疫情時代下 全球半導體產業面臨的機會與挑戰

作者 : PwC Taiwan

本文將探討全球政治經濟環境發展趨勢之下,半導體產業發展的機會與可能面臨的挑戰。

在新冠疫情肆虐下,即便全球疫苗覆蓋率快速提升,但COVID-19病毒持續變種,2021年全球經歷了COVID-19病毒爆發以來最嚴重的一年,不僅在感染人數上已經超過1.75億人,是2020年的兩倍;死亡人數超過329萬人,為2020年的1.75倍。受到疫情影響,全球各國大舉採用居家隔離乃至於封城等方式以防堵疫情擴散,不僅對人類工作、學習與生活型態造成重大影響,對於全球電子產業最上游的半導體產業而言,終端需求轉變對於所帶來的影響更是不言可喻。

除此之外,歷時多年的中美貿易戰已升級為科技戰、金融戰與地緣政治的戰爭,全球地緣政治風險提高,半導體業者經營除了考量自身營運、技術、供應鏈及市場等問題之外,如今更需要考量國際政治問題,相較以往經營環境更加複雜。因此,本文將探討全球政治經濟環境發展趨勢之下,半導體產業發展的機會與可能面臨的挑戰。

疫情時代半導體產業發展機會分析

1.全球晶片供不應求 引爆2021年半導體市場大幅成長

2020年全球受到COVID-19疫情肆虐,為了避免接觸傳染,居家辦公及遠距教學改變人們的生活型態,個人電腦、雲端伺服器等終端需求大增,帶動全球半導體市場不懼疫情影響,維持6.8%的成長幅度。

儘管疫情情勢較前一年度更為嚴峻,但卻無法壓抑市場需求的反彈,首當其衝的便是汽車市場的復甦力道超乎預期。但全球政府為了防堵疫情蔓延也祭出各種封鎖措施,導致半導體廠產能供應不及,引發全球汽車晶片短缺,整車廠及車用電子廠商開始轉向晶圓代工廠下單,進一步擠壓到晶圓代工廠生產資通訊晶片的產能,導致於全球電子產業供應鏈為了避免缺料開始提高庫存水準,更進一步加劇半導體產能不足問題,半導體產業產能滿載的情況下,也造就了整體市場創下2011年以來成長率最高的一年。根據WSTS的調查,2021年整體市場規模也突破5,000億美元,來到5,509億美元,較2020年大幅成長25.1%。全球半導體市場規模預估如圖1所示。

 

圖1:全球半導體市場規模預估。

(來源:WSTS;資誠科技產業研究中心整理(2021/12))

 

2.晶圓代工及專業封測產能大舉滲透車用市場

由於汽車供應鏈對產品可靠度、穩定性的要求較高,且產品需要較長時間認證,因此相較於消費性電子產品供應鏈更加封閉,車用半導體廠商也多以IDM (Integrated device manufacturer)的生產模式供應車廠所需的晶片。如此緊密配合的型態在整車廠JIT (Just In Time)的生產模式下,雖然可以穩定運作無虞,但是最大的風險在於,一旦產業鏈上游任何一個環節出現問題,將導致下游整條產業鏈欠缺即時調整的彈性而因此停擺。

而2021年初,正當汽車產業迎接快速復甦的汽車市場需求、汽車產品電子化程度日益提升,以及整車市場電動化的趨勢帶動車用半導體需求快速成長的同時,卻因為日本地震、美國德州暴風雪造成大規模停電,使得全球主要車用半導體廠商Infineon、NXP、Renesas等晶圓廠被迫停工,而在Renesas的12吋晶圓廠在3月初發生火災直到6月初才恢復運轉後,更讓原本已相當緊俏的車用半導體產能雪上加霜。再加上6月起東南亞疫情嚴重,尤其是佔全球半導體封測產能13%的馬來西亞在當地政府的管制之下被迫停工,包括Infineon、STMicroelectronics、NXP、TI及Onsemi等車用半導體廠產能均受到影響。

對IDM來說,要填補產能儘速完成訂單缺口的燃眉之急,最快的方法便是尋求晶圓代工及專業封測廠,因此,原先由少數IDM業者分食的車用半導體市場,因為疫情影響之下打開合作大門,紛紛與晶圓代工及專業封測廠簽訂長期合約或密切合作,以避免產能無法滿足客戶需求喪失市場先機。如此一來,也使得原先封閉的車用半導體產業生產模式發生變化,短期而言,晶圓代工加上專業封裝的生產模式因IDM轉單效應而受惠;長期而言,將有機會持續擴大專業分工模式在車用半導體市場的滲透比率。

3.寬能隙化合物半導體市場蓄勢待發

在上個世紀半導體產業發展初期,以矽(Si)為晶圓材料的半導體產品蓬勃發展之下,帶動了資通訊產業的快速起飛。矽晶圓應用雖廣,但在高溫、高壓、高電流、高功率、要求散熱/開關速度快、轉換效率高等情境下仍未臻完美,產業界一方面追逐摩爾定律的極致方面,另一方面也在尋找更合適的材料及製程滿足上述要求,化合物半導體便為一條主要發展方向。

因此,在行動通訊市場的快速滲透之下,砷化鎵(GaAs)等材料被廣泛應用於衛星通訊、行動通訊、光通訊、光電感測器等新領域。而隨著5G通訊、電動車市場蓬勃發展,物聯網、人工智慧(AI)、自動駕駛、電動化等趨勢帶動之下,更高頻、耐高壓的射頻元件與功率元件便成為廠商關注焦點,對於碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN)等新材料應用於寬能隙半導體領域的研究更成為當紅炸子雞。

如今,全球主要國家政府均大力投入資源支持寬能隙化合物半導體研究,吸引晶圓材料廠、晶圓代工廠、IDM及LED大廠透過自主研發或採取併購方式進行佈局,並已陸續開發出可用於取代傳統矽製程元件的替代產品。預計在汽車、通訊及電力供應等主要應用市場陸續採用之下,根據OMDIA的統計顯示,包括碳化矽功率元件、氮化鎵射頻元件及氮化鎵功率元件等寬能隙化合物半導體應用市場於2021年可達到17.6億美元的規模,至2025年將成長至75億美元,在四年內市場擴大規模至4倍,2021~2025年間的年複合成長率達到43.7%,成為整體半導體市場中成長速度最快的領域。全球碳化矽、氮化鎵射頻及功率元件市場規模預估如圖2所示。

 

圖2:全球SiC、GaN射頻及功率元件市場規模預估。

(來源:OMDIA;資誠科技產業研究中心整理(2021/12))

 

4.異質整合趨勢下,晶圓製造延伸晶片性能提升需求

如果說早期摩爾定律發展靠的是晶圓生產製程微縮技術達到晶片尺寸縮小及性能提升的目的,那麼在後摩爾定律時代下,先進封裝技術便是延續晶片性能的重要方法。而透過異質整合的立體封裝技術,可以將不同性質、不同材料或是不同功能的晶片,採用系統級的立體封裝技術整合另外一個半導體材料上,例如將處理器晶片、記憶體晶片、通訊晶片、感測器,甚至是將LED或雷射等不同材質的半導體晶片整合,除了可以增加效能、減少功耗之外,也可以加快IC設計的速度。但是要在不同功能、不同材料的晶片之間的互相溝通,就需要高度仰賴晶圓生產廠商強大的技術整合能力。

以全球晶圓代工龍頭台積電為例,其技術開發方向除了持續開發製程微縮技術,包括已量產的5nm技術外,3nm、2nm也預計將於2022年及2023年量產;而在先進封裝技術方面,台積電也推出3DFabric平台,整合了包括前端SoIC及後端的InFo (Integrated Fan-out)與CoWoS (Chip on Wafer on Substrate)技術,將鎖定高階客戶需求,提供由製造至封裝的完整技術服務。

半導體產業發展面臨之挑戰

1.因疫情及天然災害所帶來的挑戰

全球半導體產業乃至於整體電子產業鏈當前所必須面對的首要問題,仍是受COVID-19疫情影響期間,因為國家封鎖、停工等問題衝擊短期產能規劃及交貨時程。在過去兩年期間,肺炎病毒已多次變種,於近期再度發現比Delta病毒更具威脅性的新型變種病毒,並經WHO正式命名為Omicron,全球針對最新的變種病毒都已展開防堵措施,病毒對於經濟運作的影響何時終止將是持續關注的重點。

另一方面,因全球氣候變遷,極端氣候影響之下,旱災、雪災、颱風、水災等天然災害問題都可能對晶圓廠的正常運作造成不同程度影響。尤其是晶圓廠運作需要大量高純度水及大量電力供應,而台灣目前供應全球21.4%晶圓產能,未來兩年內還有8座晶圓廠陸續完工投入生產,2021年初台灣即發生嚴重缺水問題,年內也發生多次跳電問題,如何維持穩定的水電供給問題,將是未來台灣半導體產業能否維持高速發展的共要關鍵。

2.美中貿易戰所引發的地緣政治效應,增加半導體產業鏈佈局風險

美中貿易戰與科技戰發展僵持不下,美國一方面對中國大陸及特定廠商採取關鍵設備禁運、禁制關鍵技術輸出、禁止投資先進製程產能、禁止供應晶片產品等措施進行封堵;另一方面也強推自主半導體產業鏈,邀請台積電前往設廠。此舉也讓全球各國意識晶圓當地生產供應的重要性,紛紛力邀晶圓廠前往設廠。在此趨勢之下,晶圓廠必須由以往集中生產全球化銷售的營運模式,轉變為區域佈局、在地生產及就近供應的生產體系,如若當地欠缺完整產業鏈配套基礎,晶圓廠需於當地重新建立,亦將提高晶圓廠生產成本。

全球地緣政治風險升高之下,若高度仰賴特定國家客戶,將可能因禁令或技術封鎖特定廠商,導致營收大幅波動,如何於國際不同國家客戶間取得平衡分散風險,便成為半導體產業必須面對的重要課題。

3.原物料價格持續攀升,關鍵材料掌握於少數國家手中

隨全球疫情趨緩,經濟體系逐漸恢復正常運作後,由於用電、運輸等需求擴大,帶動石油、煤炭、天然氣等原料價格持續上揚。除了中國大陸多省宣佈限電之外,全球各地缺電問題也陸續浮現。

全球關鍵科技材料掌握於少數國家手中,如中國大陸掌握全球已開採稀土的50%,並生產及出口全球90%的稀土,對於稀土價格具有高度話語權,並將影響以稀土為材料生產的半成品或成品的價格,如晶圓生產材料中的拋光液、靶材等材料;在化合物半導體中使用稀土的比重更高,未來中國大陸若進一步管制稀土出口,將提升晶圓材料成本。

4.終端應用市場新需求何在?

現階段先進製程終端應用市場以智慧型手機CPU、筆記型電腦CPU、挖礦機高效能運算HPC需求為主,運算能力與人工智慧的持續發展預期雖可持續帶動應用市場需求,但中國大陸對虛擬貨幣的態度採取堅決禁止、嚴格取締的方式,也曾造成挖礦機生產廠商砍單,更有可能影響未來HPC市場發展前景。除了目前已知的應用產品外,未來新一代新興消費性電子產品市場尚未明朗。

如今多數廠商雖已佈局元宇宙(Metaverse)相關概念,創造出一個完整的虛擬世界,且預估未來商機將不可限量,但究其本質可發現實際上元宇宙是一個以VR/AR (虛擬實境/擴增實境)設備為主要應用產品,以及其所衍生的產業生態系所構成,此類產品問世已有多年時間,然目前市場仍處於萌芽階段。

結論

雖然全球經濟持續面臨COVID-19疫情的挑戰,但2021年仍是全球半導體產業豐收的一年,除了整體市場創下有史以來最大規模,成長率更是10年內罕見。但深究其主因,乃是來自於疫情期間消費需求的壓抑,於疫情紓緩後消費需求復甦;但供應鏈卻因為天災及疫情影響下,因為停工或封鎖等問題,無法回應市場需求的供需失衡所導致。也因此全球半導體產業的重要性受到高度關注,除美、中政府外,包括歐洲各國乃至於日本、韓國等傳統半導體生產重鎮國家,也將半導體產業地位重要性提升到前所未有的高度,未來半導體產業佈局形式將更加分散,伴隨而來的將是當地供應鏈體系重新建立的重要課題。

此外,未來汽車產品電子化,以及整車市場電動化的腳步加速等因素造成車用晶片需求持續提升,在供需失衡的情況下,晶圓代工模式將有機會滲透車用半導體市場;另外,寬能隙化合物半導體在5G射頻,以及汽車市場上的應用市場也將持續擴大,碳化矽與氮化鎵產品應用領域將持續提升,廠商將加速佈局速度,在生產模式上IDM模式仍為主流,大廠積極整合併購上下游快速建立競爭門檻,而台灣半導體產業以晶圓代工模式領先全球,如何延續既有優勢、持續領先將是未來關注重點;最後,除了先進製程、新材料應用等方向外,異質整合3D封裝技術將是未來大廠技術研發的重要技術路線。

在半導體產業經營所面臨的相關挑戰方面,在COVID-19疫情尚未完全解除之前,首先仍需持續關注全球疫情變化導致市場需求是否產生重大變化,或者供應鏈能否正常運作,並關注原物料價格變動情形;最後,儘管半導體生產技術及晶片效能持續提升,然而半導體市場成長力道的延續,仍須仰賴終端產品不斷的推陳出新,元宇宙相關產品在大廠陸續投入之後是否有助於產業生態的加速成形,將是未來持續關注的重點。

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