代工。不过,从Nervana前不久黯然退出英特尔产品序列的情况来看,该公司交给台积电生产的芯片在其公司内部的权重不高。

除了CPU,看到英伟达(NVDA.US)和AMD(ADM.US)在GPU市场如鱼得水的表现之后,英特尔也开始了独立显卡的研发工作。2019年就有消息称,英特尔会将其新研制的Xe架构GPU交由台积电生产。而随着台积电5nm制程在全行业内率先实现量产,英特尔对台积电先进制程的生产能力似乎也越来越信服,最近又有消息称,到了2021年,除了新研制的GPU之外,英特尔还打算将其部分CPU交给台积电生产,而且还是先进制程,但具体是7nm,还是5nm,现在还不得而知。而且需要的产能也不少,每月2万片晶圆。

期待制造业回归

无论是历史,还是当下,美国都是全球半导体业的霸主。不过,细分来看,情况就复杂得多,例如,美国的IDM和Fabless企业的行业影响力综合水平很高,不过,其Foundry的综合水平明显弱于亚洲,而从2019全年和2020上半年全球半导体业的细分表现来看,Foundry是最为稳定,且营收表现总体向上,不像IDM和Fabless那样动荡。

另外,从IDM来看,由于是传统产业模式,而且美国又是半导体业的发源地,其技术和产线更新迭代的速度较之Foundry,在节奏上还是慢的,而Foundry应对市场需求变化的能力要好于IDM。在这种情况下,不少IDM,特别是美国企业,近些年越来越多地将芯片外包给Foundry,特别是中国台湾地区的企业。

再有,美国的Fabless企业都非常强悍,如高通、博通、英伟达、AMD、赛灵思,包括苹果自研的手机AP,大都交由亚洲的Foundry,特别是台积电生产。在台积电的营收当中,有约60%来自于美国的Fabless客户,特别是上边提到的那6家大企业。这一方面说明台积电的营收对美国客户的依赖程度很高,另一方面,客观上也体现出美国的芯片生产能力已经是其半导体产业的短板了。如AMD,该公司芯片原本是由格芯代工的,但由于后者于2018年宣布退出10nm及更先进制程的竞争,使得AMD的7nm芯片不得不选择交给台积电代工。此消彼长,不进则退,美国芯片的先进制程工艺制造水平与亚洲的差距似乎在拉大。

这也符合美国整体制造业规模下降,竞争力不足的情势。也正是因为如此,美国政府极力渴求台积电在美国建设先进制程产线。

更多的IDM产能问题

前文提到英特尔因产能不足,不得不将CPU外包生产,这主要涉及逻辑芯片,这在很大程度上是在新老技术和产线交替阶段出现的产能问题。而除了逻辑芯片外,在模拟芯片领域似乎也存在类似的问题。

ROI愈加重要

以模拟芯片龙头德州仪器(TI)为例,该公司的部分技术和产线也处在新老交替阶段,同时也要优化产能和ROI(投资回报率)。

今年2月,在公司电话会议上,德州仪器表示,将在未来几年内关闭其最后两个150mm(6英寸)晶圆厂,同时,在其德克萨斯州Richardson工厂建造下一个300mm(12英寸)晶圆厂。德州仪器投资者关系主管Dave Pahl在电话会议上说:“这将是一项多年计划,预计不迟于2023年至2025年完成。”

Pahl表示,每年在这两个150mm晶圆厂生产约15亿美元的产品,很大一部分将转移到300mm晶圆厂,从而提高生产率和经济效益。

该公司表示,建成后,这座新工厂将能提供具有竞争力的交货时间和成本的产品,因为更大的300mm晶圆生产的模拟芯片数量是150mm晶圆的两倍以上。选择Richardson的原因之一是:与其现有的RFAB十分靠近,有助于运营效率提升。

在关闭落后产能方面,行业内主要的模拟和模数混合芯片IDM厂商都有着普遍的共识,除了TI之外,另一家大厂ADI也计划在2021年关闭位于加利福尼亚州米尔皮塔斯的150mm晶圆厂。

在模拟芯片市场,像TI、ADI这样的厂商,都有着高于行业平均水平的毛利率。以TI为例,在过去10年内,其利润和利润率保持上升态势,并在2018年创造了新高。按照TI的说法,创造高利润率与他们用12英寸晶圆厂生产模拟芯片、降低成本有关。数据显示,TI的模拟芯片在2018年的运营利润率高达46.7%。

近些年,TI一直在稳步提升其300mm晶圆模拟芯片的产量,以削减成本并提高生产效率。TI表示,300mm晶圆厂的产量比竞争对手使用的200mm工艺生产的芯片便宜40%。此外,对于模拟用途,300mm晶圆厂的投资回报率可能更高,因为它可以使用20到30年。

TI将很多逻辑和嵌入式IC生产外包给代工厂,但模拟芯片主要都是在其自家的工厂生产。该公司目前拥有两个300mm晶圆厂,分别名为RFAB和DMO56。截至2017年,其300mm模拟芯片产量占其整体模拟芯片产量的40%,而到了2018年,这一比例提升到了50%左右。考虑到5G,IoT、汽车和云计算等应用的成熟和大规模扩展,会推动相关模拟芯片需求的增长,因此,该公司有充分的理由进行300mm晶圆厂扩展,以保持并进一步提升其高利润率。

然而,这一过程是需要时间的,在新旧技术和产能更替这一段时间内,对其产能会是一个考验,特别是竞争对手虎视眈眈的情况下,要想大幅度提升市场率,已经非常困难(TI目前在全球模拟芯片的市占率达到18%左右,比排名第二的厂商高出一倍),这种情况下,该公司希望进一步提升ROI,以实现其不断前进的目标。

不过,鉴于2019年低迷的半导体市场行情,以及不甚理想的营收状况,TI在Richardson 投资建设300mm晶圆厂计划并不如当初预想的那样顺利,可能要推迟两年才能完成。

总之,无论是英特尔那种因产能不足,将芯片制造外包,还是像TI这种,建造300mm晶圆厂,淘汰落后的150mm晶圆厂,都是在技术和产线迭代更新阶段,不得不面对产能问题。

化合物半导体代工需求旺

在化合物半导体板块,美国也有优势。不过,随着技术的迭代和市场需求的发展,这方面芯片制造外包的需求量也不小。

当下,化合物半导体龙头企业仍以IDM模式为主,如美国的Skyworks、Qorvo、Broadcom/Avago以及Cree。Avago和Skyworks除芯片设计业务外,也有自己的工厂,当自身产能不足时,会将部分订单交给中国台湾代工厂,Avago的代工厂商是稳懋,Skyworks的代工厂商是宏捷科技。

与此同时,化合物半导体产业的代工模式也在不断加强,相对于IDM,代工比例持续提升。2018年,Avago将其位于科罗拉多的工厂出售给了中国台湾的稳懋,Avago以1.85亿美元入股稳懋,成为稳懋第三大股东,未来,Avago的HBT生产线产品将全部由稳懋代工。稳懋的客户还包括Murata、Skyworks、紫光展锐和Anadgics等。

代工业务的发展,在很大程度上是因为GaAs技术和市场已经发展到了非常成熟的阶段,特别是其衬底和器件技术不断实现标准化,产品多样化,相应的设计企业增加,使得代工的业务需求不断增加。

这样,在化合物半导体制造领域,美国对亚洲的依赖程度也在增加。

结语

美国是全球半导体业的霸主,但其芯片制造业危机四伏。在这样的市场状况,以及美国制造业政策的影响下,对于全球的半导体制造业来说,机遇和挑战并存。

(编辑:玉景)

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