近期的半導體市場，尤其是8英寸晶圓的產能為什麼這麼緊張？
跟隨摩爾定律演進，集成電路製造所用的主流晶圓直徑從 4 英寸、6 英寸、8 英寸到12 英寸。直徑越大的圓片，所能刻制的集成電路越多，晶片的單位成本越低，因此晶圓持續向大尺寸發展。
尺寸演變節奏上，1980 年代以 4 英寸矽片為主流，1990 年代是 6 英寸佔主流，2000 年代 8 英寸佔主流，2002 年英特爾與 IBM 首先建成 12 英寸生產線，到 2005年 12 英寸矽片的市場份額已佔 20%，2008 年升至 30%，2008 年以來 12 寸成為晶圓主要尺寸，2017 年繼續上升至 66.01%。據 SEMI 統計，2019 年，全球 12 英寸半導體矽片出貨面積佔全部半導體矽片出貨面積的 67.22%。
現在，8 英寸和12 英寸晶圓是主流配置。8 英寸主要用於成熟製程及特種製程，在應用端，對 8 英寸晶圓代工的強勁需求主要來源於功率器件、電源管理 IC、影像傳感器、指紋識別晶片和顯示驅動 IC 等；12 英寸主要適用於 28nm 以下的先進位程，主要成長動力來自於存儲和邏輯晶片。
8 英寸產線因折舊完畢具有成本優勢，同時在模擬電路、高功率等晶圓生產具有優勢。據 SEMI最新報告，2019 年底有 15 個新 Fab 廠開工建設，總投資金額達 380 億美元，其中約有一半用於 8 英寸晶圓尺寸。IC Insights 預計未來 2 年，8 寸晶圓產能預計維持 23%左右市佔率。
8 寸矽片目前主要用於指紋識別晶片、電源管理晶片、功率器件、微控制器等半導體產品的生產。2016 年以來，隨著存儲計算、邊緣計算、物聯網等新應用的興起帶動了 NOR Flash、指紋識別晶片、電源晶片等產品對8 寸晶圓的需求，汽車電子興起帶動功率器件需求，市場隨之出現供應緊張狀態。2017Q2起，8 寸矽片的需求開始超過產能，8 寸矽片的供給開始趨緊。
本期的智能內參，我們推薦東方證券的研究報告《8 寸晶圓製造高景氣有望持續》和申萬宏源的報告《半導體矽片行業全攻略》，深入分析半導體行業的現狀，尤其是8英寸晶圓需求旺盛引起的產能緊張，預測未來整體半導體市場的發展趨勢。
01.從過去十年看晶圓行業波動周期
矽晶圓製造業產業於整個半導體產業架構中材料供應角色，隨著半導體產業的蓬勃發展，對矽晶圓材料之需求亦急速增加。半導體行業呈周期性波動和螺旋式上升的趨勢，半導體矽片行業的市場波動基本同步於整個半導體行業的波動周期。
▲2013-2019，全球 12」矽晶圓月出貨量從 4KK 提升到 6KK
2009-2019 年間，矽晶圓市場規模高增時段為 2010 年、2014 年、2016-2018 年；顯著下降期為 2011-2013 年。
▲全球半導體及矽片市場規模（億美元）
2009-2010 年，金融危機的半導體市場與矽片市場快速復甦。2008 年，受金融危機影響，半導體矽片市場自 2008 年 9 月起大幅下滑，直到 2009Q1 觸底反彈，隨後緩慢復甦。2009-2010 年間，經濟刺激政策促進全球經濟復甦，半導體市場持續增長。
2011-2013 年，日元連續大幅貶值，矽片市場與半導體市場規模趨勢背離。2011-2013年間，受益於智慧型手機與平板電腦普及，半導體市場規模溫和上漲，但美元對日元匯率分別上漲 12.8%、21.4%、13.7%，且從整體供應廠商結構來看，日廠佔整體矽晶圓比重五成以上，致矽晶圓市場規模連續下滑。從下遊看來，智慧型手機與平板市場持續增長，個人電腦市場增長緩慢，其他消費電子產品需求熄火。微處理器、功率半導體量下降，8 寸矽片需求迅速下降。
2013-2015H1，中低端智慧型手機普及，半導體市場規模再次成長。受惠於智慧型手機與平板計算機等手持裝置需求提升，尤其是中低階手機下半年出貨量高於高階機種，半導體產業景氣自 2013 年起逐漸復甦。2014 年在行動智能裝置出貨量持續呈現成長態勢，特別是中低階市場的拉抬，且汽車電子需求也呈現穩定增長，以及對全球宏觀經濟情勢改善的預期之下，2014 年全球半導體銷售額成長力道亦有所增強。
內存、處理器及通訊晶片等 IC零組件持續供不應求，讓各半導體廠的產能利用率居高不下，也間接使得半導體材料持續成長，尤其半導體 12 吋矽晶圓需求更為顯著；8 吋晶圓的需求中電源管理、指紋辨識、LCD驅動和車用電子等，目前沒有向上升級到 12 吋必要，也導致需求大增。在這樣快速增長的情況下，全球的大矽片依然顯得供不應求。
2013-2015Q2，矽片同比出貨量均維持了高景氣度，全球12 寸矽晶圓出貨量從2013Q1約 3.6KK/M，增至2015Q2出貨量5.2KK/M，增長約 40%。但矽晶圓廠 2013 年度開工率環比下降 1pct，且 DRAM、NAND 均大幅降價，因此 2013-2015H1 半導體市場規模及矽晶圓市場規模僅發生微小變化。
2015H2-2016H1，矽晶圓市場需求盤整期。NAND 價格於 2015 年觸底反彈，DRAM價格直到 2016 年 5 月才有起色。2016 年，由於功率組件(MOSFET、Schottky)等產品需求強勁，中小尺寸產品全年皆維持近乎滿產能生產，但全球智能型手機及 PC 並未見明顯成長，因此大尺寸(8"&12")產品表現持平。
2016H2-2018 年，半導體與矽晶圓市場再度成長，矽晶圓大廠盈利均顯著改善。2016Q2 智慧型手機庫存調整結束，晶圓廠景氣復甦；自 2016Q4 起，8」及 12」矽晶圓庫存均快速下調，矽晶圓需求增長顯著。2018 年初，主要矽片廠商紛紛將價格上調了 10~20%，SUMCO 將 12 英寸矽片價格上調了 20%，相比 2016 年底增幅達 60%。2016-2018 年在此背景下，矽晶圓大廠營業利潤率連續攀升。
▲矽晶圓大廠營業利潤率歷史波動（%）
半導體市場在 2019 年受到內存市場需求不振與平均售價(ASP)下滑等因素影響，加上貿易戰爭及地緣政治帶來的不確定性，使得全球總體經濟與半導體市場規模萎縮。從產品角度，2019 年邏輯器件需求已穩定，存儲仍在調庫存。2019Q4 季度，8」及 12」矽晶圓市場需求均見底，自 2020Q1 起 200mm/300mm 需求穩步回升。
▲全球主要科技硬體行業上市公司 2019Q4 以來平均存貨水平有所上升
▲科技硬體行業主要上市公司平均存貨周轉天數 2019Q4 以來無明顯變化
從主要整機廠商平均存貨水平來看，從 2019Q4 到 2020Q3，平均存貨水平由 33.6 億美元上升至 38.4億美元，上升幅度為 14%。平均存貨周轉天數在 2019Q4 到 2020Q3 僅由 54 天上升至 56 天，上升幅度僅為 4%。
▲整機廠商平均存貨周轉天數有一定幅度上升
從全球主要半導體廠商平均存貨水平來看，從 2019Q4 到 2020Q3，平均存貨水平由 7.7 億美元上升至 9.4 億美元，上升幅度為 22%。從平均存貨周轉天數的角度來看，2019Q4 到 2020Q3 由 92 天下降至 88 天，說明雖然存貨在一定的擴張，但是存貨的擴張速度並不能滿足規模擴張的需求。
當前科技硬體產業整體的真實情況為：下遊需求增長帶動整機廠商規模擴張、備貨同比例增加；整機廠商對於半導體的需求快速增長帶動半導體廠商規模擴張、備貨增加，但備貨增加速度已不能滿足規模擴張需要。在 5G、IoT、汽車電子、雲計算的大趨勢下，半導體需求的進一步提升，以及疫情後全球經濟的復甦，市場供不應求的情況料將持續。
世界半導體貿易統計組織 WSTS 在 12 月 1 日更新了半導體市場預測，2020 年全球半導體產值將同比上升 5.1%，2021 年相對 2020 年將同比上升 8.4%，呈現加速上行態勢。
▲WSTS 預計 20-21 年半導體市場將呈現加速增長態勢
02.8英寸晶圓需求持續旺盛
8 寸晶圓主要用於生產 PMIC、CIS、指紋識別晶片、射頻晶片、顯示驅動晶片等產品，這些半導體產品廣泛應用於智慧型手機、平板電腦、電視、PC、電動汽車等領域。
下遊各種終端需求逐步回暖。不同於過去幾年半導體需求主要靠智慧型手機拉動，未來幾年的需求來源將更為多樣。智慧型手機方面，5G 手機單機半導體用量更大，雖然受到疫情影響，整體市場出貨量有所下滑，但全球 5G 手機快速滲透，根據 Counterpoint 的統計數據，全球 5G 手機出貨量從19Q4 的 400 萬部左右快速增長至 20Q3 的約 5400 萬部。平板電腦在疫情下需求旺盛，電視、PC出貨量也分別在 20Q2、Q3 紛紛恢復同比增長態勢。汽車電動化的趨勢下 PHEV（插電式混動車）在 20Q3 更是創下了單季同比 66%的高增速。
▲5G 手機出貨量快速提升
▲主要下遊全球出貨量回暖（同比增速，%）
終端出貨量的回暖拉動了射頻晶片、CIS、PMIC、驅動 IC 等晶片需求，8 寸晶圓製造產能供不應求。聯電、世界先進等廠商開工率保持在接近甚至超過 100%的較高水平，8 寸晶圓也迎來漲價趨勢，20Q3 已可見華虹半導體（8 寸片）和世界先進 ASP 分別由 20Q2 的 403、433 美元上升至434、448 美元，上漲幅度分別為 8%和 4%。
▲全球主要 8 寸晶圓代工廠產能利用率
▲全球主要 8 寸晶圓代工廠晶圓 ASP（美元）
我們正處於 5G 技術周期、電動汽車浪潮的起步階段，技術升級將持續拉動相關晶片需求，供不應求態勢有望持續：
5G 來臨，射頻晶片用量和單機價值顯著提升。射頻前端晶片包括射頻開關、低噪聲放大器、功率放大前、雙工器、射頻濾波器等晶片。手機每增加一個頻段，需要對應增加濾波器、功率放大器、低噪聲放大器、開關和雙工器的用量，4G 手機支持頻段已接近 40 個，5G 應用支持的頻段數量將新增 50 個以上，全球 2G/3G/4G/5G 網絡合計支持的頻段將超過 91 個，故移動智能終端需要顯著增加射頻晶片用量。
根據 Skyworks 的數據，4G 手機到 5G 手機的升級，濾波器、射頻開關的用量將分別從 40、10 個增長至 70、30 個，射頻前端單機價值量從 18 美元提升至 25 美元。
▲手機射頻前端組成
▲5G 推動手機射頻晶片單機用量顯著提升
多攝顯著提升單臺手機 CIS 搭載量。根據群智諮詢，2019 年後置多攝滲透率約 76%。單臺設備的CIS 搭載量有望從 2018 年的 2.5 顆提升到 2023 年的 4 顆。根據 IDC 估計，到 2023 年，智慧型手機的出貨量有望達到 14.7 億部，CIS 出貨量有望達到 59 億顆，2018-2023 年 CIS 出貨量 CAGR為 10.9%。
▲2017-2023 多攝滲透率及預測
▲單臺手機 CIS 搭載量
電動時代到來，汽車功率半導體用量大幅提升 。傳統內燃機汽車中，電氣系統電源通常來源 12V蓄電池，功率管理、轉換需求在 10kW 以下，低價值量的低壓低功率器件即可滿足需求，單車功率半導體總成本約在 71 美元左右。
而混合動力/電動車集成了高壓動力電池（通常 144V 或 336V），電機驅動功率為 20-150kW。更高的電壓、功率需求拉動帶動 IGBT 模塊、SiC 以及 SJ MOSFET，單車功率半導體價值量也因此提升，根據英飛凌的數據，BEV-純電動車中新增功率半導體成本達350 美元，是傳統燃油汽車的近 5 倍。
▲汽車電動化推動功率半導體用量提升
5G 建設 、雲計算動 大幅拉動 PMIC 和 和 MOSFET 需求。主要來源於四個部分：1）5G 基站相比 4G更為密集，功率更大，帶來更多的電源供應需求，MOSFET、PMIC 需求大幅提升；2）Missive MIMO技術的採用使得基站射頻端需要 4 倍於原來的功率半導體；3）5G 時代數據量大幅增加，雲計算中心擴容帶動功率半導體用量提升；4）霧計算中心的出現帶來全新增量市場。
▲5G 建設拉動功率半導體需求
PMIC 亦於受益於5G 手機的普及與應用拓展 ，市場規模快速增長。PMIC 顯著受益於 5G 手機的普及：一方面，5G 換機潮推動智慧型手機市場恢復增長；另一方面，5G 手機在 PMIC 用量上也較 4G手機提升顯著，4G 手機用量僅 1 個，5G 手機單機用量可達到 3 個。同時其應用領域仍在不斷拓寬：工業機器人和物聯網等市場迎來歷史發展機遇，都將對電源管理晶片產生巨大的需求。根據TMR 的預測，全球 PMIC 市場規模將由 2018 年的 250 億美元增長至 2026 年的 565 億美元，CAGR 達到近 11%。
▲5G 加速滲透
▲全球 PMIC 市場規模有望保持快速增長
顯示驅動 IC 需求旺盛，MiniLED 升級進一步拉動需求增長 。
1）疫情催化下遠程辦公、在線教育生態逐漸走向成熟，筆記本電腦、平板電腦市場需求空間進一步打開；
2）新基建中高速鐵路、城際交通建設有力帶動景觀照明和戶外 LED 顯示屏需求，對應驅動 IC 需求提升；
3）MiniLED 升級帶動驅動晶片用量提升：由於局部調光特性，MiniLED 背光用到的驅動 IC 顯著提升，以大尺寸電視為例，傳統 LCD 大尺寸電視驅動用量在 12-14 顆左右，而升級到 MiniLED 背光之後用量可達16 顆，較現在提升 10%-30%。在上述驅動因素的作用下，顯示與照明驅動 IC 出貨量有望持續提升，根據沙利文的預測，全球顯示與照明驅動 IC 出貨量 2020-2023 年 CAGR 將達到 7%。
▲MiniLED 快速增長拉動驅動 IC 用量提升
▲顯示驅動 IC 市場有望迎來快速增長
受益於智慧型手機市場回暖及應用領域拓展，指紋識別晶片需求 提升 。一方面，5G 換機需求帶動智慧型手機市場恢復增長；另一方面，指紋識別在汽車電子、筆電、智能門鎖等領域的應用持續拓展，帶動指紋識別晶片需求持續旺盛。
未來，除了下遊需求的快速增長外，還有諸多因素會加劇 8 寸製造產能的緊張態勢：
8 寸晶圓支持的製程進一步延伸 ，應用範圍拓展 。隨著近年來工藝技術發展水平的進步，8 英寸晶圓能夠支持的製程，已經可達到 70nm，甚至 65nm，如 2018 年初三星宣布的 8 英寸晶圓代工技術服務中，包括了 65nm 的 eFlash 以及 70nm 的顯示器驅動 IC 的解決方案。
6 寸晶圓廠關閉和轉型 ，產能向需求向8寸片轉移。根據 IC insights 的統計，2009-2018 年有 76 家6 寸及以下晶圓廠關閉；同時德州儀器、瑞薩、ADI 等廠商目前計劃在未來 1-3 年內關閉旗下的全部或部分 6 寸晶圓廠。此外，化合物半導體對 6 寸晶圓需求旺盛，5G 時代化合物半導體的放量會使得越來越多的 6 寸晶圓廠由基於矽的 MOS 技術向化合物半導體轉型。6 寸晶圓產線的關停和轉型會使得需求向 8 寸晶圓轉移，增加 8 寸晶圓整體需求。
▲2009-2018 年晶圓製造產線關閉數量統計
▲國外部分廠商計劃關閉旗下 6 寸晶圓廠
IDM 大廠存在提升晶圓製造外包比例訴求。為了滿足快速增長的下遊需求和提升生產製造的靈活性，越來越多的國際 IDM 大廠選擇提升晶圓製造的外包比例，比如恩智浦在 2017-2019 年報中多次表示將提升晶圓製造外包比例；英飛凌在 2018 年也表示在 2023 年之前會將前端製造外包比例從 22%增加到 30%，進一步提升了 8 寸晶圓代工的需求；意法半導體 2017 年到 2019 年矽晶圓製造外包比例從 10%提升到了 18%。
▲意法半導體矽晶圓外包製造比例逐年提升
隨著5G時代來臨，以往主要由手機市場拉動的半導體行業即將迎來翻天覆地的變化。所以，最近8英寸晶圓持續的產能緊張也是有理可循。5G基站更為密集的建設、電動汽車的持續走強、藍牙指紋識別等模塊應用領域的不斷拓展，預計未來8英寸晶圓以及相應的晶片仍會處於長時間的供不應求階段。
原文標題：晶片缺貨告急背後！又漲價又外包，誰能拯救8英寸晶圓產能？
文章出處：【微信公眾號：傳感器技術】歡迎添加關注！文章轉載請註明出處。
責任編輯：haq
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