[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。

芯片元器件用量提升


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。

显然,5G落地是芯片元器件用量提升的重要因素。

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%。

以上这些芯片增量,大都需要晶圆代工厂消化。

IDM芯片制造外包业务增加


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。

设备和互联网厂商自研芯片增加


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。

结语


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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责任编辑:Sophie
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