2022年半導(dǎo)體行業(yè)十大發(fā)展趨勢(shì)

導(dǎo)語：隨著光、溫度、壓力、磁場(chǎng)、電場(chǎng)等環(huán)境因素的變化，導(dǎo)電性會(huì)發(fā)生相當(dāng)大的變化，這是半導(dǎo)體主要特性之一。正是因?yàn)閷?dǎo)電性的可變可控，使半導(dǎo)體成為電子供應(yīng)鏈的重要參與者，如果沒有半導(dǎo)體，晶體管、傳感器、集成電路、太陽能電池、智能手機(jī)等將不復(fù)存在。

2021年，缺芯引起全球各行業(yè)的關(guān)注與擔(dān)憂，2022年，半導(dǎo)體短缺仍持續(xù)。接下來，半導(dǎo)體市場(chǎng)與技術(shù)將走向何方?讓我們一起來看看2022年半導(dǎo)體10大趨勢(shì)。

01芯片持續(xù)短缺

全球半導(dǎo)體芯片短缺擾亂了大多數(shù)行業(yè)并限制了全球電子供應(yīng)鏈的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。尤其是汽車和消費(fèi)電子制造商感受到了芯片庫存量下降的巨大壓力，多家制造商被迫推遲產(chǎn)品發(fā)布，導(dǎo)致預(yù)期的收入損失嚴(yán)重。

隨著對(duì)芯片的需求持續(xù)飆升，在可預(yù)見的未來，供應(yīng)鏈可能仍會(huì)受到限制。這意味著每個(gè)人，包括半導(dǎo)體企業(yè)及其客戶都應(yīng)該專注于建立更有彈性的供應(yīng)鏈——重新審視近期和長期戰(zhàn)略，為未來做好準(zhǔn)備，并從2021年全球制造業(yè)短缺中吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)并采取行動(dòng)。

02新冠疫情加速半導(dǎo)體供應(yīng)鏈本土化

隨著新冠疫情常態(tài)化和國際貿(mào)易關(guān)系激化，各國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈也呈現(xiàn)出本土化的態(tài)勢(shì)。

新冠疫情的反復(fù)爆發(fā)影響了半導(dǎo)體企業(yè)的運(yùn)營，多家跨國企業(yè)被爆出因員工染疫而緊急停產(chǎn)，疫情防控能力迅速上升為跨國企業(yè)選擇落戶的首要條件。因此，企業(yè)通過縮減半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的長度，選擇給本土供應(yīng)商更多機(jī)會(huì)，從而也推動(dòng)了本國產(chǎn)業(yè)鏈的建設(shè)，這是當(dāng)前的一個(gè)重要趨勢(shì)。

032022是4nm元年，臺(tái)積電將主導(dǎo)3nm工藝

在半導(dǎo)體尖端制造工藝方面，三星代工在2020年臨時(shí)將4LPE調(diào)整為全工藝節(jié)點(diǎn)，即4nm工藝將成為三星未來一段時(shí)間推廣的重點(diǎn)。2021年10月，臺(tái)積電發(fā)布消息基本明確N3工藝略有延遲，2022年可能成為4nm工藝元年。

iPhone 14趕上3nm工藝幾乎是無望的。但基本上可以明確，雖然最快的采用臺(tái)積電N3工藝的芯片可能要等到2023年第一季度，但N3工藝量產(chǎn)要等到2022年第四季度。我們認(rèn)為三星3nm GAA可能會(huì)比臺(tái)積電N3稍晚一些。三星在3nm節(jié)點(diǎn)開始以GAA結(jié)構(gòu)晶體管為重點(diǎn)，但事實(shí)上，三星也未能順應(yīng)時(shí)機(jī)如期推進(jìn)。而根據(jù)三星目前公開的數(shù)據(jù)來看，其最早的3nm工藝在技術(shù)層面可能會(huì)面臨更大的不確定性。

至于Intel完全趕不上發(fā)展，臺(tái)積電N3將繼續(xù)保持市場(chǎng)主導(dǎo)地位，暫時(shí)遙遙領(lǐng)先其他兩家對(duì)手。

04巨頭自研專用芯片取代通用芯片

許多科技巨頭，如蘋果、特斯拉、谷歌和亞馬遜，現(xiàn)在都在制造自己的ASIC芯片，為自己產(chǎn)品專用。這意味著，巨頭們對(duì)軟件和硬件的整合有了更多的控制權(quán)，同時(shí)也使他們?cè)诟?jìng)爭(zhēng)中脫穎而出。

例如，亞馬遜現(xiàn)在正在使用他們內(nèi)部的Graviton處理器;谷歌新發(fā)布的Pixel 6和Pixel 6 Pro手機(jī)，用的是谷歌設(shè)計(jì)的第一個(gè)人工智能芯片(嵌入Tensor);而蘋果2021年推出的MacBook Pro則是基于該公司內(nèi)部開發(fā)的M1芯片。

這些科技巨頭都希望通過定制適合其應(yīng)用特定要求的芯片來實(shí)現(xiàn)技術(shù)差異化，而不是使用與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手相同的通用芯片。

05芯片架構(gòu)之戰(zhàn)

x86架構(gòu)主導(dǎo)微處理器行業(yè)已超過50年。然而，隨著Arm的日益普及，這種情況現(xiàn)在正在發(fā)生變化。雖然Arm的架構(gòu)是出于對(duì)垂直應(yīng)用所需的低功耗芯片的需求而誕生的，但它們不僅是低功耗解決方案，還是作為高性能競(jìng)爭(zhēng)者，可以與成熟的x86相媲美。

因此，當(dāng)谷歌和AWS等超大規(guī)模企業(yè)決定制造自己的芯片時(shí)，他們選擇了Arm架構(gòu)，因?yàn)樗男阅芎偷凸膶?duì)耗電的數(shù)據(jù)中心、消費(fèi)產(chǎn)品和可持續(xù)發(fā)展工作來說變得至關(guān)重要。

隨著Arm繼續(xù)捕獲新客戶，他們有望經(jīng)歷x86很久以前經(jīng)歷過的那種臨界質(zhì)量。正如歷史所表明的那樣，行業(yè)會(huì)轉(zhuǎn)向量大的地方，而且公司已經(jīng)開始為Arm平臺(tái)專門開發(fā)各種應(yīng)用和解決方案。

這種向Arm的不斷轉(zhuǎn)變正在改變半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)。與x86平臺(tái)不同的是，企業(yè)可以從一兩個(gè)供應(yīng)商那里購買，而Arm已經(jīng)成為一個(gè)經(jīng)紀(jì)人，向多家公司提供他們的IP。通過選擇Arm，企業(yè)可以靈活地設(shè)計(jì)自己的芯片，同時(shí)仍由臺(tái)積電制造，而不必投資建設(shè)昂貴的工廠。

此外，由于RISC-V架構(gòu)的開源優(yōu)勢(shì)和更好的功耗，在無晶圓廠半導(dǎo)體公司SiFive的部分推動(dòng)下，RISC-V架構(gòu)在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和其他應(yīng)用中的勢(shì)頭越來越猛。

06先進(jìn)封裝技術(shù)成為"新摩爾定律"

在過去的幾十年里，摩爾定律就像一盞燈塔，引領(lǐng)著半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展。然而，由于物理限制和制造成本的原因，當(dāng)先進(jìn)的制程技術(shù)達(dá)到5nm、3nm，甚至2nm時(shí)，通過邏輯晶體管微型化工藝來實(shí)現(xiàn)更高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值正在逐漸變得不那么有效。

從市場(chǎng)趨勢(shì)看，過去十年數(shù)據(jù)計(jì)算的發(fā)展已經(jīng)超過了過去四十年的總和。云計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析、人工智能、Al推理、移動(dòng)計(jì)算，甚至自動(dòng)駕駛汽車都需要海量計(jì)算。要解決算力增長問題，除了通過CMOS微型化繼續(xù)提高密度外，重要的是結(jié)合不同的工藝/架構(gòu)、不同的指令和不同的硬件功能。

因此，一條不再直線增長的IC技術(shù)發(fā)展道路，以及市場(chǎng)對(duì)創(chuàng)新解決方案的需求，將先進(jìn)封裝技術(shù)，推向了創(chuàng)新的前沿。

最新研究數(shù)據(jù)顯示，從2020年到2026年，先進(jìn)封裝市場(chǎng)將以約7.9%的復(fù)合年增長率增長。到2025年，僅市場(chǎng)收入就將超過420億美元，幾乎是傳統(tǒng)封裝預(yù)期增長率的三倍市場(chǎng)(2.2%)。其中，2.5D/3D堆疊IC、嵌入式裸片(Embedded Die，ED)和扇出封裝(Fan-Out，F(xiàn)O)是增長最快的技術(shù)，復(fù)合年增長率分別為21%、18%和16%分別。

目前，OSAT公司、代工廠、IDM、Fabless公司、EDA工具供應(yīng)商等都斥巨資加入到先進(jìn)封裝市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)中。在可預(yù)見的未來，2.5D/3D封裝技術(shù)將成為"先進(jìn)封裝"的核心，提高互連密度和采用Chiplet設(shè)計(jì)將是驅(qū)動(dòng)"先進(jìn)封裝"發(fā)展的兩條技術(shù)路徑。

07硅光子學(xué)

早在幾十年前，數(shù)據(jù)通信和電信行業(yè)中硅光子技術(shù)的到來已經(jīng)被預(yù)言。事實(shí)上，用光纖和硅光子接口代替銅線已成為現(xiàn)實(shí)，只是速度比預(yù)期的要慢。

IEEE認(rèn)為，硅光子學(xué)將成為解決高端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的帶寬、延遲和能量挑戰(zhàn)的基礎(chǔ)技術(shù)。硅光子學(xué)優(yōu)勢(shì)很多，首先，硅光子學(xué)成本低;其次，硅光子設(shè)計(jì)類似于CMOS ASIC，開發(fā)與成本均相當(dāng)。

08半導(dǎo)體芯片冷卻技術(shù)

2022年半導(dǎo)體市場(chǎng)的另一個(gè)主要趨勢(shì)是半導(dǎo)體芯片的冷卻技術(shù)。

眾所周知，手機(jī)在充電或長時(shí)間使用時(shí)會(huì)略微發(fā)熱。幸運(yùn)的是，這種發(fā)熱程度未達(dá)到危險(xiǎn)水平，這主要得益于半導(dǎo)體設(shè)計(jì)專家部署的熱管理技術(shù)。

追求電子產(chǎn)品體積更小，同時(shí)性能更高的當(dāng)下，多芯片封裝是必然的趨勢(shì)。但把幾個(gè)芯片被封裝在一個(gè)相對(duì)較小的區(qū)域中，熱管理成為一項(xiàng)更具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。目前，在半導(dǎo)體設(shè)計(jì)中使用微通道冷板是解決發(fā)熱問題的主要方法之一——將冷卻劑均勻地分布在發(fā)熱的表面上。

此外，科學(xué)家們正在開發(fā)一種新的芯片設(shè)計(jì)，其中包含晶體管和微流體冷卻系統(tǒng)，這或許會(huì)成為2022年半導(dǎo)體重大技術(shù)突破之一。

09可持續(xù)性發(fā)展的半導(dǎo)體工廠

由于5G、人工智能和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)等新興技術(shù)，對(duì)半導(dǎo)體的需求從未像現(xiàn)在這樣大，并且預(yù)計(jì)將繼續(xù)增長。為了滿足這一需求，需要增加半導(dǎo)體產(chǎn)量，這將導(dǎo)致能源消耗和用水量大幅增加。

單個(gè)半導(dǎo)體工廠每年可消耗高達(dá)1 TWh的能源和每天2到400萬加侖的超純水。臺(tái)積電和英特爾等行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者正在采取積極措施，并一直在開展實(shí)質(zhì)性的可持續(xù)發(fā)展計(jì)劃。

例如，臺(tái)積電通過水資源風(fēng)險(xiǎn)管理、多樣化水源的擴(kuò)展、污染防治技術(shù)的開發(fā)，建立了各種水循環(huán)應(yīng)用，以最大限度地提高用水效率。

同樣，英特爾公布了其2030年運(yùn)營可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，作為其成為可持續(xù)發(fā)展全球領(lǐng)導(dǎo)者愿望的一部分。到2030年，公司計(jì)劃通過節(jié)約600億加侖的水和資助外部水恢復(fù)項(xiàng)目來實(shí)現(xiàn)凈正用水。該公司還打算在英特爾的全球制造業(yè)務(wù)中實(shí)現(xiàn)100%的可再生能源使用，并節(jié)省40億千瓦時(shí)的能源。

還有知名半導(dǎo)體制造制造商——應(yīng)用材料公司，承諾到2030年在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)100%的可再生能源采購，以改善半導(dǎo)體工廠對(duì)環(huán)境的影響。

10加密貨幣搶奪芯片制造產(chǎn)能

現(xiàn)在加密貨幣挖礦規(guī)模越加龐大，它出現(xiàn)在全球最大的芯片制造商臺(tái)積電的收益中。臺(tái)積電占領(lǐng)全球芯片代工市場(chǎng)的一半以上，是全球最大的代工制造商，幾家主要的ASIC公司正在通過臺(tái)積電制造用于比特幣挖礦的芯片。例如，比特大陸(IC設(shè)計(jì)公司)為區(qū)塊鏈和人工智能(AI)應(yīng)用提供芯片、服務(wù)器和云解決方案等產(chǎn)品。

在經(jīng)濟(jì)方面，美國政府發(fā)行的數(shù)字貨幣可能是中美之間最有效的“戰(zhàn)爭(zhēng)武器”之一。這不可能很快發(fā)生，因?yàn)橹袊呀?jīng)率先將數(shù)字貨幣和電子支付結(jié)合起來。令人擔(dān)憂的是，它很可能會(huì)擾亂傳統(tǒng)銀行和全球經(jīng)濟(jì)?，F(xiàn)在有幾家科技公司接受比特幣，包括Square、PayPal和Tesla。

結(jié)語：

隨著近年來5G、汽車、AI、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的推進(jìn)，半導(dǎo)體行業(yè)的增長還是指數(shù)級(jí)的。20年前，中國只有不到100家芯片企業(yè)，而今已經(jīng)發(fā)展到近1700家，發(fā)展迅猛。2021年的短缺讓全世界都認(rèn)識(shí)到芯片是整個(gè)電子行業(yè)的引擎，2022年，這場(chǎng)全球半導(dǎo)體競(jìng)爭(zhēng)只會(huì)越加激烈。

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原文標(biāo)題：2022年，半導(dǎo)體市場(chǎng)與技術(shù)將走向何方?

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審核編輯：湯梓紅