技術(shù)基礎(chǔ)、設(shè)計方式和地緣政治變化，半導(dǎo)體行業(yè)情況復(fù)雜
市場、地區(qū)以及產(chǎn)品節(jié)點和封裝類型都在改變半導(dǎo)體的經(jīng)濟狀況，由此，決定為哪種產(chǎn)品使用哪種技術(shù)及其相關(guān)原因上的情況也原來越復(fù)雜了。
資金是所有這些決定的共同之處，不管這是通過何種方式衡量的——投資資本回報率、季度利潤或長期投資（其中可能包括收購、有機增長進入新市場或多種情況的混合）。問題在于，對于芯片行業(yè)來說，要做出能使利潤增長的明智決策越來越難了，因為這里面牽扯到太多因素了。
僅僅幾年之前，芯片的終端市場還很明確，開發(fā)的方向很大程度上就是圍繞著如何快速地遷移到下一個工藝節(jié)點。快進到 2018 年，現(xiàn)在有了很多工藝選擇、更多新的終端市場、更多封裝選擇和各種來源的新競爭。而且所有這些領(lǐng)域的問題都還沒得到解答，這可能會給開發(fā)的盈利能力和總成本產(chǎn)生影響。
比如說，我們目前還不確定 7nm 芯片的成本如何，因為目前還沒有芯片在晶圓廠中移動速度的數(shù)據(jù)。這在很大程度上取決于工藝的成熟度和芯片的復(fù)雜度，但也有部分取決于 EUV 光刻每小時所能加工的晶圓的數(shù)量。
圖 1：根據(jù) EUV 電源情況的 7nm 成本比較；來自Gartner/SEMI Industry Strategy Symposium
Gartner 一位分析師 Samuel Wang 在本周 SEMI 的行業(yè)戰(zhàn)略研討會（Industry Strategy Symposium）上說：“7nm 節(jié)點有很高的設(shè)計成本，一款新芯片需要超過 2 億美元的投資。但到 2019 年也可能會出現(xiàn)產(chǎn)能過剩的情況。我們預(yù)計到那時每月的產(chǎn)能會超過 400,000 塊晶圓。每塊晶圓 10,000 美元，7nm 可能無法支撐這些數(shù)字。”
他說對 7nm 的需求將會局限在少數(shù)幾個終端市場，比如智能手機、人工智能和比特幣（比特幣與人工智能都會使用并行處理方法，但算法不一樣）。而這就是讓人困惑的地方。比特幣目前還沒有得到芯片廠商的重點關(guān)注，但 Wang 說，預(yù)計到 2022 年比特幣將為臺積電每季度貢獻 4 億美元。物聯(lián)網(wǎng)終端芯片也是如此，預(yù)計屆時將會成長為一個 240 億美元的市場；另外還有 ADAS 半導(dǎo)體市場預(yù)計將會達到 100 億美元。人工智能深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片預(yù)計還能為這塊大餡餅增加另外 160 億美元。
所有這些都在推動設(shè)備銷售和設(shè)計的增長，但針對這些才剛剛開始成型的市場進行規(guī)劃是很困難的。
圖 2：晶圓廠設(shè)備收入明細；來自 Gartner/ISS
其它技術(shù)轉(zhuǎn)移
除了架構(gòu)開發(fā)不確定之外，很多工具、材料和結(jié)構(gòu)也正在失勢。目前部署的 EUV 僅被用于替代 193nm 浸沒式光刻技術(shù)。finFET 能夠再續(xù)一個節(jié)點還仍存爭議，也可能需要 GAA FET（gate-all-around FET）來控制漏電和改善越來越高的 fin 的可制造性。如果 GAA FET 取代了 finFET，那么遷移到 7/5nm 的時間可能會比預(yù)期更長一些，從而進一步偏離摩爾定律。
與此同時，廠商對先進封裝的興趣卻越來越來濃厚——不管是 2.5D、3D、fan-out 還是其它一些變體；而且這種技術(shù)轉(zhuǎn)移是有數(shù)據(jù)支持的。
SEMI 行業(yè)研究與統(tǒng)計部門的高級總監(jiān) Dan Tracy 說內(nèi)存封裝已經(jīng)讓 gold wire 增長了 7%，而 leadframe 在 2017 年增長了 8%。gold wire 用于汽車和醫(yī)療等需要高可靠性的市場的封裝，而 leadframe 則被用于汽車和移動領(lǐng)域的連接器。
Tracy 說：“我們也看到了銅合金供應(yīng)的緊張。在過去的六到七年時間里，銅合金已經(jīng)出現(xiàn)了下滑。更小更薄的封裝趨勢意味著對銅合金的需求更小了。”
與此同時，wire bond 已經(jīng)迎來了復(fù)蘇，而且廠商對晶圓級封裝的興趣還要更加濃厚。他說：“隨著行業(yè)向下一個硅節(jié)點遷移，需要新的解決方案來實現(xiàn)之前通過尺寸縮減實現(xiàn)的經(jīng)濟優(yōu)勢。”
設(shè)計的必然趨勢
但是，在制造側(cè)發(fā)生的情況只是全景的一部分。不同于過去許多年變化通常集中在供應(yīng)鏈中一個部分的情況，向 10/7nm 的遷移給所有地方都帶來了問題。應(yīng)對這些問題并且降低風險的最好方法是通過嚴格的設(shè)計規(guī)則來限制靈活性以及小心謹慎地管理向新制造技術(shù)的遷移。
這有一定的效果，但不能解決所有問題。復(fù)雜的設(shè)計會需要遠遠更多的模擬、驗證和調(diào)試時間——尤其是當芯片被用于安全性至關(guān)重要的功能時，比如用在汽車、工業(yè)和醫(yī)療等市場中。一種解決方案是通過提升并行性來增加處理能力。
亞馬遜 Web Services 的信息技術(shù)/半導(dǎo)體全球業(yè)務(wù)發(fā)展負責人 David Pellerin 說：“有相當一些半導(dǎo)體公司已經(jīng)在很有效地使用云來進行回歸測試或驗證了。它們在 AWS 上做了相當多的回歸測試。那都是些類似 EDA 的工作，因為它們在測試自己用 FPGA 設(shè)計的軟件。這讓它們可以極大減少完成回歸以及讓結(jié)果返回它們的團隊的時間。Cadence 也一直都在非常積極地使用云。”
這里的關(guān)鍵是要并行化設(shè)計流程中的各個部分，尤其是在驗證方面——這會消耗芯片設(shè)計的大量時間。這也是錯誤可能乘虛而入的地方，因為根本就沒有足夠的時間來測試所有東西。但通過利用 AWS 上的數(shù)千臺計算機，這整個過程可以得到加速。這既能幫助實現(xiàn)針對消費者市場的更快上市時間，也能讓設(shè)計者將更多時間用來分析數(shù)據(jù)以及尋找可能的問題所在和未來可能出問題的地方。
Pellerin 說：“在這樣的規(guī)模下，通過使用云能讓它們的回歸過程快 20 倍。我們看到 EDA 領(lǐng)域正在采用云，我們看到時序分析和 DRC、軟件回歸、硬件回歸等工作負載上出現(xiàn)了更快速的創(chuàng)新，而且我們預(yù)計未來幾個月還會有更多。云正在推動設(shè)計工程的創(chuàng)新，其中包括半導(dǎo)體設(shè)計。”
圖 3：云給設(shè)計方面帶來的提升；來自 Amazon/Cadence/ISS
這是一個方面。另一個方面是一開始就要做出正確的設(shè)計。
Gartner 的 Wang 說：“設(shè)計的復(fù)雜性已經(jīng)讓設(shè)計成本增大了。對 7nm 而言，一次就成功是非常重要的。”
傳統(tǒng)的市場線
但是，我們目前仍然不清楚哪些設(shè)備將會利用上最先進的節(jié)點。我們也不清楚它們將被如何使用以及哪些技術(shù)將會成為最終的贏家。
一直以來都有不錯效果的一個指標是 Benjamin Gompertz 開發(fā)的一個模型。Gompertz 是一位自學成才的英國數(shù)學家，他在 1825 年最早發(fā)表了死亡率法則。這個模型常被用來描繪產(chǎn)品生命周期以及預(yù)測需求的增長速度和持續(xù)時間，而且該模型具有相當好的準確性。
圖 4：Gompertz 公式及所得到的 S 曲線；來自 Mentor/Siemens/ISS
該模型可被用于展示不同技術(shù)的市場機會——即收緊或伸展該 S 曲線。
西門子旗下 Mentor 的總裁兼 CEO Wally Rhines 說：“半導(dǎo)體行業(yè)的增長以大浪的形式涌來，這會導(dǎo)致半導(dǎo)體收入又一步增長。所以看看物聯(lián)網(wǎng)可穿戴設(shè)備，我們還處于這個市場的非常早期階段。在 2025 至 2030 年之前，這會是一個快速增長的市場。”
圖 5：根據(jù) Gompertz 曲線預(yù)測的可穿戴設(shè)備的發(fā)展；來自 Mentor/ISS
將其與汽車夜視市場（大概會被自動駕駛汽車市場取代）相比，曲線的形狀看起來會非常不同。
圖 6：汽車夜視系統(tǒng)；來自 Mentor/ISS
地緣政治的影響
如果再考慮到全球地緣政治的變化，情況會更加晦暗難辨。在一個節(jié)點之前，這些問題中很多都是按次序發(fā)生的而且看起來是良性的。而現(xiàn)在它們是并發(fā)的而且還在逐漸加劇，并且這些問題出現(xiàn)在這樣一個復(fù)雜的地緣政治世界秩序之中——某些不確定性在增大，另一些則在減輕。
對于半導(dǎo)體行業(yè)來說，中國是一個大問題。自 2000 年以來，該國一直在境外大力投資；而且在其建設(shè)自身經(jīng)濟的過程中，其內(nèi)部一直都以非常驚人的速度消耗著進口。這已經(jīng)造成了巨大的貿(mào)易赤字——在 2016 年達到了 2601 億美元。中國現(xiàn)在正通過收緊資本和削減進口的方式來解決這個入超問題。
BCA Research 的地緣政治戰(zhàn)略副總裁 Matt Gertken 說：“隨著美國債務(wù)下降和中國進口削減，中國正在失去與美國達成新協(xié)議的能力。中國由于戰(zhàn)略上的原因正在讓自己擺脫出口。”
這會造成雙重的打擊，因為中國的增長正在減速，而此時企業(yè)債務(wù)則在往回漲。企業(yè)債務(wù)目前接近中國 GDP 的 180%（見下圖 7）。
圖 7：為什么中國正走向變革；來自 BCA Research/ISS
Gertken 說：“市場相信變革即將來臨。金屬價格和進口量已經(jīng)出現(xiàn)了下降。中國會試圖維持穩(wěn)定。貨幣緊縮有所加劇，監(jiān)管也在收緊。因為現(xiàn)在有反腐敗運動，所以監(jiān)管者不會與銀行走得太近。另外房地產(chǎn)行業(yè)也面臨著更大的減輕債務(wù)的壓力。”
在其它地區(qū)，歐洲似乎從英國脫歐事件中完整幸存了下來。美國的 2017 年對企業(yè)來說是很好的一年。但 Gertken 指出如果民主黨控制了美國國會，可能會導(dǎo)致回到保護主義，因為這會迫使特朗普總統(tǒng)鞏固他的基本盤。所有這些都會對半導(dǎo)體行業(yè)的增長和需求產(chǎn)生連鎖影響。
圖 8：保護主義的萌芽？來自 BCA Research/ISS
結(jié)論
全球供應(yīng)鏈涉及到非常多的變化因素，但由于沒人能真正確定終端市場將會如何變化、哪些技術(shù)對自己最好以及行業(yè)將會在接下來的一二十年里如何變化，情況會更加糟糕。
在一定程度上講，這個情況在全球性的環(huán)境下是很常見的。但在所有這些問題之下，每個層面上都有某種更大的不確定性。有報告稱很多系統(tǒng)供應(yīng)商都在增加庫存，另外什么時候在什么地方什么會減緩以及會持續(xù)多長時間方面都存在問題。正如 AlphaOne NexGen Technology Fund 創(chuàng)始人 Dan Niles 指出的那樣：自第二次世界大戰(zhàn)以來，這是標準普爾指數(shù)持續(xù)時間第二長的牛市。
圖 9：歷史上的標準普爾指數(shù)牛市；來自 AlphaOne/ISS