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半導體產能將占全球24%,本土晶圓制造未來十年競爭力

時間:2022-1-14 12:05:00
摘要: IC Insights的報告預計,2021年晶圓制造市場總銷售額將首次突破1000億美元大關,達到1072億美元,增長23%,并將繼續以年均11.6%的增長速度持續增長,直至2025年,預計總銷售額將達到1512億美元。

作為全球最重要的戰略物資之一,芯片的價值正在日趨緊張的地緣政治環境中,推動半導體產業全球化結構的變化。雖然至少目前,還不太會出現一個“完全自給自足的本地供應鏈”——這意味著至少萬億美元級的增量資金和高昂的芯片價格以及最終電子設備成本的增加——但當涉及到半導體供應鏈的安全時,芯片,尤其是芯片制造業就成為一個主要的焦點。

芯片制造業分為純晶圓代工和IDM兩類,前者因其開放式的商業模式成為半導體供應鏈的主力,與非研究院將就目前全球和中國國內的晶圓代工業現狀,從產能、投資以及發展態勢等幾個方面進行梳理。

市場規模擴張

推動產能和投資增長

近兩年,受網絡和數據中心計算機、5G智能手機和其他如機器人、自動駕駛、AI等高增長應用市場對先進處理器的強勁需求,晶圓制造市場增長強勁。

IC Insights的報告預計,2021年晶圓制造市場總銷售額將首次突破1000億美元大關,達到1072億美元,增長23%,并將繼續以年均11.6%的增長速度持續增長,直至2025年,預計總銷售額將達到1512億美元。

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  全球晶圓制造市場增長情況

  來源:IC Insights

這一趨勢體現出新興應用市場的驅動力,而今年全球的缺芯潮,則進一步刺激了各大晶圓廠的產能擴張。根據SEMI的數據統計,全球半導體制造商在2021年和2022年將新建29座工廠,其中19座在2021年底前開建,2022年再建10座,以滿足市場對芯片的日益增長的需求。

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  全球新廠房建設

  來源:SEMI

如圖所示,從區域分布看,中國大陸和臺灣地區將在新的廠房建設中領先,分別為8座;其次是美洲6座;歐洲/中東3座;日本和韓國各2座。這些新建工廠中,300mm(12英寸)廠占據主力——2021年15座,2022年7座。其余7個工廠包括100mm(4英寸),150mm(6英寸)和200mm(8英寸)。

這29家工廠全部建成投產后,每月可生產多達260萬片晶圓(等效8英寸)。

從類別看,這29座工廠中,有15座是晶圓廠,月產能在3萬~22萬片晶圓之間(等效8英寸);4座是存儲工廠,月產能在10萬~40萬片晶圓(等效8英寸)。

雖然產能總體在擴張,但不同尺寸晶圓產能擴張趨勢不同。就占比而言,12英寸居于首位,而8英寸在2020年僅占4%,今年受缺芯拉動,上升至6%,預計2022年仍將維持這一比例。

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  2018-2022年全球不同尺寸晶圓產能占比

  來源:SEMI

事實上,今年的缺芯——模擬IC、電源管理IC、顯示驅動IC、功率組件MOSFET、MCU及傳感器等——主要都集中在8英寸產能,暴露出產能的不足。由于12英寸晶圓產線的投資回報率更高,因而近幾年各制造工廠對8英寸產能投入一直有限,從目前的統計數據看,這一現況也不會因為本輪缺貨而從根本上改變。根據SIA的預測,從2020年到2024年,全球8英寸晶圓產能的增長僅17%。

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  2020-2024年全球8寸產能僅增長17%

  來源:SIA

針對8英寸晶圓代工產能,DIGITIMES Research統計了全球前十大晶圓代工廠2018年至2021年相關產能增加情況。可以看到,除了力晶因業務轉型(由DRAM制造轉型至晶圓代工)產能增加過兩位數外,其余都十分有限。尤其是排名前兩位的臺積電和聯電,都不超過3%,排名第三的中芯國際,也不過6.1%。前十大晶圓代工廠8英寸晶圓代工產能的年復合增長率平均只有4.2%。

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  8英寸產能增長有限

  來源:DIGITIMES Research

  整理:與非研究院

不同于8英寸晶圓代工產能的低增長,12英寸產能擴張十分積極,預計到2022年,年復合增長率將超過8%。

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  2020-2022年全球12英寸產能增長率

  來源:SEMI

伴隨產能擴張趨勢的,是產能利用率的攀升。從2019年開始,全球8英寸和12英寸晶圓代工廠的產能利用率一路上揚,在2020年后雙雙超過90%。而8英寸之前在2016年觸達滿載后曾一路下滑,到2019年跌至85%左右,此輪重新上揚,主因應該還是缺芯。

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  全球晶圓代工及產能利用率

  來源:Omdia、天風證券研究所

雖然,全球各地區都在擴張產能,但在制程上存在明顯的差異。10nm以下的先進制程集中在中國臺灣和韓國,且二者占據了全球總產能的41.8%,近乎一半,其余產能則幾乎被中國大陸(15.3%)、日本(15.8%)和北美(12.6%)所覆蓋。

中國大陸在180nm~10nm制程區間產能占比較為均衡(20.5%~14.8%),中國臺灣在20nm~10nm區間只占9.9%,韓國產能除10nm制程,在40nm~10nm區間產能占也比較高(27.3%和29.3%),日本則在20nm~10nm區間有較高占比(23.6%)。

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  全球不同制程產能區域分布

  來源:IC Insights

這些制程產能的區域分布,也反映出這些地區半導體產品的側重和不同。雖然,由于芯片短缺,芯片供應商與代工廠簽訂了多年合同,使得代工廠2021年的收入增長了22.6%,達到950億美元,并將在2022年繼續增長11.9%,但之后全球產能利用率將出現下滑。Gartner預測資本支出的增加將導致2024年和2025年全球晶圓產能供過于求,工廠產能利用率將下降到80%以下。

產能的擴張很大一部分來自晶圓廠的擴建,而晶圓廠的建設周期非常長,從開工到量產至少要2年時間。晶圓廠每層面積可達3~4萬平米甚至更多,比6個橄欖球球場的面積還要大,每個工廠投入的金額至少是100~150億美元,而且運營成本也非常高,一年約為10-30億美元,同時,要滿足摩爾定律的需求,一個工廠每年還要進行30~50億美元的固定資產投入。

總而言之,半導體制造,是一個燒錢的行業,產能的擴張意味著巨大的投入。僅上文提及的這29家新建工廠的設備的支出預計在未來幾年就將超過1400億美元。單就廠房建筑開支而言,2021年的19個在建項目的投入是160億美元(同比增長31%),2022年的10個新增項目建筑開支達238億美元,增長達到驚人的45%,創有記錄以來最高。

因此,半導體制造不僅是技術,也是財力的比拼。

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  全球區域各制程可量產晶圓廠數量比較

  來源:與非研究院整理

針對產業投資對應的資本支出,ICInsight統計的數據顯示,全球半導體資本支出在2021年有望飆升34%,這是自2017年增長41%以來的最大增幅。今年的支出是1520億美元,超過了去年創下的1131億美元的歷史最高紀錄。

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  2019年~2021年全球半導體資本支出占比情況

  來源:ICInsight

如圖所示,在2021年的投資中,晶圓代工廠占所有半導體資本支出的35%,居于首位。自2014年以來,晶圓代工廠每年都在半導體資本支出中占最大份額,只有兩個例外:2017年和2018年,當時DRAM和閃存的資本支出激增。隨著應用市場對采用先進工藝技術節點制造的芯片的需求不斷增加,晶圓代工廠的支出已經變得非常必要。

對很多公司來說,這種支出的增長將持續到2022年。例如臺積電2021年的資本支出達到300億美元,比2020年增長74%。而該公司在2021年3月宣布,計劃在未來三年投資1000億美元,在2023年,其資本支出將達到350億美元。

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  臺積電7nm及以下先進制程資本支出

  來源:與非研究院整理

同樣,三星2021年在半導體資本上花費約300億美元。三星集團宣布,計劃在未來三年投資240萬億韓元(合2100億美元),以擴大業務。在2022年,三星的資本支出將達到320億美元。

另一個IDM巨頭英特爾計劃在2022年在資本支出上投入250億~280億美元,而2021年為180億~190億美元。該公司正在大力推動IDM 2.0戰略,目標是重返全球晶圓制造領先地位,該戰略重點包括投入7nm以下先進制程與先進封裝技術布局,重啟晶圓代工業務并成立新的晶圓代工部門。根據支出計劃區間的中點,英特爾資本支出在2021年和2022年將分別增長30%和43%。

高階制程的投資成本越來越大,相應的,產能集中度也越來越高,僅上述三家合計就占半導體行業總資本支出的一半以上。如臺積電未來3年的1000億美元支出,超過80%是投在7nm以下制程。

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  各制程每5萬片晶圓月產能資本支出比較

  來源:與非研究院整理

由于先進制程的投資規模越來越大,事實上,整個代工業的投資回報率在2011年~2018年一直在下降,直到2019年開始,7nm制程產能逐漸拉升,加上本輪缺貨提高了產能利用率,投資回報率才回到上升周期。

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  全球晶圓代工資本支出回報率

  來源:Omdia&天風證券研究所


中國本土產能和投資增勢迅猛

如前文所述,在全球晶圓制造的產能擴張中,中國大陸和臺灣地區將在新的廠房建設中領先(分別為8座),反映出中國本土的產能和投資正在處于高速增長的階段。這和國內整個半導體行業的發展一致——過去5年,受政府政策、中美博弈和資本市場投資者的推動,中國半導體行業的投資增長了250%以上。

從工藝制程的發展看,從國家“十五”到“十三五”期間,國內的半導體制造產業經歷了集成創新期(90nm~65nm)、創新突破期(45nm~32nm)和同步發展期(22nm~16nm),“十四五”期間發展重點則主要是16nm以下工藝與全球先進制程的同步發展。

過去幾年,中國半導體制造業的規模持續增長,由2015年的900.8億元增長到2020年的2560.1億元,幾乎翻了三倍,年復合增長率達到23.2%。SIA預計,到2030年,中國大陸的半導體產能將占全球的24%。

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  中國大陸2030年半導體產能占全球24%

  來源:SIA

從國內幾家頭部代工廠的計劃來看,未來幾年,新增產能將集中在8英寸和12英寸,而2023年起,中芯將進一步增加14/16nm工藝的產能。

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  國內主要代工廠產能計劃

  來源:與非研究院

就產能區域分布看,國內8/12英寸半導體產能(包括存儲IDM)集中在華東和華北,其次是華南。

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  中國國內半導體產能分布

  來源:公開資料

而根據與非研究院的統計數據,目前,國內本土的晶圓代工廠有25家(文末附企業名錄),從數量上看,廣東和上海并列第一,各有5座,其次是江蘇4座,浙江、四川和福建各3座,天津、湖北、北京、安徽和陜西各1座。

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  國內本土晶圓代工廠分布

  來源:與非研究院

如前文所述,國內的先進產能幾乎都在近三年快速擴張,背后同樣是巨額資本的加持。從Gartner統計的2021年全球前20大半導體產能投資規模(包括IDM)排名分析中可以看到,中國國內的三家公司(中芯國際、長江存儲、長鑫)在金額上已經排到6~8位。如果只看純晶圓代工廠,中芯國際排名將前移至第2位。

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  2021年全球前20大半導體產能投資規模

  來源:Garner

隨著新增項目和投資的持續增加,未來幾年,國內代工廠預計仍將有較大的成長。不過中美博弈,也影響了國內自主產能的擴張進度,以中芯國際為例,由于被列入美國黑名單,其2021年的資本支出預計將下降25%,至43億美元。

另外,本輪缺芯主要集中在8英寸產能,但由于投資回報率不高,目前8英寸產線沒有新廠的投資,大多數投資均為擴產,要徹底解決8英寸制程緊缺的問題,仍需要將8英寸的產能轉向12英寸——在相同條件下,后者產能較前者多2倍。例如臺灣力積電就已在使用12英寸晶圓為聯發科生產PMIC電源產品,華虹宏力也在用12英寸晶圓做BCD電源,合肥的晶合和廣州的粵芯等,也都在往12英寸轉移,以生產90nm以下或者55nm以下的產品。

總結

總體來看,中國本土半導體制造已經進入產能擴張周期,未來十年晶圓代工的成長性顯著。與非研究院認為,其中關鍵因素包括三個:政策指引、投資拉動、市場和技術推動。

近幾年,在政策指引和投資拉動下,全國各地的半導體制造產線建設方興未艾,據不完全統計,自2014年以來,新開工建設的半導體制造項目達到20個以上(包括境外企業在境內的項目),全部建成投產后,月產能將達到150~170萬片。

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  中國新增制造項目及投資

  來源:與非研究院整理

由于在近兩年日趨激烈的中美博弈中,半導體制造已成為核心競爭力的戰略支點,因此兩國政府的政策制定者所設計的行動,都包括有針對性的激勵措施,鼓勵國內投資生產,以解決戰略差距,降低全球供應鏈風險。

在去年12月15日的國務院常務會議中,特別提到“要加大對制造業助企紓困和發展的支持力度,扎實推動制造業從中低端向中高端邁進。”并推出了向制造業傾斜的減稅降費政策, 加大研發費用加計扣除、增值稅留抵退稅等政策力度。

從技術推動看,有兩個層面:

阻力

目前國內半導體制造在先進工藝上還相差2-3代水平,而資金門檻、盈利困難、先進設備的引進等都有諸多制約。國內目前14nm的產能基本集中在中芯國際、華力這兩家,且產能相對較小。半導體行業是一個非常市場化的產業,產能、良率、成本都決定了競爭力,這些都是國內半導體制造業面臨的阻力,但也因此將推動國內企業持續投入;

動力

后摩爾定律效應對芯片性能提出了更高的要求,除了材料,創新的制造和封裝工藝都發揮著決定性的作用,因而在給半導體制造帶來挑戰的同時也給相關企業帶來了機遇。例如微縮技術、高密度、高能效、更高的性能等,這些也都給制造提供了多維的創新方向,這其中也必將給后發者提供彎道超車的機會。

  附:國內半導體制造企業名錄(不包括IDM和存儲)

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