2023半導體：未來十大趨勢預測
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本文來自浙商科技·行業(yè)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(chǎn)半導體的國產(chǎn)化率拐點行情，提出對2023年半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的十大預測。
預測一：成熟工藝將成為國內(nèi)晶圓廠擴產(chǎn)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(jù)76%的市場份額。2022年全球晶圓代工廠年增產(chǎn)能約14%，其中十二英寸新增產(chǎn)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(lián)電、格芯），成熟工藝約占總產(chǎn)能的74%。
① 臺積電：成熟工藝約占產(chǎn)能的64%，占銷售額的34%。預計臺積電產(chǎn)能為120萬片/月（12英寸），16nm/7nm/5nm的產(chǎn)能約為13.7/17.8/12.0萬片，先進制程產(chǎn)能約為43.5萬片/月，占比36%。到2025年其成熟和專業(yè)節(jié)點的產(chǎn)能將擴大50%。
② 聯(lián)電：放棄先進制程，專注成熟工藝。聯(lián)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(lián)電產(chǎn)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(chǎn)能。
③ 格芯：成熟工藝產(chǎn)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(fā)，目前擁有的先進制程為12nm。預計目前格芯產(chǎn)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(nèi)晶圓廠擴產(chǎn)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(shù)應(yīng)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fab、18nm的DRAM、128層的NAND。而目前成熟制程應(yīng)用的DUV光刻機由日本、歐洲掌握，美國的影響力有限。其他設(shè)備方面，北方華創(chuàng)、中微、盛美、拓荊、華海清科、芯源微、萬業(yè)、精測等國內(nèi)半導體設(shè)備廠商的產(chǎn)品滿足成熟工藝的標準，產(chǎn)品管線覆蓋除光刻機外的所有領(lǐng)域，產(chǎn)品性能得到持續(xù)驗證，半導體設(shè)備國產(chǎn)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(fā)和生產(chǎn)成本逐代上漲，高漲的技術(shù)難度和成本高筑進入壁壘。結(jié)論：成熟工藝作為芯片需求的主力節(jié)點，并且在CHIPLET異構(gòu)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(xiàn)。另外由于目前國產(chǎn)設(shè)備材料的技術(shù)發(fā)展階段的條件約束，且我國的成熟工藝產(chǎn)能仍大面積依靠進口，后續(xù)國內(nèi)的擴產(chǎn)主力就是基于國產(chǎn)可控技術(shù)的成熟工藝。預測二：全球半導體產(chǎn)業(yè)政策進入密集區(qū)中國在全球半導體產(chǎn)業(yè)中仍為“追趕者”姿態(tài)，根據(jù)SIA，2021年半導體行業(yè)格局（按產(chǎn)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(yè)走向成熟以及競爭環(huán)節(jié)產(chǎn)生劇變，全球半導體產(chǎn)業(yè)政策也進入密集區(qū)，政策主要圍繞“強化自身供應(yīng)鏈”和“加強研發(fā)力度”兩條主線。
預測三：Chiplet將成為跨越制程鴻溝的主線技術(shù)
Chiplet將滿足特定功能的裸芯片通過Die-to-Die內(nèi)部互聯(lián)技術(shù)，實現(xiàn)多個模塊芯片與底層基礎(chǔ)芯片的系統(tǒng)封裝，實現(xiàn)一種新形勢的IP復用。Chiplet不僅是延續(xù)后摩爾時代的關(guān)鍵，也是國內(nèi)布局先進制程的解決方案之一，將成為未來行業(yè)發(fā)展的主線：1、Chiplet是延續(xù)后摩爾時代，解決產(chǎn)業(yè)發(fā)展難題的關(guān)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(shù)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(shè)計的復雜度和設(shè)計成本：如果將大規(guī)模SoC按不同模塊分解成芯粒，做到類似模塊化設(shè)計，可以重復利用在不同的芯片產(chǎn)品中。這樣可以大幅降低設(shè)計難度和成本，并且有利于后續(xù)產(chǎn)品的迭代，加速產(chǎn)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(jù)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。
- 能用芯片：135-28nm，對應(yīng)3G手機、家電、消費電子產(chǎn)業(yè)
- 夠用芯片：14-7nm含chiplet，對應(yīng)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(yīng)5G手機、L5無人駕駛、高級座艙
預測四：FD-SOI將為國內(nèi)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(shù)憑借高性能、低功效的優(yōu)勢，帶動SOI硅片需求量大幅增加?；赟OI材料的FD-SOI是先進工藝（28nm以下）兩大技術(shù)路線之一，也是國內(nèi)突破先進工藝的方案之一：1、基于SOI的兩大技術(shù)路線：RF-SOI技術(shù)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(tǒng)的GaAs和SOS技術(shù)，不僅成本更低、集成度更高，還發(fā)揮了SOI材料結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，所實現(xiàn)的器件具有高品質(zhì)、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(shè)備上的射頻前端芯片。
- FD-SOI：FinFET和FD-SOI是發(fā)展先進工藝（28nm以下）的兩大解決方案。FinFET技術(shù)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(shù)路線逐漸得到業(yè)界關(guān)注。
- 理論上，利用DUV光刻機制造的FD-SOI產(chǎn)品，可以達到與采用EUV光刻機制造的FinFET產(chǎn)品相當?shù)男阅堋?/span>
預測五：RISC-V將引領(lǐng)國產(chǎn)CPU IP突破指令集封鎖RISC-V開放的定位是國產(chǎn)芯片實現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈自主可控的必要基礎(chǔ)，條件約束和技術(shù)優(yōu)勢兩方面因素決定了RISC-V與中國半導體產(chǎn)業(yè)雙向選擇。從技術(shù)架構(gòu)、軟硬件生態(tài)到量產(chǎn)應(yīng)用，我國RISC-V產(chǎn)業(yè)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(fā)的CPU IP將成為2023年國產(chǎn)IP主線。
- RISC-V可以滿足國產(chǎn)CPU架構(gòu)自主可控需求。不同于x86、ARM等國外商業(yè)公司壟斷的私有指令集架構(gòu)，RISC-V最大的特點是開放標準化，是CPU技術(shù)變革的一次絕佳機遇，能夠很好的調(diào)節(jié)軟件普適生態(tài)和CPU國產(chǎn)自主可控的雙重需求。RISC-V生態(tài)體系也因此正在全球范圍內(nèi)快速崛起，成為半導體產(chǎn)業(yè)及物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算等新興應(yīng)用領(lǐng)域的重要創(chuàng)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(mào)易法規(guī)而搬到了瑞士，并更名為RISC-V International，進而該開源社區(qū)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(yè)單位。
- IP是實現(xiàn)芯片設(shè)計國產(chǎn)化的必經(jīng)之路。IP作為深層關(guān)鍵要素，對于基礎(chǔ)軟件、芯片設(shè)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(chǎn)業(yè)鏈都是不可或缺的存在。當前產(chǎn)業(yè)界90%以上的SoC都是采用以IP核為主而進行設(shè)計的，大量復用IP核代碼和專利等硅知識產(chǎn)權(quán)。
- 基于RISC-V的CPU IP將迎來歷史性發(fā)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(quán)或架構(gòu)授權(quán)基礎(chǔ)上。近年來美國對華科技產(chǎn)業(yè)限制層出不窮，IP和芯片底層架構(gòu)國產(chǎn)化替代已經(jīng)迫在眉睫，必須實現(xiàn)深層要素的國產(chǎn)化才能實現(xiàn)全棧要素創(chuàng)新。RISC-V憑借其開放優(yōu)勢有望成為IP獨立自主的關(guān)鍵根技術(shù)。
- 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(chǎn)RISC-V芯片量產(chǎn)，應(yīng)用場景集中在MCU、電源管理、無線連接、存儲控制、物聯(lián)網(wǎng)等中低端場景。而目前已有多家創(chuàng)新企業(yè)計劃在2023年發(fā)布對標64核高性能的服務(wù)器級處理器，應(yīng)用領(lǐng)域也有望從專業(yè)應(yīng)用場景逐步拓展到通用計算場景。
預測六：反全球化持續(xù)，中國半導體內(nèi)循環(huán)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(yè)，計劃五年內(nèi)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(lián)邦資金的公司在中國大幅增產(chǎn)先進制程芯片。這標志著半導體行業(yè)將由全球化大分工，轉(zhuǎn)向反全球化。
預測七：終端廠商及設(shè)計公司向產(chǎn)業(yè)鏈前端滲透
半導體產(chǎn)業(yè)鏈三種權(quán)利：設(shè)計權(quán)（決定創(chuàng)新和供給）+代工權(quán)（決定安全和產(chǎn)能）+設(shè)備權(quán)（決定產(chǎn)業(yè)鏈安全和工藝底層突破）。芯片產(chǎn)業(yè)全球化分工使設(shè)計與制造環(huán)節(jié)分離，存在供應(yīng)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(yè)向產(chǎn)業(yè)鏈前端滲透、實現(xiàn)自主可控已是大勢所趨。1、對于終端廠商來說，芯片領(lǐng)域?qū)⒊蔀樾碌闹鲬?zhàn)場，著力于掌握芯片設(shè)計權(quán)甚至代工權(quán)是終端企業(yè)未來發(fā)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、OPPO、vivo等芯片研發(fā)主要聚焦于影像、藍牙、電池管理等細分領(lǐng)域；②智能汽車：以特斯拉為先鋒，傳統(tǒng)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；③互聯(lián)網(wǎng)：亞馬遜、微軟、谷歌、阿里等通過推出定制化的自研芯片，驅(qū)動云計算服務(wù)的創(chuàng)新迭代。參考全球智能手機巨頭的發(fā)展歷程，隨著產(chǎn)品同質(zhì)化加劇，芯片區(qū)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(shè)計研發(fā)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(shù)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(nèi)部自身發(fā)展需要。①把握產(chǎn)能主動權(quán)：全球芯片短缺使部分下游企業(yè)產(chǎn)能無法釋放，布局芯片領(lǐng)域?qū)⒈Ｕ瞎?yīng)鏈穩(wěn)定性。②滿足應(yīng)用領(lǐng)域功能需求：隨智能化發(fā)展，高通、英特爾等芯片企業(yè)供應(yīng)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(fā)展，構(gòu)建芯片、系統(tǒng)軟件、終端產(chǎn)品的生態(tài)閉環(huán)，搶占智能網(wǎng)聯(lián)高地。③提升話語權(quán)和競爭力：提高對核心技術(shù)的把控能力，使自己擁有產(chǎn)品創(chuàng)新節(jié)奏的主導權(quán)。2、對于IC設(shè)計公司來說，自建晶圓廠、在成熟工藝節(jié)點掌握獨立代工權(quán)、將芯片設(shè)計和生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)集于一體，將成為趨勢。當前，缺乏代工權(quán)已經(jīng)成為制約中國半導體設(shè)計公司發(fā)展的關(guān)鍵因素。①產(chǎn)能不足：設(shè)計公司晶圓制造是芯片產(chǎn)業(yè)鏈的重要環(huán)節(jié)，在當前全球晶圓產(chǎn)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(chǎn)能無法匹配設(shè)計公司不斷提升的技術(shù)水平。②利潤承壓：晶圓短缺導致代工廠漲價，增加IC設(shè)計公司成本。
預測八：智能座艙將成為電車智能化主戰(zhàn)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(jīng)歷三段式發(fā)展，未來3-5年將成為電車智能化主戰(zhàn)場。1.0階段（1980s-2011）：以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(shù)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(chuàng)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(chuàng)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(qū)、3D ToF傳感器及21個揚聲器等，實現(xiàn)三維交互，此后智能座艙發(fā)展聚焦于人機交互的智能體驗。2、智能駕駛：目前發(fā)展受限，時機尚未成熟，2025后有望突破約束得以發(fā)展。短期內(nèi)，智能駕駛無法成為智能電車發(fā)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(shè)計能力和封測能力，但先進制程的生產(chǎn)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(chǎn)芯片廠商具備大算力優(yōu)勢，但整體來看，仍難以滿足由傳感器數(shù)量提升帶來的爆發(fā)式增長的算力需求。③缺少法律法規(guī)：當前我國自動駕駛相關(guān)法律法規(guī)尚不完善，其商業(yè)化應(yīng)用將面臨法律挑戰(zhàn)。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(chuàng)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(xù)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(chuàng)新周期，長期看國產(chǎn)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(chǎn)能供過于求，全行業(yè)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(xiàn)出量價齊跌狀態(tài)。②被動去庫存（量跌價平/升）：隨需求復蘇，庫存繼續(xù)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(xù)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(tài)。④被動補庫存（量升價平/跌）：需求相對平穩(wěn)，而廠商為了應(yīng)付未來可能的需求，繼續(xù)增加產(chǎn)量，存在供給慣性，導致供給側(cè)產(chǎn)能過剩。
預測十：國產(chǎn)化5.0推進，建立中國半導體生態(tài)系統(tǒng)
通過梳理國內(nèi)半導體行業(yè)國產(chǎn)替代的發(fā)展脈絡(luò)，可以分為五個階段，2023年國產(chǎn)化將從4.0向5.0推進：1、國產(chǎn)化1.0（芯片設(shè)計）：2019年以信創(chuàng)軟件（操作系統(tǒng)）和芯片設(shè)計（數(shù)字芯片、模擬芯片）幾大類為主2019年5月，限制華為終端的上游芯片供應(yīng)，目的是卡住芯片下游成品，直接刺激了對國產(chǎn)模擬芯片、國產(chǎn)射頻芯片、國產(chǎn)存儲芯片、國產(chǎn)CMOS芯片的傾斜采購，這是第一步。2、國產(chǎn)化2.0 （晶圓制造）：2020年以晶圓代工和周邊產(chǎn)業(yè)鏈，主要以中芯國際、封測鏈、設(shè)備鏈為主2020年9月，限制海思設(shè)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(shè)備（PVD、刻蝕機、離子注入機等），海思只能轉(zhuǎn)移到備胎代工鏈，直接帶動了中芯國際等國產(chǎn)晶圓廠和封測廠的加速發(fā)展。3、國產(chǎn)化3.0（設(shè)備材料） ：2021年以晶圓廠上游的半導體設(shè)備和材料鏈為主，比如前道核心設(shè)備和黃光區(qū)芯片材料2020年12月，中芯國際進入實體名單，限制的是芯片上游半導體供應(yīng)鏈，本質(zhì)是卡住芯片上游設(shè)備。想要實現(xiàn)供應(yīng)鏈安全，必須做到對半導體設(shè)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(guān)鍵是針對刻蝕等美系技術(shù)的替代。
4、國產(chǎn)化4.0（設(shè)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(chǎn)鏈條的深水區(qū)，最底層的替代2022年8月，美國發(fā)布芯片法案，對國內(nèi)先進制程的發(fā)展進行封鎖。想要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)自主可控，必須進入國產(chǎn)鏈條的深水區(qū)，實現(xiàn)從根技術(shù)到葉技術(shù)的全方位覆蓋。因此，底層的半導體設(shè)備逐漸實現(xiàn)1-10的放量，芯片材料逐漸實現(xiàn)0-1的突破，EDA/IP登陸資本市場，成為全新品類，最底層的設(shè)備零部件也將迎來歷史性發(fā)展。5、國產(chǎn)化5.0（中國半導體生態(tài)系統(tǒng)）：2023年以后，將以建立產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)強供需聯(lián)系、打通內(nèi)循環(huán)為主要替代目標我國半導體產(chǎn)業(yè)全而不強，半導體產(chǎn)業(yè)鏈的幾乎每一個環(huán)節(jié)都有中國企業(yè)，但是整體處于落后位置。由于產(chǎn)業(yè)鏈上下游的中國企業(yè)缺乏深度聯(lián)系，單個企業(yè)的進步很容易受美國制裁影響。因此，培育良好的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，實現(xiàn)全自主制造，打通內(nèi)循環(huán)，依托國內(nèi)的市場優(yōu)勢，實現(xiàn)半導體產(chǎn)業(yè)鏈的不斷升級，將成為國內(nèi)半導體行業(yè)國產(chǎn)化5.0的重要目標。來源：光刻人的世界
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