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作為全球最重要的戰(zhàn)略物資之一，芯片的價(jià)值正在日趨緊張的地緣政治環(huán)境中，推動半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)全球化結(jié)構(gòu)的變化。雖然至少目前，還不太會出現(xiàn)一個(gè)“完全自給自足的本地供應(yīng)鏈”——這意味著至少萬億美元級的增量資金和高昂的芯片價(jià)格以及最終電子設(shè)備成本的增加——但當(dāng)涉及到半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的安全時(shí)，芯片，尤其是芯片制造業(yè)就成為一個(gè)主要的焦點(diǎn)。
芯片制造業(yè)分為純晶圓代工和IDM兩類，前者因其開放式的商業(yè)模式成為半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的主力，與非研究院將就目前全球和中國國內(nèi)的晶圓代工業(yè)現(xiàn)狀，從產(chǎn)能、投資以及發(fā)展態(tài)勢等幾個(gè)方面進(jìn)行梳理。
市場規(guī)模擴(kuò)張推動產(chǎn)能和投資增長
近兩年，受網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心計(jì)算機(jī)、5G智能手機(jī)和其他如機(jī)器人、自動駕駛、AI等高增長應(yīng)用市場對先進(jìn)處理器的強(qiáng)勁需求，晶圓制造市場增長強(qiáng)勁。IC Insights的報(bào)告預(yù)計(jì)，2021年晶圓制造市場總銷售額將首次突破1000億美元大關(guān)，達(dá)到1072億美元，增長23%，并將繼續(xù)以年均11.6%的增長速度持續(xù)增長，直至2025年，預(yù)計(jì)總銷售額將達(dá)到1512億美元。
全球晶圓制造市場增長情況
來源：IC Insights
這一趨勢體現(xiàn)出新興應(yīng)用市場的驅(qū)動力，而今年全球的缺芯潮，則進(jìn)一步刺激了各大晶圓廠的產(chǎn)能擴(kuò)張。根據(jù)SEMI的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球半導(dǎo)體制造商在2021年和2022年將新建29座工廠，其中19座在2021年底前開建，2022年再建10座，以滿足市場對芯片的日益增長的需求。
全球新廠房建設(shè)
來源：SEMI
如圖所示，從區(qū)域分布看，中國大陸和中國臺灣地區(qū)將在新的廠房建設(shè)中領(lǐng)先，分別為8座；其次是美洲6座；歐洲/中東3座；日本和韓國各2座。這些新建工廠中，300mm(12英寸)廠占據(jù)主力——2021年15座，2022年7座。其余7個(gè)工廠包括100mm(4英寸)，150mm(6英寸)和200mm(8英寸)。
這29家工廠全部建成投產(chǎn)后，每月可生產(chǎn)多達(dá)260萬片晶圓(等效8英寸)。
從類別看，這29座工廠中，有15座是晶圓廠，月產(chǎn)能在3萬～22萬片晶圓之間(等效8英寸)；4座是存儲工廠，月產(chǎn)能在10萬～40萬片晶圓(等效8英寸)。
雖然產(chǎn)能總體在擴(kuò)張，但不同尺寸晶圓產(chǎn)能擴(kuò)張趨勢不同。就占比而言，12英寸居于首位，而8英寸在2020年僅占4%，今年受缺芯拉動，上升至6%，預(yù)計(jì)2022年仍將維持這一比例。
2018-2022年全球不同尺寸晶圓產(chǎn)能占比
來源：SEMI
事實(shí)上，今年的缺芯——模擬IC、電源管理IC、顯示驅(qū)動IC、功率組件MOSFET、MCU及傳感器等——主要都集中在8英寸產(chǎn)能，暴露出產(chǎn)能的不足。由于12英寸晶圓產(chǎn)線的投資回報(bào)率更高，因而近幾年各制造工廠對8英寸產(chǎn)能投入一直有限，從目前的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看，這一現(xiàn)況也不會因?yàn)楸据喨必浂鴱母旧细淖?。根?jù)SIA的預(yù)測，從2020年到2024年，全球8英寸晶圓產(chǎn)能的增長僅17%。
2020-2024年全球8寸產(chǎn)能僅增長17%
來源：SIA
針對8英寸晶圓代工產(chǎn)能，DIGITIMES Research統(tǒng)計(jì)了全球前十大晶圓代工廠2018年至2021年相關(guān)產(chǎn)能增加情況?？梢钥吹?，除了力晶因業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型（由DRAM制造轉(zhuǎn)型至晶圓代工）產(chǎn)能增加過兩位數(shù)外，其余都十分有限。尤其是排名前兩位的臺積電和聯(lián)電，都不超過3%，排名第三的中芯國際，也不過6.1%。前十大晶圓代工廠8英寸晶圓代工產(chǎn)能的年復(fù)合增長率平均只有4.2%。
8英寸產(chǎn)能增長有限
來源：DIGITIMES Research
整理：與非研究院
不同于8英寸晶圓代工產(chǎn)能的低增長，12英寸產(chǎn)能擴(kuò)張十分積極，預(yù)計(jì)到2022年，年復(fù)合增長率將超過8%。
2020-2022年全球12英寸產(chǎn)能增長率
來源：SEMI
整理：與非研究院
伴隨產(chǎn)能擴(kuò)張趨勢的，是產(chǎn)能利用率的攀升。從2019年開始，全球8英寸和12英寸晶圓代工廠的產(chǎn)能利用率一路上揚(yáng)，在2020年后雙雙超過90%。而8英寸之前在2016年觸達(dá)滿載后曾一路下滑，到2019年跌至85%左右，此輪重新上揚(yáng)，主因應(yīng)該還是缺芯。
全球晶圓代工及產(chǎn)能利用率
來源：Omdia、天風(fēng)證券研究所
雖然，全球各地區(qū)都在擴(kuò)張產(chǎn)能，但在制程上存在明顯的差異。10nm以下的先進(jìn)制程集中在中國臺灣和韓國，且二者占據(jù)了全球總產(chǎn)能的41.8%，近乎一半，其余產(chǎn)能則幾乎被中國大陸（15.3%）、日本（15.8%）和北美（12.6%）所覆蓋。
中國大陸在180nm～10nm制程區(qū)間產(chǎn)能占比較為均衡（20.5%～14.8%），中國臺灣在20nm～10nm區(qū)間只占9.9%，韓國產(chǎn)能除10nm制程，在40nm～10nm區(qū)間產(chǎn)能占也比較高（27.3%和29.3%），日本則在20nm～10nm區(qū)間有較高占比（23.6%）。
全球不同制程產(chǎn)能區(qū)域分布
來源：IC Insights
這些制程產(chǎn)能的區(qū)域分布，也反映出這些地區(qū)半導(dǎo)體產(chǎn)品的側(cè)重和不同。雖然，由于芯片短缺，芯片供應(yīng)商與代工廠簽訂了多年合同，使得代工廠2021年的收入增長了22.6%，達(dá)到950億美元，并將在2022年繼續(xù)增長11.9%，但之后全球產(chǎn)能利用率將出現(xiàn)下滑。Gartner預(yù)測資本支出的增加將導(dǎo)致2024年和2025年全球晶圓產(chǎn)能供過于求，工廠產(chǎn)能利用率將下降到80%以下。
產(chǎn)能的擴(kuò)張很大一部分來自晶圓廠的擴(kuò)建，而晶圓廠的建設(shè)周期非常長，從開工到量產(chǎn)至少要2年時(shí)間。晶圓廠每層面積可達(dá)3～4萬平米甚至更多，比6個(gè)橄欖球球場的面積還要大，每個(gè)工廠投入的金額至少是100～150億美元，而且運(yùn)營成本也非常高，一年約為10-30億美元，同時(shí)，要滿足摩爾定律的需求，一個(gè)工廠每年還要進(jìn)行30～50億美元的固定資產(chǎn)投入。
總而言之，半導(dǎo)體制造，是一個(gè)燒錢的行業(yè)，產(chǎn)能的擴(kuò)張意味著巨大的投入。僅上文提及的這29家新建工廠的設(shè)備的支出預(yù)計(jì)在未來幾年就將超過1400億美元。單就廠房建筑開支而言，2021年的19個(gè)在建項(xiàng)目的投入是160億美元(同比增長31%)，2022年的10個(gè)新增項(xiàng)目建筑開支達(dá)238億美元，增長達(dá)到驚人的45%，創(chuàng)有記錄以來最高。
因此，半導(dǎo)體制造不僅是技術(shù)，也是財(cái)力的比拼。
全球區(qū)域各制程可量產(chǎn)晶圓廠數(shù)量比較
來源：與非研究院整理
針對產(chǎn)業(yè)投資對應(yīng)的資本支出，ICInsight統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)顯示，全球半導(dǎo)體資本支出在2021年有望飆升34%，這是自2017年增長41%以來的最大增幅。今年的支出是1520億美元，超過了去年創(chuàng)下的1131億美元的歷史最高紀(jì)錄。
2019年～2021年全球半導(dǎo)體資本支出占比情況
來源：ICInsight
如圖所示，在2021年的投資中，晶圓代工廠占所有半導(dǎo)體資本支出的35%，居于首位。自2014年以來，晶圓代工廠每年都在半導(dǎo)體資本支出中占最大份額，只有兩個(gè)例外：2017年和2018年，當(dāng)時(shí)DRAM和閃存的資本支出激增。隨著應(yīng)用市場對采用先進(jìn)工藝技術(shù)節(jié)點(diǎn)制造的芯片的需求不斷增加，晶圓代工廠的支出已經(jīng)變得非常必要。
對很多公司來說，這種支出的增長將持續(xù)到2022年。例如臺積電2021年的資本支出達(dá)到300億美元，比2020年增長74%。而該公司在2021年3月宣布，計(jì)劃在未來三年投資1000億美元，在2023年，其資本支出將達(dá)到350億美元。
臺積電7nm及以下先進(jìn)制程資本支出
來源：與非研究院整理
同樣，三星2021年在半導(dǎo)體資本上花費(fèi)約300億美元。三星集團(tuán)宣布，計(jì)劃在未來三年投資240萬億韓元(合2100億美元)，以擴(kuò)大業(yè)務(wù)。在2022年，三星的資本支出將達(dá)到320億美元。
另一個(gè)IDM巨頭英特爾計(jì)劃在2022年在資本支出上投入250億～280億美元，而2021年為180億～190億美元。該公司正在大力推動IDM 2.0戰(zhàn)略，目標(biāo)是重返全球晶圓制造領(lǐng)先地位，該戰(zhàn)略重點(diǎn)包括投入7nm以下先進(jìn)制程與先進(jìn)封裝技術(shù)布局，重啟晶圓代工業(yè)務(wù)并成立新的晶圓代工部門。根據(jù)支出計(jì)劃區(qū)間的中點(diǎn)，英特爾資本支出在2021年和2022年將分別增長30%和43%。
高階制程的投資成本越來越大，相應(yīng)的，產(chǎn)能集中度也越來越高，僅上述三家合計(jì)就占半導(dǎo)體行業(yè)總資本支出的一半以上。如臺積電未來3年的1000億美元支出，超過80%是投在7nm以下制程。
各制程每5萬片晶圓月產(chǎn)能資本支出比較
來源：與非研究院整理
由于先進(jìn)制程的投資規(guī)模越來越大，事實(shí)上，整個(gè)代工業(yè)的投資回報(bào)率在2011年～2018年一直在下降，直到2019年開始，7nm制程產(chǎn)能逐漸拉升，加上本輪缺貨提高了產(chǎn)能利用率，投資回報(bào)率才回到上升周期。
全球晶圓代工資本支出回報(bào)率
來源：Omdia&天風(fēng)證券研究所
中國本土產(chǎn)能和投資增勢迅猛
如前文所述，在全球晶圓制造的產(chǎn)能擴(kuò)張中，中國大陸和中國臺灣地區(qū)將在新的廠房建設(shè)中領(lǐng)先（分別為8座），反映出中國本土的產(chǎn)能和投資正在處于高速增長的階段。這和國內(nèi)整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展一致——過去5年，受政府政策、中美博弈和資本市場投資者的推動，中國半導(dǎo)體行業(yè)的投資增長了250%以上。
從工藝制程的發(fā)展看，從國家“十五”到“十三五”期間，國內(nèi)的半導(dǎo)體制造產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了集成創(chuàng)新期（90nm~65nm）、創(chuàng)新突破期（45nm~32nm）和同步發(fā)展期(22nm~16nm)，“十四五”期間發(fā)展重點(diǎn)則主要是16nm以下工藝與全球先進(jìn)制程的同步發(fā)展。
過去幾年，中國半導(dǎo)體制造業(yè)的規(guī)模持續(xù)增長，由2015年的900.8億元增長到2020年的2560.1億元，幾乎翻了三倍，年復(fù)合增長率達(dá)到23.2%。SIA預(yù)計(jì)，到2030年，中國大陸的半導(dǎo)體產(chǎn)能將占全球的24%。
中國大陸2030年半導(dǎo)體產(chǎn)能占全球24%
來源：SIA
從國內(nèi)幾家頭部代工廠的計(jì)劃來看，未來幾年，新增產(chǎn)能將集中在8英寸和12英寸，而2023年起，中芯將進(jìn)一步增加14/16nm工藝的產(chǎn)能。
國內(nèi)主要代工廠產(chǎn)能計(jì)劃
來源：與非研究院
就產(chǎn)能區(qū)域分布看，國內(nèi)8/12英寸半導(dǎo)體產(chǎn)能（包括存儲IDM）集中在華東和華北，其次是華南。
中國國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)能分布
來源：公開資料
而根據(jù)與非研究院的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，目前，國內(nèi)本土的晶圓代工廠有25家（文末附企業(yè)名錄），從數(shù)量上看，廣東和上海并列第一，各有5座，其次是江蘇4座，浙江、四川和福建各3座，天津、湖北、北京、安徽和陜西各1座。
國內(nèi)本土晶圓代工廠分布
來源：與非研究院
如前文所述，國內(nèi)的先進(jìn)產(chǎn)能幾乎都在近三年快速擴(kuò)張，背后同樣是巨額資本的加持。從Gartner統(tǒng)計(jì)的2021年全球前20大半導(dǎo)體產(chǎn)能投資規(guī)模（包括IDM）排名分析中可以看到，中國國內(nèi)的三家公司（中芯國際、長江存儲、長鑫）在金額上已經(jīng)排到6～8位。如果只看純晶圓代工廠，中芯國際排名將前移至第2位。
2021年全球前20大半導(dǎo)體產(chǎn)能投資規(guī)模
來源：Garner
隨著新增項(xiàng)目和投資的持續(xù)增加，未來幾年，國內(nèi)代工廠預(yù)計(jì)仍將有較大的成長。不過中美博弈，也影響了國內(nèi)自主產(chǎn)能的擴(kuò)張進(jìn)度，以中芯國際為例，由于被列入美國黑名單，其2021年的資本支出預(yù)計(jì)將下降25%，至43億美元。
另外，本輪缺芯主要集中在8英寸產(chǎn)能，但由于投資回報(bào)率不高，目前8英寸產(chǎn)線沒有新廠的投資，大多數(shù)投資均為擴(kuò)產(chǎn)，要徹底解決8英寸制程緊缺的問題，仍需要將8英寸的產(chǎn)能轉(zhuǎn)向12英寸——在相同條件下，后者產(chǎn)能較前者多2倍。例如中國臺灣力積電就已在使用12英寸晶圓為聯(lián)發(fā)科生產(chǎn)PMIC電源產(chǎn)品，華虹宏力也在用12英寸晶圓做BCD電源，合肥的晶合和廣州的粵芯等，也都在往12英寸轉(zhuǎn)移，以生產(chǎn)90nm以下或者55nm以下的產(chǎn)品。
總結(jié)
總體來看，中國本土半導(dǎo)體制造已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)能擴(kuò)張周期，未來十年晶圓代工的成長性顯著。與非研究院認(rèn)為，其中關(guān)鍵因素包括三個(gè)：政策指引、投資拉動、市場和技術(shù)推動。
近幾年，在政策指引和投資拉動下，全國各地的半導(dǎo)體制造產(chǎn)線建設(shè)方興未艾，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，自2014年以來，新開工建設(shè)的半導(dǎo)體制造項(xiàng)目達(dá)到20個(gè)以上（包括境外企業(yè)在境內(nèi)的項(xiàng)目），全部建成投產(chǎn)后，月產(chǎn)能將達(dá)到150～170萬片。
中國新增制造項(xiàng)目及投資
來源：與非研究院整理
由于在近兩年日趨激烈的中美博弈中，半導(dǎo)體制造已成為核心競爭力的戰(zhàn)略支點(diǎn)，因此兩國政府的政策制定者所設(shè)計(jì)的行動，都包括有針對性的激勵措施，鼓勵國內(nèi)投資生產(chǎn)，以解決戰(zhàn)略差距，降低全球供應(yīng)鏈風(fēng)險(xiǎn)。
在去年12月15日的國務(wù)院常務(wù)會議中，特別提到“要加大對制造業(yè)助企紓困和發(fā)展的支持力度，扎實(shí)推動制造業(yè)從中低端向中高端邁進(jìn)?！辈⑼瞥隽讼蛑圃鞓I(yè)傾斜的減稅降費(fèi)政策， 加大研發(fā)費(fèi)用加計(jì)扣除、增值稅留抵退稅等政策力度。
從技術(shù)推動看，有兩個(gè)層面，一是阻力：目前國內(nèi)半導(dǎo)體制造在先進(jìn)工藝上還相差2-3代水平，而資金門檻、盈利困難、先進(jìn)設(shè)備的引進(jìn)等都有諸多制約。國內(nèi)目前14nm的產(chǎn)能基本集中在中芯國際、華力這兩家，且產(chǎn)能相對較小。半導(dǎo)體行業(yè)是一個(gè)非常市場化的產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)能、良率、成本都決定了競爭力，這些都是國內(nèi)半導(dǎo)體制造業(yè)面臨的阻力，但也因此將推動國內(nèi)企業(yè)持續(xù)投入；
二是動力：后摩爾定律效應(yīng)對芯片性能提出了更高的要求，除了材料，創(chuàng)新的制造和封裝工藝都發(fā)揮著決定性的作用，因而在給半導(dǎo)體制造帶來挑戰(zhàn)的同時(shí)也給相關(guān)企業(yè)帶來了機(jī)遇。例如微縮技術(shù)、高密度、高能效、更高的性能等，這些也都給制造提供了多維的創(chuàng)新方向，這其中也必將給后發(fā)者提供彎道超車的機(jī)會。
附：國內(nèi)半導(dǎo)體制造企業(yè)名錄（不包括IDM和存儲）
來源：與非研究院
