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美国将拿下超10%先进工艺份额,中国大陆仅有1%
2023-11-13 来源:国际电子商情
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关键词: 人工智能 半导体 芯片

随着生成式AI在今年年初爆火,到现在各行各业都在聚焦AI应用。众所周知,AI芯片使用先进制程工艺,先进制程的芯片采用12英寸及以上尺寸的晶圆片,可能大家更倾向于认为,市场上先进制程芯片的数量肯定很多,但真实情况却又并非如此。


在近日的“MTS2024存储产业趋势研讨会”上,集邦咨询资深研究副总经理郭祚荣从全球晶圆代工趋势出发,对未来AI的应用做了趋势分析。单从数量上来,AI芯片在先进制程芯片中的占比并不高,但从产值来看,AI芯片的产值非常高。


同时他也指出,在先进制程方面,美日将快速发展。预计到2027年,美国将有超过10%的占比,日本也将达到3%的占比,而中国仅有1%。


全球晶圆代工产业现状及趋势

·2023年全球代工产业营收下滑12.5%


对半导体代工行业而言,2023年是极其严峻的一年。从营收的角度来看,2023年全球半导体代工产业营收下滑12.5%,主要受通货膨胀因素的影响,大家的消费力度不足,对电子产品的需求减弱。


在众多负面因素之下,仍然存在一些亮点:预计到2024年,全球晶圆代工产业将增长6.4%(上图左边红折线)。郭祚荣指出,该预估主要建立在台积电营收的基础上。从台积电的角度来看,目前该公司的订单开始回流,其先进工艺订单在好转。


再看不同区域的晶圆代工大厂2024年的营收预期(右边饼图):来自中国台湾的晶圆代工厂(台积电、世界先进、联华电子等)将占据全球68%的市场份额,其中台积电以一己之力“拿下”全球60%的份额。郭祚荣针对该数据评价道,此后中国台湾晶圆代工市场的占比会逐年减少,因为一些国家/地区在邀请台积电去海外设厂,将在一定程度上降低台湾地区的占比。


台积电在全球晶圆代工行业地位如何?为了能更具体地分析,郭祚荣还列举了一组去掉了台积电营收的对照数据。上图左边的黄色折线图去掉了台积电的营收,在没有台积电的情况下,2023年全球晶圆代工行业YoY%将降低16.6%,预计2024年的增长只有1.1%;在有台积电的情况下,2023年全球晶圆代工行业的营收YoY%只降低12.5%,预计2024年增长6.4%(上图左边红色折线)。


实际上,两组数据的差距主要由最先进制程带来,虽然先进制程芯片数量占比并不高,但是它带来的产值非常大,台积电包揽了大部分先进制程芯片订单,这确立了其在全球晶圆代工领域举足轻重的地位。


郭祚荣认为,在2023-2024年期间,主要有四个因素在影响全球半导体市场。比如,通货膨胀,期间电子产品的需求降低,无形之中给半导体代工带来了压力,内存、闪存都会受到一定程度的影响;AI芯片的崛起,预计到未来的5-10年内,AI应用会渗透到大家的日常生活;出口管制,可能引进产品/设备需要通过审查,但原则上只要引进的产品/设备合规,只要等上2-3个月就能够通过审查;在地化生产,未来十年半导体区域化特征会更加明显,美国、日本、德国等国都在邀请台积电设厂并给予补贴,各国都希望建立半导体代工生态链。


·AI、车用需求维持行业增长

目前,终端需求在缓慢复苏,其中电动汽车(主要是自动驾驶汽车)和AI服务器有较好的增长趋势,两者预计在近两至三年时间内均将有两位数的增长。具体来看,AI服务器预计2023年增长37.7%,2024年将增长38.7%;自动驾驶汽车2023年增长29.5%,2024年将增长27.2%。


而智能手机、笔记本电脑、平板、电视等应用的表现并不好,受新冠疫情过后需求减少,再叠加通货膨胀的因素,这些应用再过去两年出现了负增长。但值得注意的是,到明年全球半导体代工将增长6.4%,以上细分应用的需求也将复苏,预计会有小幅度增长。


·8英寸产能利用率逐步回升


在终端需求逐渐复苏背景下,全球8英寸晶圆产能利用率也在逐步回升。目前,8英寸的占比在半导体代工行业不算太大,但很多关键零部件(比如MOSFET、IGBT等)都使用8英寸晶圆。郭祚荣认为,2023年Q4会是最近12个季度中,8英寸晶圆产能利用率最低的一个季度,台积电的8英寸产能利用率不足60%,而联电、三星的产能利用率甚至不到5成。


在上图可以看到,即使在2023年Q4这样惨淡的行情中,HHGrace(华虹宏力)的8英寸产能利用率也达到近80%。郭祚荣分析称,这也伴随了半导体区域化发展的迹象。之前中国的一些代工厂在国外投片,但现在渐渐把产能转移至国内。不过,他也强调说,上图的折线只显示了8英寸的产能利用率,并未显示具体的产能数据。“一家公司的产能规模也会影响到产能利用率,目前HHGrace的8英寸产能约为10万片/月,而台积电、SMIC(中芯国际)的投片规模大概在20至30万片/月。相比之下,后两者的产能利用率达到高位会更有难度。”


·12英寸产能利用率逐步上行


在12英寸晶圆部分,从今年第四季度来看,产能利用率开始渐渐回暖。因为很多产业需要3nm、5nm、7nm的先进制程芯片,这些芯片主要使用12/16英寸晶圆生产,所以2023年Q4有4家——台积电、安世半导体、中芯国际、联华电子——的产能利用率都维持到近8成。


力积电、三星电子的12英寸,在2023年Q4产能利用率不足7成。其中,三星在全球晶圆代工行业排名第二,它虽具有很好的工艺,但芯片良率不如台积电,导致其产能利用率不高。


再从长远来看,2023年Q4到2024年Q4期间,预估全球12英寸的产能利用率将陆续回暖,比如台积电将提升6%,联华电子提升8%,整个半导体代工都在复苏中。


供给分析与区域竞争

·台积电年资本支出超过300亿美元

在供给分析与区域竞争部分,郭祚荣先分享了全球十大代工厂的资本支出。他指出,资本支出会随行业发展状况的变化而变化,近两年整个行业的发展状况并不好,因此其资本支出也会有下降,无论是8英寸还是12英寸,其产能利用率都没有达到100%,所以也就不需要新增产能。



单从资本支出来看,台积电的资本支出明显高出其他家许多。根据上面的柱状图:台积电2022年的资本支出为362亿美元,2023年的则预计为326亿美元,而观察其他家的年资本支出,除了三星超过100亿美元之外,其余企业均未超过100亿美元。


在此背景下,2023年的年资本支出YoY%预计为-4.3%,到明年该数字将降到-8.4%。郭祚荣也补充表示,资本支出降低也不完全是坏事,“它原则上是产能开不出来,会让价格各更快回稳,产能利用率更快回升。”


·2022-2027年全球晶圆厂产能分布版图

8英寸和12英寸产能的差距到底在哪里?目前,12英寸是整个半导体行业的重中之重, 2022-2027年期间,预计平均复合增长率(CAGR)为7.4%,而同一时间段内的8英寸年复合增长率仅有1.4%。


其主要原因在于,很多半导体设备厂不再生产8英寸设备,目前在市场流通的只是二手8英寸设备,甚至还有一些代工厂为了扩张产能,选择去盖12英寸工厂,但还是采用8英寸技术。



也许大家会觉得,先进制程芯片占整个半导体的比重很高,可能达到4-5成。实际上,2022至2027年期间,先进制程与成熟制程的比例维持在3:7的水平。虽然两者在数量上会一直提升,但是两者的比例不会有太大的变化 (上图左边柱状图所示,深蓝色部分是先进制程,浅蓝色部分是成熟制程)。


再看全球各地区的投片量(右边圆饼图),内圈是2022年的数据统计,外圈是对2027年的预估。可以看出,中国台湾2027年的占比有降低,主要是台积电等代工厂在海外扩产;中国大陆以成熟制程为主,其占比从2022年的24%将拉升到2027年的28%。


·2022-2027年全球先进与成熟工艺版图占比


先进工艺和成熟工艺的差别到底在哪?上图左边的圆饼图代表最先进的制程,中国台湾先进制程的占比在2022年将近80%,预计到2027年会降到60%。出现这种变化的主要原因,并非中国台湾的成熟制程将变多,而是台积电在海外扩产的原因,未来几年台积电海外工厂将陆续达产。


与此同时,美国在先进制程方面“横空出世”,2022年该国在先进制程方面并无太多建树,预计到2027年则会有超过10%的占比,其中大部分占比由台积电贡献。另外,日本也在先进制程方面有突破,到2027年将出现3%的占比。日本是现在的半导体材料大国,在40多年前也曾是半导体制造大国,日本政府希望借由区域竞争重新夺回往日殊荣。


在成熟制程部分,有两个地区有较大的变化——中国台湾的比重会持续降低,从2022年的49%,将降到2027年的42%;中国大陆的比重会从2022年的29%,拉升到2027年的33%。对于半导体代工而言,先进制程与成熟制程都很重要,区别在于不同的应用需要不同工艺的芯片。


·台积电、三星、英特尔先进工艺路线图


在全球主要代工厂的工艺路线图部分,郭祚荣以台积电、三星、Intel三家公司为例。


目前,台积电已经进入3nm工艺。比如,今年苹果的A17芯片,明年Intel部分型号的CPU都采用了台积电3nm技术,预计到2025-2026年会有更多企业采用台积电3nm。与此同时,到2025年台积电将开始做2nm芯片,届时其工艺也逐渐转向GAA制程,2026年之后将推出1.4nm(A14),走向更先进的制程。


三星计划在2024年做3GAP(3nm工艺),到2025年将做SF2,2026年做SF2P,2026年之后做SF1.4。郭祚荣评价说,在先进工艺方面,三星在努力追赶台积电,但无奈目前其客户并不多。工艺的改善、良率的进步,建立在晶圆制造商与客户共同合作的基础上,但三星在先进制程上的订单数量不如台积电,即使原则上其工艺还不错,但在生意层面上与台积电仍有差距。


英特尔的20A/18A采用3nm工艺,20A和18A其实属于同一个工艺和技术。只不过,20A仅供英特尔、IBM自己的CPU使用,等这部分的技术成熟之后,英特尔会开放18A为客户代工,这两者是一样的技术,只是采用不同的命名。


·2027年AI芯片占比8%,但产值非常高


2023年以来,受生成式AI爆红影响,AI服务器也跟着走红。可能会有人认为,现在AI服务器数量占比一定非常高,但今年AI服务器在整个服务器大品类中的数量占比只有9%。即使到了2026年,其占比也只有16%左右。


从晶圆代工角度来看,2022年AI芯片只占先进制程芯片的4%,到2027年该数值将增长到8%。虽然AI芯片的数量占比并不高,但是其产值却非常高——具体来看,8英寸晶圆平均每片硅片的价格大概为300-500元美金;12英寸成熟制程晶圆的价格差距在三千至五六千不等,但在目前AI芯片用得最多的12英寸先进制程晶圆,其每篇硅片的价格在15,000-25,000美金。即使AI芯片的占比并不高,但它使用的硅片单价最高,所以其对半导体的贡献也很大。


·自研AI芯片需求,催生新代工模式

AI会为晶圆代工产业带来哪些机会?从早期单纯的晶圆代工,到后面会往服务方向走。最传统的晶圆代工厂的业务模式是,芯片设计厂(比如英伟达、AMD等)的研发人员在设计好芯片之后,将订单委托给台积电、三星等代工厂,整个过程是把设计变成实体,最终卖给下游的客户。


自研AI芯片已经逐渐成为一种趋势。需要这些芯片的公司(比如云端企业)没有芯片设计公司那样的资源,但它又想自研AI芯片,此时它的选择有两种,第一种是内部建立研发团队,第二种是与芯片公司合作。


例如,美国的谷歌、亚马逊、Meta、微软,中国的百度、阿里巴巴、腾讯、字节跳动,这些企业开始寻求Design Service的服务。它们去找博通、Marvell、联发科等公司合作开发IC,因为这些IC设计公司与代工厂有长期的合作,通过这种渠道可帮助前者取得更好的代工价格。郭祚荣相信,在AI需求爆红的推动下,未来会形成新的商业模式。


其实,AI不仅能带动先进制程获利,也能让成熟制程分到一杯羹。因为AI应用的功耗很大,它需要很多电源管理芯片,在OSAT厂商,比如Amkor、日月光、矽品也都能受益于AI应用。


·全球AI芯片路线图


目前,英伟达、AMD、赛灵思、英特尔等公司都有做AI芯片,比如英伟达A100/H100、L4/L40s,AMD的MI200、MI300等,都采用了先进制程工艺,而台积电几乎包揽了所有的AI芯片订单。


值得注意的是,ASIC芯片虽然需要先进工艺,但是不是最先进的工艺,其工艺主要集中在7-12nm之间,其效能与代工价格可以在某种程度上取得平衡,这也是未来需要关注的部分。



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