根據(jù)世界半導(dǎo)體市場(chǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(WSTS)，自2010年以來(lái)，全球半導(dǎo)體需求一直在3000-3400億美元之間，2017年由于數(shù)據(jù)中心的建設(shè)加速和NAND閃存堆疊技術(shù)的進(jìn)步，迅速增長(zhǎng)至4122億美元，并在2018年持續(xù)高增長(zhǎng)至4688億美元。2018年下半年內(nèi)存供需平衡暫時(shí)緩和，但由于邏輯芯片領(lǐng)域持續(xù)投資，2019年需求與2017年持平。2020年下半年開(kāi)始需求再度激增，達(dá)到4404億美元。WSTS預(yù)計(jì)2021年將達(dá)到5530億美元，從未來(lái)巨大的投資將持續(xù)來(lái)看，樂(lè)觀預(yù)測(cè)2022年將達(dá)到6015億美元。根據(jù)媒體報(bào)道和智庫(kù)報(bào)告中業(yè)內(nèi)人士的觀點(diǎn)，普遍認(rèn)為2030年將達(dá)到1萬(wàn)億美元。
1.摩爾定律和硅周期
在半導(dǎo)體行業(yè)，1965年提出的“摩爾定律”，主張每塊集成電路的搭載元件數(shù)量每年翻一番(1975年修改為“每?jī)赡攴环?，一直延續(xù)至今，主要通過(guò)電路線寬的細(xì)微化實(shí)現(xiàn)集成數(shù)量的增加。集成更多的晶體管一直是推動(dòng)設(shè)備升級(jí)的主要?jiǎng)恿χ?，可提高?jì)算性能、降低功耗和降低成本。到2021年，實(shí)用電路線寬已經(jīng)微縮到5nm，各大晶圓廠都在朝著2025年前后2nm產(chǎn)品量產(chǎn)的方向發(fā)展。比利時(shí)有影響力的研究機(jī)構(gòu)imec預(yù)計(jì)，1nm將在2027年、0.7nm在2029年投入實(shí)際應(yīng)用，業(yè)界也在以0.1nm(=埃)為目標(biāo)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。
2010年代，將垂直溝道夾在柵極(三維)之間的FinFET結(jié)構(gòu)實(shí)際用于先進(jìn)半導(dǎo)體。目前，以在2020年代中期實(shí)現(xiàn)商品化為目標(biāo)，正在開(kāi)發(fā)一種更復(fù)雜的Nanosheet結(jié)構(gòu)，其中溝道的整個(gè)外圍都被柵極包裹著。向垂直堆疊型MOS FET的CFET結(jié)構(gòu)的進(jìn)化也在積極開(kāi)發(fā)進(jìn)行中。
直到現(xiàn)在，半導(dǎo)體行業(yè)的景氣周期一直是基于PC和服務(wù)器需求的基本節(jié)奏，微型化技術(shù)的進(jìn)步和良率的提升都被卷入了大致每四年輪換一次的“硅周期”中。與一般的庫(kù)存周期模型相比，半導(dǎo)體需要更長(zhǎng)的資本投資和生產(chǎn)提前期，庫(kù)存的大幅波動(dòng)往往會(huì)造成供需缺口。
此外，由于固定成本高，通用產(chǎn)品領(lǐng)域的特點(diǎn)是即使出現(xiàn)虧損，只要產(chǎn)生邊際利潤(rùn)，開(kāi)工率也不太可能下降。在技術(shù)創(chuàng)新顯著的半導(dǎo)體領(lǐng)域，現(xiàn)有產(chǎn)品和設(shè)備更新?lián)Q代較快，生產(chǎn)調(diào)整難度大。另一方面，從2017年開(kāi)始，需求的增長(zhǎng)明顯超出了之前的供需周期，導(dǎo)致一些人猜測(cè)已經(jīng)轉(zhuǎn)向了基于前沿需求擴(kuò)張的“超級(jí)周期”(圖1)。
圖1 半導(dǎo)體內(nèi)存景氣循環(huán)
資料來(lái)源：野村證券
2. 半導(dǎo)體需求增加的背景
(1)數(shù)字化進(jìn)程
除了傳統(tǒng)的“數(shù)字化”作為提高運(yùn)營(yíng)效率的手段外，IoT(物聯(lián)網(wǎng))技術(shù)的成熟使得各種企業(yè)活動(dòng)可視化?！皵?shù)字化”的理念已經(jīng)開(kāi)始普及，其主旨在于通過(guò)信息共享和綜合管理、數(shù)據(jù)積累和利用等方式轉(zhuǎn)變商業(yè)模式。在2010年代后半期，數(shù)字化轉(zhuǎn)型成為商業(yè)界的口號(hào)，各種機(jī)器和設(shè)備對(duì)半導(dǎo)體的需求不斷增加。特別是在制造業(yè)，德國(guó)在2010年代上半葉倡導(dǎo)的“工業(yè)4.0”概念對(duì)其他國(guó)家產(chǎn)生了影響，智能工廠的推廣措施成為進(jìn)一步的順風(fēng)車(chē)。
(2)邁向5G通信實(shí)際應(yīng)用和普及
在全球5G通信服務(wù)的實(shí)際應(yīng)用，手機(jī)等設(shè)備兼容現(xiàn)有頻段和毫米波段，與外圍設(shè)備執(zhí)行數(shù)據(jù)通信功能，執(zhí)行圖像和視頻的高級(jí)處理、控制電池等，需要比以往更復(fù)雜的電子電路和更高的功能，引發(fā)對(duì)更小組件的需求。
(3)車(chē)聯(lián)網(wǎng)、駕駛輔助功能的開(kāi)發(fā)、汽車(chē)電動(dòng)化的進(jìn)展
汽車(chē)行業(yè)正處于大變革時(shí)期，新趨勢(shì)被統(tǒng)稱為“CASE”。其中Connected(通信)提供導(dǎo)航和服務(wù)信息獲取、遠(yuǎn)程監(jiān)控等，利用類似于智能手機(jī)的通信功能和觸摸屏終端，通過(guò)各種傳感器掌握車(chē)輛情況和周?chē)h(huán)境，處理器適當(dāng)驅(qū)動(dòng)Autonomous(自動(dòng)駕駛)支持或引領(lǐng)汽車(chē)行業(yè)的Electric(電氣化)，其中功率半導(dǎo)體廣泛用于功率和電壓控制，這些都需要大量的車(chē)載半導(dǎo)體。
(4)數(shù)據(jù)中心的增設(shè)需求
由于視頻分發(fā)服務(wù)的普及和云服務(wù)的發(fā)展等，各種形式的數(shù)據(jù)流量增加，造成對(duì)數(shù)據(jù)服務(wù)器的需求激增。主要汽車(chē)制造商也采取行動(dòng)設(shè)置自己的數(shù)據(jù)中心以增強(qiáng)駕駛支持功能。除了機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)的發(fā)展以及以省電為目的使用人工智能之外，還有一種是將HDD(硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器)替換為SSD(固態(tài)驅(qū)動(dòng)器)以加快讀取速度。
(5)由于新冠疫情而改變工作方式和生活方式
由于新冠疫情從2020年初開(kāi)始在全球蔓延，遠(yuǎn)程辦公成為一種新的工作方式，對(duì)兼容最新標(biāo)準(zhǔn)WiFi-6的商用PC和路由器的需求不斷增加。包括學(xué)校教育在內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)會(huì)議已被廣泛用于面對(duì)面交流的補(bǔ)充，對(duì)耳機(jī)、揚(yáng)聲器、外置攝像頭等的需求迅速增加。此外，游戲設(shè)備、具有電子功能的健康設(shè)備等需求正在拉動(dòng)半導(dǎo)體市場(chǎng)增長(zhǎng)。
(6)非接觸式傳感器和讀取器的普及
隨著電子支付系統(tǒng)的發(fā)展，使用支付應(yīng)用程序和二維碼的智能手機(jī)支付變得流行，閱讀設(shè)備的需求增加。此外，由于新冠病毒的傳播，對(duì)從一定距離測(cè)量體溫的非接觸式傳感器的需求顯著增加，等等。
3. 未來(lái)半導(dǎo)體需求有望擴(kuò)大的領(lǐng)域
(1)AI(人工智能)的發(fā)展和普及
基于大量積累的數(shù)據(jù)彌補(bǔ)人類知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)不足的人工智能，將在B to B和B to C的各種應(yīng)用和場(chǎng)景中得到應(yīng)用，其實(shí)用性將大大提高，使用成本將降低。在2020年代，隨著使用大數(shù)據(jù)的工作獲得動(dòng)力，對(duì)更自然、準(zhǔn)確和高效輸出的追求有望取得巨大進(jìn)展。顯然，這將需要大量更高性能的半導(dǎo)體。
(2)量子計(jì)算機(jī)的實(shí)際應(yīng)用
0和1的“疊加”或“糾纏”等量子力學(xué)的特性進(jìn)行并行計(jì)算，其處理速度比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)快數(shù)千萬(wàn)至1億倍。預(yù)計(jì)將在金融、醫(yī)療、人工智能等各個(gè)領(lǐng)域取得顯著進(jìn)步。量子計(jì)算機(jī)還需要先進(jìn)的邏輯半導(dǎo)體來(lái)進(jìn)行命令和控制。
(3)AR/VR的普及
由于智能眼鏡的進(jìn)步，AR(增強(qiáng)現(xiàn)實(shí))正逐漸被應(yīng)用到遠(yuǎn)程維修、手術(shù)支持、業(yè)務(wù)改進(jìn)等各個(gè)方面。此外，交通和城市設(shè)計(jì)、醫(yī)療康復(fù)和假設(shè)災(zāi)害的疏散演習(xí)等VR(虛擬現(xiàn)實(shí))應(yīng)用程序也在增加。預(yù)計(jì)還將有越來(lái)越多的活動(dòng)朝著在“虛擬空間”中進(jìn)行通信和商業(yè)交易的方向發(fā)展，這些努力將導(dǎo)致對(duì)數(shù)據(jù)中心的需求急劇增加，并促進(jìn)處理性能更好的半導(dǎo)體的發(fā)展。
(4)通信標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步完善
在高速通信標(biāo)準(zhǔn)方面，5G目前正在投入實(shí)際應(yīng)用。6G的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)尚未確定，但相關(guān)企業(yè)提出了在速度、容量、功耗、低時(shí)延等方面大大超越5G的概念，兼容手機(jī)和基站的增加有望刺激對(duì)半導(dǎo)體的需求。
(5)下一代出行系統(tǒng)等對(duì)功率半導(dǎo)體的需求
功率二極管、功率MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)、IGBT(絕緣柵雙極晶體管)等統(tǒng)稱為“功率半導(dǎo)體”。對(duì)低損耗、低發(fā)熱的碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)功率半導(dǎo)體的需求已從目前的主流硅(Si)功率半導(dǎo)體轉(zhuǎn)移到EV等下一代出行設(shè)備和發(fā)電。其他工業(yè)機(jī)械、鐵路等也有望增加。
4. 各國(guó)家和地區(qū)的半導(dǎo)體和數(shù)字產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略
(1)日本
為了讓日本先于世界其他地區(qū)過(guò)渡到5.0社會(huì)，政府認(rèn)識(shí)到有必要準(zhǔn)確把握時(shí)代變化，提高半導(dǎo)體和數(shù)字產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。2021年，“半導(dǎo)體和數(shù)字產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略會(huì)議”啟動(dòng)。會(huì)上，“建立作為國(guó)民企業(yè)的產(chǎn)業(yè)基地”，“建立扎根于日本的企業(yè)運(yùn)營(yíng)商并在全球相互依存關(guān)系中確立地位”，“數(shù)字化和綠色化的同步實(shí)現(xiàn)，以及早期的實(shí)際應(yīng)用”，被設(shè)定為三大目標(biāo)，并提出相關(guān)基本思路作為半導(dǎo)體、數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)字產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略。
(2)韓國(guó)
韓國(guó)政府表示將保持在內(nèi)存領(lǐng)域的實(shí)力，同時(shí)也力爭(zhēng)成為系統(tǒng)LSI開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、制造和代工領(lǐng)域的世界第一，并編制了倡導(dǎo)綜合性半導(dǎo)體強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略：擴(kuò)大研發(fā)和設(shè)施投資稅收抵免;建立低利率資本投資基金;為半導(dǎo)體運(yùn)營(yíng)的電力基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)成本提供50%的支持和10年的供水保障;到2030年構(gòu)建世界最大的半導(dǎo)體供應(yīng)鏈“K-Belt”;支持超過(guò)1.5萬(wàn)億韓元的下一代功率半導(dǎo)體、A半導(dǎo)體等的開(kāi)發(fā);大學(xué)半導(dǎo)體新部門(mén)免除學(xué)費(fèi)等。
(3)中國(guó)
長(zhǎng)期以來(lái)，中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展一直是一個(gè)課題，通過(guò)明確提出完善和提高自給率的要求，將其作為具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的先進(jìn)產(chǎn)業(yè)的國(guó)家目標(biāo)。2020年8月，發(fā)布了《關(guān)于新時(shí)期促進(jìn)集成電路和軟件產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展若干政策的通知》，針對(duì)稅收、投融資、研發(fā)、進(jìn)出口、人力資源等方面，提出多項(xiàng)支持措施，明確了加快集成電路和軟件產(chǎn)業(yè)高水平發(fā)展的政策。此外，在2021年3月全國(guó)人大通過(guò)的“十四五”規(guī)劃中，集成電路已被列為“科技前沿領(lǐng)域的重大課題”之一。具體為：重要材料的研發(fā)作為集成電路設(shè)計(jì)工具、關(guān)鍵設(shè)備和高純靶材;突破先進(jìn)集成電路技術(shù)和絕緣柵雙極型晶體管、微機(jī)電系統(tǒng)等專項(xiàng)技術(shù);先進(jìn)存儲(chǔ)技術(shù)升級(jí);重點(diǎn)發(fā)展碳化硅、氮化鎵等寬帶隙半導(dǎo)體方向。
(4)美國(guó)
2010年代后半期以來(lái)，美國(guó)政府將半導(dǎo)體作為其戰(zhàn)略商品之一，通過(guò)財(cái)政刺激發(fā)展國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)。美國(guó)在設(shè)計(jì)和最終產(chǎn)品領(lǐng)域全球市占率很高，但這兩個(gè)制造領(lǐng)域大部分都外包給了亞洲的代工巨頭。2021年6月，美國(guó)參議院通過(guò)了《美國(guó)創(chuàng)新與競(jìng)爭(zhēng)法》，其中包括促進(jìn)美國(guó)的半導(dǎo)體制造和研發(fā)(預(yù)算：約520億美元)。
(5)歐洲
2021年1月，歐盟宣布聯(lián)合聲明，加強(qiáng)其在電子領(lǐng)域的設(shè)計(jì)和制造能力，最多可投資1450億歐元的政策。隨后，同年3月，公布了“數(shù)字羅盤(pán)2030”，目標(biāo)是到2030年實(shí)現(xiàn)向數(shù)字化轉(zhuǎn)型。提高歐盟地區(qū)下一代半導(dǎo)體生產(chǎn)的全球份額，重點(diǎn)是提高數(shù)字素養(yǎng)和開(kāi)發(fā)先進(jìn)的數(shù)字人力資源，開(kāi)發(fā)安全、高性能和可持續(xù)的數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施，在商業(yè)中利用數(shù)字技術(shù)，以及數(shù)字化公共服務(wù)，將目前約10%的水平提高到20%以上，并將歐盟云服務(wù)的使用率從目前26%的公司增加到 75%。
(6)中國(guó)臺(tái)灣
目前，中國(guó)臺(tái)灣是全球最大的半導(dǎo)體生產(chǎn)集中地。自20世紀(jì)70年代初開(kāi)始系統(tǒng)地推動(dòng)半導(dǎo)體和電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展作為區(qū)域戰(zhàn)略。雖然臺(tái)灣在半導(dǎo)體生產(chǎn)方面處于世界領(lǐng)先地位，但其上游生產(chǎn)設(shè)備和兩種材料嚴(yán)重依賴進(jìn)口，因此上游部分在臺(tái)灣開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)是當(dāng)務(wù)之急，以保持臺(tái)灣在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的長(zhǎng)期競(jìng)爭(zhēng)力。
5. 半導(dǎo)體制造設(shè)備對(duì)機(jī)床的需求
使用機(jī)床加工半導(dǎo)體制造設(shè)備的需求范圍很廣，典型的加工工件有各種腔室、泵、閥門(mén)、法蘭、晶圓轉(zhuǎn)移設(shè)備等。加工材料多為鋁，精度要求一般比較嚴(yán)格。除了要求機(jī)床的高速切削性能外，還要求對(duì)切屑和過(guò)濾器堵塞具有自動(dòng)對(duì)策和維護(hù)性。此外，對(duì)多品種小批量零件加工的需求很高，需要用途廣泛的通用機(jī)床。加工方法的改變不容易被用戶接受，同時(shí)還需要努力降低成本。
氣室和閥門(mén)往往需要高精度加工，預(yù)計(jì)未來(lái)無(wú)論是樣機(jī)還是量產(chǎn)，都將引發(fā)許多業(yè)務(wù)接觸。除了應(yīng)對(duì)更復(fù)雜和更大規(guī)格的需求趨勢(shì)外，制造設(shè)備還需要耐高壓和耐腐蝕。
此外，陽(yáng)極氧化鋁、鉬、鎢、SiC(碳化硅)、氮化鎵、鋁和PZT(鋯鈦酸鉛)等材料的使用量正在增加，同時(shí)也需要設(shè)法提高成品率。與刀具制造商的合作、高剛性加工的設(shè)計(jì)、防止切屑引起的灰塵和飛散、伸縮罩的損壞對(duì)策等，也是制造設(shè)備方進(jìn)行資本投資時(shí)需考慮的因素。
新技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用和標(biāo)準(zhǔn)的改變往往是刺激資本投資的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，機(jī)床制造商需要密切關(guān)注這些趨勢(shì)。例如，目前直徑300mm的硅片越來(lái)越普遍，但普遍認(rèn)為可以生產(chǎn)更多芯片的450mm晶圓，由于成品率不高，從收益率和盈利能力的觀點(diǎn)看，暫時(shí)不會(huì)向前推進(jìn)。但是，如果滿足設(shè)備制造商之間的同步發(fā)展和制造設(shè)備投資的時(shí)機(jī)，則隨著搬運(yùn)臂和各工序處理尺寸的資本投資增加，機(jī)床的需求有可能大幅增加。此外，出于電路線寬小型化等目的，使用極紫外線(EUVL)的曝光設(shè)備和檢查設(shè)備正處于普及初期。在這里，判斷盈利能力也是全面普及的關(guān)鍵，為了贏得訂單，要不斷關(guān)注關(guān)鍵技術(shù)的盈利前景。
(來(lái)源：中國(guó)機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì)cmtba)
