盤點半導體行業巨變：不同芯片命運不同，先進工藝或將為摩爾定律“續命”至2040年

10月28日，英特爾公布的2022年第三季度財報顯示，第三季度營收同比下降20%，凈利潤更是同比下降85%，僅有10.19億美元。公司兩大核心業務均出現下降。

10月初存儲芯片巨頭美光2022財年公布的第四財季財報也不如意。該財季營業收入同比下降約20%；凈利潤同比大幅下滑45%。

事實上，此前，如AMD、英偉達等芯片巨頭都不約而同下調了業績預期。盡管這些巨頭業務側重各異，但在多個場合都表示出對芯片市場出現較大范圍降溫的擔憂。

市場研究機構也已發出預警。Semiconductor Intelligence日前預測，2023年全球芯片市場將收縮 6%；Malcolm Penn曾預測來年芯片市場將下滑22%。

市場人士預期行業走勢趨軟，一是由于全球經濟前景不甚樂觀。據估計，全球GDP增長每3個百分點的減速就將導致半導體市場增長減16個百分點。二是個人電腦（PC）市場需求出現了明顯的疲軟。

不過，芯片寒潮并非籠罩全行業，用于汽車的芯片需求尚未減弱，依然對行業景氣形成一定支撐。從2020年開始的芯片短缺問題在全球汽車行業盡管有所好轉，但沒有消退。近日，汽車行業數據預測公司AutoForecast Solutions（AFS）發布的對全球汽車行業的最新數據顯示，截至9月25日，受芯片短缺影響，今年全球汽車市場累計減產約337.68萬輛。

縱觀全球市場，芯片短缺還在持續并且影響著部分車企全球汽車的生產。而業內普遍預計，“缺芯”給汽車行業帶來的影響至少會延續到明年年中或年底。


汽車缺芯仍難緩解

“汽車芯片價格每天波動，最后的成交價還是需要依據當天市場情況來報價。”楊俊方告訴記者，目前，整個市場還是延續去年的缺芯狀況，汽車產業的芯片需求仍然火爆，價格整體堅挺，暫未受到消費電子領域砍單、降價太大影響。

綜合汽車企業、車用芯片供應商及市場研究機構等各方的情況來看，車用芯片的供需矛盾至今確實未得到根本緩解，影響了不少汽車企業的新車研發及產品量產計劃。

比如大眾汽車集團近日就傳出消息，其軟件開發部門Cariad受芯片短缺影響開發工作延遲，可能導致大眾集團旗下多個汽車品牌全新純電動車型延遲發布。為應對全球汽車芯片供應鏈緊張，大眾在7月20日宣布將與與意法半導體聯合開發芯片。

在6月25日的一場產業論壇上，博世中國總裁陳玉東表示，目前其芯片產品平均只能滿足汽車廠商31％的需求，預計下半年供給率可以提升到50％至60％，但缺芯依然會是主題。

“大家一直說，汽車缺芯是因為消費電子芯片緊缺，其實這種說法不太嚴謹，尤其在上游芯片制造環節中，車用的產線跟消費類的產線重合度不高。如今疫后復蘇，新能源車的產業化、智能化依然處于爆發增長期，車用半導體廠商沒辦法擴增供給。”Omdia半導體首席分析師何暉說。

在何暉看來，車用芯片擴產無法像消費電子芯片那么快，除了英偉達或高通這種與算力有關的廠商，其他車用芯片，主要是與瑞薩、東芝存儲、意法半導體、英飛凌、恩智浦這些國外IDM廠商合作，成熟制程工藝的汽車芯片依然短缺。

當然，前述提及的消費電子芯片市場砍單、降價現象，未來對車用芯片市場也并非毫無影響。

集邦咨詢一位分析人士告訴《財經國家周刊》記者，過去兩年消費電子芯片需求旺盛、供貨緊缺情況下，芯片制造商大多通過產品組合調整，將驅動IC、電源管理芯片、CIS等8英寸晶圓制程產品的產能利用率拉至滿載水位。

而如今，消費類電子產品需求疲弱、消費類芯片供過于求，車用芯片需求持續火爆、價格向穩，也能促使芯片制造商短期內產能利用率松動，將部分產能轉向供應緊缺的車用芯片，一定程度上，有利于緩解當下車用芯片的短缺局面。

不過這位分析人士也認同何暉的觀點，他認為，考慮到生產周期等因素，還需要幾個季度的時間，車用芯片的緊缺壓力才能真正得以緩解。

先進工藝競爭愈發激烈

此前，臺積電稱，預計3nm制程將于今年下半年開始出貨，2023年實現大規模量產，2nm也將在2025年如期量產。現在，臺積電將提前啟動1.4nm制程工藝的研發。

臺積電此舉或許與三星、英特爾的競爭有關。此前，三星在“Foundry Forum 2021”上宣布，將于2025年大規模生產2nm制程芯片。隨后，三星負責人在董事會報告中提到，三星在3nm的產能上已經得到重大改善，在邏輯面積效率上提高了45%，功耗降低了50%，在性能上提升了35%。英特爾也在此前宣布，將在2024年正式進入埃米時代，并推出第一個埃米時代的產品——Intel 20A。作為先進制程領域的“領頭羊”，臺積電不得不開啟“反攻”模式。可見，盡管在先進制程的賽道中，僅僅剩下了臺積電、三星、英特爾三家企業，但依舊火藥味十足，競爭相當激烈。

不過，近兩年先進制程的“翻車”情況也屢見不鮮。2021年初，三星代工的5nm手機芯片出現了功耗問題，而這一問題，在2022年三星代工的4nm手機芯片中也同樣存在。臺積電的4nm手機芯片，也同樣出現了功耗過高問題。英特爾從10nm制程開始，便頻頻陷入“難產”的困境。可以看出，隨著芯片工藝尺寸進一步微縮，技術挑戰也在不斷增加。

盡管困難重重，卻沒有阻礙這三家企業在先進制程領域的競爭。據悉，在日前臺積電舉辦的法說會上，臺積電預計2022年的資本支出將達400億美元至440億美元，而70%~80%的資本支出將用于先進工藝制程（7nm及以下工藝制程）。2022年，三星不僅計劃在半導體方向投入超360億美元，還宣稱將在代工業務層面著力提高先進工藝的良率，力爭2022年上半年通過第一代GAA工藝的量產再奪技術領先“寶座”。此外，英特爾在2022年的資本開支或將高達280億美元，甚至一度傳出擬將3nm芯片委托給臺積電代工，以提升其在更先進制程方面的競爭力。


VLSI如何看待半導體未來變化
半導體微型化將持續到2035年

imec已經在2020年的IEDM中提出了使用EUV的半導體微型化發展藍圖。根據該研究結果，半導體的微型化分為以下4個階段。

1） 0.33NA EUV 的單曝光→32 至 28nm 間距

2） 0.33NA EUV + 多圖案→24 至 20nm 間距

3） 0.55NA（高 NA） EUV 單曝光→18nm 間距

4） 0.55NA （高 NA）EUV+多圖案→更精細的間距

在2022年的VLSI研討會上，ASML表示，在這種情況下，半導體的微型化雖然會放緩，但仍將持續到2035年。

目前最先進的技術節點為N5，最小金屬間距為32nm。也許High NA可能出現在2025年的“N2”（最小金屬間距24nm）左右。然后，在2035年，技術節點成為“A5”，最小金屬間距達到15nm。此外，技術節點的“A”似乎意味著埃格斯特朗（?）。

摩爾定律將持續到2040年

如果High NA被實用化，半導體的微細化將持續到2035年。說明了利用其微細加工技術，尖端邏輯的晶體管和配線將持續進化。

而在這次VLSI研討會上，顯示摩爾定律將持續到2040年。

最初，隨著晶體管變得越來越小，它們的功率密度保持不變，因此功率的使用與面積成比例，這被稱為Dennard縮放比例定律。但這一定律在2005年左右被打破，當時由于發熱問題，微細化不再能帶來更高的速度。

其次，以光刻密度和晶體管密度為縱軸，到2020年左右飽和。此外，如果將晶體管的"Energy Efficiency Performance"，即晶體管單位能量的動作速度作為縱軸，則從2015年開始飽和。

最后，如果縱軸取"System Energy Efficiency Performance"，即，不是晶體管，也不是像處理器那樣的一個芯片，而是一個System中每單位能量的動作速度，則到2040年為止成正比。

可以認為，該系統是指具有多個芯片垂直堆疊的3D集成電路。如果實現High NA，則2D的微細化將持續到2035年，與此同時，疊加各種芯片的3D集成電路將被開發出來，規模化將通過這兩條互補的路線進展。

全球半導體產業自2021年的疫情紅利之后，開始進入了蕭條期。但是半導體技術將繼續一刻也不停地進化，摩爾定律延續說不定也能很快實現！