作者：張心怡
2022年的“上半場”已經過去，連續兩年高歌猛進的集成電路產業正在回歸理性。經歷了年初主力廠商一系列擴產計劃帶動的高增長預期，隨后而來的相關局勢引發的市場對半導體原材料供應的擔憂，以及高通脹和消費電子景氣下滑對需求端的影響，集成電路依然交出了一份平穩的答卷。新一輪的周期性波動和庫存調整，雖然有可能對集成電路產業的增長速度帶來影響，但有望推動供需關系的動態平衡，也讓集成電路企業再次意識到核心競爭力和差異化創新的重要性。在波動的行情、長期的需求與企業持續迭代技術等因素的共同作用下，集成電路產業將走向何方？
上半年表現平穩，增長仍是全年主基調
雖然面臨疫情防控、世界經濟復蘇放緩等一系列不確定性因素，集成電路產業仍在承壓前行。世界半導體貿易統計協會6月發布的春季預測顯示，2022年全球半導體市場規模將增長16.3%，繼2021年年增26.2%之后繼續保持兩位數的增長，達到6460億美元。集成電路、傳感器、分立器件等主要半導體品類的市場規模也將保持兩位數增長。
2022-2023年全球半導體市場規模預測
數據來源：世界半導體貿易統計協會
“2022年上半年，全球半導體市場銷售額整體表現平穩。在地緣沖突、新冠肺炎疫情以及全球通脹等因素影響下，疊加2021年市場高基數，2022年全球半導體銷售額增速或將有所下滑。從需求端看，2022年上半年消費電子需求較弱，影響庫存消化，下半年各品牌重點新品發布或將在一定程度上提振消費者購機意愿。另一方面，AR/VR創新層出不窮，AIOT百花齊放，新能源汽車智能化快速推進，高端制造信息化趨勢不改，各類硬件設備‘含硅量’加速提升，這些應用側創新都將成為半導體需求維持高景氣度的重要動能。”中國國際金融股份有限公司研究部執行總經理彭虎向《中國電子報》記者表示。
短期來看，高性能計算、汽車電子對芯片的需求量持續提升，對半導體產業的帶動能力逐步增強。
“新能源汽車電動化過程中，功率半導體市場化應用快速普及，帶動寬禁帶半導體行業步入快車道。新能源汽車智能化方面，駕駛體驗更佳、行駛更安全、人車互動更便捷的用戶需求將持續推動智能座艙的升級和自動駕駛的成熟，從而帶動聯屏、多傳感器、大算力芯片的協同發展，為半導體產業鏈帶來算力芯片、激光雷達、域控制器、自動駕駛SoC芯片等多方面創新機遇。”彭虎說。
長期來看，IT的創新正在驅動數字化轉型和消費升級，為集成電路產業注入源頭活水。
“近幾年，很多行業出現了新的發展趨勢，比如5G向企業網絡擴展、萬物連接至云端、AI在邊緣側規模化、物理和虛擬空間結合、輔助駕駛規模化等等。這些關鍵趨勢的出現離不開5G、AI、云計算等重要技術的推動。隨著各行各業數字化轉型的加速，消費者對于擁有先進連接、高性能低功耗計算、感知和智能的網聯終端需求的提升，對于先進技術、領先半導體產品的需求將進一步擴大。” 高通公司中國區董事長孟樸向《中國電子報》表示。
作為全球規模最大的集成電路市場，中國集成電路產業依然在發揮市場優勢和應用牽引作用。上半年，國內集成電路進口增長5.5%，出口增長16.4%，為提升全球集成電路供應鏈產業鏈的韌性做出貢獻。
“以全球視野謀劃科技開放合作是集成電路行業發展的主旋律。近年來，新基建等政策為中國產業帶來了巨大增量市場和合作機遇，中國企業充分利用全球資源，持續推進技術創新，現在中國已經是全球規模最大、增速最快的集成電路市場之一。高通公司作為全球最大的無晶圓半導體企業，同時也是中國業務占公司總比超過50%的跨國半導體企業，將持續秉持開放創新、合作共贏的原則，攜手生態系統共同推動全球集成電路產業發展。” 孟樸說。
面向下半年，市場需求和技術創新的雙重拉動，有望進一步提升國內半導體產業的發展動能。
“具體到國內，隨著疫情逐步得到控制，智能手機、智能家居等電子產品銷量將逐步回暖，芯片代工產能的良性釋放，也會有利于新的設計項目的展開。同時，伴隨存量項目需求及量產的趨緩，企業通過技術創新、上馬新項目和新產品來擴大營收的動力也會更強，也會為下半年產業發展增添新的增長動能。” 芯華章科技首席市場戰略官謝仲輝向《中國電子報》表示。
供需漸趨平衡，產業鏈各環節穩中求精
集成電路產業鏈已然經歷了將近兩年的供不應求，其最明顯的動作就是代工廠商的一系列擴產，包括今年2月聯華電子（以下簡稱聯電）宣布新加坡建廠計劃、博世宣布德國擴建計劃，3月英特爾宣布將在德國建廠，4月鎧俠、西部數據宣布共同投資日本四日市工廠并將于秋季開始初步生產等。但消費市場需求轉弱使半導體產業的庫存水位有所上升，產業鏈的全面短缺轉為結構性短缺，供需關系有望逐漸走向平衡。臺積電CEO魏哲家在7月召開的臺積電法說會上表示，臺積電注意到半導體供應鏈正在采取行動，預計2022年下半年的庫存水位將有所下降。經歷了兩年疫情防控驅動的“宅經濟”需求，這種調整是合理的。臺積電預計半導體供應鏈的積壓庫存需要幾個季度的時間重新平衡，并發展到更健康的狀態。
“盡管仍存在諸多不確定性因素，但除了車規、工控、功率等芯片外的各細分市場供需關系正在走向均衡，而因缺芯導致半導體設備交付困難，由此造成產能擴張慢的‘惡性循環’也有望被打破。我們認為，設計、制造、設備和材料各產業鏈環節的動態平衡正在逐漸恢復。”彭虎表示。
受益于近兩年全球晶圓產能擴張和各國對數字基礎設施的投資，半導體設備產業展現出強勁的增長勢頭。SEMI最新報告稱，原始設備制造商的半導體制造設備全球總銷售額預計將在2022年達到創紀錄的1175億美元，首次達到1000 億美元的里程碑。而國內半導體設備產業，也受益于國內近年來高于全球市場增速的半導體銷售額，迎來了更加廣闊的發展空間和新的發展契機，也面臨著更大的技術挑戰。
2022年年中半導體設備預測（單位：十億美元）
數據來源：SEMI
中電科電子裝備集團有限公司董事長、黨委書記景璀向《中國電子報》表示，在數字化轉型、新能源汽車、“雙碳”戰略等大背景的驅動下，本土半導體設備產業將在“十四五”時期總體呈增長態勢，總體呈現三個趨勢。
一是下游需求蓬勃發展將持續拉動設備需求。下一步，5G、人工智能、物聯網、云計算、智能汽車等新興領域的蓬勃發展，為集成電路的需求帶來增量空間，進而為半導體設備帶來巨大的市場。
二是單位制造所需設備數量上漲。先進制程芯片制造對工藝精度提出了更高的要求，需要采取多重圖形工藝，同樣的芯片產量所需求的設備量遠遠大于過去的成熟制程，半導體設備的需求將進一步增加。
三是由于技術難度與復雜度增加，設備的單價進一步升高。制程要求、良率要求等方面的共同作用，將促使新一代半導體設備的技術含量大幅提高，同時，極高的技術壁壘又進一步強化了產品壟斷，導致新一代半導體設備的單價遠遠高于過去。
“我們將持續突破離子注入核心技術，推進高端平坦化設備技術研發，進一步加強生產工藝與設備的融合，裝備與生產節奏相適配，確保與國內大線需求同步發展。同時，我們將聯合國內外優勢資源，建立上游零部件、原材料企業協同發展的產業生態，帶動國內零部件企業的發展，強化供應鏈現代化。”景璀說。
要將市場優勢轉化為發展動能，需要以技術產品的落地應用作為前提條件。深圳市埃芯半導體科技有限公司CEO張雪娜向《中國電子報》表示，國內企業推出的設備要真正地應用起來，否則無法催熟產品進行迭代升級。無論架構還是技術創新要圍繞客戶的需求和問題，為客戶提供有價值的創新。只有在市場競爭中贏得機會，才能行穩致遠。“通過創新實現技術差異化優勢，解決晶圓制造客戶的實際問題，才能持續獲得市場機會，不再受困于半導體周期性發展的影響。”張雪娜說。
作為芯片產品定義和創新的初始環節與核心環節，芯片設計產業的定制化、差異化趨勢愈加明顯。謝仲輝表示，“系統+芯片+算法+軟件”協同開發的定制化芯片，決定了最終系統應用的競爭優勢，因此客戶對半導體產品的定制化需求越來越強烈，系統應用將成為芯片設計創新的核心驅動力。
“我們可以看到越來越多的系統級公司躬身入場，通過自研芯片實現差異化的功能和體驗。比如特斯拉、小鵬汽車等發力自研芯片；蘋果、小米、OPPO等手機廠家下場自研芯片，甚至大疆、華為等參與智能汽車領域的芯片研發，都反映出系統公司對自研芯片的強烈需求。” 謝仲輝說。
這種面向專用場景追求用戶體驗和場景適用性的趨勢，也對EDA等芯片設計的工具鏈的技術精度提出了更高的要求。
“所有芯片設計公司都希望通過更充分的驗證，降低投片風險與流片成本。我們希望通過EDA工具和方法學的全面進階，讓系統工程師和軟件工程師都參與到芯片設計中來，解決設計難、人才少、設計周期長、設計成本高企的問題，用智能化的工具和服務化的平臺縮短從芯片需求到系統應用創新的周期，降低復雜芯片的設計和驗證難度，賦能電子系統創新。”謝仲輝表示。
與芯片設計一樣引起上下游企業紛紛入局的另一個產業環節是封裝。臺積電、三星、英特爾都將先進封裝作為提升芯片性能、改善芯片能效、增強芯片架構靈活性的重要途徑，以實現更加豐富的代工生態和系統級的解決方案。
今年以來，代工和IDM主力企業繼續強化在封裝領域的布局。臺積電日本3DIC研發中心于6月舉行開幕儀式，該研究所致力于下一代三維硅堆棧和先進封裝技術的材料領域，旨在支持系統級創新，提高運算效能并整合更多功能。三星于7月宣布成立了半導體封裝工作組，以加強與大型晶圓代工廠客戶在封裝領域的合作。英特爾也在今年2月的投資者大會上公布了先進封裝路線圖，預計今年將在Sapphire Rapids和Ponte Vecchio上交付領先的封裝技術，并在Meteor Lake上試產。其2021年公布的Foveros Omni和Foveros Direct封裝技術預計2023年投產。
同樣需要注意的是，產業鏈的供需健康，以及各環節供應水平和技術能力的提升，都離不開全球暢通的分工合作模式。
“集成電路產業本質上是全球化的產業，以全球協作為基礎，包括材料、設計、制造、裝備、封測等多個環節。在過去一段時間，高通公司堅持多供應商策略，并聯合供應商在建設新設備、擴大產能方面做了大量工作，這些策略都有助于持續改善供應。”孟樸說。
技術創新多點開花，推動產業螺旋上升
以需求帶動技術創新，再以技術創新拓寬使用場景，形成技術、應用與需求的良性循環和螺旋上升，是一個產業健康發展的邏輯所在。面對半導體產業的周期性波動和疫情等“黑天鵝”事件，頭部半導體企業依然沒有放緩創新的腳步，而技術的獨特性也是引領半導體企業穿越產業周期變化的不二法門。
制程節點是集成電路制造工藝水平的直觀體現，其演進路線如同摩爾定律的心電圖，反映著集成電路產業乃至全球信息化進程的發展節拍。
隨著三星在6月30日宣布基于GAA(全環繞柵極）架構的3nm制程芯片啟動初步生產，先進制程正式駛入3nm，晶體管技術也逐漸成為頭部芯片制造企業的比拼焦點。三星表示，其3nm制程采用了MBCFET（多橋通道晶體管）技術，突破了FinFET性能限制，相比其5nm工藝實現了23%的性能提升，降低了45%的功耗并減少了16%的芯片面積。臺積電將在2nm節點采用GAA架構及納米片晶體管架構，實現在相同功耗下速度增快10%～15%，或在相同速度下功耗降低25%～30%，預計2025年開始生產。作為摩爾定律的提出者和捍衛者，英特爾計劃通過全新晶體管架構RibbonFET架構將制程帶入埃米（納米的十分之一）時代。據悉，RibbonFET是英特爾研發的GAA晶體管，也是其繼2011年率先推出FINFET以來首個全新晶體管架構，預計在2024年推出。
雖然先進制程節點還在向更加微小的數字挺進，但芯片性能水平的提升，已不再單純依賴工藝的進步，設計廠商的比拼重點也越來越傾向于系統級別的創新。謝仲輝指出，服務器、AI、汽車、手機等高科技系統公司，通過SoC芯片和ASIC芯片的創新來實現系統創新。同時新興技術的發展也反過來促進芯片設計和EDA的發展，人工智能、機器學習、云計算等技術對芯片設計和 EDA 工具本身的影響越來越大。因而Chiplet、異構計算等能夠提升芯片集成規模和效率的技術受到廣泛關注。
“Chiplet包含了許多EDA相關技術，包括封裝內功耗分析、散熱分析等，Chiplet芯片的設計驗證也對傳統EDA提出了新的要求。這種通過異構、系統集成的方式，也體現了我們從系統設計角度去出發的理念。半導體設計產業開始不僅是通過工藝的提升，而是更多考慮系統、架構、軟硬件協同等，以應用導向驅動芯片設計，讓用戶得到更好的體驗。” 謝仲輝表示。
架構創新也成為芯片設計的另一個發力點。精簡、靈活、可拓展的RISC-V，以及異構集成等不依賴制程工藝提升芯片性能的技術，將在后摩爾時代發揮更加重要的作用。
“RISC-V或將成為x86、ARM之外的又一重要架構。隨著AI技術的發展，異構架構目前已經得到了較為廣泛的應用。存算一體（阻變存儲器等）將目前計算機存儲和運算兩大基本功能單元合二為一，理論上能夠和AI算法（神經網絡）形成較好耦合。”彭虎說。
在最上游的材料環節，在遷移率、帶隙寬度等方面具有更優能力的新材料正在進入產業界的視野。寬禁帶半導體產業化進程提速，Wolfspeed全球首條8英寸碳化硅晶圓生產線于4月啟動試產，將進一步提升碳化硅的產量并降低成本。
“可以看到，業界廣泛討論的第二、三、四代半導體，也就是GaAs、GaN、SiC、Ga2O3等材料具有寬禁帶、高導熱率、高抗輻射等優勢，在高速、高頻、大功率等應用場景相較硅具有顯著優勢，在5G、新能源市場逐步普及。石墨烯、碳納米管等碳基器件理論上可以較好適配柔性電子領域應用。”彭虎說。
而“一機難求”的設備產業，也在隨著工藝制程的進步提升系統性能。今年6月，臺積電研發資深副總經理米玉杰在臺積電硅谷技術研討會上表示，公司將在2024年引進ASML高數值孔徑極紫外光光刻機，更高數值的孔徑意味著更小的光線入射角度，能夠用來制造尺寸更小、速度更快的芯片。
景璀表示，未來半導體設備技術發展將聚焦于三個主要趨勢：一是功能模塊和工藝集成化，設備各模組功能進行模塊標準化，盡可能實現工藝輸出的穩定性和一致性，相關聯或相近工藝盡量整合在同一系統，有效提高整個系統的輸出效率；二是控制精細化，先進工藝節點越低對關鍵參數的控制要求越精細；三是系統智能化，設備系統集成智能算法，根據工藝輸出可自動對關鍵參數進行修正調節。
