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      2023半導體技術十大趨勢預測

      日期:1970-01-01 訪問量:1864 類型:

      本文來自浙商科·行業專題報告2023年半導體未來十大趨勢預測”,基于2023年消費芯片的庫存拐點和國產半導體的國產化率拐點行情,提出對2023年半導發展的十大預測。

      預測一:成熟工藝將成為國內晶圓廠擴產主力軍

      TrendForce集邦咨詢顯示,2021年晶圓代工廠中,成熟制程仍占據76%的市場份額。2022年全球晶圓代工廠年增產能約14%其中十二英寸新增產能當中約有65%為成熟制程(28nm及以上)。以全球視角來看,成熟工藝仍是主流:

      1、全球視角:世界三大晶圓代工巨頭(臺積電、聯電、格芯),成熟工藝約占總產能的74%

      ① 臺積電:成熟工藝約占產能的64%,占銷售額的34%預計臺積電產能為120萬片/月(12英寸),16nm/7nm/5nm的產能約為13.7/17.8/12.0萬片,先進制程產能約為43.5萬片/月,占比36%。到2025年其成熟和專業節點的產能將擴大50%。

      ② 聯電:放棄先進制程,專注成熟工藝。聯電在2018年宣布不再投資12nm以下的先進制程,自此專注在成熟工藝擴大市場。目前聯電產能為40萬片/月(12英寸),全部集中在成熟工藝。此外,公司于21年投入約36億美元擴大28nm芯片產能。

      ③ 格芯:成熟工藝產能約占83%,退出10nm以下先進制程。格芯于2018年宣布退出10nm及以下的先進制程的研發,目前擁有的先進制程為12nm。預計目前格芯產能約為20萬片/月(12英寸),擁有先進制程的紐約fab8約占17%


      2、目前國內晶圓廠擴產聚焦在成熟工藝,需求大、供給足、成本性價比高。

       ① 需求:成熟制程能覆蓋除智能手機以外的絕大多數應用場景,更是電動汽車、智能家電的芯片主力軍。

      ② 供給:在光刻機方面,美國芯片法案對中國芯片制造的重點在剛需高端EUV光刻機的先進制程,即14nm及以下的fab18nmDRAM128層的NAND。而目前成熟制程應用的DUV光刻機由日本、歐洲掌握,美國的影響力有限。

      其他設備方面,北方華創、中微、盛美、拓荊、華海清科、芯源微、萬業、精測等國內半導體設備廠商的產品滿足成熟工藝的標準,產品管線覆蓋除光刻機外的所有領域,產品性能得到持續驗證,半導體設備國產化率不斷提升。

      ③ 成本/工藝:隨著先進制程不斷演進,制造工藝的研發和生產成本逐代上漲,高漲的技術難度和成本高筑進入壁壘。

      結論:成熟工藝作為芯片需求的主力節點,并且在CHIPLET異構集成的大潮下,部分先進工藝可以用成熟工藝+先進封裝來實現。另外由于目前國產設備材料的技術發展階段的條件約束,且我國的成熟工藝產能仍大面積依靠進口,后續國內的擴產主力就是基于國產可控技術的成熟工藝。

      預測二:全球半導體產業政策進入密集區

      中國在全球半導體產業中仍為“追趕者”姿態,根據SIA2021年半導體行業格局(按產值)為美國(46%)、韓國(21%)、日本(9%)、歐洲(9%)、中國臺灣(8%)、中國大陸(7%)。隨著半導體行業走向成熟以及競爭環節產生劇變,全球半導體產業政策也進入密集區,政策主要圍繞“強化自身供應鏈”和“加強研發力度”兩條主線。


      預測三:Chiplet將成為跨越制程鴻溝的主線技術

      Chiplet將滿足特定功能的裸芯片通過Die-to-Die內部互聯技術,實現多個模塊芯片與底層基礎芯片的系統封裝,實現一種新形勢的IP復用。Chiplet不僅是延續后摩爾時代的關鍵,也是國內布局先進制程的解決方案之一,將成為未來行業發展的主線:

      1Chiplet是延續后摩爾時代,解決產業發展難題的關鍵所在

      Chiplet可以大幅提高大型芯片的良率:在高性能計算、AI等方面的巨大運算需求,使得整個芯片晶體管數量暴漲,芯片的面積也不斷增大,固有不良率帶來的損失增大。而Chiplet可以切割成獨立小芯片,有效改善良率,降低不良率帶來的成本增長。

      Chiplet可以降低設計的復雜度和設計成本:如果將大規模SoC按不同模塊分解成芯粒,做到類似模塊化設計,可以重復利用在不同的芯片產品中。這樣可以大幅降低設計難度和成本,并且有利于后續產品的迭代,加速產品上市周期。

      Chiplet可以降低芯片制造成本:SoC中主要是邏輯計算單元依賴于先進制程提升性能,Chiplet化后可以根據不同的芯粒選擇合適的制程,分開制造,再用先進封裝進行組裝,極大的降低了芯片的制造成本。

      2Chiplet是國內突破技術封鎖,布局先進制程的重要方案

      按性能分,芯片分為三種:

      能用芯片:135-28nm,對應3G手機、家電、消費電子產業

      夠用芯片:14-7nm含chiplet,對應4G手機、L2輔助駕駛、普通座艙

      好用芯片:7-2nm的尖端工藝,對應5G手機、L5無人駕駛、高級座艙

      美國芯片法案的目的是將中國卡在能用芯片中,而為了實現從能用到夠用的進階,有三種途徑:(1)延續摩爾定律的原生非A硅制程;(2)轉換到第三/四代半導體材料;(3)超越摩爾的Chiplet(成熟工藝+Chiplet=先進工藝)。

      總結:面對美國的科技封鎖,未來三年中國半導體突破的重心在于突破能用(在135-28nm建立去A線產能)和Chiplet(基于28nm,在基站、服務器、智能電車領域建立等效14/7nm性能,犧牲一定的體積和功耗)


      預測四:FD-SOI將為國內開啟先進制程大門提供可能

      隨著5G通信、智能駕駛、人工智能等潮流興起,SOI技術憑借高性能、低功效的優勢,帶動SOI硅片需求量大幅增加。基于SOI材料的FD-SOI是先進工藝(28nm以下)兩大技術路線之一,也是國內突破先進工藝的方案之一:

      1、基于SOI的兩大技術路線:RF-SOI技術用于5G射頻芯片,FD-SOI開啟28nm以下先進制程

      RF-SOI射頻絕緣體上硅):相較于傳統的GaAsSOS技術,不僅成本更低、集成度更高,還發揮了SOI材料結構的優勢,所實現的器件具有高品質、低損耗、低噪聲等射頻性能,主要用于制造智能手機和無線通信設備上的射頻前端芯片。

      FD-SOIFinFETFD-SOI是發展先進工藝(28nm以下)的兩大解決方案。FinFET技術路線的先進工藝帶來了工藝復雜、工序繁多、良率下降等問題,使得在28 nm以下制程的每門成本不降反升。FD-SOI技術路線逐漸得到業界關注。

      理論上,利用DUV光刻機制造的FD-SOI產品,可以達到與采用EUV光刻機制造的FinFET產品相當的性能。

      2、材料:核心技術由法國Soitec掌握,中國大陸加快追趕步伐

      國外:300mmSOI硅片核心技術由法國Soitec掌握,日本信越化學、SUMCO、中國臺灣環球晶圓等少數企業具備生產能力。

      國內:滬硅產業旗下子公司獲得Soitec技術授權,公司于20222月完成50億定增,其中20億元投入高端硅基材料研發。目完成后,滬硅產業將建立300mm高端硅基材料的供應能力,并完成40萬片/年的產能建設,加快在SOI領域的追趕步伐。

      3、代工:工藝由格羅方德、意法半導體、三星等主導

      意法半導體2012年推出了28 nm FD-SOI工藝平臺,并于2014年將該技術平臺授權給三星

      格羅方德2017年發布了22 nm FD-SOI代工平臺,截至2020年年底已實現營收45 億美元,交付芯片超過3.5 億顆。

      格羅方德2018年投產的12 nm FD-SOI代工平臺生產的產品幾乎擁有10 nm FinFET 工藝產品同等的性能,但功耗和生產成本卻比16 nm FinFET工藝產品還低。


      預測五:RISC-V將引領國產CPU IP突破指令集封鎖

      RISC-V開放的定位是國產芯片實現全產業鏈自主可控的必要基礎,條件約束和技術優勢兩方面因素決定了RISC-V與中國半導體產業雙向選擇。從技術架構、軟硬件生態到量產應用,我國RISC-V產業正加速邁向成熟。隨著2023年正式步入高性能計算場景,基于RISC-V開發的CPU IP將成為2023年國產IP主線。

      RISC-V可以滿足國產CPU架構自主可控需求。不同于x86ARM等國外商業公司壟斷的私有指令集架構,RISC-V最大的特點是開放標準化,是CPU技術變革的一次絕佳機遇,能夠很好的調節軟件普適生態和CPU國產自主可控的雙重需求。

      RISC-V生態體系也因此正在全球范圍內快速崛起,成為半導體產業及物聯網、邊緣計算等新興應用領域的重要創新焦點。

      RISC-V全球化立場鮮明。2019年,RISC-V基金會因為擔憂美國的貿易法規而搬到了瑞士,并更名為RISC-V International進而該開源社區的代碼上傳下載可不受美國出口管制。目前RISC-V基金會的22個主要成員中有12個來自中國,占比超過50%。其中包括華為公司、阿里巴巴集團、中科院計算所等知名企事業單位。

      IP是實現芯片設計國產化的必經之路。IP作為深層關鍵要素,對于基礎軟件、芯片設計等淺層要素,以及代工制造、封裝測試等中層要素,乃至芯片全產業鏈都是不可或缺的存在。當前產業界90%以上的SoC都是采用以IP核為主而進行設計的,大量復用IP核代碼和專利等硅知識產權。

      基于RISC-VCPU IP將迎來歷史性發展機遇。目前我國絕大部分的芯片都建立在國外公司的IP授權或架構授權基礎上。近年來美國對華科技產業限制層出不窮,IP和芯片底層架構國產化替代已經迫在眉睫,必須實現深層要素的國產化才能實現全棧要素創新。RISC-V憑借其開放優勢有望成為IP獨立自主的關鍵根技術。

      2023年將成為RISC-V的高性能計算元年。截至2022年末,我國大約有50款不同型號的國產RISC-V芯片量產,應用場景集中在MCU、電源管理、無線連接、存儲控制、物聯網等中低端場景。而目前已有多家創新企業計劃在2023年發布對標64高性能的服務器級處理器,應用領域也有望從專業應用場景逐步拓展到通用計算場景。

      預測六:反全球化持續,中國半導體內循環開啟

      2022年美國通過《美國芯片與科學法案》,其中針對半導體行業,計劃五年內投入527億美元的政府補貼。此外,加入“中國護欄”條款,禁止獲得聯邦資金的公司在中國大幅增產先進制程芯片。這標志著半導體行業將由全球化大分工,轉向反全球化。

      預測七:終端廠商及設計公司向產業鏈前端滲透

      半導體產業鏈三種權利:設計權(決定創新和供給)+代工權(決定安全和產能)+設備權(決定產業鏈安全和工藝底層突破)。

      芯片產業全球化分工使設計與制造環節分離,存在供應鏈的地理分割,加劇了受外部因素影響而供需失衡的風險,因此企業向產業鏈前端滲透、實現自主可控已是大勢所趨。

      1、對于終端廠商來說,芯片領域將成為新的主戰場,著力于掌握芯片設計權甚至代工權是終端企業未來發展方向。

      目前部分下游軟硬件公司逐步開啟芯片自研模式。①智能手機:小米、OPPOvivo等芯片研發主要聚焦于影像、藍牙、電池管理等細分領域;②智能汽車:以特斯拉為先鋒,傳統車企以及造車新勢力如通用、比亞迪、蔚來等也先后進軍芯片自研;互聯網:亞馬遜、微軟、谷歌、阿里等通過推出定制化的自研芯片,驅動云計算服務的創新迭代。

      參考全球智能手機巨頭的發展歷程,隨著產品同質化加劇,芯片區別的重要性日益突顯,成功的頭部手機廠商均擁有較強的芯片設計研發水平,如蘋果的A系列芯片、三星的獵戶座芯片以及華為的麒麟系列芯片,驗證了掌握核心造芯技術對于終端廠商的重要性。

      終端廠商自研芯片主要由于外部缺芯壓力和內部自身發展需要。①把握產能主動權:全球芯片短缺使部分下游企業產能無法釋放,布局芯片領域將保障供應鏈穩定性。②滿足應用領域功能需求:隨智能化發展,高通、英特爾等芯片企業供應的通用芯片難以滿足終端日益提升的性能需求,自研定制芯片將形成軟硬一體化發展,構建芯片、系統軟件、終端產品的生態閉環,搶占智能網聯高地。③提升話語權和競爭力:提高對核心技術的把控能力,使自己擁有產品創新節奏的主導權。

      2、對于IC設計公司來說,自建晶圓廠、在成熟工藝節點掌握獨立代工權、將芯片設計和生產制造環節集于一體,將成為趨勢。

      當前,缺乏代工權已經成為制約中國半導體設計公司發展的關鍵因素。①產能不足:設計公司晶圓制造是芯片產業鏈的重要環節,在當前全球晶圓產能緊缺、終端消費需求復蘇的大背景之下,中國大陸芯片仍有較大供需缺口,晶圓代工廠產能無法匹配設計公司不斷提升的技術水平。②利潤承壓:晶圓短缺導致代工廠漲價,增加IC設計公司成本。

      預測八:智能座艙將成為電車智能化主戰場

      電車智能化進程可分為智能座艙和智能駕駛兩條線。

      1、智能座艙:經歷三段式發展,未來3-5年將成為電車智能化主戰場。

      1.0階段(1980s-2011):1986年第七代別克Riviera標配9英寸觸摸屏為起點,歷史上第一輛搭載觸屏技術的汽車誕生,開啟座艙智能化進程。

      2.0階段(2012-2021):特斯拉Model S創新性地采用大尺寸車載顯示屏,取消絕大部分機械按鍵,標志著智能座艙進入電子化時代。

      3.0階段(2022-2027):理想L9開創智能化交互模式,采用五塊大屏,即HUD+安全駕駛交互屏+中控屏+副駕屏+后艙娛樂屏,并且擁有6音區、3D ToF傳感器及21個揚聲器等,實現三維交互,此后智能座艙發展聚焦于人機交互的智能體驗。

      2、智能駕駛:目前發展受限,時機尚未成熟,2025后有望突破約束得以發展。

      短期內,智能駕駛無法成為智能電車發展重點的主要原因:①缺少芯片代工:雖然我國有先進制程的設計能力和封測能力,但先進制程的生產制造水平落后,缺少掌握先進工藝的芯片代工廠,高性能芯片供給受約束。②缺少算法算力:盡管以地平線、海思為代表的國產芯片廠商具備大算力優勢,但整體來看,仍難以滿足由傳感器數量提升帶來的爆發式增長的算力需求。③缺少法律法規:當前我國自動駕駛相關法律法規尚不完善,其商業化應用將面臨法律挑戰。

      因此,預計2025年前,智能駕駛方面依然以輔助駕駛為主、智能駕駛創新為輔,長遠來看自動駕駛將是電車智能化的終局。

      預測九:芯片去庫存繼續推進,周期拐點已至

      在我們的半導體研究框架中,短期看庫存周期,中期看創新周期,長期看國產替代。

      典型的庫存周期可分為四個階段:①主動去庫存(量價齊跌):晶圓廠產能供過于求,全行業芯片庫存達到高點,以手機和家電為代表的下游需求緊縮,于是降價以去庫存,消費芯片呈現出量價齊跌狀態。②被動去庫存(量跌價平/升):隨需求復蘇,庫存繼續減少,價格保持,隨后逐步漲至正常利潤線水平。③主動補庫存(量價齊升):需求增加的速度高于供給增長,庫存持續下行,庫存去完后供需平衡,廠商擴大供給,進入補庫存階段,量價齊升,處于盈利最佳狀態。④被動補庫存(量升價平/跌):需求相對平穩,而廠商為了應付未來可能的需求,繼續增加產量,存在供給慣性,導致供給側產能過剩。

      預測十:國產化5.0推進,建立中國半導體生態系統

      通過梳理國內半導體行業國產替代的發展脈絡,可以分為五個階段,2023年國產化將從4.05.0推進:

      1、國產化1.0(芯片設計):2019年以信創軟件(操作系統)和芯片設計(數字芯片、模擬芯片)幾大類為主

      20195月,限制華為終端的上游芯片供應,目的是卡住芯片下游成品,直接刺激了對國產模擬芯片、國產射頻芯片、國產存儲芯片、國產CMOS芯片的傾斜采購,這是第一步。

      2、國產化2.0 (晶圓制造):2020年以晶圓代工和周邊產業鏈,主要以中芯國際、封測鏈、設備鏈為主

      20209月,限制海思設計的上游晶圓代工鏈,目的是卡住芯片中游代工。由于全球晶圓廠都嚴重依賴美國的半導體設備PVD、刻蝕機、離子注入機等),海思只能轉移到備胎代工鏈,直接帶動了中芯國際等國產晶圓廠和封測廠的加速發展。

      3、國產化3.0(設備材料) :2021年以晶圓廠上游的半導體設備和材料鏈為主,比如前道核心設備和黃光區芯片材料

      202012月,中芯國際進入實體名單,限制的是芯片上游半導體供應鏈,本質是卡住芯片上游設備。想要實現供應鏈安全,必須做到對半導體設備和半導體材料的逐步突破,由于DUV不受美國管轄,此階段的關鍵是針對刻蝕等美系技術的替代。


      4、國產化4.0(設備零部件、EDA/IP、材料上游) :2022年以零部件和EDA為主,進入到國產鏈條的深水區,最底層的替代

      20228月,美國發布芯片法案,對國內先進制程的發展進行封鎖。想要實現產業自主可控,必須進入國產鏈條的深水區,實現從根技術到葉技術的全方位覆蓋。因此,底層的半導體設備逐漸實現1-10的放量,芯片材料逐漸實現0-1的突破,EDA/IP陸資本市場,成為全新品類,最底層的設備零部件也將迎來歷史性發展。
      5、國產化5.0(中國半導體生態系統):2023年以后,將以建立產業鏈各環節強供需聯系、打通內循環為主要替代目標

      我國半導體產業全而不強,半導體產業鏈的幾乎每一個環節都有中國企業,但是整體處于落后位置。由于產業鏈上下游的中國企業缺乏深度聯系,單個企業的進步很容易受美國制裁影響。因此,培育良好的產業生態,實現全自主制造,打通內循環,依托國內的市場優勢,實現半導體產業鏈的不斷升級,將成為國內半導體行業國產化5.0的重要目標。

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