全球缺芯危机爆发已近一年，交付期一推再推，真实需求成谜。
最新调查显示，全球芯片危机爆发一年后，芯片荒“远未结束”！随着缺芯导致的延期时间不断后延及因此导致的销售损失，许多企业正面临更多挑战。据美国投资公司 Susquehanna Financial Group 的数据，夏季芯片订单的平均交付时间已经延长至19周。截至今年10月，缺芯情况进一步恶化，平均交付时间增加至22周。对于电源管理组件、用于汽车的微控制器等芯片，供应链最为紧张，交付时间还要更长。
据全球最大的晶圆代工企业台积电预计，该公司2021年剩余时间和2022年的产能供应仍将十分紧张，缺芯危机或将持续至2023年。这家只专注代工业务的、占据全球56%代工市场份额、同时拥有最领先制程工艺的企业，在全球半导体供应链紧张的大背景下，一直处于风口浪尖。从美国政府设法吸引台积电赴美投资建厂，到邀请台积电参加白宫半导体峰会（该峰会只有三星和台积电两家非美国本土企业参加），再到应美国商务部要求，令其上交库存和销售数据。
除了上述新闻，还有一则重要消息。日本共同社10月15日报道，台积电确认将在日本投资设立晶圆制造厂，预计2022年开始建厂，初步规划以22纳米至28纳米特殊制程为主，将于2024年量产。台积电总裁魏哲家强调，扩展全球生产据点将使台积电能够接触全球人才，更能满足客户需求，从投资中获取适当的报酬，并为股东带来长期的获利成长。
不同于台积电正在美国亚利桑那州建设的工厂，台积电在日本建设的工厂，并不会采用先进的5nm工艺为相关的客户代工芯片，而是专注于成熟工艺。想知道台积电在拥有最先进制程工艺的同时，为什么还要保有并发展成熟工艺？我们一起先来看看 IC Insight 2020 年全球各地晶圆厂布局。
01
为什么代工厂在全球半导体供应链扮演越来越重要的角色？
在过去的十年里，集成电路制造行业格局发生了巨大的变化。半导体行业有着资金密集和技术密集的典型特点，随着摩尔定律的演进，很多芯片公司难以承受建造先进工艺制程晶圆厂的高额成本，并关闭旧的晶圆厂，采用无晶圆厂或产能轻资产的经营策略，进而依赖代工厂的产能。
▲图示：拥有晶圆厂的公司数量在萎缩
从上图IC Insight数据，2007年拥有200mm晶圆厂的公司有76家，而现在仅有63家公司保有200mm晶圆厂；而2008年拥有300mm晶圆厂的公司有29家，现在是28家，考虑企业并购等因素，基本持平。
▲图示：截止2020年12月，按晶圆尺寸划分的区域产能，单位：百万片
资料来源：IC Insights
据 IC Insights 统计资料，截止2020年12月，按晶圆尺寸划分的区域产能，全球每月可产出300mm晶圆1410万片，200mm晶圆540万片。由此，我们可以发现，全球300mm的晶圆产能远高于200mm。
02
大环境下的2020-2021电子产业状况
自2019, 晶圆代工行业呈现高度景气，8吋晶圆成卖方市场强势行情，代工厂要求客户给出精准的预计数据，以便更优化地安排产能。
2019年下半年，中国积极推动 5G商用，当时预测2020年将进入爆发式增长，为市场导入正向的高增长预期。另一方面，2018年底，国产面板厂产能激增，市场供过于求，几近失控，当时页面普遍认知面板产业将面临前所未有的寒冬，台湾以及韩国厂商改变经营策略，以关厂应对市场变化；而新冠肺炎于2020年初全球爆发，2020年Q1全球供应链大停摆，这些市场负面预期抵消5G带来的增长预期，代工厂大幅下调产能。
随之而来的是，各国防疫隔离政策带来宅经济与IT网络通讯需求爆发，各国在线教育应用进一步扩大 IT设备需求，电子产业供应链由保守转为积极，并全面启动备料 生产。此外，2020年Q3，美国政府对华为的封杀及对中芯国际的限制令在即，造成供应链积极移转至中国境外，大量晶圆和封测订单撤离中国本土，转向中国台湾、韩国及东南亚等地，电子产业供需状况开始恶化。
2020年Q3，8吋晶圆开始涨价，交期延长一倍，驱动IC、功率组件、模拟IC等8吋订单开始转往第二线、第三线代工厂。彼时，面板大幅涨价；晶圆代工交期拉长；IC封测订单满产溢出；笔电需求持续旺盛；苹果手机新品发布引爆AMOLED及5G芯片需求，这些应用联动的芯片产能进一步排挤业内其他需求，导致驱动IC、功率组件、模拟IC等8吋订单无处排产。
03
8吋与12吋晶圆的区别
8吋晶圆与12吋的晶圆最直观区别在于物理面积带来的单片晶圆产出芯片量的差别，两者相差2.25倍。
8吋晶圆工艺制程从0.5um到0.11um（或称110nm），是成熟工艺与特殊制程的集合，兼顾稳定质量与低廉的开发成本。12吋晶圆工艺制程从90mn到现在7nm、 5nm、3nm，及以下更先进的逻辑制程开发。
采用8吋晶圆生产芯片的优势在于成本低廉、供应链完整，而以12吋晶圆生产芯片优点为产能优势。采用12吋晶圆代工开发的芯片，其后期投资较8吋晶圆高出很多，资金压力往往是8吋产线向12吋演进的一大难关。
▲图示：每片逻辑晶圆的收入
据 IC Insights 2018Q2 的市场数据，8 吋晶圆代工的价格介于370元~710元美金，每片平均代工价格约为500美元，与12吋晶圆入门等级的90nm代工价格1800美金相比，加工成本有明显优势。
我们通过联电（UMC）公开资料，2020年联电旗下各个晶圆厂每季度产能分配表（上表）可知，FAB8A~8N 7座8吋晶圆厂自2020年以来均处于满产状态，产能已无上调空间， 可以得出8吋产能最为紧张的结论。这也映证台积电投资8吋晶圆厂的动因。
04
什么产品在消耗8吋产能？
从供给侧看，8吋晶圆工艺成熟，很多特色制程只能在此节点达到较高的产品良率。8吋晶圆, IDM与代工厂的产能分配为55% Vs 45%。目前，全球每月8吋晶圆产能约为540万片，新建8吋厂计划仅有TSMC，不能解决8吋晶圆的燃眉之急。全球仍有很多IDM所属8吋晶圆厂正在生产内存、功率器件及分立器件，整体成本低，产品价格具有市场优势。
▲来源：网络资料总结
从需求侧看，PMIC产品要求BCD制程达到耐高压高效的性能, 目前仅在180nm节点有最完整的技术支撑；大尺寸显示器DDIC占用大量180nm~130nm的产能，目前虽向12吋迁移, 但能够提供12吋DDIC代工厂商稀少，其外包整体配套与相关供应量十分缺乏；电动汽车的销量上升带动功率组件需求大幅上扬；5G智能型手机带动相关PMIC、CIS、FoD等需求激增，相机功能持续强化，屏下指纹应用扩展迅速。
▲图示：从中芯国际客户结构观察，PMIC、低阶CIS、FoD占据8吋产能
PMIC是8吋产能的消耗大户
PMIC多用于处理功率转换与能量传递，普遍数字运算占芯片面积比例低于20%，因此是否采用先进制程不影响整理芯片效率与成本。现在普遍采用8吋制程，在0.18um制程节点的支持最为充足、平台化最为彻底。应手机PMIC不断迭代，BCD制程也开始于12吋迁移，但目前产品良率欠佳。预计2025年以后, 一般fabless IC design house制作的PMIC会采用12吋晶圆，采用90nm~65nm区间的节点工艺。
CIS影像感测占用大量晶圆产能，中低端CIS多采用8吋晶圆
光线收集的多少取决光圈的大小，光线信息接收的多少取决于图像传感器的大小。如果一个手机能同时拥有「大光圈 大图像传感器」的组合，就能拍出亮度更高、噪点更少、更清晰的照片。8吋或12吋晶圆，用来生产APS-C规格相机，只能产出约60颗（8吋）以及150颗（12吋）感光组件。显而易见，CIS应用极消耗晶圆产能。
▲图示：CIS传感芯片对应常见CIS大小
而随着每年新款智能手机的不断推出，一款手机要配2-4个摄像头，CIS影像传感器件的需求高于手机的年增长。
而中低端CIS的竞争态势较为激烈，用量可观且毛利尚可，在8吋晶圆可得到最佳成本架构。未来，随着手机夜拍、景深、特写等需求的不断提升，CIS将是优先由8吋晶圆迁移至12吋晶圆的应用, 主要集中在应用90nm~110nm区间。
FoD也需要8吋产能
FoD用到8吋晶圆的部分在于光学式屏下指纹, 采用了以CIS进行指纹影像的收集方式。2018~2019年间，汇顶科技成功地在Vivo等大型手机品牌量产其第二代CIS基底的光学屏下指纹辨识方案。随着TFT感测基底技术的迅速成熟，未来将取代CIS屏下指纹辨识应用场景。
▲来源：IHS
DDIC的制程也都是8吋
DDIC所在的制程分类为高压模拟，虽然已有40nm的选项, 但长期低迷的ASP市场，使得大尺寸 TFT LCD用的DDIC无法承担12吋晶圆的高成本线。大尺寸TFT LCD的应对方式是转往二、三甚至四线代工厂生产，以联合下游面板厂承包产能的商业模式维持对重要客户的供应。目前，选择采用12吋晶圆DDIC 多用于AMOLED。
▲图示：TSMC 2017年制程路线图 来源：TSMC
05
结语
8吋晶圆产能的缓解时间难以确定，预计要到2022年H2。但已持续一年的供应链紧张缩必定有人为囤货与哄抬价格的因素，一旦某个环节开始松动，有可能产生多米诺骨牌式的市场崩盘
