30年後的半導體預測：28nm還會是“甜蜜節點”

格隆匯 01-27 09:38

本文來自格隆匯專欄：半導體行業觀察，作者：湯之上隆

受到新冠疫情的影響，遠程辦公、網絡購物迅速普及，PC、各類電子設備、遊戲機等銷量暴增。最終導致全球半導體供給不足。

就半導體而言，既有供給充分的產品、也有真正供給不足的產品，情況不盡相同。筆者將在下文中論述“供給尤其不足的是28納米的半導體”。此外，在本文的最後，筆者將再次對2050年之前的半導體市場進行預測（筆者在一年前已經做過預測）。

“甜蜜節點”是16納米？

2021年12月15日一一17日，在東京國際展覽中心（Big Sight）召開了為期三天的日本最大的半導體商務活動“SEMICON Japan”。筆者在Semi Technology Symposium（STS）的“尖端材料、製造、分析環節”與原英特爾的龜和田忠司先生合作發表了《日本的設備、材料的競爭力與其源泉》。

STS的演講者可以免費參加所有的環節。於是筆者幾乎參加了所有的環節，並聽取了演講。其中，在“SEMI 市場”這一環節中，筆者聽取了Mckinsey & Company（麥肯錫諮詢公司）土谷大先生的《半導體產業供應鏈動力學（Supply Chain Dynamics）》後，相當震驚！

筆者之所以震驚，是因為土谷大先生在“SEMI 市場”這一環節中，提到了“從（Foundry）的半導體生產成本來看，16納米技術節點很有可能成為“甜蜜節點（Sweet Spot，是指能體現出一件事情最好或最有效的地方，通常是最有生產力的地方，也是因為各種品質的結合而努力的地方）”。由於當時筆者是通過Zoom來參加的，因此在聊天環節，發出了以下消息：“我認為對Foundry而言，其“甜蜜節點”是不是16納米、而是28納米，您認為呢？”於是，SEMI辦公室回覆説：“抱歉，無法回覆提問”。於是，筆者又留言説：“這是有償參加的會議，因此希望貴處可以回覆我的問題”。SEMI 辦公室回覆説：“我們會把您的問題轉達給演講者”。但是，到1月16日，已經一個多月過去了，筆者沒有收到來自麥肯錫的任何回覆。

SEMI辦公室是否已經將筆者的問題轉達給土谷大先生？還是已經轉達，但被無視了？無論如何，筆者很不滿意。因此，筆者決定通過下文證實“對Foundry而言，甜蜜節點是28納米、不是16納米！”

誰從新冠疫情帶來的“新常態”中收受益？

2020年新冠疫情在全球範圍內蔓延，2021年，人們的生活發生了巨大變化，即出現了“新常態（New Normal，新生活方式）”。從2021年6月舉辦的“TSMC Technology Symposium”來看，主要有以下具體事例。

網絡購物在八週內，銷售了過去十年的量。
在三個月的時間裏，遠程辦公的人數增長了20倍。
在兩個星期的時間裏，在線學習的人數增長至2億5，000萬人。
在五個月的時間裏，遊戲下載數量達到了過去七年的量。

此外，由於“新常態”的普及，各類電子設備的銷售也出現了爆發式的增長。下圖1是2021年和2022年各類電子設備與上年比較的出貨數量增減比例（%）。

圖1：各類電子設備的出貨數量增長率（YoY %）。筆者根據Joanne Chiao（TrendFore）,“Wafer Shortages Drives the General Growth of Foundry Capacity in 2022”,Memory Trend Summit 2022“製作了此圖。（圖片出自：eetimes.jp）

從圖1可以看出，對於遠程辦公和在線學習而言，作為必需品的PC，與2020年相比，2021年的出貨數量增長了16.5%。但是，據預測，今年（2022年）的出貨數量預計較2021年下滑7.2%（雖然為負增長，由於受到奧密克戎蔓延的影響，以上預測可能會發生變化）。

從上圖1可以看出，在2021年，受到新冠疫情的影響，很多國家和地區不得不封城封國以及宣佈進入緊急事態，導致人們不得不“宅在家中”，因此筆記本電腦（16.5%）、遊戲機（35%）、可穿戴設備（11.1%）等都出現了暢銷現象。

因此，用於以上電子設備的半導體產品的需求急劇擴大。那麼，需求增長最明顯的半導體主要集中在哪些方向呢？

在2021年一一2022年期間，Foundry擴大了那些技術節點的產能？

下圖2是在2021年至2022年期間，全球Foundry廠家擴產的各項技術節點。據預測，2021年5納米月產能擴大70k，2022年3納米月產能擴大90k，但以上僅為TSMC一家公司的擴大量，且其主要用途為美國蘋果“iPhone”的AP（應用處理器，Application Processor)。

圖2：全球Foundry的各技術節點月產能的擴大量。筆者根據Joanne Chiao（TrendFore）,“Wafer Shortages Drives the General Growth of Foundry Capacity in 2022”,Memory Trend Summit 2022“的資料製作了此圖。（圖片出自：eetimes.jp）

用於大部分電子設備的半導體集中在28納米的理由

28納米半導體有以下典型特點：

1.28納米技術節點為採用平面型（Planer）晶體管的最後一代。

2.不使用Self-Aligned Double Patterning（SADP，自對準雙模式，從FinFET開始運用SADP）。

3.原本採用IDM（Integrated Device Manufacturer）模式的瑞薩電子等企業從28納米代際開始交給Foundry代工。

從28／22納米到16／14納米，雖然性能得以提高，成本也上升了，存在着這一不可調和的矛盾。就蘋果的iPhone、High Performance Computing（高性能計算）方向而言，即使成本稍微上升，也會採用FinFET（採用了SADP），但是，汽車等其他大部分電子設備並不需要如此高的性能。28納米技術節點的性能已經足夠，甚至很多廠家更希望採用在成本上具有優勢的28納米。因此，就出現了下圖3的結果，大部分電子設備採用的半導體都集中在了28納米上。

圖3：半導體的技術節點和晶體管的結構（用於大部分電子設備的半導體都集中在28納米節點）。筆者根據Joanne Chiao（ TrendFore）,“Wafer Shortages Drives the General Growth of Foundry Capacity in 2022”,Memory Trend Summit 2022“製作了此圖。（圖片出自：eetimes.jp）

用於筆記本電腦Wi-Fi系統的LSI（System on Chip、SoC）、TCON（Timing Controller，時序控制器）。
平板電腦的SoC和NAND控制器。
電視機的SoC、TCON、起連接作用的半導體（Connnectivity）。
用於路由器Wi-Fi的的SoC.
用於智能手機的SoC（入門級）、通信半導體（RF，Radio Frequency，射頻），顯示屏驅動IC（Display Drive IC，DDI），CMOS圖像傳感器（CMOS Image Sensor，CIS）的邏輯半導體、用於人臉識別等的圖像信號處理器（Image Signal Processor，ISP）、NAND控制器。
用於汽車的MCU（Micro Controller Unit，一般稱為微控制器單元）。
遊戲機的SoC、MCU、NAND控制器。
可穿戴設備的MCU、用於無線耳機的True Wireless Stereo（TWS，真無線立體聲）、ASIC（用於特定方向的邏輯半導體）、FPGA（Field Programmable Gate Array，現場可編程邏輯門陣列）、用於連接的半導體（Connectivity）。

28納米（包括改良品22納米）半導體的用途不勝枚舉。以上這些28納米半導體的需求因新冠疫情而迅速擴大。而且，以上這些28納米半導體幾乎都由Foundry代工生產。

各家Foundry的銷售額佔比

下面我們來看看各家Foundry的2021年和2022年的銷售額預測佔比（下圖4）。作為TOP 1的TSMC預計，在2022年市佔率將會進一步提升，提升至57%。作為TOP 2的三星電子（17%）、作為TOP3的台灣UMC（7%）的市佔率幾乎沒有變化。TOP 4的GF（Global Foundries，格羅方德半導體）市佔率下滑了1%，下滑至5%，作為TOP5的中國大陸的SMIC（5%）的佔比也沒有變化。

圖4：對各家Foundry銷售額的預測（2021年和2022年）。筆者根據Joanne Chiao（TrendForce）,“Wafer Shortages Drives the General Growth of Foundry Capacity in 2022”,Memory Trend Summit 2022“的資料製作了此圖。（圖片出自：eetimes.jp）

那麼，在以上Foundry廠家中，哪家可以生產28納米呢？TSMC於2011年開始量產28納米（下圖5）。次年（2012年），三星電子和UMC開始量產28納米。GF於2013年、SMIC於2015年，HH Grace（中國華虹宏力）於2018年分別開始量產28納米。

圖5：各家Foundry廠家的技術節點的進步。筆者根據Joanne Chiao（TrendForce）,“Wafer Shortages Drives the General Growth of Foundry Capacity in 2022”,Memory Trend Summit 2022“的資料製作了此圖。（圖片出自：eetimes.jp）

此處我們需要注意的是三星電子的Foundry主要為其自家的“Galaxy”智能手機生產處理器，因此，微縮化不斷進步，已經終止生產傳統（Legacy）半導體。三星電子現在很有可能已經無法生產28納米的半導體。

如此一來，能生產出當下供給緊湊的28納米半導體的廠家僅有以下五家公司：TSMC、UMC、GF、SMIC、HH Grace。但是，如上圖4所示，TSMC的銷售額佔比為一半以上，穩居第一。因此，可以斷言，需求在全球範圍內暴增的28納米半導體訂單正向TSMC蜂擁而至。

“甜蜜節點”為28納米

至此，我們瞭解到，由於新冠疫情的蔓延，“新的生活方式”得以普及，筆記本電腦、遊戲機、可穿戴設備等各類電子設備爆發式增長。此外，以上這些電子設備中所使用的半導體的需求也急劇增長。因此，具有成本優勢、性能出色、平面型晶體管的最後一代產品一一28納米開始在全球範圍內出現供給不足。

總而言之，28納米半導體已經成為“甜蜜節點”（麥肯錫提出的16納米，由於是採用了SADP的FinFET，因此不會成為“甜蜜節點”）。此外，以上大部分的28納米產品都由TSMC代工生產，TSMC的28納米產能很可能已經遇到“瓶頸”。

下圖6是TSMC的各技術節點的季度銷售額。UMC、GF、SMIC等工廠雖然處於滿負荷運營，但TSMC 的28納米產能依舊是全球最大的。因此全球28納米的訂單向TSMC紛至沓來。為了進一步擴大28納米的產能，只能新建工廠。但是，我們會在下文説明緣何TSMC沒有餘力去擴產。

圖6：TSMC的各技術節點的銷售額（一一2021年第三季度）。筆者根絕TSMC的Historical Operating Data製作了此圖。（圖片出自：eetimes.jp）

TSMC面臨的困境

2021年TSMC投資了約300億美元（約人民幣1,950億元），今年（2022年）1月13日，TSMC 宣佈稱2022年將投資440 億美元（約人民幣2,860億元）（下圖7）。在2021年，TSMC曾披露稱要在三年內投資1,000億美元（約人民幣6,500億元），目前還有260億美元（約人民幣1,690億元）。

圖7：TSMC的設備投資額推移表（2009年至2022年）。筆者根據TSMC的IR 數據製作了此圖。（圖片出自：eetimes.jp）

TSMC自2022年下半期開始必須要量產3納米，2024年又需要量產2納米。在2024年以後，毫無疑問會再計劃量產1.4納米、1納米。很明顯，2023年的投資額不會止步於260億美元（約人民幣1,690億元），那麼TSMC的鉅額投資到底會是多少呢？

從TSMC的員工數來看，2020年新招了8,000名員工，達到5萬6,000名左右，2021年預計新招9000名員工，究竟能否完成以上新招呢？要説TSMC緣何進行如此鉅額的投資、新招如此多的員工，其原因在於尖端技術的微縮化發展和半導體的量產。

由上文可以看出，TSMC幾乎把所有的資源都集中在了最尖端的半導體的量產和研發方面，無論客户訂單如何紛至沓來，TSMC都沒有餘力去新建十年前的傳統型28納米工廠。

遠渡重洋、接受日本政府的邀請

由上分析可以看出，對TSMC而言，不僅尖端工藝的訂單源源不斷，傳統的28納米訂單也紛至沓來，可以説陷入了“困境”。

雖然TSMC需要專注於尖端技術節點的發展，但也不可忽視28納米工藝。理由如下：去年（2021年）1月25日，日本、美國、德國等各國政府經由台灣當局向TSMC提出了增加供給車載半導體的要求，如果放棄28納米，來自當局的壓力可想而知。

然而，日本政府和經濟產業省向TSMC發出了建廠的邀請。從TSMC的各地區的銷售額佔比來看，日本僅佔4%一一5%，因此TSMC沒有理由為了日本企業而建工廠（下圖8）。

圖8：TSMC的各地區的銷售額佔比（%）。筆者根據TSMC的歷史公開數據製作了此圖。（圖片出自：eetimes.jp）

據日本經濟產業省透露，就28納米一一22納米的、月產能將達到4.5萬顆的新工廠而言，已經在索尼熊本工廠旁邊準備好了場地、也會準備相應的基礎設施、同時補助50%的建設費用和設備費用（4,000億一一5,000億日元，約人民幣220億元一275億元）。而且日本政府的支援會持續數年，此外，索尼和電裝都會進行支援。

此外，日本政府、日本經濟產業省、其他分析師甚至對TSMC表示感謝：“為了復興日本半導體，擁有全球最先進技術的TSMC來日建廠”。對TSMC而言，這正是他們所切望的。對於TSMC的領導層而言，這真是求之不得的邀請！

請不要為了盈利企業，而隨意浪費納税人的税金！

TSMC既不是志願者、也不是慈善單位。是名副其實的以盈利為目的的單位。其業務的所有目的都是為了盈利。TSMC在日本熊本縣建設月產能為4.5萬顆的工廠，然後大批量生產全球範圍內供給不足的28納米一一22納米半導體，再銷往全球。最終其利潤都湧入TSMC“懷中”。

作為個體經營者的筆者，今年依舊沒有少納税，但是筆者不希望政府把税金用給TSMC這樣的利益團體。如果TSMC 要在熊本縣建廠，可以自行投資；如果索尼、電裝願意協助，也請自便！

對2050年之前的全球半導體市場進行預測~第三回~

如果本篇文章就此結束的話，似乎有點“後勁不足”。因此，筆者想再次對2050年之前的全球半導體市場做出預測（雖然2021年已經做過預測）。

據WSTS（世界半導體貿易統計組織）統計，2022年全球半導體市場規模將超6,000億美元（約人民幣39,000億元）。筆者看到6,000億美元這一整數數字，就馬上想對2050年之前的市場進行預測。

筆者已經對2050年之前的全球半導體市場預測過兩次。第一次預測是在2011年，當時全球半導體市場規模為3,000億美元（約人民幣19,500億元），當時，筆者計算了在發達國家、發展中國家，每人平均一年消費多少半導體，並使用了2050年的全球預測人口數量（發達國家和發展中國家），最後預測出2050年全球半導體市場規模將會達到7,500億美元（約人民幣48,750億元）。

筆者把以上預測值發給了半導體行業雜誌一一《電子Journal》（已於2015年停刊），但被指責為“全球市場絕對不會發展到那麼大”！幾乎沒有人認可筆者的觀點。但是，從2022年的6,000億美元的預測值來看，無論是筆者的預測值，還是那些批判筆者的人，似乎都低估了全球半導體市場。

筆者的第二次預測是在2021年1月份，當時筆者基於以下因素：半導體出貨數量每年增長310億個、半導體出貨數量每十年增長1.3倍、半導體的平均價格為0.46美元（以上出自WSTS），預測到2050年全球半導體市場將會達到1兆123億美元（約人民幣65,800億元）。於是筆者將文章投稿給了EE Times Japan。但是，EE Times Japan認為“全球市場不會如此增長”！不過，如果2022年的全球規模超過6,000億美元的話，以上預測值絕對是保守的。

十年兩倍的定律

下面筆者做出第三次預測。接下來，我們看看1991年一一2022年期間的全球半導體市場推移表，1991年一一1993年的市場規模僅為600一一700億美元（約人民幣3,900億元一一4,550億元），1995年一一2002年增至兩倍，為1,500億美元（約人民幣9,750億元）。在十年後的2010年一一2013年，又增至兩倍，為3,000億美元（約19,500億元）。在十年後的2022年，應該會增長至兩倍，為6,000億美元。（下圖9）