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全球半導體市場迎來新周期 一路飆升至13,077億美元的背後
全球半導體產業發展將迎來一個新周期。
最近，Market.us對未來10年的半導體行業進行了展望，總體來看是相當的積極樂觀，認為全球半導體市場規模有望實現大幅增長，回暖的2024年只是個“開胃菜”，這一年的市場總規模將達6,731億美元。預計從2023到2032年，全球銷售額將以8.8%的複合年增長率成長，到2032年，全球半導體市場規模預計將達到13,077億美元。
Market.us的這份報告較為宏觀，主要說明今後這些年全球半導體業的整體發展態勢。實際上，半導體產業發展是有週期的，不太可能在10年內一直處於線性成長狀態，週期內會有起伏，關於這些週期性的變化情況，這張圖沒有反映。
在經過低迷的2022和2023年後，人們都希望半導體產業能在2024年恢復往日輝煌，並持久發展下去。希望是需要實實在在的應用需求和技術支撐的，那麼，如何才能發展到2032年13077億美元的市場水平呢？整體來看，需要應用帶動、晶片元件供給、技術創新，以及全球各區域市場發展這四大元素的合力驅動。
01 先嘗“開胃菜”
首先來看一下宏觀市場行情。
1月9日，美國半導體產業協會（SIA）發布了一份統計數據，2023年11月，全球半導體產業銷售額總計480億美元，與2022年11月的456億美元相比成長5.3%，比2023年10月的466億美元成長2.9%。值得注意的是，這份2023年11月的數據，是自2022年8月以來首次實現年比正成長，這在很大程度上預示著2024年的半導體業將進入上昇路徑。
根據WSTS統計，全球半導體業在2023年第四季年增6%，這將為2024年每季的兩位數年成長奠定基礎。
到2024年，預計半導體市場的兩個關鍵驅動因素（手機和PC）將復蘇，IDC預測，智慧型手機出貨量在2023年下降5%後，2024年將成長4%，PC在2023年大幅下降14%後，2024年的出貨量將成長4%。
下圖所示為各大機構對2024年全球半導體業的成長預測，普遍樂觀。
02 應用帶動
必須有足夠多和新的應用，才能帶動全球半導體業持續成長，主要體現在以下這些領域。
首先，還是智慧型手機、PC和平板電腦這些傳統消費性電子產品，它們雖然是紅海，增量有限，但存量龐大，肯定還是晶片元件消費的大頭兒。另外，智慧家庭和穿戴式裝置具有很大增量空間，目前依然是藍海，如果能在這兩個領域實現激增，則將對整個半導體業起到很大的推動作用。
其次，市場對高效能運算（HPC）的需求快速增加，特別是火熱的人工智慧（AI）市場，對各種高效能處理器和記憶體提出更多、更高的要求。邊緣運算也越來越重要，因為海量資料對能夠在網路邊緣進行本地處理和分析的需求不斷增長。邊緣設備需要具有低功耗和AI 功能的高效能晶片，許多公司都在開發邊緣運算專用晶片，以滿足這種去中心化的運算需求。
汽車電子也是藍海，汽車產業越來越依賴半導體技術來推動電動車、ADAS和智慧座艙技術和應用的進步。在對高效能運算、通訊和感測器的需求推動下，汽車應用對半導體技術和產品的需求將快速成長。
未來，物聯網將無所不在，相關設備的激增和5G技術的發展將催生對更先進、更節能的半導體產品的需求，以支援增強的連接性和功能性。這裡，對感測器的需求不斷增長，MEMS和其它感測器晶片在消費性設備、生物醫學應用、無人機、機器人等領域的需求將越來越大。由於遠距工作的需求不斷增加，未來，電信業在半導體市場將佔有相當大的份額（37.0%左右）。
03 晶片元件供給
應用數量的增長和種類的增多，必將增加對各種晶片元件的需求。特別是在邊緣側，以後的資料量會越來越多，到時候，恐怕難以用海量來形容了，這種情況下，大量的邊緣側設備和系統，對CPU、GPU、AI專用處理器，以及各種記憶體的需求肯定會大增。
汽車是另一個大成長領域，就像當年手機由功能機向智慧型手機進化一樣，對各種邏輯、儲存、類比和射頻等晶片元件的數量和性能提出更高要求，才有了近15年手機市場規模的大漲。同樣的發展路徑大概率會發生在汽車身上。
再有就是物聯網，實際上，這是一個很寬泛的概念，涉及的應用和晶片元件太多了，也很雜，增長空間巨大，對相應的低功耗元件的需求量是很大的。
根據Market.us的統計和預測，晶片元件市場的主要成長點是記憶體、邏輯元件、類比晶片，以及MPU和MCU。其中，MPU和MCU比例最大，約34%，因為它們廣泛用於各種消費性、商業和工業系統和設備。
04 技術驅動
應用需求的成長，晶片元件的推陳出新，需要創新技術的支援與保障。
未來10年，有許多創新技術、以及當下已有技術的演進值得關注，以下舉一些典型例子。
Chiplet（小晶片）：小晶片允許在單一封裝中使用具有不同製程節點的多個Die，這種設計可以加快原型製作，實現快速上市。小晶片技術非常適合具有不同複雜度的處理器和設備，例如，AMD的Radeon RX 7900 XTX和Radeon RX 7900 XT顯示卡，採用了結合5nm和6nm製程節點的小晶片設計，每瓦效能比上一代產品高出54%。
RISC-V ：越來越多的IC設計公司正在轉向開放標準指令集架構RISC-V。RISC-V的主要優勢是節能和開源，其模組化設計可實現高效的資源利用，具有成本效益。2023年，包括Robert Bosch、Infineon、Nordic Semiconductor、NXP和Qualcomm在內的一批晶片大廠合資成立了一家公司，目的是加快基於RISC-V的創新產品的開發和商業化。
增強5G蜂窩網路和衛星連接： 5G Reduced Capability（RedCap）在3GPP第17版中引入，它在吞吐量、電池壽命、複雜性和設備密度之間實現了平衡。作為上一代技術，LTE Cat-4網路壽命相對較短，而下一代技術5G RedCap的壽命更長。此外，結合衛星和蜂窩技術的先進連接解決方案開始出現，它可以大幅降低地面網路的局限性，並擴大物聯網設備的覆蓋範圍。
AI晶片整合度不斷提高：企業對即時數據分析和數據隱私的需求正在快速增長，這種需求推動了具有高性能晶片組的新型邊緣設備的開發，使AI應用程式能夠在本地運行，無需將數據發送到雲端。本地化的AI處理可減少延遲，實現快速決策，並保護資料。
晶片和雲端安全的進步：隨著網路連接設備數量不斷增加，網路攻擊和未經授權存取的風險也在增加。晶片廠商正在積極地將安全功能整合到產品中，並遵守行業特定的法規和標準，獲得認證的產品必須從設計的早期階段就遵守特定的產品開發要求。
節能技術：隨著處理器的整合度、效能和通訊頻寬的提高，對能源效率的要求也不斷提高，超低功耗SoC正在興起，相關晶片企業正在利用創新的節能方法來延長續航時間。
下面談一下製程工藝，一切晶片技術都要透過製造技術實現，因此，未來的製程製程發展狀況也是一大看點。
根據IC Insights統計和預測，隨著晶片特徵尺寸微縮速度放緩，晶片設計人員也發現越來越難以證明較高的成本能得到合理的回報。因此，先進與成熟過程之間的利弊愈加明確，不同公司所採用的製程也愈加有針對性。這就使得各種過程都有展現各自優勢的空間。
如上圖所示，在2019年，10nm以下先進製程的市佔率僅為4.4%，而到2024年，其比例將成長到30％。在該時間段內，10nm -20nm製程的市佔率從38.8%下降到26.2%；20nm-40nm製程的市佔率將從13.4%下降到6.7%；不過，從這個統計和預測來看，40nm以上成熟過程的比例在這些年並沒有明顯變化。
10nm以下的先進製程呈現出快速成長的態勢，如圖所示，2020年市佔率為10％，2022年超過了20％，並在2024年增加至全球產能的30％，主要驅動力是5nm 、4nm和3nm。
10nm -20nm製程市場佔比本來是最大的，如圖所示，2019年接近40%，但隨著10nm以下先進製程的崛起，10nm -20nm的市場份額正逐漸被蠶食。此範圍內的主力製程是16nm（主要由台積電提供），14nm（主要由三星和英特爾提供），以及12nm（主要由台積電提供）。
從圖中可以看出，20nm-40nm製程的市佔率一直都比較低，隨著時間的推移，將從13.4%，下降到6.7%。
40nm以上的成熟過程，無論是180nm以下，或是180nm以上的，市佔率都很穩定。這也正是諸多晶圓代工廠長期專注於成熟工藝，而不向先進製程投入過多資本與精力的底氣所在。
05 區域市場發展
過去幾十年，在電子半導體市場，美國引領創新和設計業，亞洲，特別是東亞地區主打製造，而歐洲則固守傳統技術和製造，介於美國和亞洲之間。
2023年，亞太地區（特別是韓國、中國大陸和中國台灣）在全球晶片製造市場佔據主導地位，佔比超過51.5%。該地區主要受益於強勁的電子產品生產、熟練的勞動力以及對研發和晶圓廠建設的大量投資。
在晶片設計和創新方面，美國是尖端研究機構和企業的所在地。歐洲更專注於汽車和工業領域晶片元件的開發，強調品質和精度。
拉丁美洲是新興地區，消費性電子和汽車產業的成長正在推動該地區半導體產品需求的成長。中東和非洲也在穩步發展。
從近幾年的發展來看，全球各地區都在追求綜合實力的提升，無論是設計，還是製造，都在強調創新和前沿技術和工藝。全球大市場「分工發展」的傳統局面正在被打破。為了補短板，實現綜合實力的提升，各區域市場都在加大投入力度，尤以中國大陸、美國和歐洲最為凸出。
2014年，中國大陸啟動了積體電路產業投資“大基金”，起初階段，在晶片製造上投入了500億美元，之後將投入資金總量增加至1000億~1500美元，用於追趕全球技術領導者。
美國則於2022年推出了CHIPS和科學法案，提供約520億美元的政府補貼，該法案還包括另外240億美元的晶片生產稅收抵免，以支持本地先進晶片製造。
2023年，歐盟推出了歐洲晶片法案，預計投入490億美元，用於發展本地半導體研發和生產，目標是將歐洲晶片製造在全球的份額從10%升至20%。在總投資中，約375億美元將分配給大型晶圓廠，其餘部分將用於晶片設計平台和其它基礎設施建設。
有了政府補貼和政策支持，全球各大晶片廠商開始在歐美亞三大洲積極擴產。
在美國，英特爾打算砸1000億美元，在俄亥俄州和亞利桑那州打造全世界數一數二的晶片製造園區。當然，這1000億美元沒有全部用在美國，還包括在歐洲工廠的投資；台積電正在亞利桑那州建設4nm製程晶圓廠，預計投入400億美元；美光計劃在未來20年內投資1000億美元建設晶圓廠，重點放在紐約州、猶他州和愛達荷州建廠；WolfSpeed要在北卡建造一座價值數十億美元的SiC（碳化矽）晶圓廠；GlobalFoundries要在紐約建造第二座晶圓廠；三星電子投入170億美元在德州新建晶圓廠，用來生產4nm製程晶片。
在歐洲，英飛凌開始在德國德勒斯登（Dresden）興建一座總價50億歐元的晶圓廠，計畫在2026年投產；台積電也要在德勒斯登新建晶圓廠，等待德國政府的補助；英特爾決定在德國新建晶圓廠，德國政府承諾補助100億歐元，這是英特爾在歐洲地區880億美元投資計畫的一部分，英特爾還在和義大利洽談新建先進封測廠；意法半導體（STMicroelectronics）要建造一座價值7.3億歐元的碳化矽晶圓廠，計劃於2026年竣工，意法半導體還與GlobalFoundries合作在法國新建晶圓廠。
在亞洲，台積電計畫在日本建造兩座晶圓廠，台積電也將擴充南京28nm製程產能，同時，加緊在中國台灣地區建設3nm和2nm製程產線；三星電子計畫投資2300億美元，最晚到2042年在韓國建立全球最大的晶片製造基地；印度Vedanta集團計劃投資195億美元，在當地建造晶圓廠和顯示面板廠。
06 結語
以2023年為終點，上一個半導體週期已經過去，2024年將迎來新一輪週期，產業成長隨之而來，但具體成長過程仍有待觀察。
整體來看，未來幾年的全球半導體產業將迎來新的發展時段，在更多、更新應用的帶動下，各種晶片元件在數量和質量上都會有新的表現，而各種設計技術、製造工藝，以及創新產業標準等將確保各種半導體產品持續發展與創新。同時，在全球各國和地區的政策和補貼資金的支持下，眾多廠商將新建數十個大型半導體工廠，以保障市場對產能的需求。
當然，發展不可能一帆風順，在半導體產業固有週期，以及一些盲目的產能建設作用下，全球半導體業還會在發展中遇到各種困難。（半導體產業縱橫）