根據(jù)世界半導體市場統(tǒng)計數(shù)據(jù)(WSTS)，自2010年以來，全球半導體需求一直在3000-3400億美元之間，2017年由于數(shù)據(jù)中心的建設(shè)加速和NAND閃存堆疊技術(shù)的進步，迅速增長至4122億美元，并在2018年持續(xù)高增長至4688億美元。2018年下半年內(nèi)存供需平衡暫時緩和，但由于邏輯芯片領(lǐng)域持續(xù)投資，2019年需求與2017年持平。2020年下半年開始需求再度激增，達到4404億美元。WSTS預(yù)計2021年將達到5530億美元，從未來巨大的投資將持續(xù)來看，樂觀預(yù)測2022年將達到6015億美元。根據(jù)媒體報道和智庫報告中業(yè)內(nèi)人士的觀點，普遍認為2030年將達到1萬億美元。
1.摩爾定律和硅周期
在半導體行業(yè)，1965年提出的“摩爾定律”，主張每塊集成電路的搭載元件數(shù)量每年翻一番(1975年修改為“每兩年翻一番”)，一直延續(xù)至今，主要通過電路線寬的細微化實現(xiàn)集成數(shù)量的增加。集成更多的晶體管一直是推動設(shè)備升級的主要動力之一，可提高計算性能、降低功耗和降低成本。到2021年，實用電路線寬已經(jīng)微縮到5nm，各大晶圓廠都在朝著2025年前后2nm產(chǎn)品量產(chǎn)的方向發(fā)展。比利時有影響力的研究機構(gòu)imec預(yù)計，1nm將在2027年、0.7nm在2029年投入實際應(yīng)用，業(yè)界也在以0.1nm(=埃)為目標進行開發(fā)。
2010年代，將垂直溝道夾在柵極(三維)之間的FinFET結(jié)構(gòu)實際用于先進半導體。目前，以在2020年代中期實現(xiàn)商品化為目標，正在開發(fā)一種更復(fù)雜的Nanosheet結(jié)構(gòu)，其中溝道的整個外圍都被柵極包裹著。向垂直堆疊型MOS FET的CFET結(jié)構(gòu)的進化也在積極開發(fā)進行中。
直到現(xiàn)在，半導體行業(yè)的景氣周期一直是基于PC和服務(wù)器需求的基本節(jié)奏，微型化技術(shù)的進步和良率的提升都被卷入了大致每四年輪換一次的“硅周期”中。與一般的庫存周期模型相比，半導體需要更長的資本投資和生產(chǎn)提前期，庫存的大幅波動往往會造成供需缺口。
此外，由于固定成本高，通用產(chǎn)品領(lǐng)域的特點是即使出現(xiàn)虧損，只要產(chǎn)生邊際利潤，開工率也不太可能下降。在技術(shù)創(chuàng)新顯著的半導體領(lǐng)域，現(xiàn)有產(chǎn)品和設(shè)備更新?lián)Q代較快，生產(chǎn)調(diào)整難度大。另一方面，從2017年開始，需求的增長明顯超出了之前的供需周期，導致一些人猜測已經(jīng)轉(zhuǎn)向了基于前沿需求擴張的“超級周期”(圖1)。
圖1 半導體內(nèi)存景氣循環(huán)
資料來源：野村證券
2. 半導體需求增加的背景
(1)數(shù)字化進程
除了傳統(tǒng)的“數(shù)字化”作為提高運營效率的手段外，IoT(物聯(lián)網(wǎng))技術(shù)的成熟使得各種企業(yè)活動可視化。“數(shù)字化”的理念已經(jīng)開始普及，其主旨在于通過信息共享和綜合管理、數(shù)據(jù)積累和利用等方式轉(zhuǎn)變商業(yè)模式。在2010年代后半期，數(shù)字化轉(zhuǎn)型成為商業(yè)界的口號，各種機器和設(shè)備對半導體的需求不斷增加。特別是在制造業(yè)，德國在2010年代上半葉倡導的“工業(yè)4.0”概念對其他國家產(chǎn)生了影響，智能工廠的推廣措施成為進一步的順風車。
(2)邁向5G通信實際應(yīng)用和普及
在全球5G通信服務(wù)的實際應(yīng)用，手機等設(shè)備兼容現(xiàn)有頻段和毫米波段，與外圍設(shè)備執(zhí)行數(shù)據(jù)通信功能，執(zhí)行圖像和視頻的高級處理、控制電池等，需要比以往更復(fù)雜的電子電路和更高的功能，引發(fā)對更小組件的需求。
(3)車聯(lián)網(wǎng)、駕駛輔助功能的開發(fā)、汽車電動化的進展
汽車行業(yè)正處于大變革時期，新趨勢被統(tǒng)稱為“CASE”。其中Connected(通信)提供導航和服務(wù)信息獲取、遠程監(jiān)控等，利用類似于智能手機的通信功能和觸摸屏終端，通過各種傳感器掌握車輛情況和周圍環(huán)境，處理器適當驅(qū)動Autonomous(自動駕駛)支持或引領(lǐng)汽車行業(yè)的Electric(電氣化)，其中功率半導體廣泛用于功率和電壓控制，這些都需要大量的車載半導體。
(4)數(shù)據(jù)中心的增設(shè)需求
由于視頻分發(fā)服務(wù)的普及和云服務(wù)的發(fā)展等，各種形式的數(shù)據(jù)流量增加，造成對數(shù)據(jù)服務(wù)器的需求激增。主要汽車制造商也采取行動設(shè)置自己的數(shù)據(jù)中心以增強駕駛支持功能。除了機器學習和深度學習的發(fā)展以及以省電為目的使用人工智能之外，還有一種是將HDD(硬盤驅(qū)動器)替換為SSD(固態(tài)驅(qū)動器)以加快讀取速度。
(5)由于新冠疫情而改變工作方式和生活方式
由于新冠疫情從2020年初開始在全球蔓延，遠程辦公成為一種新的工作方式，對兼容最新標準WiFi-6的商用PC和路由器的需求不斷增加。包括學校教育在內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)會議已被廣泛用于面對面交流的補充，對耳機、揚聲器、外置攝像頭等的需求迅速增加。此外，游戲設(shè)備、具有電子功能的健康設(shè)備等需求正在拉動半導體市場增長。
(6)非接觸式傳感器和讀取器的普及
隨著電子支付系統(tǒng)的發(fā)展，使用支付應(yīng)用程序和二維碼的智能手機支付變得流行，閱讀設(shè)備的需求增加。此外，由于新冠病毒的傳播，對從一定距離測量體溫的非接觸式傳感器的需求顯著增加，等等。
3. 未來半導體需求有望擴大的領(lǐng)域
(1)AI(人工智能)的發(fā)展和普及
基于大量積累的數(shù)據(jù)彌補人類知識和經(jīng)驗不足的人工智能，將在B to B和B to C的各種應(yīng)用和場景中得到應(yīng)用，其實用性將大大提高，使用成本將降低。在2020年代，隨著使用大數(shù)據(jù)的工作獲得動力，對更自然、準確和高效輸出的追求有望取得巨大進展。顯然，這將需要大量更高性能的半導體。
(2)量子計算機的實際應(yīng)用
0和1的“疊加”或“糾纏”等量子力學的特性進行并行計算，其處理速度比傳統(tǒng)計算機快數(shù)千萬至1億倍。預(yù)計將在金融、醫(yī)療、人工智能等各個領(lǐng)域取得顯著進步。量子計算機還需要先進的邏輯半導體來進行命令和控制。
(3)AR/VR的普及
由于智能眼鏡的進步，AR(增強現(xiàn)實)正逐漸被應(yīng)用到遠程維修、手術(shù)支持、業(yè)務(wù)改進等各個方面。此外，交通和城市設(shè)計、醫(yī)療康復(fù)和假設(shè)災(zāi)害的疏散演習等VR(虛擬現(xiàn)實)應(yīng)用程序也在增加。預(yù)計還將有越來越多的活動朝著在“虛擬空間”中進行通信和商業(yè)交易的方向發(fā)展，這些努力將導致對數(shù)據(jù)中心的需求急劇增加，并促進處理性能更好的半導體的發(fā)展。
(4)通信標準的進一步完善
在高速通信標準方面，5G目前正在投入實際應(yīng)用。6G的國際標準尚未確定，但相關(guān)企業(yè)提出了在速度、容量、功耗、低時延等方面大大超越5G的概念，兼容手機和基站的增加有望刺激對半導體的需求。
(5)下一代出行系統(tǒng)等對功率半導體的需求
功率二極管、功率MOSFET(金屬氧化物半導體場效應(yīng)晶體管)、IGBT(絕緣柵雙極晶體管)等統(tǒng)稱為“功率半導體”。對低損耗、低發(fā)熱的碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)功率半導體的需求已從目前的主流硅(Si)功率半導體轉(zhuǎn)移到EV等下一代出行設(shè)備和發(fā)電。其他工業(yè)機械、鐵路等也有望增加。
4. 各國家和地區(qū)的半導體和數(shù)字產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略
(1)日本
為了讓日本先于世界其他地區(qū)過渡到5.0社會，政府認識到有必要準確把握時代變化，提高半導體和數(shù)字產(chǎn)業(yè)的競爭力。2021年，“半導體和數(shù)字產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略會議”啟動。會上，“建立作為國民企業(yè)的產(chǎn)業(yè)基地”，“建立扎根于日本的企業(yè)運營商并在全球相互依存關(guān)系中確立地位”，“數(shù)字化和綠色化的同步實現(xiàn)，以及早期的實際應(yīng)用”，被設(shè)定為三大目標，并提出相關(guān)基本思路作為半導體、數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)字產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略。
(2)韓國
韓國政府表示將保持在內(nèi)存領(lǐng)域的實力，同時也力爭成為系統(tǒng)LSI開發(fā)、設(shè)計、制造和代工領(lǐng)域的世界第一，并編制了倡導綜合性半導體強國的戰(zhàn)略：擴大研發(fā)和設(shè)施投資稅收抵免;建立低利率資本投資基金;為半導體運營的電力基礎(chǔ)設(shè)施維護成本提供50%的支持和10年的供水保障;到2030年構(gòu)建世界最大的半導體供應(yīng)鏈“K-Belt”;支持超過1.5萬億韓元的下一代功率半導體、A半導體等的開發(fā);大學半導體新部門免除學費等。
(3)中國
長期以來，中國半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展一直是一個課題，通過明確提出完善和提高自給率的要求，將其作為具有國際競爭力的先進產(chǎn)業(yè)的國家目標。2020年8月，發(fā)布了《關(guān)于新時期促進集成電路和軟件產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展若干政策的通知》，針對稅收、投融資、研發(fā)、進出口、人力資源等方面，提出多項支持措施，明確了加快集成電路和軟件產(chǎn)業(yè)高水平發(fā)展的政策。此外，在2021年3月全國人大通過的“十四五”規(guī)劃中，集成電路已被列為“科技前沿領(lǐng)域的重大課題”之一。具體為：重要材料的研發(fā)作為集成電路設(shè)計工具、關(guān)鍵設(shè)備和高純靶材;突破先進集成電路技術(shù)和絕緣柵雙極型晶體管、微機電系統(tǒng)等專項技術(shù);先進存儲技術(shù)升級;重點發(fā)展碳化硅、氮化鎵等寬帶隙半導體方向。
(4)美國
2010年代后半期以來，美國政府將半導體作為其戰(zhàn)略商品之一，通過財政刺激發(fā)展國內(nèi)產(chǎn)業(yè)。美國在設(shè)計和最終產(chǎn)品領(lǐng)域全球市占率很高，但這兩個制造領(lǐng)域大部分都外包給了亞洲的代工巨頭。2021年6月，美國參議院通過了《美國創(chuàng)新與競爭法》，其中包括促進美國的半導體制造和研發(fā)(預(yù)算：約520億美元)。
(5)歐洲
2021年1月，歐盟宣布聯(lián)合聲明，加強其在電子領(lǐng)域的設(shè)計和制造能力，最多可投資1450億歐元的政策。隨后，同年3月，公布了“數(shù)字羅盤2030”，目標是到2030年實現(xiàn)向數(shù)字化轉(zhuǎn)型。提高歐盟地區(qū)下一代半導體生產(chǎn)的全球份額，重點是提高數(shù)字素養(yǎng)和開發(fā)先進的數(shù)字人力資源，開發(fā)安全、高性能和可持續(xù)的數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施，在商業(yè)中利用數(shù)字技術(shù)，以及數(shù)字化公共服務(wù)，將目前約10%的水平提高到20%以上，并將歐盟云服務(wù)的使用率從目前26%的公司增加到 75%。
(6)中國臺灣
目前，中國臺灣是全球最大的半導體生產(chǎn)集中地。自20世紀70年代初開始系統(tǒng)地推動半導體和電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展作為區(qū)域戰(zhàn)略。雖然臺灣在半導體生產(chǎn)方面處于世界領(lǐng)先地位，但其上游生產(chǎn)設(shè)備和兩種材料嚴重依賴進口，因此上游部分在臺灣開發(fā)和生產(chǎn)是當務(wù)之急，以保持臺灣在半導體產(chǎn)業(yè)的長期競爭力。
5. 半導體制造設(shè)備對機床的需求
使用機床加工半導體制造設(shè)備的需求范圍很廣，典型的加工工件有各種腔室、泵、閥門、法蘭、晶圓轉(zhuǎn)移設(shè)備等。加工材料多為鋁，精度要求一般比較嚴格。除了要求機床的高速切削性能外，還要求對切屑和過濾器堵塞具有自動對策和維護性。此外，對多品種小批量零件加工的需求很高，需要用途廣泛的通用機床。加工方法的改變不容易被用戶接受，同時還需要努力降低成本。
氣室和閥門往往需要高精度加工，預(yù)計未來無論是樣機還是量產(chǎn)，都將引發(fā)許多業(yè)務(wù)接觸。除了應(yīng)對更復(fù)雜和更大規(guī)格的需求趨勢外，制造設(shè)備還需要耐高壓和耐腐蝕。
此外，陽極氧化鋁、鉬、鎢、SiC(碳化硅)、氮化鎵、鋁和PZT(鋯鈦酸鉛)等材料的使用量正在增加，同時也需要設(shè)法提高成品率。與刀具制造商的合作、高剛性加工的設(shè)計、防止切屑引起的灰塵和飛散、伸縮罩的損壞對策等，也是制造設(shè)備方進行資本投資時需考慮的因素。
新技術(shù)的實際應(yīng)用和標準的改變往往是刺激資本投資的轉(zhuǎn)折點，機床制造商需要密切關(guān)注這些趨勢。例如，目前直徑300mm的硅片越來越普遍，但普遍認為可以生產(chǎn)更多芯片的450mm晶圓，由于成品率不高，從收益率和盈利能力的觀點看，暫時不會向前推進。但是，如果滿足設(shè)備制造商之間的同步發(fā)展和制造設(shè)備投資的時機，則隨著搬運臂和各工序處理尺寸的資本投資增加，機床的需求有可能大幅增加。此外，出于電路線寬小型化等目的，使用極紫外線(EUVL)的曝光設(shè)備和檢查設(shè)備正處于普及初期。在這里，判斷盈利能力也是全面普及的關(guān)鍵，為了贏得訂單，要不斷關(guān)注關(guān)鍵技術(shù)的盈利前景。
(來源：中國機床工具工業(yè)協(xié)會cmtba)
