德国智库:欧洲建 2nm 晶圆厂是徒劳的努力

2021/4/30 6:35:35 来源:芯东西 作者:心缘 责编:远洋

欧盟正有意拿出上百亿欧元的补贴,邀请先进芯片制造商赴欧建厂。

欧盟内部市场专员蒂埃里・布雷顿(Thierry Breton)将在 4 月 30 日与英特尔、台积电高管进行对话,并将与三星的代表会谈。知情人士透露,Breton 计划与英特尔谈判的欧洲新厂,规模比欧洲现有最大的晶圆生产基地还要大好几倍。

Breton 还计划下周见荷兰半导体巨头恩智浦、荷兰芯片制造设备巨头阿斯麦的代表,讨论打造欧洲半导体供应链的可能性。

作为“2030 年数字指南针”战略的一部分,欧盟委员会的目标是到 2030 年让欧洲在全球半导体生产市场中的份额达到 20%,并拥有能生产先进 2nm 芯片的晶圆厂。这将需要数百亿欧元的投资。

但砸下如此巨额的投资,真能换来大的水花吗?

至少按台积电董事长刘德音、德国智库 Stiftung Neue Verantwortung(SNV)的判断,欧盟的这一宏图伟志,并不是个聪明的选择。

4 月初,台积电董事长刘德音公开提到,美国和欧洲扩大其半导体晶圆厂产能的计划是“经济上不现实的”,因为这些计划是为了满足其自身需求而进行的,如果整个半导体供应链转移到美国和欧洲,或者如果这些地区计划扩大产能,则将导致大量“非盈利性”企业的产生。他认为现阶段晶圆产能短缺是不正常的,而当前晶圆产业的能力足够满足正常时期的任何需求。

德国智库 SNV 则分析地更为详尽,在本月发布了一份长达 30 页的报告《欧洲半导体制造短缺 —— 为何 2nm 晶圆厂不是好投资?》,通过回顾过去 20 年全球芯片产业六大地区的发展态势,详细分析欧洲砸巨资发展芯片制造业、建 2nm 晶圆厂为什么是一笔白白浪费钱的投资。

一、欧洲想砸钱建 2nm 厂?过于天真!

德国智库 Stiftung Neue Verantwortung(SNV)技术和地缘政治项目主管 Jan-Peter Kleinhans 将欧盟追逐先进芯片制造的风险归为 3 个因素:

其一,欧洲的致命弱点是缺乏先进逻辑芯片设计能力。欧洲只有少数芯片公司(如恩智浦、意法半导体、爱立信等)需要在 7nm、5nm 等先进制程节点上设计芯片,致使它们对先进芯片制造的需求微乎其微,这对于台积电、三星等亚洲芯片制造商来说,不存在太大的吸引力。

▲2021 年全球 7/5nm 晶圆出货量客户占比预测

其二,希望欧盟晶圆厂能吸引美国芯片设计公司订单的想法也过于天真。美国能吸引台积电、三星赴美建厂,是因为美国拥有迄今为止最大的芯片设计产业。但既然拥有美国本土的先进晶圆厂,为什么美国芯片设计公司要选择在韩国、中国台湾乃至欧洲生产芯片?

其三,过去 20 年,先进芯片制造市场基本没有呈现过整合的趋势。晶圆厂投资成本飞涨、设备需要维持高利用率等种种难题,导致大多数晶圆厂选择退出更先进制程的竞争,如今只有英特尔、台积电、三星还在推进先进制程芯片的生产。

▲2010 年、2015 年、2020 年全球各地区晶圆产能分布情况

如图显示了 2010 年、2015 年、2020 年六个地区的晶圆总产能。可以看到,过去十年,欧洲(EU)几乎没怎么投资芯片制造,晶圆产能仅增长 18%。

相比之下,韩国的产能增长 126%,中国台湾的产能增长 67%,中国大陆(CN)的产能更是增长了 2.05 倍。

目前欧洲有近 50% 的晶圆产能是 180nm 及以上的节点,主要用在功率半导体、传感器和其他类型的模拟半导体方面。

在 10nm~20nm 节点,欧洲的晶圆产能主要来自英特尔在爱尔兰(14nm)和以色列(10nm)的晶圆厂,目前英特尔这些晶圆厂主要服务于它自身的芯片生产需要。如果以后英特尔开放代工,那情况可能会发生改变,但至少就现在来看,欧洲明显是在先进制程产能方面布局最少的地区。

▲2020 年 12 月全球各地区不同制程节点晶圆产能分布情况

由于改进制造工艺必然伴随着投资新一代制造设备,因此每个地区的设备支出是分析其投资力度的很好参考指标。

可以看到,从 2003 年到 2020 年,全球设备市场从 220 亿美元增长到 690 亿美元,而欧洲在制造设备的投资金额却呈现下降趋势,从 2003 年的 25.6 亿美元减少至 2020 年的 24 亿美元。

▲2003~2020 年全球各地区设备耗资变化

从市占率来看,2003 年,欧洲占全球设备支出的 12%,但到 2020 年这一数字下降到 3%。欧洲、日本、美国在 2003 年占有全球设备支出的近 60%,这一数字在 2020 年降至 23%,同一时期,中国大陆及台湾、韩国的设备支出总额从 2003 年的 32% 左右增至 2020 年的超过 73%。

▲2003~2020 年全球各地区设备市占率变化

那难道是欧洲领先的半导体公司对自家的制造能力投资不足,从而变得越来越依赖海外代工厂吗?未必。

虽然欧洲公司在逻辑半导体方面高度依赖海外晶圆厂,但一些欧洲公司对自身产能进行了大量投资。如图,当将资本支出(CAPEX)、利润率(CAPEX 相对于收入)与其他领先的模拟半导体公司进行比较时,可以看到并没有明显的差异。

▲2011-2020 年全球各地区多家领先半导体公司的平均资本支出利润率

在过去 10 年里,模拟半导体供应商的资本支出利润率在 3% 到 15% 之间。像英特尔(15-25%)和台积电(30-50%)这样专注于延续摩尔定律的公司,资本支出利润率要高得多。

当升级旧晶圆厂或建造新晶圆厂时,欧洲 IDM 越来越多地投资于化合物半导体,如 GaN 和 SiC。这些复合材料的物理特性对尤其是功率半导体、射频芯片等半导体提供了巨大的优势。

由于欧洲主要半导体公司都专注于传感器、电源管理和射频半导体,因此它们在这方面做更多投资,本身欧洲 IDM 芯片最终用在消费电子产品的数量就比较少,再加上通往先进制程的门槛越来越高,欧洲在先进逻辑半导体方面的投资越来越少,也不足为奇。

在 Jan-Peter Kleinhans 看来,建设一个 2nm 晶圆厂在技术上是可行的,但如果不能确保其可持续发展,则将浪费数百亿欧元,也与欧洲长期的投资趋势背道而驰。

而如果要使得先进晶圆厂有长期的发展空间,那么欧盟首先应该做的,是投资先进芯片设计。

二、为什么欧盟应该先投资芯片设计?

依赖于“摩尔微缩”的逻辑芯片通常是通过无晶圆厂公司和晶圆厂的协作,这样的劳动分工更具成本收益。

如今,无晶圆厂芯片设计公司占全球集成电路销售额的近 33%,远高于 2000 年的 9%。

美国拥有 65% 的市场份额,是迄今最大的无晶圆厂公司聚集地。由于无晶圆厂公司可以完全专注于芯片设计,他们拥有半导体行业中最高的研发利润率,通常是 20-30% 甚至更高。

▲2011-2020 年十大无晶圆厂上市公司研发耗资

如图显示了 10 家最大的无晶圆厂上市公司在过去 10 年的累计研发投资。此类研发活动使得美国无晶圆厂公司长期保持领先地位,并开发越来越复杂的逻辑芯片。

同期,欧洲无晶圆厂行业的市场份额从 2010 年的 4% 下降到 2020 年的 2%。目前欧洲只剩下两家公开上市的无晶圆厂芯片设计公司,分别是总部在英国的 Dialog 半导体和总部在挪威的 Nordic 半导体。随着日本瑞萨电子宣布收购欧洲最大的无晶圆厂企业 Dialog 半导体后,欧洲无晶圆厂的这种下滑趋势很可能会持续下去。

2013 年,欧盟确定需要加强芯片设计能力和无晶圆厂行业。欧盟委员会和该行业计划“加强其电子设计行业和无晶圆厂半导体公司的实力”。2018 年,欧盟委员会再次计划通过“欧洲设计联盟”和“战略设计倡议”来加强欧盟芯片设计生态系统。

但现实并没有如计划那样发展,相反,欧盟的无晶圆厂产业在过去 10 年中萎缩了 50%。

更糟糕的是,欧盟委员会最新的《2030 数字指南针》十年计划,几乎只关注制造业,而对芯片设计投资缺乏清晰的愿景。

在 Jan-Peter Kleinhans 看来,如果欧盟不能通过显著加强其芯片设计生态系统,来创造对尖端晶圆制造的需求,那么投资于先进晶圆厂将是徒劳的努力。

三、欧洲建芯片工厂,能否缓解汽车芯片紧缺?

此前在接受德媒采访时,Thierry Breton 曾说,因汽车产业深受缺芯之苦,欧洲有必要强化半导体产业链,欧盟对 10nm 以下的先进制程尤其感兴趣,计划扩充设计和制造的产能。

但先进晶圆厂的建设,真的来得及解决欧洲汽车业的痛处吗?

答案是作用不大。

大多数汽车芯片都是基于成熟的工艺节点,当前汽车短缺主要是 3 个因素互相作用的结果。

第一个因素是汽车制造商对汽车市场从疫情中复苏的速度做出了过于悲观的预测。这意味着汽车制造商及其 Tier-1 供应商在 2020 年第二、第三季度停止订购芯片。

第二个因素是整个汽车供应链讲究准时交货,导致汽车制造商以及 Tier-1 和 Tier-2 供应商基本上没有库存。而当市场恢复比预期更快时,因为没有库存,汽车供应商不得不重新订购芯片,而造一个芯片至少要 4~6 个月的时间。

第三个因素是员工在家工作致使消费电子产品需求强劲,对半导体产能需求也更大。当汽车供应商增订芯片时,晶圆厂已经满负荷运转,几乎匀不出更多产能来给汽车厂商造芯片。

在这种情况下,只有当汽车芯片供应商已经用这个特定的芯片厂进行设计,或者如果代工厂为汽车客户保留了一些产能,欧盟晶圆代工厂才会有所帮助。

但后者不太可能,因为消费电子产品也需要大量的产能,欧盟晶圆代工厂也需要为这些客户服务。因此即便欧盟建设自己的晶圆代工厂,也难解汽车芯片短缺的燃眉之急。

结语:欧盟大举投资先进晶圆制造,并非明智之举

总而言之,德国智库 SNV 分析认为,欧盟大举投资先进晶圆制造是不明智的。

尽管此前曾有强化欧洲半导体产业的相关努力,但这些的成效不太显著。过去三十年里,欧盟半导体产业在全球的市场份额仅有约 10%。

既没有先进晶圆厂、又没有先进逻辑芯片设计能力的欧洲,如果在没有可行商业案例的情况下投资先进逻辑晶圆厂,很可能会浪费数十亿欧元的公共和私人资金,是“徒劳的努力”。

由于欧洲自己的半导体行业主要是在落后的尖端和成熟的工艺节点上设计逻辑芯片,用于工业和汽车应用,因此,SNV 得出结论,如果欧盟想在当下投资晶圆厂,这些投资应该集中在 14nm 及以上的后端晶圆制造上。

此外,欧洲发展芯片的关键问题不仅仅是晶圆制造,缺乏先进的逻辑芯片设计才是欧洲的致命弱点。但在欧盟委员会发表的《2030 年数字指南针》十年计划中,显然未将芯片设计排在发展的优先级。

在欧洲出现先进芯片制造需求之间,如果强行增设晶圆厂,往好了说是乐观,往差了说,则是有些天真了。

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关键词:晶圆芯片

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