[原创] 美国的芯片产能“危机”
2020-07-10
14:00:03
来源: 半导体行业观察
作为全球半导体业的霸主，同时也是古典的IDM龙头，英特尔最近几年遇到的麻烦和挑战越来越多，而依然能够保持行业第一的位置，还是很见功力的。
在各种挑战中，产能不足无疑是一个非常令其头疼的问题，特别是其最先进的量产制程工艺14nm，饱受产能不足的困扰，不仅给英特尔，还给其主要客户，如戴尔、惠普和联想等带来了不少麻烦，2019年，因为英特尔迟迟不能交货，使得戴尔等PC厂商不得不改变事先制定好的产品上市策略和节奏。这对双方来讲都是件尴尬的事。
14nm产能不足的问题不仅仅出现在2019年，在更早的时间就有苗头，只是问题在2018和2019年较为集中地爆发出来。之所以如此，一方面是因为英特尔对先进制程工艺的要求较为严苛，对“摩尔定律”高度摩拜，几乎是一丝不苟地按照每18~24个月，将CPU的晶体管数量和性能提升一倍的规律进行，在很长一段时期内是不打折扣的，这种策略与晶圆代工厂还是有区别的。毕竟英特尔是传统的IDM模式，芯片的生产制造是一个完全面向内部的闭环系统，不存在各种各样的Fabless客户需求压力，可以按照自己的节奏进行，这样，先进制程的整体节奏就不会那么快。
另外，在坚定不移地遵循“摩尔定律”的情况下，英特尔对先进制程（10nm及7nm）的研发困难程度预估不足，导致10nm制程经过5年多的攻关才进入初步量产阶段。这也是导致其14nm产能不足的一个重要原因，因为该公司在10nm上投入了大量的资源，本来认为会按照事先制定的时间表量产，但事与愿违，量产时间一拖再拖，这肯定会打乱其先进制程发展节奏，从而对14nm的推进产生了影响。因此，2018和2019年不断传出其14nm制程CPU要找外部晶圆代工厂代工生产的消息。
到了2019年11月，外媒终于确认，英特尔将部分CPU的生产订单外包给了三星，这在很大程度上缓解了其14nm产能不足的问题。
实际上，最近这些年，英特尔将其芯片制造外包出去的案例越来越多，主要的承接方自然是台积电（强者更相信强者），例如，英特尔曾将采用16nm制程的Nervana NPP-T神经网络加速器，以及7nm制程的Mobieye汽车芯片和Barefoot网络芯片交由台积电代工。不过，从Nervana前不久黯然退出英特尔产品序列的情况来看，该公司交给台积电生产的芯片在其公司内部的权重不高。
除了CPU，看到英伟达和AMD在GPU市场如鱼得水的表现之后，英特尔也开始了独立显卡的研发工作。2019年就有消息称，英特尔会将其新研制的Xe架构GPU交由台积电生产。而随着台积电5nm制程在全行业内率先实现量产，英特尔对台积电先进制程的生产能力似乎也越来越信服，最近又有消息称，到了2021年，除了新研制的GPU之外，英特尔还打算将其部分CPU交给台积电生产，而且还是先进制程，但具体是7nm，还是5nm，现在还不得而知。而且需要的产能也不少，每月2万片晶圆。
无论是历史，还是当下，美国都是全球半导体业的霸主。不过，细分来看，情况就复杂得多，例如，美国的IDM和Fabless企业的行业影响力综合水平很高，不过，其Foundry的综合水平明显弱于亚洲，而从2019全年和2020上半年全球半导体业的细分表现来看，Foundry是最为稳定，且营收表现总体向上，不像IDM和Fabless那样动荡。
另外，从IDM来看，由于是传统产业模式，而且美国又是半导体业的发源地，其技术和产线更新迭代的速度较之Foundry，在节奏上还是慢的，而Foundry应对市场需求变化的能力要好于IDM。在这种情况下，不少IDM，特别是美国企业，近些年越来越多地将芯片外包给Foundry，特别是中国台湾地区的企业。
再有，美国的Fabless企业都非常强悍，如高通、博通、英伟达、AMD、赛灵思，包括苹果自研的手机AP，大都交由亚洲的Foundry，特别是台积电生产。在台积电的营收当中，有约60%来自于美国的Fabless客户，特别是上边提到的那6家大企业。这一方面说明台积电的营收对美国客户的依赖程度很高，另一方面，客观上也体现出美国的芯片生产能力已经是其半导体产业的短板了。如AMD，该公司芯片原本是由格芯代工的，但由于后者于2018年宣布退出10nm及更先进制程的竞争，使得AMD的7nm芯片不得不选择交给台积电代工。此消彼长，不进则退，美国芯片的先进制程工艺制造水平与亚洲的差距似乎在拉大。
这也符合美国整体制造业规模下降，竞争力不足的情势。也正是因为如此，美国政府极力渴求台积电在美国建设先进制程产线。
前文提到英特尔因产能不足，不得不将CPU外包生产，这主要涉及逻辑芯片，这在很大程度上是在新老技术和产线交替阶段出现的产能问题。而除了逻辑芯片外，在模拟芯片领域似乎也存在类似的问题。
以模拟芯片龙头德州仪器（TI）为例，该公司的部分技术和产线也处在新老交替阶段，同时也要优化产能和ROI（投资回报率）。
今年2月，在公司电话会议上，德州仪器表示，将在未来几年内关闭其最后两个150mm（6英寸）晶圆厂，同时，在其德克萨斯州Richardson工厂建造下一个300mm（12英寸）晶圆厂。德州仪器投资者关系主管Dave Pahl在电话会议上说：“这将是一项多年计划，预计不迟于2023年至2025年完成。”
Pahl表示，每年在这两个150mm晶圆厂生产约15亿美元的产品，很大一部分将转移到300mm晶圆厂，从而提高生产率和经济效益。
该公司表示，建成后，这座新工厂将能提供具有竞争力的交货时间和成本的产品，因为更大的300mm晶圆生产的模拟芯片数量是150mm晶圆的两倍以上。选择Richardson的原因之一是：与其现有的RFAB十分靠近，有助于运营效率提升。
在关闭落后产能方面，行业内主要的模拟和模数混合芯片IDM厂商都有着普遍的共识，除了TI之外，另一家大厂ADI也计划在2021年关闭位于加利福尼亚州米尔皮塔斯的150mm晶圆厂。
在模拟芯片市场，像TI、ADI这样的厂商，都有着高于行业平均水平的毛利率。以TI为例，在过去10年内，其利润和利润率保持上升态势，并在2018年创造了新高。按照TI的说法，创造高利润率与他们用12英寸晶圆厂生产模拟芯片、降低成本有关。数据显示，TI的模拟芯片在2018年的运营利润率高达46.7%。
近些年，TI一直在稳步提升其300mm晶圆模拟芯片的产量，以削减成本并提高生产效率。TI表示，300mm晶圆厂的产量比竞争对手使用的200mm工艺生产的芯片便宜40％。此外，对于模拟用途，300mm晶圆厂的投资回报率可能更高，因为它可以使用20到30年。
TI将很多逻辑和嵌入式IC生产外包给代工厂，但模拟芯片主要都是在其自家的工厂生产。该公司目前拥有两个300mm晶圆厂，分别名为RFAB和DMO56。截至2017年，其300mm模拟芯片产量占其整体模拟芯片产量的40％，而到了2018年，这一比例提升到了50％左右。考虑到5G，IoT、汽车和云计算等应用的成熟和大规模扩展，会推动相关模拟芯片需求的增长，因此，该公司有充分的理由进行300mm晶圆厂扩展，以保持并进一步提升其高利润率。
然而，这一过程是需要时间的，在新旧技术和产能更替这一段时间内，对其产能会是一个考验，特别是竞争对手虎视眈眈的情况下，要想大幅度提升市场率，已经非常困难（TI目前在全球模拟芯片的市占率达到18%左右，比排名第二的厂商高出一倍），这种情况下，该公司希望进一步提升ROI，以实现其不断前进的目标。
不过，鉴于2019年低迷的半导体市场行情，以及不甚理想的营收状况，TI在Richardson 投资建设300mm晶圆厂计划并不如当初预想的那样顺利，可能要推迟两年才能完成。
总之，无论是英特尔那种因产能不足，将芯片制造外包，还是像TI这种，建造300mm晶圆厂，淘汰落后的150mm晶圆厂，都是在技术和产线迭代更新阶段，不得不面对产能问题。
在化合物半导体板块，美国也有优势。不过，随着技术的迭代和市场需求的发展，这方面芯片制造外包的需求量也不小。
当下，化合物半导体龙头企业仍以IDM模式为主，如美国的Skyworks、Qorvo、Broadcom/Avago以及Cree。Avago和Skyworks除芯片设计业务外，也有自己的工厂，当自身产能不足时，会将部分订单交给中国台湾代工厂，Avago的代工厂商是稳懋，Skyworks的代工厂商是宏捷科技。
与此同时，化合物半导体产业的代工模式也在不断加强，相对于IDM，代工比例持续提升。2018年，Avago将其位于科罗拉多的工厂出售给了中国台湾的稳懋，Avago以1.85亿美元入股稳懋，成为稳懋第三大股东，未来，Avago的HBT生产线产品将全部由稳懋代工。稳懋的客户还包括Murata、Skyworks、紫光展锐和Anadgics等。
代工业务的发展，在很大程度上是因为GaAs技术和市场已经发展到了非常成熟的阶段，特别是其衬底和器件技术不断实现标准化，产品多样化，相应的设计企业增加，使得代工的业务需求不断增加。
这样，在化合物半导体制造领域，美国对亚洲的依赖程度也在增加。
美国是全球半导体业的霸主，但其芯片制造业危机四伏。在这样的市场状况，以及美国制造业政策的影响下，对于全球的半导体制造业来说，机遇和挑战并存。
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