大热的半导体,会走向何方?

大热的半导体,会走向何方?

图片来源@视觉中国

文丨半导体行业观察

无法生产汽车、无法生产电脑、无法生产智能手机、无法生产游戏机,无法生产任何一种电子产品。

2021年爆发的半导体供给不足问题几乎波及了所有的领域,要说具体体现在哪些方面?在超长的交货期(Lead Time)上体现的淋漓尽致。

CHENG TING-FANG and LAULY LI等的4月16日的文章《How the chip shortage got so bad — and why it’s so hard to fi》中提到,一般情况下,大部分半导体的交货期在四周一一八周,最近,功率IC、MCU(即微控制器)的交货期为24周一一52周(居然需要一年的时间!)。CPU需要12周一一16周,存储半导体需要14周一一15周,Wi-Fi(通信半导体等)需要24周一一30周等(如下图1)。

大热的半导体,会走向何方?

图1:各种半导体、材料、封装的交货期。(图片出自:CHENG TING-FANG and LAULY LI, Nikkei staff writers, “How the chip shortage got so bad — and why it’s so hard to fix”, Nikkei Asia, APRIL 16, 2021。)

此外,液晶显示屏(LCD)、基板材料、封装服务等的交货期也都在加长。晶圆以及后段工序的印刷线路板等基板材料的正常交货期是12周,而如今的交货期为20周一一52周(最长为一年)。

为什么会发生以上这种全球性的半导体供给不足问题?这与2016年一一2018年发生的所谓的“超级周期(Super Cycle,即存储半导体泡沫)”有何不同?如今的“疯狂”状态是“泡沫”吗?此外,如今的这种供给不足问题会持续到何时?会以怎样的结局结束?本文就此展开论述。

全球半导体市场动向

下图2是2015年一一2021年第一季度(Q1)的全球半导体出货金额和出货数量的推移表。2016年第一季度以后,半导体市场大幅度增长,出货金额和出货数量也大幅度增长。2018年第三季度的出货金额为1,249亿美元(约人民币8,118.5亿元),出货数量约为2,658亿个,后来从此处的峰值开始下跌,半导体陷入了不景气时代,这被人们称为“超级周期(Super Cycle)”。

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图2:全球半导体出货金额和出货数量(2015年第一季度一一2021年第一季度)。(图片出自:笔者根据WSTS的数据制作了此图。)

半导体的不景气在2019年第二季度触底,后来开始逐步恢复,由于2020年年初发生了新冠疫情,半导体出货数量和出货金额再度跌落。然而,同年第三季度以后,又迅速恢复,2021年第一季度的出货金额达到了1,231亿美元(约人民币8,001.5亿元),金额几乎要赶上存储半导体泡沫时的峰值,出货数量却超过了峰值,为史上季度最高值(约2,748亿个)。

从新冠疫情中迅速恢复的原因和半导体供给不足的原因

从新冠疫情中迅速恢复的原因和半导体供给不足的原因主要有以下几点:

由于新冠疫情,远程办公在全球范围内普及,电脑需求剧增。

此外,新冠疫情迫使人们“宅在家中”,因此游戏机、各种电子产品的需求猛增。

远程办公的普及、居家办公带动了网络购物的迅猛增长,因此数据传输量大幅度增加,云厂家(Cloud Maker)加快了对数字中心(Data Center)的投资。

由于美国加强制裁华为,2020年第三季度华为采购量大幅度增长。

在智能手机市场上,同年第四季度,苹果、三星电子、vivo、小米等厂家为了填补华为的空缺,开始增产。

由于美国也对中国的中芯国际进行制裁,诸多Fabless公司纷纷将代工厂家转为TSMC、UMC等公司,因此这些台湾的代工厂家的产能达到了极限(但是,据说如今就连中芯国际的产能也是逼近了极限)。

2020年2月一一8月受到新冠疫情的影响,汽车产业大幅度减产,同年九月以后,又迅速恢复。瑞萨电子等车载半导体厂家将40纳米以后的尖端半导体都外包给TSMC生产,但是,基于“Just In Time(准时制)”的生产方式,因此一度取消订单又重下订单。然而,TSMC用其他半导体填补了被取消的车载半导体的空缺。因此,车载半导体供给不足问题在2021年越来越显著,日本、美国、德国等各国政府竞相向中国台湾当局提出了增产车载半导体的要求。TSMC虽然增产了车载半导体,原本产能就满负荷,因此影响到了其他半导体的生产。

至此,半导体供给不足的主要原因如下:新冠疫情是“导火索”、美国对华为和中芯国际展开制裁、汽车厂家的Just In Time(准时制)的生产方式。

下面进行定量分析。

各种半导体的市场动向

下图3是各种半导体的季度出货金额的推移表。MosMemory(包括DRAM 和NAND)在2018年第三季度达到峰值,为441亿美元(约人民币2,866.5亿元)。我们只能感慨说此时的顶峰值真是非同一般!

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图3:每个季度的各种半导体的出货金额(一一2021年第一季度)。(图片出自:笔者根据WSTS的数据制作了此图。)

我们即使做出以上感慨也无济于事,下面开始分析。下图4是对2015年第一季度以后的出货金额进行了特写,2016年第一季度以后,虽然MosMemory市场急剧扩大,但逻辑半导体、Mos Micro(MPU、MCU等)、模拟半导体缓慢增长。2018年第三季度和第四季度整个市场出现萎缩,又在2019年第一季度恢复。

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图4:各种半导体在各季度的出货金额(2015年第一季度一一2021年第一季度)。(图片出自:笔者根据WSTS的数据制作了此图。)

进入2020年,由于新冠疫情的缘故,逻辑半导体、Mos Micro、模拟半导体等下滑,仅有Mos Memory保持增长,又在同年第季度下滑、后又恢复。另一方面,逻辑半导体、Mos Micro、模拟半导体在同年第三季度触底反弹。

在2021年第一季度,逻辑半导体销售额达到340 亿美元(约人民币2,210亿元),Mos Micro为183亿美元(约人民币1,189.5亿元),模拟半导体达到167亿美元(约人民币1,085.5亿元),分别达到季度最高值。Mos Memory也在2018年的第三季度达到顶峰,为319亿美元(约人民币2,073.5亿元)。

与过去的“存储半导体泡沫”有何不同?

下面我们来看看各种半导体的季度出货数量推移(下图5)。2016年一一2018年第三季度,模拟半导体、逻辑半导体、Mos Micro的出货数量保持增长,仅有Mos Memory的出货数量相对平稳。虽然是存储半导体泡沫,但存储半导体的出货数量几乎没有增长。

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图5:每个季度的各种半导体的出货数量(2015年第一季度一一2021年第一季度)。(图片出自:笔者根据WSTS的数据制作了此图。)

为什么在图3和图4中Mos Memory的出货金额突然增加呢?原因在于价格高昂的存储半导体(如下图6)。就大宗交易价格而言,8G的DDR4 DRAM的从3美元上涨到8.2美元,128G的NAND从3美元上涨到5.8美元,二者都出现了上涨。这就是2018年第三季度的令人惊叹的存储半导体泡沫的真实现象。

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图6:DRAM(DDR,8G)、NAND(128G)的大宗交易价格推移。(图片出自:笔者根据DRAMeXchange的数据制作了此图。)

另一方面,进入2021年以来,即使半导体供给不足问题愈演愈烈,也没有出现像存储半导体泡沫时期的高价。正如笔者之前发布的文章《价格高涨的DRAM 和价格平稳的NAND》中提到的一样,出现了传统型DRAM现货价格(Spot Price)高涨的现象。推测原因是各种电子产品需求扩大。

下面我们再回过头来看看图5,2018年第三季度存储半导体泡沫破裂,各种半导体出货数量纷纷下跌。且在2019年第一季度触底,后又恢复。此外,进入2020年,出现了新冠疫情,所有的半导体出货数量都下滑。但是,同年第二季度以后,又出现了大幅度的增长,在2021年第一季度,模拟半导体出货数量约为491亿个,逻辑半导体为202亿个,Mos Memory为124亿个,分别都刷新了季度的最高值。此外,在2018年的第二季度Mos Micro没有达到77亿个,为75亿个。

基于以上信息,从本质上来讲,当下发生的半导体供给不足问题与之前的存储半导体泡沫是不一样的现象。简单来说,过去的存储半导体泡沫的原因在于存储半导体本身高昂的价格,而如今各种半导体的出货数量都出现了大幅度增长,真的是陷入了“无论生产多少都不够用”的状态了。

逻辑半导体的出货数量的推移

在上图5中,笔者尤其在意的是从2020年第一季度的148亿个骤增至2021年第一季度的202亿个,针对逻辑半导体的出货数量,笔者基于各种用途方向,统计了ASIC(Application Specific Integrated Circuit)的出货数量,如下图7。

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图7:各种ASIC(Application Specific Integrated Circuit)在各个季度的出货数量(一一2021年第一季度)。(图片出自:笔者根据WSTS的数据制作了此图。)

Consumer(包括游戏机、各类电子设备)、Communication(智能手机处理器AP、通信半导体)、Computer(包括用于人工智能AI的GPU)、作为车载的Automotive这四项虽然有类似的地方,但是难以汇总说明。

尤其引人注目的是进入2020年,Consumer骤增,在2021年第一季度达到48.2亿个,为历史最高值。可以想象的是这才真正反映了居家办公的需求。

此外,在2020年第二季度骤减的Automotive也出现了“V字型”恢复,远远超过了疫情之前的水平,在2021年第一季度,达到了历史最高值,为8.3亿个。此外,Computer也刷新了历史最高值,为19.2亿个。

另一方面,仅有Communication未受到新冠疫情的影响,且在2020一整年都出现了大幅度增长。主要原因是受到美国制裁的华为的大批量提前备货、以及其他智能手机厂家为了填补华为的空缺而进行的“扩产之战”。但是,最终在2021年第一季度出现了骤减。

ASIC出货数量与上年相比较

此处可以考虑的因素是ASIC受到季节性变动因素的影响,针对2019年一一2021年第一季度的出货数量与上年同期的对比,笔者制作了下图8。上年同比大于“1”、即为增长,小于“1”、即为下跌。

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图8:季度的各种ASIC的出货数量(上年同期比)。(图片出自:笔者根据WSTS的数据制作了此图。)

从上图8中可以看出,自2020年第四季度以后,新冠肺炎导致人们宅在家中,因此Consumer大幅度增长,数据中心投资也扩大。其中,Consumer的增长尤其显著。

其次,就Communication而言,可以看出在2019年出现了低迷。全球智能手机出货数量在2016年达到顶峰,为14.73亿部,后开始下滑(如下图9),因此在2017年以后的“上年同比”必然会低于“1”。

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图9:全球智能手机出货数量。(图片出自:笔者根据IDC的数据制作了此图。)

然而,在2020年的第二季度一一第四季度却超过了“1”。第二季度一一第三季度是由于华为的原因(受美国制裁)。此外,同年第四季度可以推测的理由如下:苹果、三星、小米、OPPO、vivo想要夺取华为的市场份额。

由于美国的制裁,2015年以后,原属于前三的华为的出货数量在2021年第一季度下跌至TOP6,为3,220 万部(下图10)。另一方面,排名第一的三星电子的出货数量为7,530万部,第二的苹果为5,520万部(2020年第四季度为9,010万部,排名第一),第三为小米,为4,860万部,第四为OPPO,为3,750万部,第五为vivo,为3,490万部。尤其是中国的小米、OPPO、vivo远超华为,出货数量出现猛增。

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图10:各家企业智能手机出货数量。(图片出自:笔者根据IDC的数据制作了此图。)

车载半导体的情况

下面再度回到图8来看看,由于新冠疫情,Consumer、Computer、Communication的上年同比都超过了“1”,而Automotive却低于“1”。主要原因是:汽车减产、Just In Time(准时制)的生产方式。

TSMC等代工厂(Foundry)的Automotive方向的40纳米一一20纳米产品被Consumer中的各种电子产品夺走了产能。此外,还可以做出如下推测:通过5G通信联网的车载7纳米一一5纳米尖端逻辑半导体被Communication、Computer、Consumer中的高级游戏机夺走了产能。

在2021年第一季度之所以超过“1”,是由于日本、美国、德国等各国政府通过台湾当局向TSMC等厂家提出了增加车载半导体生产的要求。但是,这真的是TSMC 通过紧急对应就可以克服的问题吗?于是,TSMC在中国南京的工厂投资约3,100亿日元(约人民币183亿元),新建车载半导体产线,且计划在2023年开始启动,在此之前车载半导体应该继续会供给不足。

小结

全球范围内半导体的供给不足的“导火索”是新冠疫情,也和美国对华为和中芯国际的制裁有一定关系,汽车厂家的Just In Time(准时制)的生产方式等因素汇集在一起,引起了当下的结果。

此外,如今的半导体供给不足问题,与因存储半导体价格过高引起的“存储半导体泡沫”完全不同,由于各种半导体的出货数量在不断增长,因此,可以说真的是“无论生产多少,都不够用”。

此外,从逻辑半导体的各种ASIC来看,由于新冠疫情,Consumer、Communication、Computer的促使ASIC出货数量增长,而采用了Just In Time(准时制)的生产方式的Automotive的出货数量却下跌了。2021年第一季度,由于政治因素,Automotive虽然出现了出货数量的增长,是一时的“缓兵之计”,不会成为最终的解决方案。

对于未来的展望

各种半导体的供给不足问题会持续到什么时候?

“供给不足”这种现象的意思是“对于需求而言,供给不够充分”。因此,在“供给”赶上“需求”之前,会存在“不足”的问题(这是理所当然的)。

TSMC于4约1日公布称,要在未来三年内,投资1,000亿美元(约人民币6,500亿元),后来,又宣布,仅2021年的投资从原来的280亿美元(约人民币1,820亿元)增至300亿美元(约人民币1,950亿元)。

3月23日,美国的英特尔宣布,要投资200亿美元(约人民币1,300亿元)在美国亚利桑那州建设第二幢厂房。第一幢生产CPU,据说第二幢用于Foundry。此外,英特尔还计划投资35亿美元(约人民币227.5亿元)扩大位于新墨西哥州的工厂(日本经济新闻 5月5日)。业界认为此次投资是用于3D压层的后段工序。

5月13日,三星电子宣布,到2030年投资约16兆5,000亿日元(约人民币9,735亿元),仅今年(2021年)的投资就会超过两兆日元(约人民币1,180亿元)。

如此巨额的投资真让人眼花缭乱,但是,问题是即使立即进行巨额投资,也无法生产出半导体。首先,要建设工厂,导入庞大的设备,流动晶圆,再确立生产工艺。

此外,如文章开头所述,如今的晶圆等材料的交货周围为20周-52周(最长为一年),在此之前,如果要进行如此庞大的巨额投资,仅前段工序就需要“抢购”十多种设备。此外,每款设备又由数千个零部件构成,因此可以想象的是如果零部件供给出现问题,将会直接影响设备的制造。这也是2016年一一2018年存储半导体泡沫期间实际发生的情况。

是否会发生令人担忧的情况?

客观地来说,半导体供给不足问题至少会持续到2023年前后。此外,笔者认为届时还会出现令人担忧的情况。

笔者在上文中提到“此次的半导体供给不足问题与之前的存储半导体泡沫问题有本质的不同”,因此,此次的问题不是泡沫,TSMC、三星电子、英特尔等企业进行巨额投资,在竞相争夺设备、材料等的同时,进一步扩大产能。

于是,最终“供给”会赶上“需求”,在超越的瞬间,供给不足问题得以解决。届时,又会发生什么呢?

即,半导体价格大幅度下滑,别无其他。

至此,我们已经面临了多次这种噩梦了(如下图11),2001年IT泡沫破裂(因此笔者在2002年不得不离开了日立)。2008年“雷曼冲击”(笔者在2009年放弃成立风投企业的念头,陷入无业状态)。此外,2018年存储半导体泡沫破裂(很幸运,笔者没有受到影响)。

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图11:全球半导体市场推移(2021年以后为笔者预测)。(图片出自:笔者根据WSTS的数据制作了此图。)

那么,在“供给”赶上“需求”的2023年,将会发生什么呢?人们很容易认为明天还会继续延续今天的状态,但是,历史证明并非如此。半导体行业的诸位,还是从现在开始就做好心理准备!

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