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深圳华秋电子有限公司

2022年,半导体市场与技术将走向何方?

01-19 318人看过

导语:随着光、温度、压力、磁场、电场等环境因素的变化,导电性会发生相当大的变化,这是半导体主要特性之一。正是因为导电性的可变可控,使半导体成为电子供应链的重要参与者,如果没有半导体,晶体管、传感器、集成电路、太阳能电池、智能手机等将不复存在。

2021年,缺芯引起全球各行业的关注与担忧,2022年,半导体短缺仍持续。接下来,半导体市场与技术将走向何方?让我们一起来看看2022年半导体10大趋势。

 

 

01

芯片持续短缺

全球半导体芯片短缺扰乱了大多数行业并限制了全球电子供应链的正常运转。尤其是汽车和消费电子制造商感受到了芯片库存量下降的巨大压力,多家制造商被迫推迟产品发布,导致预期的收入损失严重。

随着对芯片的需求持续飙升,在可预见的未来,供应链可能仍会受到限制。这意味着每个人,包括半导体企业及其客户都应该专注于建立更有弹性的供应链——重新审视近期和长期战略,为未来做好准备,并从2021年全球制造业短缺中吸取经验教训并采取行动。

 

 

02

新冠疫情加速半导体供应链本土化

随着新冠疫情常态化和国际贸易关系激化,各国半导体产业链也呈现出本土化的态势。

新冠疫情的反复爆发影响了半导体企业的运营,多家跨国企业被爆出因员工染疫而紧急停产,疫情防控能力迅速上升为跨国企业选择落户的首要条件。因此,企业通过缩减半导体供应链的长度,选择给本土供应商更多机会,从而也推动了本国产业链的建设,这是当前的一个重要趋势。

 

03

2022是4nm元年,台积电将主导3nm工艺

在半导体尖端制造工艺方面,三星代工在2020年临时将4LPE调整为全工艺节点,即4nm工艺将成为三星未来一段时间推广的重点。2021年10月,台积电发布消息基本明确N3工艺略有延迟,2022年可能成为4nm工艺元年。

iPhone 14赶上3nm工艺几乎是无望的。但基本上可以明确,虽然最快的采用台积电N3工艺的芯片可能要等到2023年第一季度,但N3工艺量产要等到2022年第四季度。我们认为三星3nm GAA可能会比台积电N3稍晚一些。三星在3nm节点开始以GAA结构晶体管为重点,但事实上,三星也未能顺应时机如期推进。而根据三星目前公开的数据来看,其最早的3nm工艺在技术层面可能会面临更大的不确定性。

至于Intel完全赶不上发展,台积电N3将继续保持市场主导地位,暂时遥遥领先其他两家对手。

 

 

04

巨头自研专用芯片取代通用芯片

许多科技巨头,如苹果、特斯拉、谷歌和亚马逊,现在都在制造自己的ASIC芯片,为自己产品专用。这意味着,巨头们对软件和硬件的整合有了更多的控制权,同时也使他们在竞争中脱颖而出。

例如,亚马逊现在正在使用他们内部的Graviton处理器;谷歌新发布的Pixel 6和Pixel 6 Pro手机,用的是谷歌设计的第一个人工智能芯片(嵌入Tensor);而苹果2021年推出的MacBook Pro则是基于该公司内部开发的M1芯片。

这些科技巨头都希望通过定制适合其应用特定要求的芯片来实现技术差异化,而不是使用与竞争对手相同的通用芯片。

 

05

芯片架构之战

x86架构主导微处理器行业已超过50年。然而,随着Arm的日益普及,这种情况现在正在发生变化。虽然Arm的架构是出于对垂直应用所需的低功耗芯片的需求而诞生的,但它们不仅是低功耗解决方案,还是作为高性能竞争者,可以与成熟的x86相媲美。

因此,当谷歌和AWS等超大规模企业决定制造自己的芯片时,他们选择了Arm架构,因为它的性能和低功耗对耗电的数据中心、消费产品和可持续发展工作来说变得至关重要。

随着Arm继续捕获新客户,他们有望经历x86很久以前经历过的那种临界质量。正如历史所表明的那样,行业会转向量大的地方,而且公司已经开始为Arm平台专门开发各种应用和解决方案。

这种向Arm的不断转变正在改变半导体生态系统的动态。与x86平台不同的是,企业可以从一两个供应商那里购买,而Arm已经成为一个经纪人,向多家公司提供他们的IP。通过选择Arm,企业可以灵活地设计自己的芯片,同时仍由台积电制造,而不必投资建设昂贵的工厂。

此外,由于RISC-V架构的开源优势和更好的功耗,在无晶圆厂半导体公司SiFive的部分推动下,RISC-V架构在物联网设备和其他应用中的势头越来越猛。

 

 

06

先进封装技术成为"新摩尔定律"

在过去的几十年里,摩尔定律就像一盏灯塔,引领着半导体行业的发展。然而,由于物理限制和制造成本的原因,当先进的制程技术达到5nm、3nm,甚至2nm时,通过逻辑晶体管微型化工艺来实现更高的经济价值正在逐渐变得不那么有效。

从市场趋势看,过去十年数据计算的发展已经超过了过去四十年的总和。云计算、大数据分析、人工智能、Al推理、移动计算,甚至自动驾驶汽车都需要海量计算。要解决算力增长问题,除了通过CMOS微型化继续提高密度外,重要的是结合不同的工艺/架构、不同的指令和不同的硬件功能。

因此,一条不再直线增长的IC技术发展道路,以及市场对创新解决方案的需求,将先进封装技术,推向了创新的前沿。

最新研究数据显示,从2020年到2026年,先进封装市场将以约7.9%的复合年增长率增长。到2025年,仅市场收入就将超过420亿美元,几乎是传统封装预期增长率的三倍市场(2.2%)。其中,2.5D/3D堆叠IC、嵌入式裸片(Embedded Die,ED)和扇出封装(Fan-Out,FO)是增长最快的技术,复合年增长率分别为21%、18%和16%分别。

目前,OSAT公司、代工厂、IDM、Fabless公司、EDA工具供应商等都斥巨资加入到先进封装市场的竞争中。在可预见的未来,2.5D/3D封装技术将成为"先进封装"的核心,提高互连密度和采用Chiplet设计将是驱动"先进封装"发展的两条技术路径。

 

07

硅光子学

早在几十年前,数据通信和电信行业中硅光子技术的到来已经被预言。事实上,用光纤和硅光子接口代替铜线已成为现实,只是速度比预期的要慢。

IEEE认为,硅光子学将成为解决高端系统结构中的带宽、延迟和能量挑战的基础技术。硅光子学优势很多,首先,硅光子学成本低;其次,硅光子设计类似于CMOS ASIC,开发与成本均相当。

 

08

半导体芯片冷却技术

2022年半导体市场的另一个主要趋势是半导体芯片的冷却技术。

众所周知,手机在充电或长时间使用时会略微发热。幸运的是,这种发热程度未达到危险水平,这主要得益于半导体设计专家部署的热管理技术。

追求电子产品体积更小,同时性能更高的当下,多芯片封装是必然的趋势。但把几个芯片被封装在一个相对较小的区域中,热管理成为一项更具挑战性的任务。目前,在半导体设计中使用微通道冷板是解决发热问题的主要方法之一——将冷却剂均匀地分布在发热的表面上。

此外,科学家们正在开发一种新的芯片设计,其中包含晶体管和微流体冷却系统,这或许会成为2022年半导体重大技术突破之一。

 

09

可持续性发展的半导体工厂

由于5G、人工智能和物联网(IoT)等新兴技术,对半导体的需求从未像现在这样大,并且预计将继续增长。为了满足这一需求,需要增加半导体产量,这将导致能源消耗和用水量大幅增加。

单个半导体工厂每年可消耗高达1 TWh的能源和每天2到400万加仑的超纯水。台积电和英特尔等行业领导者正在采取积极措施,并一直在开展实质性的可持续发展计划。

例如,台积电通过水资源风险管理、多样化水源的扩展、污染防治技术的开发,建立了各种水循环应用,以最大限度地提高用水效率。

同样,英特尔公布了其2030年运营可持续发展目标,作为其成为可持续发展全球领导者愿望的一部分。到2030年,公司计划通过节约600亿加仑的水和资助外部水恢复项目来实现净正用水。该公司还打算在英特尔的全球制造业务中实现100%的可再生能源使用,并节省40亿千瓦时的能源。

还有知名半导体制造制造商——应用材料公司,承诺到2030年在全球范围内实现100%的可再生能源采购,以改善半导体工厂对环境的影响。

 

10

加密货币抢夺芯片制造产能

现在加密货币挖矿规模越加庞大,它出现在全球最大的芯片制造商台积电的收益中。台积电占领全球芯片代工市场的一半以上,是全球最大的代工制造商,几家主要的ASIC公司正在通过台积电制造用于比特币挖矿的芯片。例如,比特大陆(IC设计公司)为区块链和人工智能(AI)应用提供芯片、服务器和云解决方案等产品。

在经济方面,美国政府发行的数字货币可能是中美之间最有效的“战争武器”之一。这不可能很快发生,因为中国已经率先将数字货币和电子支付结合起来。令人担忧的是,它很可能会扰乱传统银行和全球经济。现在有几家科技公司接受比特币,包括Square、PayPal和Tesla。

结语

随着近年来5G、汽车、AI、物联网等新兴技术的推进,半导体行业的增长还是指数级的。20年前,中国只有不到100家芯片企业,而今已经发展到近1700家,发展迅猛。2021年的短缺让全世界都认识到芯片是整个电子行业的引擎,2022年,这场全球半导体竞争只会越加激烈。

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