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盘点半导体行业巨变:不同芯片命运不同,先进工艺或将为摩尔定律“续命”至2040年
2022-11-04 来源:网络整理
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10月28日,英特尔公布的2022年第三季度财报显示,第三季度营收同比下降20%,净利润更是同比下降85%,仅有10.19亿美元。公司两大核心业务均出现下降。

10月初存储芯片巨头美光2022财年公布的第四财季财报也不如意。该财季营业收入同比下降约20%;净利润同比大幅下滑45%。

事实上,此前,如AMD、英伟达等芯片巨头都不约而同下调了业绩预期。尽管这些巨头业务侧重各异,但在多个场合都表示出对芯片市场出现较大范围降温的担忧。

市场研究机构也已发出预警。Semiconductor Intelligence日前预测,2023年全球芯片市场将收缩 6%;Malcolm Penn曾预测来年芯片市场将下滑22%。

市场人士预期行业走势趋软,一是由于全球经济前景不甚乐观。据估计,全球GDP增长每3个百分点的减速就将导致半导体市场增长减16个百分点。二是个人电脑(PC)市场需求出现了明显的疲软。



不过,芯片寒潮并非笼罩全行业,用于汽车的芯片需求尚未减弱,依然对行业景气形成一定支撑。从2020年开始的芯片短缺问题在全球汽车行业尽管有所好转,但没有消退。近日,汽车行业数据预测公司AutoForecast Solutions(AFS)发布的对全球汽车行业的最新数据显示,截至9月25日,受芯片短缺影响,今年全球汽车市场累计减产约337.68万辆。

纵观全球市场,芯片短缺还在持续并且影响着部分车企全球汽车的生产。而业内普遍预计,“缺芯”给汽车行业带来的影响至少会延续到明年年中或年底。


汽车缺芯仍难缓解

“汽车芯片价格每天波动,最后的成交价还是需要依据当天市场情况来报价。”杨俊方告诉记者,目前,整个市场还是延续去年的缺芯状况,汽车产业的芯片需求仍然火爆,价格整体坚挺,暂未受到消费电子领域砍单、降价太大影响。

综合汽车企业、车用芯片供应商及市场研究机构等各方的情况来看,车用芯片的供需矛盾至今确实未得到根本缓解,影响了不少汽车企业的新车研发及产品量产计划。

比如大众汽车集团近日就传出消息,其软件开发部门Cariad受芯片短缺影响开发工作延迟,可能导致大众集团旗下多个汽车品牌全新纯电动车型延迟发布。为应对全球汽车芯片供应链紧张,大众在7月20日宣布将与与意法半导体联合开发芯片。

在6月25日的一场产业论坛上,博世中国总裁陈玉东表示,目前其芯片产品平均只能满足汽车厂商31%的需求,预计下半年供给率可以提升到50%至60%,但缺芯依然会是主题。

“大家一直说,汽车缺芯是因为消费电子芯片紧缺,其实这种说法不太严谨,尤其在上游芯片制造环节中,车用的产线跟消费类的产线重合度不高。如今疫后复苏,新能源车的产业化、智能化依然处于爆发增长期,车用半导体厂商没办法扩增供给。”Omdia半导体首席分析师何晖说。

在何晖看来,车用芯片扩产无法像消费电子芯片那么快,除了英伟达或高通这种与算力有关的厂商,其他车用芯片,主要是与瑞萨、东芝存储、意法半导体、英飞凌、恩智浦这些国外IDM厂商合作,成熟制程工艺的汽车芯片依然短缺。

当然,前述提及的消费电子芯片市场砍单、降价现象,未来对车用芯片市场也并非毫无影响。

集邦咨询一位分析人士告诉《财经国家周刊》记者,过去两年消费电子芯片需求旺盛、供货紧缺情况下,芯片制造商大多通过产品组合调整,将驱动IC、电源管理芯片、CIS等8英寸晶圆制程产品的产能利用率拉至满载水位。

而如今,消费类电子产品需求疲弱、消费类芯片供过于求,车用芯片需求持续火爆、价格向稳,也能促使芯片制造商短期内产能利用率松动,将部分产能转向供应紧缺的车用芯片,一定程度上,有利于缓解当下车用芯片的短缺局面。

不过这位分析人士也认同何晖的观点,他认为,考虑到生产周期等因素,还需要几个季度的时间,车用芯片的紧缺压力才能真正得以缓解。



先进工艺竞争愈发激烈

此前,台积电称,预计3nm制程将于今年下半年开始出货,2023年实现大规模量产,2nm也将在2025年如期量产。现在,台积电将提前启动1.4nm制程工艺的研发。

台积电此举或许与三星、英特尔的竞争有关。此前,三星在“Foundry Forum 2021”上宣布,将于2025年大规模生产2nm制程芯片。随后,三星负责人在董事会报告中提到,三星在3nm的产能上已经得到重大改善,在逻辑面积效率上提高了45%,功耗降低了50%,在性能上提升了35%。英特尔也在此前宣布,将在2024年正式进入埃米时代,并推出第一个埃米时代的产品——Intel 20A。作为先进制程领域的“领头羊”,台积电不得不开启“反攻”模式。可见,尽管在先进制程的赛道中,仅仅剩下了台积电、三星、英特尔三家企业,但依旧火药味十足,竞争相当激烈。

不过,近两年先进制程的“翻车”情况也屡见不鲜。2021年初,三星代工的5nm手机芯片出现了功耗问题,而这一问题,在2022年三星代工的4nm手机芯片中也同样存在。台积电的4nm手机芯片,也同样出现了功耗过高问题。英特尔从10nm制程开始,便频频陷入“难产”的困境。可以看出,随着芯片工艺尺寸进一步微缩,技术挑战也在不断增加。

尽管困难重重,却没有阻碍这三家企业在先进制程领域的竞争。据悉,在日前台积电举办的法说会上,台积电预计2022年的资本支出将达400亿美元至440亿美元,而70%~80%的资本支出将用于先进工艺制程(7nm及以下工艺制程)。2022年,三星不仅计划在半导体方向投入超360亿美元,还宣称将在代工业务层面着力提高先进工艺的良率,力争2022年上半年通过第一代GAA工艺的量产再夺技术领先“宝座”。此外,英特尔在2022年的资本开支或将高达280亿美元,甚至一度传出拟将3nm芯片委托给台积电代工,以提升其在更先进制程方面的竞争力。


VLSI如何看待半导体未来变化
半导体微型化将持续到2035年


imec已经在2020年的IEDM中提出了使用EUV的半导体微型化发展蓝图。根据该研究结果,半导体的微型化分为以下4个阶段。

1) 0.33NA EUV 的单曝光→32 至 28nm 间距

2) 0.33NA EUV + 多图案→24 至 20nm 间距

3) 0.55NA(高 NA) EUV 单曝光→18nm 间距

4) 0.55NA (高 NA)EUV+多图案→更精细的间距

在2022年的VLSI研讨会上,ASML表示,在这种情况下,半导体的微型化虽然会放缓,但仍将持续到2035年。

目前最先进的技术节点为N5,最小金属间距为32nm。也许High NA可能出现在2025年的“N2”(最小金属间距24nm)左右。然后,在2035年,技术节点成为“A5”,最小金属间距达到15nm。此外,技术节点的“A”似乎意味着埃格斯特朗(Å)。



摩尔定律将持续到2040年

如果High NA被实用化,半导体的微细化将持续到2035年。说明了利用其微细加工技术,尖端逻辑的晶体管和配线将持续进化。

而在这次VLSI研讨会上,显示摩尔定律将持续到2040年。

最初,随着晶体管变得越来越小,它们的功率密度保持不变,因此功率的使用与面积成比例,这被称为Dennard缩放比例定律。但这一定律在2005年左右被打破,当时由于发热问题,微细化不再能带来更高的速度。

其次,以光刻密度和晶体管密度为纵轴,到2020年左右饱和。此外,如果将晶体管的"Energy Efficiency Performance",即晶体管单位能量的动作速度作为纵轴,则从2015年开始饱和。

最后,如果纵轴取"System Energy Efficiency Performance",即,不是晶体管,也不是像处理器那样的一个芯片,而是一个System中每单位能量的动作速度,则到2040年为止成正比。

可以认为,该系统是指具有多个芯片垂直堆叠的3D集成电路。如果实现High NA,则2D的微细化将持续到2035年,与此同时,叠加各种芯片的3D集成电路将被开发出来,规模化将通过这两条互补的路线进展。

全球半导体产业自2021年的疫情红利之后,开始进入了萧条期。但是半导体技术将继续一刻也不停地进化,摩尔定律延续说不定也能很快实现!



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