半导体投资扩张狂潮的背后

            
            公司和国家正在向半导体制造、材料和研究投入巨额资金，未来十年至少有 5000 亿美元甚至可能更多，以保证芯片和技术的稳定供应，以支持全球越来越多的以数据为中心的行业。
            建立能够保证产能和必要电子元件的重复供应链，是有史以来最集中、成本最高的技术建设。但这引发了人们对人才短缺、重复性低效率以及未来某个时候引发的价格战和库存潜在供过于求的担忧。从积极的方面来看，至少在不久的将来，它正在创造技术史上最大的半导体及相关服务、设备的繁荣。
            在这波投资的背后，有几个关键趋势，以及未来的一些潜在陷阱。
            地缘政治、疫情和更多竞争
            关键芯片（包括在成熟节点开发的芯片）的持续短缺引发了各个行业和地区对芯片和关键材料（如稀土、镍、氖和锂）供应连续性的担忧。
            据美国人口普查局报告，2020年美国向中国出口了价值1250亿美元的商品，进口了4330亿美元。2021 年，出口增至 1510 亿美元，进口增至 5050 亿美元。2022年前10个月出口与2021年基本持平，进口实际增长16.4%。10 月份有所下降，但这几乎没有对整体数字产生影响。
            部分原因可以用与疫情相关的因素来解释，在这种情况下，疫情促使消费者购买笔记本电脑、相机、调制解调器和大屏幕电视。结果是对所有类型芯片的需求激增，尤其是那些在成熟节点开发的芯片。但这种需求影响了其他越来越依赖 200mm 和更成熟节点晶圆厂的行业，包括汽车、家电和工业零件，以及制造这些芯片所需的设备，所有这一切都因交付量减少和主要航运放缓而形势紧迫。
            这些短缺的突然性令芯片行业震惊。在新冠疫情之前，半导体供应链被认为几乎不受短缺或库存过剩的影响。在 1999 年至 2000 年的互联网繁荣之后，由于供应不足导致芯片有了双倍和三倍订购，随后出现了严重的崩溃。芯片制造商随后转向及时生产模式。因此，尽管 2008 年再次出现严重衰退，但库存过剩远低于 2001 年和 2002 年。
            从那时起，半导体对更多行业变得更加重要，供应故障被视为经济和政治威胁。它不再只是智能手机和个人电脑。芯片用于从航空和人工智能系统到超大规模数据中心、医疗设备、交通工具（汽车、卡车、轮船、飞机、铁路）的一切领域。而这些芯片的设计和制造，以及围绕它们的研究，可以提供数十万个高薪工作，这使得半导体也成为政治上的热门话题。
            这就是为什么代工厂和设备公司正在制定计划并筹划巨额投资，以及为什么政府大力投资半导体和相关技术。这些投资可能会在未来几十年推动就业，从建筑领域到工艺工程领域再到材料科学领域。
            例如，英飞凌提议在德国德累斯顿扩建 51 亿美元的 300 毫米模拟、混合信号和功率半导体，预计将增加 1000 个新工作岗位，或者 IBM 未来十年在纽约投资 200 亿美元用于制造业用于所有类型服务器的芯片，包括量子计算机。与此同时，英特尔计划在未来十年内在不同地点投资超过 1730 亿美元，用于从尖端晶体管到先进封装的各种领域。美光计划向最先进的内存工厂投入 350 亿美元（最初）（并在 20 年内投入近 1150 亿美元）。
            这仅仅是开始。超过 2000 亿美元的额外投资仍未得到供应商的证实。扩建是全球性的。在多年投资不足之后，日本正在加大生产先进芯片的力度。根据CSIS的数据，1988 年，日本公司占全球半导体销售额的 51% ，但与美国的贸易摩擦以及来自韩国和中国的竞争削弱了日本的领导地位。现在正在通过私人和公共资金进行新的努力，以重新获得部分市场份额。
            许多日本科技公司和日本政府正在联手开发一个名为Rapidus的财团的先进芯片。日本政府出资约 5 亿美元，其他参与者各投资约 700 万美元。此外，日本计划拨款 24 亿美元与美国合作，在本世纪后半叶开发和量产电路线宽为 2 nm的先进半导体。日本公司正在进行大量投资。其中：
            台积电和索尼半导体正在日本熊本建设一座价值 70 亿美元的 28/22 nm专业晶圆厂；
            TEL 宣布计划在日本的设备制造设施投资超过 6 亿美元；
            瑞萨电子投资超过 6 亿美元，将现有的功率半导体工厂翻新并改造为 300mm，东芝公司再 投资 10 亿美元用于新建 300mm 功率半导体工厂；
            佳能正在建设一个价值 2.62 亿美元的光刻制造工厂；
            单独来看，这些都是对未来的巨大赌注。总的来说，这些可能会转移芯片制造地的重心，使设计和制造在区域基础上更加紧密地结合在一起。但这种影响将以多快的速度显现出来仍不确定。
            麦肯锡高级合伙人 Ondrej Burkacky 表示：“在世界其他地方重建任何半导体供应链要素都需要时间。”一个新的半导体工厂需要 5 年时间。技术的研发很容易需要 10 到 15 年。如果踏上在供应链中创造更多弹性和更多本地化的旅程，那么一天都无法改变。供应链是全球性的，没有什么是真正本地化的，因为它是为服务全球市场而建立的。因此，没有比半导体行业更具全球性的起点了。
            然而，改变的承诺是非常真实的。美国芯片法案的通过，以及拟议中的欧洲芯片法案仅仅是个开始。所有这些投资都对这个竞争日益激烈的行业的未来产生了广泛的影响。
            “如果这是一个国家的商业案例或商业决策，而不是公司的商业案例或决策，那么就需要有一些激励措施，”Burkacky 说。“这可能以补贴或市场关税的形式出现——基本上是一个国家可以进行一些市场监管的方式。”
            技术拐点
            除了更大的经济变化，技术方面也正在发生翻天覆地的变化。缩放带来的功耗、性能和成本优势的降低，以及 SoC 分解为异构封装，正在整个芯片行业造成巨大的变动。对于过去的几个工艺节点，缩放的最大驱动因素之一是光罩的尺寸，它被限制在 858mm²。这反过来又限制了单个平面芯片上可以包含的功能数量。
            芯片制造商开始通过使用各种类型的高级封装、桥接器以及连接各种裸片和分区功能的新方法来规避这个问题。但随着数据的爆炸式增长和更快地处理数据的需要，以及摩尔定律效益的衰退，解决方案变得更加复杂、更加定制化，并且更难设计。
            Synopsys 的EDA 集团总经理 Shankar Krishnamoorthy 说：“对改进的需求永无止境。”“人工智能需要大量的计算能力。因此，可以扩大规模。但我们现在看到每个人都在做的是我们所说的“上述所有”战略。真正敏感的部分可以放在最新的节点上。可以从很多不同的节点获得小芯片。这种演变正在以极快的速度发生。每个客户都将其放在他们的路线图上——即使是移动公司，它们传统上都是单一的、二维类型的设计。他们现在正在寻求发展到 3D。”
            在这个超融合的世界中，曾经的单个芯片现在变成了多个芯片或小芯片——英特尔的 Ponte Vecchio 架构采用 9 种不同的工艺开发了多达 47 种不同的芯片。这使得定制设计的组件变得必不可少，并且它需要一个能够以相对较小的数量开发和制造更多设备的供应链。
            “分解将继续存在，”Krishnamoorthy 说。“这一切都与工作负载级别的交付性能有关，有许多不同的方法可以实现这一目标。”
            数字也证明了这一点。Amkor 正在越南开发一个新的封装工厂，初始投资为 2 亿至 2.5 亿美元，而 ASE 计划投资 3 亿美元在马来西亚的封装厂。
            人才的力量
            使所有这些投资发挥作用需要受过高等教育的劳动力。在过去的十年中，行业高管一直在寻找更远的地方来吸引工程师加入半导体行业。在那段时间里，大多数人选择了软件工作。
            “你仍然需要更多人才，”德勤咨询公司负责人兼半导体行业负责人 Brandon Kulik 说。“所以有公司职能和财务，随着一个行业的发展，它需要更多人才，而且它必须与其他行业竞争共同的人才。但在半导体中，工程和制造是非常具体的。我们在工程方面发生的变化是，随着我们的客户开始转向更集成的解决方案、更多的软件和更多基于平台的解决方案，工程组合开始发生变化。除了标准的遗留设计类型，你还需要更多的软件和系统工程师，这意味着他们需要与一些大型软件公司竞争。”
            Meta、Twitter、Microsoft 和 Salesforce等公司最近的裁员有助于填补这一缺口。多年来，工程专业的毕业生涌向大型系统公司从事软件工程工作。但直到最近，他们在很大程度上忽略了硬件方面，因为他们假设性能会在每个新工艺节点上继续提高。情况不再如此。软件工程师越来越需要了解他们编写的代码的功率和热影响，包括给定操作需要多少计算周期以及如何更好地利用硬件一直到 RTL 级别。
            从长远来看，这个行业需要更多的人，今天在这个行业工作的很多人都需要补充培训。
            “未来的头号瓶颈是人才，”麦肯锡的 Burkacky 说。” 限制芯片行业增长的不会是锂或氖。这将是人。”
            德勤的 Kulik 对此表示赞同，并补充说公司需要撒一张更广的网。他说：“我们需要利用非传统资源，并且更多地利用这些资源，才能满足所有需求。”即使需求下降，人才短缺仍将持续存在，因为该行业的长期增长趋势是存在的。即使需求下降，对供应链弹性的需求也会推动一些产能。我们将需要更大规模地设计和制造。世界仍处于连接事物的早期阶段。因此，经济周期将一如既往地受到冲击，因为这是一个周期性行业。但我们对客户的建议是保持长远的眼光，在人才战略方面展望三到五年，甚至更远。这将继续是一场斗争。”
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