文｜芯世相
從供給端看，受缺”芯“潮影響，各國(guó)的半導(dǎo)體企業(yè)進(jìn)入創(chuàng)世紀(jì)的晶圓廠擴(kuò)產(chǎn)潮，而在需求端，疫情致使眾多終端裝置如智能手機(jī)、服務(wù)器、PC 至利基型消費(fèi)性電子產(chǎn)品零組件供應(yīng)受阻，間接導(dǎo)致采購(gòu)端對(duì)于相對(duì)長(zhǎng)料的存儲(chǔ)器拉貨意愿下滑，不禁讓人擔(dān)憂：“內(nèi)存衰退周期要來(lái)了嗎？”
日前，日本半導(dǎo)體行業(yè)研究專(zhuān)家湯之上隆對(duì)這一問(wèn)題作了分析。
看著2021年半導(dǎo)體廠商瘋狂的資金投入，以及各個(gè)國(guó)家和地區(qū)超常補(bǔ)貼投入的趨勢(shì)，筆者嚇得脊背發(fā)涼。僅去年一年，全球就至少投資了 12 萬(wàn)億日元，開(kāi)工建設(shè)了 29 家工廠（圖 1）。
我不得不認(rèn)為，如果我們以這樣的速度建設(shè)半導(dǎo)體工廠，最終會(huì)變得供過(guò)于求，導(dǎo)致價(jià)格暴跌和半導(dǎo)體衰退。盡管上述 29 家工廠尚未開(kāi)工，但除 MOS memory（半導(dǎo)體存儲(chǔ)，即內(nèi)存）外，各種半導(dǎo)體的出貨量均創(chuàng)歷史新高（圖 2）。
而令人擔(dān)憂的是，自 2020 年后新冠時(shí)代以來(lái)，各類(lèi)半導(dǎo)體的出貨量都以不同的斜率增長(zhǎng)。如果把 2021 年開(kāi)工建設(shè)的 29 家工廠的半導(dǎo)體加入其中，會(huì)發(fā)生什么？
我不禁特別好奇 MOS memory的擴(kuò)產(chǎn)行為。原因是其中包含的DRAM的供需平衡容易被打破，接著經(jīng)歷價(jià)格暴跌，這種影響往往會(huì)到擴(kuò)產(chǎn)的廠家自己頭上。
例如 DRAM 價(jià)格在 1995 年因 Windows 95 的銷(xiāo)售預(yù)期而飆升，然后在 1996 年暴跌。當(dāng)時(shí)筆者在日立制作所工作，受此影響，從中央研究所被趕到了DRAM工廠。IT 泡沫在 2000 年也達(dá)到頂峰，并在 2001 年破滅。日立建議所有40歲以上及科長(zhǎng)以上的員工提前退休，而曾借調(diào)到前爾必達(dá)存儲(chǔ)器（elpida memory）和半導(dǎo)體尖端技術(shù)公司 Selete的筆者被迫退休。接著，在創(chuàng)辦芯片回收利用風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)的2008年，雷曼沖擊波爆發(fā)后，出資的公司開(kāi)始傾斜，風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)也隨之破產(chǎn)，而筆者則淪落為無(wú)業(yè)、無(wú)薪，去了Hello Work（“公共職業(yè)安定所”，日本政府專(zhuān)門(mén)免費(fèi)幫人找工作的機(jī)構(gòu)）。
2018年存儲(chǔ)器泡沫破滅之際，筆者奇跡般地平安無(wú)事。但存儲(chǔ)器蕭條在2019年觸底，此后出貨量再次增長(zhǎng)，傾斜度與 2016-2018 年內(nèi)存泡沫期間相同或更大?；蛟S出貨價(jià)值將再次見(jiàn)頂，內(nèi)存衰退將在未來(lái)到來(lái)。當(dāng)我這么想的時(shí)候，我感到無(wú)法用語(yǔ)言表達(dá)的焦慮。
但如果只是一味地害怕，那也無(wú)濟(jì)于事。筆者徹底分析了世界半導(dǎo)體市場(chǎng)統(tǒng)計(jì)（WSTS）的數(shù)據(jù)。由此，我們得出“內(nèi)存衰退暫時(shí)不會(huì)到來(lái)”的結(jié)論。因此在本文中，我想解釋一下分析結(jié)果。但對(duì)于這一結(jié)論，也存在一些令人擔(dān)憂的問(wèn)題：一是英特爾能否推出應(yīng)用EUV（極紫外）光刻技術(shù)的工藝，二是能否確保封裝基板充足，如何影響？
正如我開(kāi)頭所寫(xiě)，Mos Memory中DRAM的供需平衡很容易被打破，導(dǎo)致過(guò)去多次價(jià)格暴跌。因此，甚至出現(xiàn)了"硅周期"的說(shuō)法。
我們來(lái)看看1991年到2021年DRAM出貨量和出貨量的變化（圖3）?？梢?jiàn)，受價(jià)格影響，出貨價(jià)值波動(dòng)較大。運(yùn)輸價(jià)值的這種變化極大地改變了筆者的生活（這很乏味）。
在這里，我們重點(diǎn)看出貨量，大致可以分為四個(gè)時(shí)期。
（1）1991-2003年：出貨量適度增加的時(shí)期
據(jù)了解，這主要是受日本、美國(guó)和歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)個(gè)人電腦和電器產(chǎn)品需求的推動(dòng)。
（2）2003-2011年：出貨量急劇增加的時(shí)期
進(jìn)入21世紀(jì)，以中國(guó)為首的金磚四國(guó)（巴西、俄羅斯、印度、中國(guó)）等發(fā)展中國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速。其原因是，由于這些新興國(guó)家的人們購(gòu)買(mǎi)了手機(jī)、電腦、各種電器產(chǎn)品，所以對(duì)搭載在這些產(chǎn)品上的DRAM絕對(duì)數(shù)量的需求增大。
（3）2011-2018年：出貨量每年約150億顆，幾乎保持不變的時(shí)期
DRAM制造商逐漸被淘汰。尤其是2012年?duì)柋剡_(dá)破產(chǎn)并被美光科技收購(gòu)后，全球DRAM廠商實(shí)際上集中到三星電子、SK海力士、美光這三家公司。這三家公司壟斷了DRAM市場(chǎng)，為了防止供過(guò)于求導(dǎo)致價(jià)格暴跌，它們進(jìn)行了隱性談判，各家公司都調(diào)整了產(chǎn)量。因此，估計(jì)出貨量已經(jīng)趨于平穩(wěn)。
（4）2018年后：當(dāng)DRAM出貨量再次開(kāi)始暴增時(shí)
筆者認(rèn)為原因如下。DRAM的主戰(zhàn)場(chǎng)正從 PC經(jīng)由移動(dòng)而轉(zhuǎn)移到數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器（圖 4）。于是，三大DRAM廠商又開(kāi)始爭(zhēng)奪服務(wù)器的DRAM霸主地位。隨著數(shù)據(jù)中心投資變得更加活躍，人們產(chǎn)生了增加 DRAM 絕對(duì)數(shù)量的需求。據(jù)估計(jì)，由于這些因素，出貨量正在迅速增加。
元宇宙加速了存儲(chǔ)器需求的增長(zhǎng)
此外，在當(dāng)今世界，"metabase"（元宇宙）已成為流行語(yǔ)。起初我不確定它是什么，但它似乎意味著在線構(gòu)建的 3D 虛擬空間。我還沒(méi)有研究過(guò)它是如何工作的，但我知道我比以往任何時(shí)候都更需要一個(gè)數(shù)據(jù)中心。因此，不難想象，數(shù)據(jù)中心需要大量的服務(wù)器，這些服務(wù)器對(duì)DRAM的需求將迅速增加。而這樣的需求擴(kuò)張不僅應(yīng)該擴(kuò)展到DRAM，還應(yīng)該擴(kuò)展到NAND閃存和處理器（MPU）。下面我們來(lái)定量的看一下。
圖 5 顯示了 NAND 出貨價(jià)值和出貨數(shù)量的變化。與 DRAM 一樣，如果關(guān)注出貨量，這可以分為三個(gè)時(shí)期。
（1）2000-2016：出貨量線性增長(zhǎng)時(shí)
隨著 NAND 市場(chǎng)擴(kuò)展到 iPod、數(shù)碼相機(jī)和手機(jī)等音樂(lè)播放器，對(duì) NAND 的需求增加，出貨量似乎有所增加。
（2）2016-2018：出貨量穩(wěn)定在每年約110億臺(tái)時(shí)
大約在 2016 年左右，NAND 的結(jié)構(gòu)從 2D 轉(zhuǎn)變?yōu)?3D。在 3D NAND 中，存儲(chǔ)單元垂直堆疊以增加存儲(chǔ)容量。在 2D 下，存儲(chǔ)單元做得更精細(xì)，因此芯片尺寸變得更小，從一個(gè)晶圓上獲得的芯片數(shù)量增加了，因此出貨的芯片數(shù)量也增加了。但是，在 3D 中，芯片尺寸基本沒(méi)有變化。因此，雖然出貨位增加了，但估計(jì)出貨個(gè)數(shù)并沒(méi)有增加。
（3）2018年后：當(dāng)NAND出貨量再次開(kāi)始增加時(shí)
這被認(rèn)為與DRAM出貨量同時(shí)增加的原因相同。也就是說(shuō)，隨著對(duì)數(shù)據(jù)中心的需求擴(kuò)大，對(duì)服務(wù)器的需求也急劇增加，對(duì)安裝在服務(wù)器中的SSD的需求也增加了，結(jié)果作為核心部件的3D NAND出貨量也隨之增加。SSD的數(shù)量開(kāi)始增加......
綜上所述，DRAM和NAND出貨量自2018年以來(lái)大幅增長(zhǎng)?？梢酝茢?，這是因?yàn)閿?shù)據(jù)中心對(duì)服務(wù)器的需求越來(lái)越大。那么作為服務(wù)器的大腦的MPU的出貨趨勢(shì)如何呢？
從2016年到2018年，我們進(jìn)入了全面的大數(shù)據(jù)時(shí)代，亞馬遜、微軟、谷歌等云廠商都開(kāi)始建設(shè)數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心需要配備最先進(jìn)的服務(wù)器。
但是，如前所述，英特爾未能成功批量生產(chǎn)10nm MPU，這個(gè)狀態(tài)持續(xù)了5年以上，第7任CEO Bob Swan 甚至表示："2020年，英特爾有可能成為Fabless。"
不久前，IBM出身的Lisa Su就任AMD CEO，將MPU的生產(chǎn)委托方從Global Foundries（格羅方德）變更為T(mén)SMC（臺(tái)積電），以最先進(jìn)的微型化工藝開(kāi)始推出高性能MPU。（詳見(jiàn)報(bào)道《這是處理器市場(chǎng)的衰落嗎？讓 AMD 在追趕英特爾的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)飛躍的兩個(gè)關(guān)鍵參與者》 /2020 年 5 月 15 日）
為了解決這個(gè)問(wèn)題，英特爾已采取措施增加 MPU 內(nèi)核的數(shù)量，同時(shí)延長(zhǎng) 14nm 工藝的壽命，以提高 MPU 的性能。然而，核心數(shù)量的增加減少了可以從一個(gè)晶圓獲得的芯片數(shù)量，并降低了良率。
由于英特爾的不景氣，2016 年出貨量為 5.18 億臺(tái)的 MPU 下降到 2019 年的 3.83 億臺(tái)，減少了 1.35 億臺(tái)，導(dǎo)致全球 MPU 短缺。結(jié)果，用于數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的量產(chǎn) DRAM 和 NAND 充斥市場(chǎng)，導(dǎo)致價(jià)格暴跌。事實(shí)上，作為典型DRAM的DDR4的8Gbit產(chǎn)品從8.2美元跌至2.8美元。此外，作為典型NAND的MLC的128Gbit產(chǎn)品，從5.6美元跌至3.9美元（圖7）。
換言之，2019年的存儲(chǔ)器衰退可以說(shuō)是因?yàn)橛⑻貭栁茨芰慨a(chǎn)10nm MPU（詳見(jiàn)拙著文章《Intel 10nm工藝的推遲引起的存儲(chǔ)器衰退》/2018年12月7日）。那么，這種存儲(chǔ)器衰退今后有沒(méi)有可能發(fā)生危險(xiǎn)？
圖 8 顯示了 MPU、DRAM 和 NAND 出貨量的變化。MPU 出貨量在 2019 年下降到 3.83 億顆，但隨后有所回升，2021 年出貨量為 4.99 億顆，接近 1900 萬(wàn)顆，直到 2016 年的峰值。
MPU出貨量增加，可以舉出英特爾的10nm勉強(qiáng)啟動(dòng)、以及向TSMC委托生產(chǎn)的AMD的MPU的出廠數(shù)增大等原因。如果 MPU 繼續(xù)增長(zhǎng)，我認(rèn)為不會(huì)出現(xiàn)存儲(chǔ)器衰退（我真的希望如此）。
然而，也有擔(dān)憂。就像我開(kāi)篇寫(xiě)的，一個(gè)是英特爾的EUV推出，一個(gè)是封裝基板不足。
英特爾能掌握 EUV 嗎？
英特爾公布了 2021 年 1 月成為第 8 任 CEO 的 Pat Gelsinger 的新路線圖（相關(guān)文章：《英特爾重命名工藝，遠(yuǎn)離“nm”》/2021 年 8 月 03 日）。在這個(gè)路線圖中，我寫(xiě)了開(kāi)始量產(chǎn)年份和臺(tái)積電技術(shù)節(jié)點(diǎn)的比較（圖 9）。
英特爾將于 2021 年開(kāi)始量產(chǎn)“英特爾 7”，并于 2022 年出貨。這與 2016 年量產(chǎn)啟動(dòng)失敗的 10 nm 同代(結(jié)構(gòu)、材料、工藝可能已經(jīng)改變 )，并且與 TSMC 的 N7(ArF 液浸版 )相同。而且，隨著該量產(chǎn)的發(fā)展，估計(jì)全球出貨的 MPU 數(shù)量正在增加。然而，除此之外還有許多棘手的問(wèn)題。
首先，當(dāng)我們比較英特爾和臺(tái)積電時(shí)，認(rèn)為“英特爾4”對(duì)應(yīng)臺(tái)積電5nm，“英特爾3”對(duì)應(yīng)臺(tái)積電3nm，“英特爾20A”對(duì)應(yīng)臺(tái)積電2nm。假設(shè)這種對(duì)比是正確的，英特爾將不得不在 2022 年底量產(chǎn)“英特爾 4”，它有大約 15 層 EUV。
不過(guò)英特爾只有大約3個(gè)EUV，推測(cè)不是量產(chǎn)的NXE3400而是研發(fā)機(jī)NEX3300。在這種狀態(tài)下，臺(tái)積電的 5nm 等效“Intel 4”在 2022 年下半年推出的可能性很小。說(shuō)到這一點(diǎn)，2023年下半年推出“英特爾3”和2024年推出“英特爾20A”似乎是無(wú)望的。
如果英特爾無(wú)法掌握 EUV，“英特爾 4”和“英特爾 3”的量產(chǎn)不啟動(dòng)，可能會(huì)再次導(dǎo)致 MPU 短缺。為了不造成這樣的MPU短缺，期待英特爾將"英特爾 4"和"英特爾 3"完全委托給臺(tái)積電生產(chǎn)，以及 AMD將填補(bǔ)英特爾漏洞規(guī)模的 MPU給臺(tái)積電生產(chǎn)等。
那么，英特爾會(huì)怎么做？會(huì)不固執(zhí)地依靠臺(tái)積電嗎？
服務(wù)器封裝板不足
另一個(gè)擔(dān)憂是，即使英特爾和 AMD 可以通過(guò)外包給臺(tái)積電來(lái)生產(chǎn) MPU，搭載該 MPU的 FCBGA（Flip Chip-Ball Grid Array：浮動(dòng)?xùn)艠O陣列）基板也不足。
該FCBGA基板是日本Ibiden（伊維登）和Shinko Denki（新光電子）的獨(dú)家舞臺(tái)（合著的《半導(dǎo)體制造裝置和材料，日本的占有率為何高？2021年12月14日，"日本人特有的氣質(zhì)"產(chǎn)生的競(jìng)爭(zhēng)力），但由于世界性的服務(wù)器需求增加，F(xiàn)CBGA基板嚴(yán)重不足（圖10）。
根據(jù)前英特爾合著者 Tadashi Kamewada 的說(shuō)法，F(xiàn)CBGA 板的短缺預(yù)計(jì)將持續(xù)到 2024 年。如果板子持續(xù)不足，可能會(huì)成為瓶頸，導(dǎo)致MPU for Server（服務(wù)器）不足。這是英特爾和 AMD 都無(wú)法解決的問(wèn)題，所以 Ibiden 和 Shinko Denki 只能盡力而為。