[原创] 晶圆代工迎来新的发展黄金期
2020-04-23
14:00:24
来源: 半导体行业观察
近期，以台积电为代表的几大晶圆代工厂备受关注，原因在于它们2020年第一季度的财报。与各大IDM和Fabless第一和第二季度低迷的财报或财测不同，台积电、联电和中芯国际这三大晶圆代工厂的业绩十分亮眼，与当下疫情给半导体产业带来的负面影响形成了鲜明的对比。看来，晶圆代工（Foundry）这种商业模式确有其过人之处。
2019年10月，DIGITIMES Research预估 2019至2024年全球晶圆代工产值年复合增长率(CAGR)有望达到5.3%。而突如其来的疫情肯定会拉低这一预估，不过，台积电对外展现出了较为乐观的态度，该公司认为，2019至2024年，不含存储器的半导体业年复合增长率有望达到5%，而晶圆代工业的增长幅度将比整个半导体业要高一些。不过，受到疫情影响，2020年全球半导体业将呈现同比负增长，这已经成为行业普遍共识。而在这样低迷的经济环境下，台积电预计其全年的营收将实现同比增长15%左右，这是一个很亮眼的数字了。
晶圆代工业之所以能够逆势增长，首先是由其自身的商业模式决定的。
在全球半导体产业发展初期，是不存在IC设计和制造分工的，只有一种IDM模式，随着市场和产业发展，一些规模较小的厂商，因为财力有限，无法负担自有晶圆厂，因此，就会把设计的芯片交给实力较为雄厚的IDM制造，这是最早的代工模型。然而，早期在专利保护意识缺乏的情况下，将设计出来的芯片交给其他IDM制造，存在着较大的产品安全风险，即竞争对手很可能会掌握你的芯片信息。
这样，晶圆代工模式应运而生，1987年，台积电创建，开创了一个新的时代。自那以后，随着市场和产业发展，无晶圆厂的Fabless数量逐年增加，给晶圆代工厂带来了滚滚财源，也因此，更多的Foundry涌现出来，不过，与越来越多的Fabless数量相比，Foundry的数量还是相对有限的，直到今天依然如此。毕竟，由于重资产和高技术密集的特点，筹建一家Foundry的难度要远大于Fabless。
对于Foundry来说，由于长期专注于晶圆代工业务，且给自己的定位明确，并能持之以恒；另外，这种商业模式的多客户、多产品线、多制程特点，比IDM和Fabless更加厚重且多元，某种程度上，其抗风险能力更强。
除了自身特点之外，晶圆代工厂能够交出亮眼的业绩，且在未来几年内的年复合增长率大概率会高于全行业平均水平，还有多种市场因素，主要包括以下三点：终端设备的芯片元器件用量逐年提升；IDM芯片制造外包业务增加；设备和互联网厂商自研芯片增加。这三大增量市场内的芯片大都需要交给晶圆代工厂生产，因此，未来几年Foundry的业绩很值得期待。
这方面，最直观的感受就是CIS（CMOS图像传感器）。由于手机摄像头的数量呈翻倍态势，使得CIS需求旺盛，给大大小小的多家晶圆代工厂带来了巨大商机，一时间，行业陷入了CIS产能危机，使得CIS行业老大索尼不得不破天荒地向台积电需求长期合作，目的就是增加CIS产能。
2020年，预计手机中的潜望式摄像头、后置ToF有望上量。目前，在手机中应用较多的3D视觉成像方案是结构光和ToF，由于ToF具有测距范围更广，且可以实时获取面阵精确深度信息的特点，使其在AR这种高动态应用场景中具有优势。而5G技术的商用为AR应用落地创造了条件。这些都对以CIS为代表的光学芯片元器件提出了更多需求。
5G手机需要支持的频段数量正在增加，射频前端需要增加三个收发模组，并且在独立组网模式下，需要采用双天线发射，4天线接收，射频前端器件的用量随之增加。预计滤波器将从40 个增加至70个，射频开关从10个增加至30个，PA从4G时期的6-7个增加至15个。
另外，由于处理器、基带芯片的升级，存储器容量的持续提升，导致5G手机芯片价值量大幅提升。据ifixt拆机数据预测，5G手机芯片的价值量约为4G手机的2倍以上。因此，随着5G手机的大量上市，手机芯片市场有望迎来增长。
5G基站方面，MIMO通信技术的应用，带来了PA等用量的大幅提升。未来几年5G基站的建设量将逐年增长，预计2022年5G基站的建设量将超过170万个。
从2019年开始，TWS耳机市场强劲增长，预计2019年TWS整体出货量有望突破1亿。随着TWS产品技术的成熟和成本的下降，有望成为手机标配，将促使TWS出货量大幅提升。按照智能手机市场50%的渗透率，标配价格200元计算，手机市场规模近1500亿元。这将进一步推升市场对TWS蓝牙芯片的需求量。
服务器方面，从2017年开始，全球服务器出货量和营收增速逐步提升，这主要源于云计算发展的推动。服务器CPU性能的提升，存储容量的提升，以及人工智能发展带动的机器学习、推理等需求的提升，都推动了服务器芯片用量的增加。来自SIA的数据显示，服务器用芯片市场占整体半导体市场份额的10%，因此，服务器芯片用量的增长对半导体需求具有较大影响。
物联网方面，对相关的传感器、MCU、存储器、电源IC、射频器件等的需求量非常大，而这些芯片是物联网模块的主要组成部分。一般情况下，单个物联网连接，对应1-2个无线通信模块，物联网百亿级别的连接数，对无线通信模块的需求空间巨大。
具体来看，物联网应用中，传感器和连接器使用数量最多，2021-2025年，随着5G商用大规模铺开，物联网普及将提速，连接/传感/处理器使用数量将达到282/251/207亿个，总体数量的年复合增长率为12%，超过2017-2021年的8%。
IDM的大部分芯片元器件都是在自家工厂制造并封装的，但在过去的10年里，这种情况一直在发生变化，特别是模拟或模数混合类芯片，IDM外包给晶圆代工厂的数量和比例逐年增加。如近期索尼将部分CIS外包给台积电，以及意法半导体（STM）、英飞凌在化合物半导体方面正在与台积电需求更紧密的合作。
实际上，在多年前，STM和NXP就合资成立了ST-NXP Wireless，专攻手机等无线通讯芯片。新公司除保留部分封装测试产能外，芯片前段制造交由NXP、STM及晶圆代工厂负责。
近年来，逼迫国际IDM大厂调整产能策略的一个重要因素，是大量的Fabless公司轻装上阵，并结合了晶圆代工公司的制造优势，对IDM大厂形成了威胁，这使得IDM一方面降低产能投资，另一方面将资源投入在提升IC设计部门的竞争力方面，早些年NXP与STM合并无线通讯部门成立新公司就是这个原因。
IDM将芯片制造外包给晶圆代工厂的比重稳步增长，一个很重要的原因是受IDM在半导体产业淡旺季进行调节的影响，当半导体产业大幅增长时，IDM外包比重就大幅增加，当半导体产业增长趋缓时，IDM就微幅降低外包比重。而纵观半导体业发展史，总体显然是呈增长态势的，虽然今年受到了疫情影响，但未来产业依然是增长的，IDM将芯片制造外包给晶圆代工厂的业务比重有望进一步提升。
IDM大厂芯片制造外包比重不断提升，晶圆代工厂则通过其优于IDM自有晶圆厂的效率与成本优势，对IDM的自有晶圆厂形成压力，又以此优势协助Fabless对IDM设计部门构成竞争压力而争取IDM公司的外包订单，这就使得部分IDM走向Fablite或Fabless的道路。IDM面对的竞争越来越激烈，加上资源有限必须专注在设计领域，是近年来IDM大厂缩减产能投资，扩大外包的重要因素。这样，晶圆代工厂无疑是这一过程中的最大受益者。
近些年，产业链下游的设备和互联网厂商自研芯片的案例越来越多，而这些创新的芯片也都主要交由晶圆代工厂生产，从而为未来几年的芯片代工业增添了更多的营收增长点。
首先是以华为为代表的商用设备制造商，出于战略和供应链安全考虑，它们一直在不断加强和完善自身的芯片研发水平，增加自行开发的芯片种类。这在客观上为晶圆代工厂的营收增加了砝码，目前，华为已经是台积电的第二大客户了，且随着中芯国际14nm制程的量产，华为在中芯国际的投片量也在增加。
另外，就是手机厂商，除华为之外，苹果公司有计划在3年内研制出5G基带芯片，vivo、OPPO等也将加大在芯片方面的投入力度。
再有，以谷歌、亚马逊、微软和阿里巴巴为代表的大型互联网和云服务提供商，无论是在云端，还是在边缘侧，都在寻找并替换着传统的CPU或GPU。
有报道称，经历了多年的AI芯片（TPU）经验积累之后，谷歌要入场智能终端的核心硬件——SoC处理器芯片了。谷歌在自研处理器方面取得了显著进步，最近其自主研发的 SoC 芯片已经成功流片。
据悉，该芯片是谷歌与三星联合开发，采用5nm工艺制造。台积电的5nm即将量产，三星的也有望于明年量产，而作为云服务提供商的谷歌，其芯片已经开始预定相关产能了。
在中国，百度、阿里和腾讯都已经开始自研芯片，且已有或者即将洽谈晶圆代工合作伙伴。
以上这些芯片增量，主要依靠晶圆代工厂生产制造。未来几年，随着市场的逐步回暖、技术的进步迭代，以及应用需求的增加，晶圆代工产业很可能迎来又一个发展黄金期。
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