解決全球芯片短缺的關(guān)鍵是增加200mm晶圓產(chǎn)能嗎？

全球芯片短缺主要表現(xiàn)在成熟晶圓工藝生產(chǎn)的器件，包括電源管理、MCU、RF器件、傳感器和各種分立器件等。全球200mm晶圓廠數(shù)量有限和產(chǎn)能不足是導(dǎo)致芯片短缺的一個(gè)主要原因。本文作者（顧正書/雷陽(yáng)/ASPENCORE全球編輯群）嘗試從以下幾個(gè)方面來回答這個(gè)問題：增加200mm晶圓產(chǎn)能是否可以解決全球芯片短缺？

真正短缺的是模擬芯片

200mm晶圓發(fā)展簡(jiǎn)史

全球200mm晶圓產(chǎn)能現(xiàn)狀及未來增長(zhǎng)趨勢(shì)

如何增加200mm晶圓產(chǎn)能？

臺(tái)積電和中芯國(guó)際200mm晶圓產(chǎn)能

附錄一：中國(guó)大陸200mm晶圓廠分布

附錄二：全球200mm晶圓廠分布

真正短缺的是模擬芯片

新冠疫情造成了全世界恐慌，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)和行業(yè)人士也不能幸免。尤其不幸的是，全球半導(dǎo)體供應(yīng)鏈?zhǔn)艿健芭１扌?yīng)”的影響，去年下半年開始出現(xiàn)波及全球的“芯片荒”。

一方面，疫情和自然災(zāi)害對(duì)晶圓廠產(chǎn)能造成了影響，同時(shí)芯片市場(chǎng)的囤貨和恐慌心理人為抬高了芯片需求；另一方面政府、社會(huì)和媒體的渲染炒作讓“芯片荒”現(xiàn)象更加膨脹，美國(guó)總統(tǒng)更是火上澆油，讓全世界都跟著感染“芯片恐慌”。

撇開這些表面現(xiàn)象，讓我們以系統(tǒng)性的眼光來探究一下“芯片荒”背后的真實(shí)原因?，F(xiàn)在出現(xiàn)的芯片短缺并非孤立事件，也不是近期才有的問題，其實(shí)這是整個(gè)行業(yè)的系統(tǒng)性問題，是芯片制造商和半導(dǎo)體設(shè)備供應(yīng)商在十多年前做出的決定所造成的結(jié)果，只不過由去年出現(xiàn)的“完美風(fēng)暴（新冠疫情+中美科技戰(zhàn)+5G/AI/IoT新興應(yīng)用）”引爆而已。

當(dāng)前的芯片短缺不僅限于先進(jìn)處理器和關(guān)鍵器件（采用300mm晶圓和14nm以下工藝制造），更多是那些不太關(guān)鍵但不可或缺的器件，比如所有電子設(shè)備都要用到的電源轉(zhuǎn)換和管理芯片。

打個(gè)普通老百姓熟悉的比方，山黑豬肉短缺會(huì)引起豬肉市場(chǎng)價(jià)格上漲，但畢竟不是每個(gè)人都必須吃山黑豬肉（類似高端芯片）。如果大米和面粉也短缺了，無論吃面包的西方人，吃面食的中國(guó)北方人，還是吃米飯的中國(guó)南方人，都會(huì)恐慌。對(duì)電子和高科技行業(yè)來說，電源管理和功率器件就相當(dāng)于食品行業(yè)的大米和面粉。

除了每個(gè)電子設(shè)備必配的電源管理和功率器件外，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的ADC和信號(hào)鏈器件，以及無線連接和通信所需的RF器件，構(gòu)成廣泛意義上的“模擬芯片”。模擬器件的需求一直是相對(duì)平穩(wěn)的，年增長(zhǎng)率約為10-15%。

然而，去年的疫情迫使人們?cè)诩疑习嗪蜕蠈W(xué)，從而刺激了電腦和消費(fèi)電子產(chǎn)品的極大需求。這些產(chǎn)品對(duì)模擬器件的消耗搶吃了汽車電子的產(chǎn)能，進(jìn)而造成了汽車廠商因缺芯而停產(chǎn)。

200mm（8英寸）晶圓廠可以采用從90微米到0.15微米的工藝技術(shù)生產(chǎn)半導(dǎo)體器件，可以生產(chǎn)模擬芯片、普通邏輯器件、MCU等微處理芯片、存儲(chǔ)器、MEMS和傳感器、光電器件，以及功率器件等分立元器件。根據(jù)Semico Research的2018年報(bào)告統(tǒng)計(jì)，全球200mm 晶圓廠所生產(chǎn)的模擬器件占比為23%，估計(jì)2020年和今年這個(gè)比例會(huì)更高。

這些不太先進(jìn)的芯片為什么不能像大米和面粉一樣快速增加產(chǎn)能以應(yīng)急呢？制造它們應(yīng)該不用特別尖端（類似卡脖子的技術(shù)）的半導(dǎo)體設(shè)備吧。的確，信號(hào)鏈器件、傳感器、顯示驅(qū)動(dòng)器、電源管理 IC 和 RF 器件大都是在200mm（8英寸）晶圓廠生產(chǎn)的，而不是針對(duì)先進(jìn)芯片的 300mm（12英寸）晶圓廠。

但是，在全球范圍內(nèi)，工藝技術(shù)早已成熟的8英寸晶圓廠數(shù)量有限，因?yàn)樗a(chǎn)出來的芯片售價(jià)便宜，半導(dǎo)體廠商也不愿多投資到這些老舊的廠房和設(shè)備。目前的8英寸晶圓廠產(chǎn)能都已飽和，但快速增加新的晶圓廠也不大可能。

200mm晶圓發(fā)展簡(jiǎn)史

自從第一座200mm晶圓廠在1990年代建成，8英寸晶圓成為多年來的晶圓制造標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù) SEMI 的數(shù)據(jù)，1995年全球共有62座200mm晶圓廠，到2007 年增長(zhǎng)到193座。從 2000年代開始，許多芯片制造商逐漸從200毫米遷移到300毫米晶圓廠。

更大的晶圓意味著芯片制造商可以在每個(gè)晶圓片上切割出更多的裸片，從而提高生產(chǎn)率并降低成本。據(jù)SEMI 分析師稱，一般來說300mm晶圓面積比200mm大2.25倍。

300mm相對(duì)于200mm晶圓的優(yōu)勢(shì)不單單在于成本，還有其他因素，比如經(jīng)濟(jì)高效的工具和凈化間都發(fā)展到了新的水平和標(biāo)準(zhǔn)。于是，晶圓代工廠商和IDM廠商紛紛投資300mm晶圓廠。200mm晶圓廠數(shù)量不但沒有增加，反而有所下降，這意味著有些工廠被關(guān)閉了。從2007年到2016年，全球200mm晶圓廠數(shù)量從193座下降到189座。

在21世紀(jì)的第一個(gè)十年，隨著芯片制造商遷移到300毫米工藝節(jié)點(diǎn)，對(duì)200毫米晶圓產(chǎn)能的投資停滯不前了。那個(gè)時(shí)期供應(yīng)過剩壓低了芯片價(jià)格，導(dǎo)致了半導(dǎo)體行業(yè)一系列并購(gòu)，基本上將那些根本沒有規(guī)模優(yōu)勢(shì)的200 毫米晶圓廠商從這一高資本投入和低利潤(rùn)收益的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中排擠了出去。

然而，從2015年開始，人工智能 （AI） 和物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 新興應(yīng)用的發(fā)展開始推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的增長(zhǎng)，進(jìn)而對(duì)電源管理芯片（PMIC）、圖像處理和模擬器件等相關(guān)芯片的需求呈現(xiàn)出指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。跟智能手機(jī)不同，這些設(shè)備對(duì)功耗和成本比較敏感，自然要求配置的芯片價(jià)格低廉，因此所需要的芯片大都使用200mm 晶圓廠生產(chǎn)。

除了物聯(lián)網(wǎng)，5G手機(jī)和基站帶動(dòng)的需求也進(jìn)一步加劇了現(xiàn)有200mm晶圓產(chǎn)能供應(yīng)緊張的局面，產(chǎn)能自 2019 年年中以來一直嚴(yán)重短缺。200mm 晶圓廠的新生吸引了新的供應(yīng)商加入該市場(chǎng)。據(jù) SEMI 稱，全球投產(chǎn)的 200mm 晶圓廠數(shù)量預(yù)計(jì)將從 2016 年的189 家增加到2022年的213家。

全球200mm晶圓產(chǎn)能現(xiàn)狀及未來增長(zhǎng)趨勢(shì)

根據(jù) SEMI 最新發(fā)布的《200mm晶圓廠展望報(bào)告》，2020年至2024年期間全球200mm晶圓產(chǎn)能預(yù)計(jì)提高95萬片，即17%，達(dá)到每月 660 萬片的歷史新高。

同期半導(dǎo)體廠商將新增 22 座200mm晶圓廠，以滿足5G、汽車和物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 應(yīng)用對(duì)模擬器件、電源管理芯片、MOSFET器件、MCU、傳感器，以及顯示驅(qū)動(dòng)器件的強(qiáng)勁需求，從而有助于緩解全球芯片短缺的局面。

該報(bào)告跟蹤統(tǒng)計(jì)了全球160多家公司的330座晶圓廠數(shù)據(jù)，涵蓋從2013年至2024年間的200mm晶圓廠發(fā)展?fàn)顩r。報(bào)告顯示晶圓代工廠商今年將占全球200mm晶圓產(chǎn)能的50%以上，模擬器件廠商的產(chǎn)能占17%，分立/功率器件廠商占10%。從地域來看，今年中國(guó)將以18% 的份額在200mm產(chǎn)能上領(lǐng)先世界，其次是日本和中國(guó)臺(tái)灣，各占16%。

無論擴(kuò)充現(xiàn)有晶圓廠產(chǎn)能，還是新建200mm晶圓廠，都需要相應(yīng)的200mm晶圓制造設(shè)備。這一細(xì)分市場(chǎng)的銷售規(guī)模在2012 至 2019 年間一直徘徊在 20 億至 30 億美元之間， 2020年突破了30 億美元大關(guān)，預(yù)計(jì)2021年將達(dá)到近40億美元。設(shè)備支出增加部分反映出全球半導(dǎo)體行業(yè)正在努力克服當(dāng)前芯片短缺的困境。

預(yù)計(jì) 2022 年8英寸設(shè)備投資將保持在30 億美元以上，其中代工廠商占支出的一半以上，其次是分立/功率器件廠商占21%，模擬廠商占15%，MEMS和傳感器廠商占7%。

如何增加200mm晶圓產(chǎn)能？

鑒于現(xiàn)有200mm晶圓廠產(chǎn)能已經(jīng)達(dá)到飽和，要增加產(chǎn)能以滿足芯片需求，芯片制造商要么擴(kuò)大現(xiàn)有晶圓廠的產(chǎn)能，要么建造新的晶圓廠。從全球200mm晶圓廠的分布情況看（見附錄完整的8英寸晶圓廠清單），美國(guó)和歐洲大多是一些IDM廠商，如英飛凌、TI、NXP、意法半導(dǎo)體和ADI等，亞洲則以代工廠商為主。

2018年底，臺(tái)積電宣布新建一座8英寸晶圓廠，此前臺(tái)積電在上海有一座8英寸晶圓廠，這是臺(tái)積電15年來首次擴(kuò)建8英寸產(chǎn)能，過去多年臺(tái)積電主要產(chǎn)能早就轉(zhuǎn)向更先進(jìn)的12英寸晶圓廠了。

盡管臺(tái)積電等代工大廠也會(huì)承接一些8英寸晶圓的代工，但訂單沒有那么靈活，主要是幾個(gè)固定的大客戶（比如蘋果）。在臺(tái)積電的產(chǎn)能中，采用300mm晶圓的先進(jìn)制程占了大半，很難再有多余的產(chǎn)能擠出來。

從臺(tái)積電2021年一季度各制程營(yíng)收占比可看出，28納米以上（含28納米）的成熟制程占其營(yíng)收的37%。為擴(kuò)大產(chǎn)能，今年4月份臺(tái)積電宣布追加投資28.87億美元，將在南京擴(kuò)建28納米產(chǎn)線。預(yù)計(jì)到2024年，28納米工藝芯片產(chǎn)能將提高至4萬片/月。

傳統(tǒng)IDM廠商不大可能投資新建8英寸晶圓廠，新建晶圓廠主要還是代工廠商，尤其是中國(guó)大陸的晶圓廠。SEMI預(yù)計(jì)，今年大陸的8英寸晶圓產(chǎn)能將占到全球的18%，這主要應(yīng)歸功于中芯國(guó)際和華虹半導(dǎo)體等代工廠商的持續(xù)投入。中芯國(guó)際和中國(guó)大陸8英寸晶圓廠分布情況稍后會(huì)詳細(xì)介紹。

無論新建還是現(xiàn)有晶圓廠擴(kuò)建，都需要更多的半導(dǎo)體設(shè)備，而設(shè)備同樣面臨短缺的窘境。大多數(shù)半導(dǎo)體設(shè)備制造商都不再生產(chǎn) 200 毫米設(shè)備，即便生產(chǎn)的新設(shè)備支持 200毫米晶圓，其交貨時(shí)間也可能長(zhǎng)達(dá)18個(gè)月。

這意味著，今天增加的新設(shè)備支出最早要到 2022 年才能增加產(chǎn)能。代工廠商、設(shè)備廠商以及舊設(shè)備交易商都在尋找有20到25年歷史的舊機(jī)器，以便對(duì)其進(jìn)行翻新以支持8英寸晶圓。一夜之間，以前無人問津的舊設(shè)備現(xiàn)在成了搶手貨。

日經(jīng)亞洲最近報(bào)道了特朗普時(shí)代中美貿(mào)易戰(zhàn)的一個(gè)意外后果：中國(guó)半導(dǎo)體制造商正在搶購(gòu)二手半導(dǎo)體設(shè)備，因?yàn)檫@些老舊機(jī)器不受美國(guó)對(duì)中國(guó)制裁的限制，允許中國(guó)廠商不受限制地買入。

一些日本二手設(shè)備經(jīng)銷商表示，價(jià)格已經(jīng)比去年上漲了 20%。有些核心設(shè)備（例如光刻系統(tǒng)）的價(jià)格上漲了三倍。這類設(shè)備的價(jià)格與2008 年金融危機(jī)之后相比，上漲了十倍之多?！敖咏?0%的二手機(jī)器似乎都運(yùn)往中國(guó)去了，”三菱UFJ Lease & Finance 的一位消息人士表示。

由于新的芯片產(chǎn)線都使用300毫米晶圓，生產(chǎn)200毫米晶圓設(shè)備的公司很少見了。因此，“可用的二手機(jī)器價(jià)格甚至高于全新機(jī)器的價(jià)格，”日立資本的一位消息人士表示?！皫啄昵盎旧弦晃牟恢档臋C(jī)器現(xiàn)在售價(jià)高達(dá)100萬美元，”一位二手設(shè)備經(jīng)銷商的消息人士稱。有著20至30年歷史的機(jī)器仍然可以在晶圓廠生產(chǎn)線上運(yùn)行。

全球二手半導(dǎo)體制造設(shè)備服務(wù)公司Moov首席執(zhí)行官Steven Zhou在其福布斯專欄的最近一篇文章中列舉數(shù)據(jù)，證實(shí)了這一趨勢(shì)：

從2019到2020年，芯片制造商在二手設(shè)備上的支出增加了54%；

同期美國(guó)芯片制造商的支出增加了61%，而中國(guó)廠商的支出增加了339%；

僅過去一年，二手設(shè)備的價(jià)格就翻了一倍。

雖然美國(guó)政府撥款500億美元吸引半導(dǎo)體巨頭在美國(guó)設(shè)廠，比如美國(guó)最大的芯片制造商英特爾宣布投資200億美元在亞利桑那州新建兩個(gè)制造中心，臺(tái)積電和三星也緊隨其后在亞利桑那州建設(shè)新的晶圓廠。然而，這些投資都是針對(duì)最新晶圓工藝的，所制造的芯片都是最先進(jìn)的數(shù)字芯片，即便量產(chǎn)也要等到2024年以后了。

遠(yuǎn)水解不了近渴，芯片短缺的短期解決方案可能就在于現(xiàn)有的 200mm 晶圓廠擴(kuò)大產(chǎn)能，最快的方法是采購(gòu)二手或翻新設(shè)備。然而，半導(dǎo)體制造設(shè)備二級(jí)市場(chǎng)是分散的、無序的，并且很容易被芯片制造商、行業(yè)團(tuán)體和監(jiān)管機(jī)構(gòu)等忽視。雖然“二手制造設(shè)備”聽起來不太可能是解決全球芯片危機(jī)的可行之道，但健康的設(shè)備二級(jí)市場(chǎng)具有以下價(jià)值：

改善引起全球芯片短缺的剛性供應(yīng)鏈；

增加設(shè)備流動(dòng)性，幫助芯片制造商擴(kuò)大產(chǎn)能，同時(shí)降低供應(yīng)過剩風(fēng)險(xiǎn)；

借助更便宜的設(shè)備，使較小的制造商能夠參與傳統(tǒng)半導(dǎo)體市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)；

通過對(duì)在生命周期結(jié)束前很少使用的機(jī)器進(jìn)行再循環(huán)，推動(dòng)高科技制造業(yè)的環(huán)境可持續(xù)性。

半導(dǎo)體設(shè)備二級(jí)市場(chǎng)對(duì)于成熟工藝節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)容至關(guān)重要，在眼下的全球芯片荒特殊時(shí)期不失為一個(gè)可行的緩解策略。

臺(tái)積電和中芯國(guó)際200mm晶圓產(chǎn)能

據(jù)IC Insights發(fā)布的《2021-2025年全球晶圓產(chǎn)能報(bào)告》，截至2020年12月，全球最大的代工廠臺(tái)積電 （TSMC）在三個(gè)晶圓尺寸類別（6/8/12英寸）的晶圓產(chǎn)能排名中均位列Top 10。該公司擁有最多的200毫米晶圓產(chǎn)能，在300毫米晶圓產(chǎn)能中排名第二，僅次于三星。

200毫米晶圓產(chǎn)能領(lǐng)先者包括純代工廠商，以及專注于模擬/混合信號(hào)IC和微控制器的IDM制造商。截至2020年12月，全球共有63家公司擁有和運(yùn)營(yíng)200毫米晶圓廠，其中臺(tái)積電占總產(chǎn)能的10%，而中芯國(guó)際占比5%。

臺(tái)積電目前在臺(tái)灣設(shè)有四座12吋超大晶圓廠（GIGAFAB Facilities）、四座8吋晶圓廠和一座六吋晶圓廠，在大陸設(shè)有臺(tái)積電南京12吋晶圓廠和臺(tái)積電上海8吋晶圓廠。此外，在美國(guó)設(shè)有WaferTech 8吋晶圓廠。

中芯國(guó)際分別在上海、天津和深圳設(shè)有三座8英寸晶圓廠。該公司今年一季度財(cái)報(bào)顯示，其成熟制程到今年底產(chǎn)能將持續(xù)滿載，新增產(chǎn)能主要在下半年形成。其主要產(chǎn)能還是集中在成熟制程上，55/65納米工藝的營(yíng)收占比最多，為32.8%。

中國(guó)大陸200mm晶圓廠分布

根據(jù)芯思想研究院的統(tǒng)計(jì)，截止2019年底我國(guó)12英寸晶圓制造廠裝機(jī)產(chǎn)能約 90 萬片，較 2018 年增長(zhǎng) 50％；8英寸晶圓制造廠裝機(jī)產(chǎn)能約100萬片，較 2018 年增長(zhǎng) 10％；6 英寸晶圓制造廠裝機(jī)產(chǎn)能約 230 萬片，較 2018 年增長(zhǎng)15％；

5 英寸晶圓制造廠裝機(jī)產(chǎn)能約 80 萬片，較 2018 年下降 11％；4 英寸晶圓制造廠裝機(jī)產(chǎn)能約 260 萬片，較 2018 年增長(zhǎng) 30％；3 英寸晶圓制造廠裝機(jī)產(chǎn)能約 40 萬片，較 2018 年下降 20％。

其中8英寸晶圓廠項(xiàng)目包括：中芯紹興、北京燕東、中芯天津二期、寧波中芯N1、士蘭集昕、上海新進(jìn)、芯恩（青島）、賽萊克斯、積塔半導(dǎo)體、寧波中芯N2、士蘭集昕二期、無錫海辰、濟(jì)南富能半導(dǎo)體、吉林華微電子、華潤(rùn)微電子無錫項(xiàng)目（規(guī)劃中）、四川中科晶芯（規(guī)劃中）、贛州名芯（規(guī)劃中），以及英諾賽科的8 英寸氮化鎵產(chǎn)線。

編輯：jq