關鍵趨勢》晶片荒時得產能者得天下,回顧 2021 年晶圓代工擴產風潮

作者 | 發布日期 2021 年 12 月 27 日 10:10 | 分類 GPU , IC 設計 , 晶圓 Telegram share ! follow us in feedly


回顧 2021 年半導體製造產業的大事,晶片荒跟擴產這兩件事情如果是第二,則應該沒有事情敢說第一。因為在晶片荒的方面,其嚴重性不但衝擊了全球各個產業,從汽車到消費性電子產品,甚至到頭來連生產晶片的半導體設備自己都受到了影響。這情況,最後甚至驚動了美國白宮出面,邀請全球包括台積電、三星、英特爾等主要晶片製造商開會,商討解決方式。會後,美國政府甚至要求各主要晶片製造商「自願」提供供應鏈資料,以進一步了解當前的市場缺晶片狀況,進而鬧出不少爭議。

另外,這幾天國內半導體製造業中的大事,就是處理器龍頭英特爾執行長 Pat Gelsinger 在疫情期間旋風式訪台的消息。市場傳出,這次 Pat Gelsinger 拜訪台灣與馬來西亞的亞洲行,在台灣的方面重點就是與台積電簽訂 3 奈米先進製程的採購協議,以確保英特爾接下來在 2~3 年期間推出新 CPU 與 GPU 之際,台積電先進製程的供應不會有所失誤。事實上,英特爾在 2020 年就曾經因為 14 奈米製程產能供應吃緊的問題造成缺貨嚴重,釀成市場上哀鴻遍野,也讓競爭對手 AMD 有機可乘,在市占率之爭上一路崛起,進而如今威脅到英特爾市場的情況。所以,Pat Gelsinger 在記取了這樣的缺晶圓產能教訓,所以不得不在之前一句「台灣不是穩定地區」後引發台灣業界議論的情況下,仍舊必須親自飛來台灣為晶圓產能固樁。

晶片荒造成各產業嚴重衝擊,也帶動半導體全面擴產

就因為自 2020 年下半年以來的全球晶片荒情況,嚴重的衝擊的各產業的供應狀況。尤其是汽車產業,根據顧問公司 AlixPartners 日前的市場分析報告顯示,晶片短缺的問題預計將使全球汽車產業在 2021 年減少 770 萬輛的汽車出貨,損失金額高達 2,100 億美元。因此,為了不使這樣的情況持續惡化下去,各半導體製造商擴產的動作,也自 2021 年年開年以來始終不曾斷過。而就整體市場需求來看,根據市場研究調查機構《IC Insights》先前出具告指出,由於全球市場對晶片的強勁需求,帶動 2021 年整體晶片銷售金額達 5,020 億美元,較 2020 年增加 24%,除了創下歷史新高,也首度突破 5,000 億美元大關。

《IC Insights》進一步強調,2021 年晶片市況相當罕見,從 WSTS (世界半導體貿易統計協會) 統計的 33 個主要晶片類別來看,其中有 32 個預計 2021 年銷售金額都將成長,更有 29 個類別會出現 1 成以上的顯著成長情況。因此,儘管年中晶片產能已經恢復正常水平。不過,因為疫情下遠距教學與居家辦公需求的大幅成長,帶動智慧型手機、電腦、電視、汽車與其他終端產品需求續強,整體晶片仍處於供不應求的情況,使得缺貨情況預期持續到 2022 年。

而晶片市場除了 2021 年顯著成長外,接下來 2022/2023 年更受惠於包括 5G、AI、AR/VR 與深度學習等新興應用興起,將再度推動手機、資料中心、雲端、汽車及工控市場需求,屆時全球 IC 銷售金額將首度突破 6,000 億美元,而且使得 2020 年到 2025 年之間的復合成長率 (CAGR) 達到 10.7%。而就是因為要應付這些龐大的晶片市場需求,所以根據 SEMI 國際半導體產業協會的統計,2021 年晶圓廠設備總銷售金額將落在 800 至 900 億美元之間,年成長約達到 23%~38%,金額將創下新高,這顯示半導體製造業者回應著市場對晶圓產能的殷切需求,廠商們也積極投入大量經費進行擴產。

8 / 12 吋晶圓廠大幅擴建,台灣數量名列前茅

而就在 2021 年各半導體製造廠商積極投入大量經費擴產的情況下,SEMI 預估,隨著許多新的 8 吋和 12 吋晶圓廠將在 2020 年至 2024 年期將陸續進入量產的情況下,從全球半導體製造商的所有公告的資訊進行統計,截至 2021 年 9 月份為止,從現在到 2024 年,將會有 25 座 8 吋晶圓廠投入量產。而在這 25 座 8 吋晶圓廠當中,其中有 5 座位於美洲,1 座位於歐洲/中東,19 座位於亞洲(其包括中國 14 座、日本 3 座和台灣 2 座)。因此,從 2020 年到 2024 年,全球8吋廠的晶圓總產能預計將成長 18%。

而除了 8 吋晶圓廠之外,在目前主要供應全球晶片製造需求的 12 吋晶圓廠部分,SEMI 也表示,自 2020 年開始到 2024 年為止,統計將有 60 座 12 吋晶圓廠新建或擴建。在這 60 座 12 吋晶圓廠當中,為在美洲的有 6 座、歐洲/中東的有 10 座、亞洲則達到 44 座之多(包括中國的 15 座、日本 5 座、南韓 8 座、新加坡 1 座,以及台灣的 15 座等。) 這些 12 吋廠在陸續投入量產之後,預計 12 吋晶圓的總產能將在 2020 年到 2024 年間成長達 48%。而一旦全球包括 8 吋及 12 吋晶圓廠的產能都能在 2024 年之後透入量產,SEMI 預估全球半導體產業到 2030 年的產值將突破 1 兆美元。

《IC INSIGHTS》最新研究報告指出,估計 2021 年全球半導體資本支出將達創紀錄的 1,520 億美元,約三分之一來自晶圓代工企業資本支出金額,包括 3 / 5 / 7 奈米新晶圓廠與設備支出,顯示對晶圓代工商業模式日漸依賴程度。整體來說,2021 年全球半導體資本支出將較 2020 年大幅成長 34%,達 1,520 億美元,也是 2017 年創下成長 41% 以來最大幅度。而各晶圓代工企業的資本支出達 35% 是最大部分,這也使得晶圓代工自 2014 年以來,持續蟬聯全球半導體產業資本資出最高王座。而主要原因則是在於 IC 設計產業對晶圓代工先進製程需求日漸增加,晶圓代工企業不得不加碼先進製程資本支出。

台積電擴產牽動全球半導體產業發展

而就在談及晶圓代工企業的近期擴產行動中,其龍頭台積電的一舉一動莫不牽動整體市場的變化,使得各界都積極關注。台積電自 2020 年宣布,將斥資 120 億美元的資金,於美國亞利桑那州興建 5 奈米製程的 12 吋晶圓廠,並在 2024 年完工,將有月產能 2 萬片的規模之後,2021 年的 5 月,台積電就在法說會上表示,因應晶片供應吃緊,加上持續發展先進製程的需要,計劃 3 年內投入 1,000 億美元資本支出,用於晶圓產能擴產與技術發展。其中,2021 年台積電的資本支出由原本 250 億至 280 億美元提升到 300 億美元。而在這 300 億元的資本支出中,預計 80% 用於先進製程,10% 用於更先進製程,以及 10% 特殊製程。

2021 年 11 月,傳聞已久的日本設廠計畫也正式拍板定案。台積電宣布,攜手日本 SONY 半導體,將在日本九州熊本市合資設立子公司 Japan Advanced Semiconductor Manufacturing(JASM),並自 2022 年開始興建 12 吋晶圓廠,預計該晶圓廠在 2024 年底前完工,屆時將採用 22 奈米及 28 奈米製程來提供專業積體電路製造服務,產能約達到 4.5 萬片,初期預估資本支出約 70 億美元。其中,除了 SONY 半導體計劃投資約 5 億美元,並取得 JASM 不超過 20% 的股權之外,該計畫也將獲日本政府的承諾支持。

而就在宣布日本設廠計畫的同一天,台積電也證實,為因應市場需求,已決議將於高雄設立生產 7 奈米及 28 奈米製程的晶圓廠,預計於 2022 年開始動工,並於 2024 年開始量產。而其高雄廠廠址,台積電也確認將設在中油高雄煉油廠舊址。至於,投資金額,董事會於 11 月 9 日核准的 90.3644 億美元資本預算 (約新台幣2,394.65億元) 當中,就包含高雄廠設廠的費用。

除了新建晶圓廠擴產,台積電也針對既有的產能進行擴產的動作。其中,在中國南京廠的部分,目前已逐步擴產達到 16 奈米製程月產能 2.5 萬片的規模。另外,台積電也規劃將採用 28 奈米製程來進一步擴大在當地業務,以支援客戶迫切的需求。預計自於 2022 年下半年開始量產,並在 2023 年年中將中國南京廠的月產能,由目前的 2.5 萬片,提升至 4 萬片的規模。而在南科,有市場消息表示,台積電也將在此擴產當前是廠供不應求 28 奈米製程。也就是計畫在南科晶圓 14 廠擴建中的 P8 廠區進行 28 奈米製程擴產,預計 2022 年下半年將可裝機,並展開量產事宜。

三星挑戰龍頭積極擴產布局

面對台積電的全球布局,積極擴產動作,目前在晶圓代工市場中排名第二的南韓三星也不甘示弱,準備大筆銀彈準備投資,企圖拉近與台積電的差距。事實上,三星在 2019 年就宣布將投資 133 兆韓圜的資金,用於發展非記憶體的系統半導體,期望能在 2030 年登上該產業類型的龍頭寶座。2021 年 5 月,三星再加碼 38 兆韓圜,使得總總投資金額達到 171 兆韓圜,並在 2021年 10 月 28 日宣布,預計在 2026 年前將晶圓代工產能提高到目前三倍,使得市場預期,屆時三星的晶圓代工客戶將可以一舉突破 300 家。

而三星擴產的重頭戲,就是在美國設置第二座晶圓廠一事。而這消息幾經波折,終於在三星集團副會長李在鎔於 11 月訪美時間敲定將落腳德州泰勒市,斥資 170 億美元的金額興建以 5 奈米先進製程為主的 12 吋晶圓廠。預計將於 2022 年動工,2024 年完工投產,目標鎖定蘋果、高通、輝達、超微等美系晶片設計業者,與台積電在亞歷桑納州的 5 奈米 12 吋晶圓廠互別苗頭。

而除了在海外新建晶圓廠之外,三星晶圓代工業務在南韓境內的發展也沒有稍作停歇。為因應高效能運算與 5G 晶片的客戶需求,三星旗下的平澤新擴建採用極紫外光曝光設備 (EUV) 的 5 奈米廠,在 2021 年 6 月已經開出新產能,而且該廠區並力拚 4 奈米與 3 奈米開始展開風險試產的動作。至於,已經率先生產 5 奈米製程的華城廠,因為先前有南韓媒體曾經報導,其 5 奈米製程良率低於 50% 的情況。因此,市場預估目前三星正在努力提升良率之中,藉以進一步提高產能。

聯電專注成熟製程,攜手客戶擴張產能

至於,國內晶圓雙雄之一的聯電,雖然先前已經暫緩先進製程的研發,專注於成熟製程的領域。但隨著疫情期間全球晶片荒的情況,不但讓聯電的營收大幅提升,也使得聯電晶圓產能供應吃緊。在此情況之下,使得向來對擴產態度保守的聯電,也不得不宣布加入擴產的行列。聯電 12 月 15 日宣布,董事會通過資本支出新台幣 762.73 億元,預計將以採購設備為主,包括進行南科 Fab 12A 的 P5 及 P6 廠區的擴產。

聯電對此表示,本次資本預算執行案,主要供產能建置需求,投資時間將依各資本支出預算案計畫而定。聯電 2021 年資本支出達 23 億美元,2022 年預期將上看 30 億美元,投資重心為擴建南科 Fab 12A 廠 P5 及 P6 廠區的 28 及 22 奈米產能。其中在 Fab 12A 廠 P6 廠區方面,先前聯電宣布,已與多家客戶合作已與先收取產能訂金的方式進行擴產。而 P6 廠區產能擴建將於 2022 年開始動工,2023 年第 2 季量產,規劃產能為每月 2.75 萬片,總投資金額約新台幣 1,000 億元。聯電也估計,未來 3 年在南科總投資金額將達到約新台幣 1,500 億元。

除了國內擴廠,聯電在中國也同步啟動擴產計畫。在蘇州和艦 8 吋晶圓廠部分,預計到 2022 年第 3 季月產能增加 1 萬片,增加幅度達到 13%。至於,廈門聯芯的 12 吋晶圓廠方面,產能則已達第一階段滿載 2.75 萬片規模,目前將以提升一廠營運效率為主。

英特爾重返晶圓代工市場,格羅方德、中芯國際、力積電各有盤算

處理器龍頭英特爾在 2021 年由新任執行長 Pat Gelsinger 宣布其 IDM 2.0 計畫之後,隨即正式重返晶圓代工市場。根據英特爾的計畫,預計將斥資 200 億美元在美國亞利桑那州新建 2 座晶圓廠。而目前已正式動工,預自計 2024 年開始量產 7 奈米或更先進晶片,並設立代工服務部門,為其他半導體廠代工製造晶片。除此之外,Pat Gelsinger 先前在接受德國《法蘭克福廣訊報》(Frankfurter Allgemeine)訪問時也表示,英特爾計劃在歐洲投資新的晶圓產能,第一階段將先建 2 座晶圓廠,之後持續增建,最後一共將蓋 8 座,總投資金額 800 億歐元(約新台幣 2.6 兆元),年底決定設廠地點,2022 年開始動工。

晶圓代工市場市占率僅次台積電、三星、聯電,排名第四的格羅方德,日前也宣布因應當前晶圓產能供不應求的情況,預計將投入超過 60 億美元的金額為全球客戶增加產能,有 40 億美元將投放新加坡廠,擴產 12 吋晶圓廠製程,每年預計將增加 45 萬片的產能。另外,20 億元將分別投入於美國和德國廠。其中,在美國預計基於現有晶圓廠擴產,以年增 15 萬片晶圓為主,後續有計畫在此地新增一座晶圓廠。

中國本土最大半導體製造業者中芯國際,雖然當前遭到美國政府的制裁,但為了因應中國境內客戶的需求成長,日前也提出相關的擴產計畫。中芯國際的主要擴產在於上海臨港自貿區規劃興建 12 吋 28 奈米製程晶圓廠,計畫投資金額為 88.7 億美元,最高月產能將達到 10 萬片。此外,也將於深圳市坪山區同樣興建 12 吋 28 奈米製程晶圓廠,鎖定驅動晶片及電源管理晶片等產品,規劃月產能為 4 萬片。其他部分也繼續擴產 12 吋晶圓 1 萬片和 8 吋晶圓 4.8 萬片的月產能,該部分產能也將於 2022 年開出。總計包括深圳、上海兩地的所有擴產計畫,將斥資 112.2 億美元的資金。

國內重新回歸資本市場的力積電,從力晶轉型為晶圓代工企業後,整合力晶 12 吋晶圓廠與鉅晶 8 吋晶圓廠,總計 2 座 8 吋晶圓廠,月產能共約 11 萬片,3 座 12 吋晶圓廠,月產約 11 萬片。董事長黃崇仁指出,汽車電子將取代一般 PC、智慧型手機,成為半導體晶片重大需求下,力積電都與客戶簽好長約,2022 年產能全滿,必須投資興建銅鑼新廠,總投資達新台幣 2,780 億元,總產能預計達每月 10 萬片,自 2023 年起分期投產。

(首圖來源:台積電)