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在新冠疫情肆虐下，即便全球疫苗覆蓋率快速提升，但COVID-19病毒持續(xù)變種，2021年全球經(jīng)歷了COVID-19病毒爆發(fā)以來最嚴重的一年，不僅在感染人數(shù)上已經(jīng)超過1.75億人，是2020年的兩倍；死亡人數(shù)超過329萬人，為2020年的1.75倍。受到疫情影響，全球各國大舉采用居家隔離乃至于封城等方式以防堵疫情擴散，不僅對人類工作、學(xué)習(xí)與生活型態(tài)造成重大影響，對于全球電子產(chǎn)業(yè)最上游的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)而言，終端需求轉(zhuǎn)變對于所帶來的影響更是不言可喻。
除此之外，歷時多年的中美貿(mào)易戰(zhàn)已升級為科技戰(zhàn)、金融戰(zhàn)與地緣政治的戰(zhàn)爭，全球地緣政治風(fēng)險提高，半導(dǎo)體業(yè)者經(jīng)營除了考量自身營運、技術(shù)、供應(yīng)鏈及市場等問題之外，如今更需要考量國際政治問題，相較以往經(jīng)營環(huán)境更加復(fù)雜。因此，本文將探討全球政治經(jīng)濟環(huán)境發(fā)展趨勢之下，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的機會與可能面臨的挑戰(zhàn)。
疫情時代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展機會分析
1.全球晶片供不應(yīng)求引爆2021年半導(dǎo)體市場大幅成長
2020年全球受到COVID-19疫情肆虐，為了避免接觸傳染，居家辦公及遠距教學(xué)改變?nèi)藗兊纳钚蛻B(tài)，個人電腦、云端伺服器等終端需求大增，帶動全球半導(dǎo)體市場不懼疫情影響，維持6.8%的成長幅度。
盡管疫情情勢較前一年度更為嚴峻，但卻無法壓抑市場需求的反彈，首當(dāng)其沖的便是汽車市場的復(fù)蘇力道超乎預(yù)期。但全球政府為了防堵疫情蔓延也祭出各種封鎖措施，導(dǎo)致半導(dǎo)體廠產(chǎn)能供應(yīng)不及，引發(fā)全球汽車晶片短缺，整車廠及車用電子廠商開始轉(zhuǎn)向晶圓代工廠下單，進一步擠壓到晶圓代工廠生產(chǎn)資通訊晶片的產(chǎn)能，導(dǎo)致于全球電子產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈為了避免缺料開始提高庫存水準(zhǔn)，更進一步加劇半導(dǎo)體產(chǎn)能不足問題，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)產(chǎn)能滿載的情況下，也造就了整體市場創(chuàng)下2011年以來成長率最高的一年。根據(jù)WSTS的調(diào)查，2021年整體市場規(guī)模也突破5,000億美元，來到5,509億美元，較2020年大幅成長25.1%。全球半導(dǎo)體市場規(guī)模預(yù)估如圖1所示。
圖1：全球半導(dǎo)體市場規(guī)模預(yù)估。
(來源：WSTS；資誠科技產(chǎn)業(yè)研究中心整理(2021/12))
2.晶圓代工及專業(yè)封測產(chǎn)能大舉滲透車用市場
由于汽車供應(yīng)鏈對產(chǎn)品可靠度、穩(wěn)定性的要求較高，且產(chǎn)品需要較長時間認證，因此相較于消費性電子產(chǎn)品供應(yīng)鏈更加封閉，車用半導(dǎo)體廠商也多以IDM(Integrated device manufacturer)的生產(chǎn)模式供應(yīng)車廠所需的晶片。如此緊密配合的型態(tài)在整車廠JIT(Just In Time)的生產(chǎn)模式下，雖然可以穩(wěn)定運作無虞，但是最大的風(fēng)險在于，一旦產(chǎn)業(yè)鏈上游任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，將導(dǎo)致下游整條產(chǎn)業(yè)鏈欠缺即時調(diào)整的彈性而因此停擺。
而2021年初，正當(dāng)汽車產(chǎn)業(yè)迎接快速復(fù)蘇的汽車市場需求、汽車產(chǎn)品電子化程度日益提升，以及整車市場電動化的趨勢帶動車用半導(dǎo)體需求快速成長的同時，卻因為日本地震、美國德州暴風(fēng)雪造成大規(guī)模停電，使得全球主要車用半導(dǎo)體廠商Infineon、NXP、Renesas等晶圓廠被迫停工，而在Renesas的12吋晶圓廠在3月初發(fā)生火災(zāi)直到6月初才恢復(fù)運轉(zhuǎn)后，更讓原本已相當(dāng)緊俏的車用半導(dǎo)體產(chǎn)能雪上加霜。再加上6月起東南亞疫情嚴重，尤其是占全球半導(dǎo)體封測產(chǎn)能13%的馬來西亞在當(dāng)?shù)卣墓苤浦卤黄韧９?，包括Infineon、STMicroelectronics、NXP、TI及Onsemi等車用半導(dǎo)體廠產(chǎn)能均受到影響。
對IDM來說，要填補產(chǎn)能盡速完成訂單缺口的燃眉之急，最快的方法便是尋求晶圓代工及專業(yè)封測廠，因此，原先由少數(shù)IDM業(yè)者分食的車用半導(dǎo)體市場，因為疫情影響之下打開合作大門，紛紛與晶圓代工及專業(yè)封測廠簽訂長期合約或密切合作，以避免產(chǎn)能無法滿足客戶需求喪失市場先機。如此一來，也使得原先封閉的車用半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)模式發(fā)生變化，短期而言，晶圓代工加上專業(yè)封裝的生產(chǎn)模式因IDM轉(zhuǎn)單效應(yīng)而受惠；長期而言，將有機會持續(xù)擴大專業(yè)分工模式在車用半導(dǎo)體市場的滲透比率。
3.寬能隙化合物半導(dǎo)體市場蓄勢待發(fā)
在上個世紀半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期，以矽(Si)為晶圓材料的半導(dǎo)體產(chǎn)品蓬勃發(fā)展之下，帶動了資通訊產(chǎn)業(yè)的快速起飛。矽晶圓應(yīng)用雖廣，但在高溫、高壓、高電流、高功率、要求散熱/開關(guān)速度快、轉(zhuǎn)換效率高等情境下仍未臻完美，產(chǎn)業(yè)界一方面追逐摩爾定律的極致方面，另一方面也在尋找更合適的材料及制程滿足上述要求，化合物半導(dǎo)體便為一條主要發(fā)展方向。
因此，在行動通訊市場的快速滲透之下，砷化鎵(GaAs)等材料被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通訊、行動通訊、光通訊、光電感測器等新領(lǐng)域。而隨著5G通訊、電動車市場蓬勃發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)、人工智慧(AI)、自動駕駛、電動化等趨勢帶動之下，更高頻、耐高壓的射頻元件與功率元件便成為廠商關(guān)注焦點，對于碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN)等新材料應(yīng)用于寬能隙半導(dǎo)體領(lǐng)域的研究更成為當(dāng)紅炸子雞。
如今，全球主要國家政府均大力投入資源支持寬能隙化合物半導(dǎo)體研究，吸引晶圓材料廠、晶圓代工廠、IDM及LED大廠透過自主研發(fā)或采取并購方式進行布局，并已陸續(xù)開發(fā)出可用于取代傳統(tǒng)矽制程元件的替代產(chǎn)品。預(yù)計在汽車、通訊及電力供應(yīng)等主要應(yīng)用市場陸續(xù)采用之下，根據(jù)OMDIA的統(tǒng)計顯示，包括碳化矽功率元件、氮化鎵射頻元件及氮化鎵功率元件等寬能隙化合物半導(dǎo)體應(yīng)用市場于2021年可達到17.6億美元的規(guī)模，至2025年將成長至75億美元，在四年內(nèi)市場擴大規(guī)模至4倍，2021~2025年間的年復(fù)合成長率達到43.7%，成為整體半導(dǎo)體市場中成長速度最快的領(lǐng)域。全球碳化矽、氮化鎵射頻及功率元件市場規(guī)模預(yù)估如圖2所示。
圖2：全球SiC、GaN射頻及功率元件市場規(guī)模預(yù)估。
(來源：OMDIA；資誠科技產(chǎn)業(yè)研究中心整理(2021/12))
4.異質(zhì)整合趨勢下，晶圓制造延伸晶片性能提升需求
如果說早期摩爾定律發(fā)展靠的是晶圓生產(chǎn)制程微縮技術(shù)達到晶片尺寸縮小及性能提升的目的，那么在后摩爾定律時代下，先進封裝技術(shù)便是延續(xù)晶片性能的重要方法。而透過異質(zhì)整合的立體封裝技術(shù)，可以將不同性質(zhì)、不同材料或是不同功能的晶片，采用系統(tǒng)級的立體封裝技術(shù)整合另外一個半導(dǎo)體材料上，例如將處理器晶片、記憶體晶片、通訊晶片、感測器，甚至是將LED或雷射等不同材質(zhì)的半導(dǎo)體晶片整合，除了可以增加效能、減少功耗之外，也可以加快IC設(shè)計的速度。但是要在不同功能、不同材料的晶片之間的互相溝通，就需要高度仰賴晶圓生產(chǎn)廠商強大的技術(shù)整合能力。
以全球晶圓代工龍頭臺積電為例，其技術(shù)開發(fā)方向除了持續(xù)開發(fā)制程微縮技術(shù)，包括已量產(chǎn)的5nm技術(shù)外，3nm、2nm也預(yù)計將于2022年及2023年量產(chǎn)；而在先進封裝技術(shù)方面，臺積電也推出3DFabric平臺，整合了包括前端SoIC及后端的InFo(Integrated Fan-out)與CoWoS(Chip on Wafer on Substrate)技術(shù)，將鎖定高階客戶需求，提供由制造至封裝的完整技術(shù)服務(wù)。
半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨之挑戰(zhàn)
1.因疫情及天然災(zāi)害所帶來的挑戰(zhàn)
全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)乃至于整體電子產(chǎn)業(yè)鏈當(dāng)前所必須面對的首要問題，仍是受COVID-19疫情影響期間，因為國家封鎖、停工等問題沖擊短期產(chǎn)能規(guī)劃及交貨時程。在過去兩年期間，肺炎病毒已多次變種，于近期再度發(fā)現(xiàn)比Delta病毒更具威脅性的新型變種病毒，并經(jīng)WHO正式命名為Omicron，全球針對最新的變種病毒都已展開防堵措施，病毒對于經(jīng)濟運作的影響何時終止將是持續(xù)關(guān)注的重點。
另一方面，因全球氣候變遷，極端氣候影響之下，旱災(zāi)、雪災(zāi)、臺風(fēng)、水災(zāi)等天然災(zāi)害問題都可能對晶圓廠的正常運作造成不同程度影響。尤其是晶圓廠運作需要大量高純度水及大量電力供應(yīng)，而臺灣目前供應(yīng)全球21.4%晶圓產(chǎn)能，未來兩年內(nèi)還有8座晶圓廠陸續(xù)完工投入生產(chǎn)，2021年初臺灣即發(fā)生嚴重缺水問題，年內(nèi)也發(fā)生多次跳電問題，如何維持穩(wěn)定的水電供給問題，將是未來臺灣半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)能否維持高速發(fā)展的共要關(guān)鍵。
2.美中貿(mào)易戰(zhàn)所引發(fā)的地緣政治效應(yīng)，增加半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈布局風(fēng)險
美中貿(mào)易戰(zhàn)與科技戰(zhàn)發(fā)展僵持不下，美國一方面對中國大陸及特定廠商采取關(guān)鍵設(shè)備禁運、禁制關(guān)鍵技術(shù)輸出、禁止投資先進制程產(chǎn)能、禁止供應(yīng)晶片產(chǎn)品等措施進行封堵；另一方面也強推自主半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈，邀請臺積電前往設(shè)廠。此舉也讓全球各國意識晶圓當(dāng)?shù)厣a(chǎn)供應(yīng)的重要性，紛紛力邀晶圓廠前往設(shè)廠。在此趨勢之下，晶圓廠必須由以往集中生產(chǎn)全球化銷售的營運模式，轉(zhuǎn)變?yōu)閰^(qū)域布局、在地生產(chǎn)及就近供應(yīng)的生產(chǎn)體系，如若當(dāng)?shù)厍啡蓖暾a(chǎn)業(yè)鏈配套基礎(chǔ)，晶圓廠需于當(dāng)?shù)刂匦陆?，亦將提高晶圓廠生產(chǎn)成本。
全球地緣政治風(fēng)險升高之下，若高度仰賴特定國家客戶，將可能因禁令或技術(shù)封鎖特定廠商，導(dǎo)致營收大幅波動，如何于國際不同國家客戶間取得平衡分散風(fēng)險，便成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)必須面對的重要課題。
3.原物料價格持續(xù)攀升，關(guān)鍵材料掌握于少數(shù)國家手中
隨全球疫情趨緩，經(jīng)濟體系逐漸恢復(fù)正常運作后，由于用電、運輸?shù)刃枨髷U大，帶動石油、煤炭、天然氣等原料價格持續(xù)上揚。除了中國大陸多省宣布限電之外，全球各地缺電問題也陸續(xù)浮現(xiàn)。
全球關(guān)鍵科技材料掌握于少數(shù)國家手中，如中國大陸掌握全球已開采稀土的50%，并生產(chǎn)及出口全球90%的稀土，對于稀土價格具有高度話語權(quán)，并將影響以稀土為材料生產(chǎn)的半成品或成品的價格，如晶圓生產(chǎn)材料中的拋光液、靶材等材料；在化合物半導(dǎo)體中使用稀土的比重更高，未來中國大陸若進一步管制稀土出口，將提升晶圓材料成本。
4.終端應(yīng)用市場新需求何在？
現(xiàn)階段先進制程終端應(yīng)用市場以智慧型手機CPU、筆記型電腦CPU、挖礦機高效能運算HPC需求為主，運算能力與人工智慧的持續(xù)發(fā)展預(yù)期雖可持續(xù)帶動應(yīng)用市場需求，但中國大陸對虛擬貨幣的態(tài)度采取堅決禁止、嚴格取締的方式，也曾造成挖礦機生產(chǎn)廠商砍單，更有可能影響未來HPC市場發(fā)展前景。除了目前已知的應(yīng)用產(chǎn)品外，未來新一代新興消費性電子產(chǎn)品市場尚未明朗。
如今多數(shù)廠商雖已布局元宇宙(Metaverse)相關(guān)概念，創(chuàng)造出一個完整的虛擬世界，且預(yù)估未來商機將不可限量，但究其本質(zhì)可發(fā)現(xiàn)實際上元宇宙是一個以VR/AR(虛擬實境/擴增實境)設(shè)備為主要應(yīng)用產(chǎn)品，以及其所衍生的產(chǎn)業(yè)生態(tài)系所構(gòu)成，此類產(chǎn)品問世已有多年時間，然目前市場仍處于萌芽階段。
結(jié)論
雖然全球經(jīng)濟持續(xù)面臨COVID-19疫情的挑戰(zhàn)，但2021年仍是全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)豐收的一年，除了整體市場創(chuàng)下有史以來最大規(guī)模，成長率更是10年內(nèi)罕見。但深究其主因，乃是來自于疫情期間消費需求的壓抑，于疫情紓緩后消費需求復(fù)蘇；但供應(yīng)鏈卻因為天災(zāi)及疫情影響下，因為停工或封鎖等問題，無法回應(yīng)市場需求的供需失衡所導(dǎo)致。也因此全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的重要性受到高度關(guān)注，除美、中政府外，包括歐洲各國乃至于日本、韓國等傳統(tǒng)半導(dǎo)體生產(chǎn)重鎮(zhèn)國家，也將半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)地位重要性提升到前所未有的高度，未來半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)布局形式將更加分散，伴隨而來的將是當(dāng)?shù)毓?yīng)鏈體系重新建立的重要課題。
此外，未來汽車產(chǎn)品電子化，以及整車市場電動化的腳步加速等因素造成車用晶片需求持續(xù)提升，在供需失衡的情況下，晶圓代工模式將有機會滲透車用半導(dǎo)體市場；另外，寬能隙化合物半導(dǎo)體在5G射頻，以及汽車市場上的應(yīng)用市場也將持續(xù)擴大，碳化矽與氮化鎵產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒊掷m(xù)提升，廠商將加速布局速度，在生產(chǎn)模式上IDM模式仍為主流，大廠積極整合并購上下游快速建立競爭門檻，而臺灣半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)以晶圓代工模式領(lǐng)先全球，如何延續(xù)既有優(yōu)勢、持續(xù)領(lǐng)先將是未來關(guān)注重點；最后，除了先進制程、新材料應(yīng)用等方向外，異質(zhì)整合3D封裝技術(shù)將是未來大廠技術(shù)研發(fā)的重要技術(shù)路線。
在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)經(jīng)營所面臨的相關(guān)挑戰(zhàn)方面，在COVID-19疫情尚未完全解除之前，首先仍需持續(xù)關(guān)注全球疫情變化導(dǎo)致市場需求是否產(chǎn)生重大變化，或者供應(yīng)鏈能否正常運作，并關(guān)注原物料價格變動情形；最后，盡管半導(dǎo)體生產(chǎn)技術(shù)及晶片效能持續(xù)提升，然而半導(dǎo)體市場成長力道的延續(xù)，仍須仰賴終端產(chǎn)品不斷的推陳出新，元宇宙相關(guān)產(chǎn)品在大廠陸續(xù)投入之后是否有助于產(chǎn)業(yè)生態(tài)的加速成形，將是未來持續(xù)關(guān)注的重點。
參考
https://www.eettaiwan.com/20211223nt41-opportunities-and-challenges-facing-the-global-semiconductor-industry/
