全球半导体投资的去向探索|晶体管|晶圆厂|英飞凌

近50家公司逾5000亿美元新投资的详细信息；扩张狂潮的背后是什么，为什么是现在，而不是未来？

许多国家和公司正在向半导体制造、材料和研究领域投入巨额资金，在未来十年内至少投入5万亿美元，甚至更多，以保证芯片和技术的稳定供应，支持越来越多以数据为中心的行业的增长。

在相对和平时期，建立一个可以保证产能和基本电子部件的重复供应链是有史以来最集中、成本最高的技术。但这引发了人们对人才短缺、重复效率低下以及未来某个时候可能出现的供过于求的担忧，这将引发价格战和库存减记。从积极的方面来看，至少在不久的将来，它正在创造技术史上半导体及相关服务和设备的最大繁荣之一。

在这一连串投资背后（见下表），有几个关键趋势，以及未来的一些潜在陷阱。

地缘政治、流行病、竞争

重要芯片（包括在成熟节点开发的芯片）的持续短缺，引发了各个行业和地区对芯片和基本材料（如稀土、镍、氖和锂）供应持续性的担忧。美国和中国继续进行口水战和贸易限制，或者大多数工厂和封装厂位于亚洲，而中国的工厂和封装公司数量不断增加，这些都无济于事。

然而，尽管言辞激烈，两国之间的贸易依然活跃。根据美国人口普查局的一份报告，2020年，美国向中国出口了价值1250亿美元的商品，进口了4330亿美元。2021，出口增至1510亿美元，进口增至5050亿美元。2022年前10个月，出口与2021相比基本持平，而进口实际增长16.4%。10月份有所下降，但总体数字几乎没有下降。

至少部分原因可以解释为疫情相关的影响，封锁促使消费者购买笔记本电脑、相机、调制解调器和大屏幕电视。结果是对所有类型芯片的需求激增，尤其是在成熟节点开发的芯片。但这种需求影响了其他越来越依赖200毫米和更老的晶圆厂的行业，包括汽车、白色家电和工业零部件，以及制造这些芯片所需的设备，而这一切都因主要航运枢纽的交付量减少和速度放缓而加剧。

这些短缺的突然性尤其令芯片行业担忧。在大流行之前，半导体供应链被认为几乎不受短缺或库存过剩的影响。在1999年至2000年的网络热潮之后，由于供应不足，芯片的订购量增加了两倍和三倍，市场出现了严重的崩溃。芯片制造商随后转向了准时制造模式。因此，尽管2008年再次出现严重下滑，但过剩库存远低于2001年和2002年。

然而，从那时起，半导体对更多的行业变得更加重要，供应故障被视为经济和政治威胁。芯片不再只是智能手机和个人电脑。芯片应用于从军用/航空和AI系统到超大规模数据中心、医疗设备、交通（汽车、卡车、轮船、飞机、铁路）的所有领域。这些芯片的设计和制造，以及围绕这些芯片的研究，可以提供数十万个高薪工作，这使得离岸/再投资在政治上成为一个热门话题。

这就是为什么晶圆厂和设备公司正在制定计划并规划巨额投资，以及为什么政府大量投资半导体和相关技术（见本报告末尾的图表）。这些投资可能会在几十年内推动就业，从建筑到工艺工程，再到材料科学。

例如，考虑英飞凌（Infineon）在德国德累斯顿（Dresden）斥资51亿美元扩建300亿模拟、混合信号和功率半导体，预计将增加1000个新工作岗位，或者IBM在未来十年在纽约投资200亿美元，用于制造包括量子计算机在内的所有类型服务器的芯片。与此同时，英特尔正计划在未来十年内在各个地点投资超过1730亿美元，从尖端晶体管到先进封装，无所不包。美光计划（最初）向最先进的存储器制造厂投入350亿美元（20年后接近1150亿美元）。

这只是一个开始。据报道，超过2000亿美元的额外投资仍未得到供应商的证实，甚至有更多传言或正在考虑。

该扩建工程遍布全球。经过多年的投资不足，日本正在加大生产先进芯片的力度。根据CSIS的数据，1988年，日本公司占全球半导体销售额的51%，但与美国的贸易摩擦以及韩国和中国的竞争削弱了日本的领导地位。私人和公共资金正在重新努力，以夺回部分市场份额。

许多日本科技公司和日本政府正在一个名为Rapidus的财团中合作开发先进芯片。日本政府出资约5亿美元，其他参与者各出资约700万美元。此外，日本计划预算24亿美元，与美国合作，在本世纪后半期开发和大规模生产电路线宽为2nm的先进半导体。日本公司正在进行大量投资。其中：

台积电（TSMC）和索尼半导体（Sony Semiconductor）正在日本熊本建造一座价值70亿美元的28/22nm专用晶圆厂
TEL宣布计划在日本的设备制造设施投资超过6亿美元
瑞萨投资超过6亿美元翻新现有功率半导体晶圆厂，并将其改造为300mm，东芝投资10亿美元新建300mm功率半导体晶圆
佳能正在建设一个价值2.62亿美元的光刻机制造设施

单独来看，这些都是对未来的巨大赌注。作为一个整体，这些可能会改变芯片制造的重心，使设计和制造在区域基础上更加紧密。但这种影响将以多快的速度显现仍不确定。

在世界其他地方重建任何半导体供应链要素都需要时间，麦肯锡公司高级合伙人伯卡基：“一个新的半导体晶圆厂需要5年时间。技术的研发开发很容易需要10到15年。如果你踏上一条在供应链中创造更大弹性和更本地化的旅程，一天之内你无法改变什么。供应链是全球性的，没有什么是真正本地化的，因为它是为服务全球市场而建立的在本质上比半导体行业更全球化。”

然而，变革的承诺是非常真实的。美国通过的CHIPS法案和拟议的欧洲芯片法案只是一个开始。所有这些投资都对竞争日益激烈的行业的未来产生了广泛的影响。

伯卡基说：“如果这是一个国家的商业案例或商业决策，而不是一个公司的商业案例和决策，那么需要有一些激励措施来这样做，这可能以补贴或市场关税的形式出现，这基本上是一个国家可以进行一些市场监管的方式。”

技术拐点

除了更大的经济变化之外，技术方面也发生了翻天覆地的变化。扩展带来的功率、性能和成本效益的降低，以及SoC分解为异构封装，正在整个芯片行业产生巨大的波动。对于过去的两个工艺节点，缩放的最大驱动因素之一是掩模版的尺寸，其限制为858mm²。这反过来限制了单个平面管芯上可以包含的功能的数量。

这基本上是一个房地产问题，芯片制造商开始通过使用各种类型的高级封装、桥接器和连接各种管芯和分区功能的新方法来规避这个问题。但是，数据爆炸和更快速处理数据的需求，以及摩尔定律效益的下降，使得解决方案变得更加复杂、更加定制化，设计难度也大大增加。

Synopsys EDA集团总经理尚卡尔表示：“对改进的需求永无止境，人工智能需要大量的计算能力。所以你可以扩展你所能做到的。但我们现在看到的每个人都在做的是我们所说的‘以上所有’策略。真正对能量敏感的部分可以放在最新的节点上。但然后你可以从很多不同的节点上获得小芯片。这一演变非常迅速。每个客户都在这样做。”他们的路线图-甚至是移动公司，传统上都是单一的2D类型的设计。他们现在正寻求向3D发展。”

在这个超级融合的世界中，曾经是一个芯片的东西现在变成了多个芯片或小芯片——多达47个不同的芯片在9种不同的工艺中为英特尔的Ponte Vecchio架构所开发。这使得定制设计的组件变得至关重要，并且需要一个能够以相对较小的数量开发和制造更多设备的供应链。

尚卡尔说：“分裂将继续存在，这一切都与工作负载级别的交付性能有关，实现这一点有很多不同的方法。”

数字也证明了这一点。Amkor正在越南开发一个新的封装设施，初期投资为2亿至2.5亿美元，ASE计划在马来西亚投资3亿美元建设一个封装工厂。

人力资源

要使所有这些投资奏效，需要一支受过高等教育的劳动力。在过去十年中，行业高管一直在寻找更远的领域，以吸引工程师进入半导体行业。在此期间，大多数人选择了软件工作。

德勤咨询公司负责人兼半导体行业领导者布兰登·库利克表示：“有了一些人才，你在哪个行业并不重要，因为你仍然需要更多的人才，所以有企业职能和财务，随着一个行业的发展，它需要更多的其他人拥有的东西，它必须与其他行业竞争共同的人才。但在半导体领域，工程和制造业是非常具体的。对我们来说，工程领域的变化是，随着我们的客户开始向更集成的解决方案、更多的软件和更多基于平台的解决方案，工程组合开始改变。您需要更多的软件和系统工程师以及标准的遗留设计类型，这意味着他们需要与一些大型软件公司竞争。”

Meta、Twitter、微软等公司最近裁员，Salesforce可以帮助填补这一空白。多年来，工程专业毕业生涌向大型系统公司从事软件工程工作。但直到最近，他们基本上忽略了硬件方面，因为他们认为每个新的流程节点的性能都会继续提高。现在已经不是这样了。软件工程师越来越需要了解他们编写的代码的功耗和热影响，包括给定操作需要多少计算周期，以及如何更好地利用硬件，一直到RTL级别。

从长远来看，这个行业需要更多的人，而今天在这个行业工作的许多人都需要补充培训。

未来的首要瓶颈是人才，限制硅产业增长的不是锂或氖，而是人。

德勤的库利克（Kulik）对此表示赞同，并补充称，公司需要撒更广的网。他说：“我们需要利用非传统资源，甚至更多的非传统资源来满足所有需求，因此，我们需要女子学院和STEM项目，以及历史上的黑人学院和大学。即使需求下降，人才短缺也会持续下去，因为这个行业的长期增长趋势是正确的。即使需求减少，供应链弹性的需求也会推动一些产能更大的规模。世界仍处于连接事物旅程的早期阶段。因此，经济周期将一如既往地受到冲击，因为这是一个周期性行业。但我们对客户的建议是，在人才战略方面，要着眼长远，展望三到五年，甚至更长时间。这将继续是一场斗争。”