半導體 晶片荒 台積電

【為什麼我們要挑選這本書】全球晶片短缺已不是新聞,而誰擁有半導體產業,便能搶下未來產業革新的灘頭堡。

半導體產業在全球會如何發展,台積電在美設廠又會有哪些好處?被譽為「韓國最可靠的分析師」金榮雨,將其有力的分析集結成《半導體投資大戰》一書;在下文,他將帶我們看懂半導體的國際角力。(責任編輯:莊彙翌)

造成晶片短缺的需求面原因主要有二:汽車產業(mobility)革命使晶片需求激增、以雲端雲基礎的人工智慧時代來臨。2020 年 9 月特斯拉(Tesla)執行長伊隆‧馬斯克(Elon Musk)在「電池日」(Battery Day)活動中預告,2023 年特斯拉將推出價格僅 2 萬 5000 美元的電動車。

電動車與自駕車帶動晶片需求

未來用 2 萬 5000 美元就能買到具自動駕駛功能新車,電動車的市占率可望大幅提升,而自動駕駛功能持續精進,也會變成所有汽車業者必須積極追趕、發展的重要課題。尤其自動駕駛功能非常受到市場歡迎,消費者也非常喜愛,短期內車用晶片的需求增加幅度將大於再生電池(rechargeable battery)。

美國通用汽車(General Motors)宣布 2025 年以前將對電動車與自駕車投資 270 億美元,並且介紹自主研發的「Super CruiseTM 超級智能駕駛系統」、垂直起降的單人座無人機(drone)、個人自駕概念車「Halo Portfolio」、用於建立電動車物流平台的電動物流推車「EP1」、電動載貨廂型車「EV600」等,多種創新車款與未來式交通工具。

德國福斯汽車(Volkswagen)將 2030 年美國與歐洲的電動車市占率目標分別訂為 50%、70%,宣布 2025 年以前推出接近於 Level 4 完全自動駕駛水準的車款。此外,福斯汽車將利用微軟的雲端技術,縮短自駕車技術的研發時間,開發以雲端為基礎的顧客服務。

汽車業者若無法像特斯拉一樣收集資料,勢必得採用各種高效能感測器,搭配電腦運算技術,處理感測器收集到的資料,才能提升自動駕駛功能。預估先進駕駛輔助系統(ADAS,Advanced Driver Assistance Systems)的技術水準將會提升,生產電動車與環保車輛的晶片與晶圓代工需求也將增加,這個現象會持續到 2025 年。

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設備投資時程拉長,晶片短缺將難以填補

在半導體產業最具獨占力的業者莫過於荷蘭的艾司摩爾,專門生產曝光設備。晶圓業者就算欲採取攻擊性投資,也必須配合艾司摩爾的曝光設備產能與生產時程,才能擬定投資計畫。艾司摩爾在半導體產業的市場獨占力將最穩定與長期持續。

目前市場上 CPU(中央處理器)、GPU(繪圖處理器)、AP(應用處理器)等高規格產品,都是利用艾司摩爾的光刻機台生產。該設備不但不容易製造,要用在半導體製程也不簡單,所以雖然七奈米以下的晶片需求快速增加,能以這種機台生產的業者只有台積電與三星電子。預估高階產品的晶圓代工產能缺口,還需要一段相當長的時間才能填補

成熟製程晶圓代工主要用來生產控制器(controller)與中階晶片,供不應求的問題短期內同樣難以解決。聯電與美國格羅方德(Global Foundries)等業者先前沒有多餘能力可進行投資,不過現在美國為了發展半導體產業大動作實施獎勵政策,格羅方德應可擺脫營運困難,甚至運用美國政府的支援,在納斯達克(Nasdaq)證券交易所以不錯的條件進行首次公開募股(IPO)(編按:2021 年 10 月 28 日,格羅方德正式上市)。

製造各種電子感測器與中低價位晶片的八吋晶圓代工業者,先前的投資方式是購買中古設備,不過 2020 年中古設備需求激增,2021 年起連中古設備都變得不易取得。

這讓原本顧慮設備折舊問題,盡量避免採購全新設備的八吋晶圓代工業者,後續作法可能改變。八吋晶圓是中國的強項,美國尚未對此進行制裁,後續美國會向中國業者採購八吋晶圓製造出的低價位零組件,或者制定中長期需求對策,由美國境內的十二吋晶圓代工生產取得,這部分值得關注。

先進製程晶圓代工廠將往美國聚集

若以美國立場、從冷戰時代的角度來看,絕對不能讓中國擁有世界級的晶片設計與晶圓代工企業,中國只能單純生產廉價的零組件。因此美國祭出前所未有的大規模支持政策,吸引台積電與三星電子到美國設廠從事先進製程生產,對英特爾也將提供協助,找回以往的晶片製造競爭力

台積電與三星電子雖然也會各自在台灣、韓國同時投資建設新的廠房,不過兩家業者的主要客戶聚集在北美地區,加上美國繼半導體之後,接下來也會啟動中期策略發展先進製造業,因此台積電與三星電子還是必須對美國增加投資。此外,美國的獎勵政策可能還會加碼,後續仍有可能阻擋極紫外光(EUV)微影系統曝光設備進入中國(編按:2021 年荷蘭艾司摩爾在美國政府施壓下,拒發外銷大陸的出口許可證)。

若美國確定不讓中國有機會接觸 EUV 光刻機,屆時已在中國設廠的韓國業者就得一一提出申請,才能引進 EUV 光刻機進行生產。

未來二至三年後,EUV 製程可望擴大應用在生產 DRAM 記憶體晶片,因此 SK 海力士(SK Hynix)必須提前研擬對策,才能確保在中國的記憶體晶片生產無虞。

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中國最早準備 5G+MEC,美國仍成功阻止其前進

全世界最早也最積極準備 5G 與 MEC 的國家是中國,華為則是中國通訊設備領域的龍頭業者,擁有市場主導權,產品具有高性價比。華為曾意圖結合子公司海思半導體設計的晶片,推出 5G+MEC 解決方案,在智慧城市與智慧製造的解決方案也最先著手發展。

假如中國在 5G 與 MEC 領域取得領先,接著在與人工智慧有關的服務及導入 RPA(機器人流程自動化)的智慧製造領域也可能領先,制定產業標準(industrial standards)時也可站在有利位置。中國的 MEC 導入可能比包含美國在內的競爭國家早大約兩年。

先前美國的晶片製造競爭力下降,在 5G 的競爭中也大幅落後中國,若情況不能改善,2027 年不只 GDP(國內生產毛額)會被中國超越,在未來具有成長潛力的領域,主導權也將拱手讓給中國。

因此美國大動作針對 2018 年以來中國的半導體崛起、5G、MEC、人工智慧導入及發展政策加以分析,最後成功阻止中國繼續向前邁進

不過光是綁住中國還不夠,現在美國已經進入第二階段,同時推動取得半導體產業的主導權與扶植高科技產業。

美積極佈置半導體產業,牽動全球供應鏈

新冠肺炎(COVID-19)疫情對產業結構帶來根本性的改變,加上美國與中國欲將全球價值鏈(GVCs,Global Value Chains)在地化(internalization)所引起的去全球化,中期恐怕難以有太大改變。

這種趨勢若延續下去,中國的半導體業者很難再以全球競爭者的姿態壯大。反觀美國,為了將全球半導體供應鏈吸引到境內,預估會傾注全力施展支持政策。

若考慮目前晶片短缺對產業可能造成的影響,美國極可能建立生產涵蓋所有價位晶片的半導體供應鏈。目前在美國境內擁有八吋與十二吋晶圓廠的美國業者有英特爾、格羅方德、恩智浦半導體(NXP Semiconductors)、德州儀器(Texas Instruments)、高塔半導體(Tower Semiconductor)、安森美半導體(ON Semiconductor)等(編按:英特爾 2022 年 2 月 15 日宣布以 54 億美元收購高塔半導體)。

美國晶片製造崛起的核心是確保製造能量,若要提高美國的晶片製造能量,必須 ① 吸引台積電與三星電子這種國外企業到美國興建採用先進製程的工廠,或者 ② 由美國企業自主研發先進製程,在美國境內設廠

台積電設廠有 3 好處,美聚焦英特爾產能

美國將對台積電與三星電子提供獎勵措施,鼓勵兩家業者在美國設廠,並且導入先進製程,但從國家安全的角度來看,設法提高英特爾的製造能量還是比較迫切

英特爾目前是美國晶片製造的領先業者,雖然英特爾不見得能迅速開發出採用 EUV 製程的晶片製造技術,但就美國政府的立場,還是無法放棄英特爾。萬一英特爾不能如美國政府的期待,恢復製造上的競爭力,英特爾將會利用台積電位在美國的工廠代工生產。

台積電與三星電子在美國設廠,應該採用五奈米以下的先進製程。通常大規模設廠會對業者造成極大的設備投資負擔,但美國亟欲以晶片製造崛起,各項補助政策可助業者減輕負擔。

台積電可因此 ① 降低地緣政治上的風險,② 避免近期因氣候變化造成的缺水問題,③ 不至於放棄獲得美國政府大規模補助的機會。2021 年 4 月台積電宣布千億美元投資計劃,預定「未來三年投資 1000 億美元」提高晶片產能。

這應是台積電評估美國政府的租稅減免制度,在 2024 年以前最多可獲得 40%優惠所做的決定。

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和台積電、英特爾三強鼎立,三星動向受關注

三星電子若利用美國的獎勵政策,則可有更多套劇本。目前先進製程晶圓代工市場由台積電與三星電子兩強瓜分,若英特爾在美國政府積極扶植之下成功恢復競爭力,市場就會變成三強鼎立。

萬一三星電子未像台積電與英特爾積極利用美國的補助政策,或美國將晶片製造與國家安全掛鉤,強化原產地規範,三星電子可能陷入不利地位。假設美國阻止中國取得 EUV 光刻設備,三星電子就必須積極考慮在美國擴充晶圓代工產能。

三星電子也可能分割晶圓代工事業成為獨立子公司,讓晶圓代工子公司在美國那斯達克證券交易所上市,利用首次公開募股取得投資設廠的資金。未來三年內晶圓代工產業的價值應該都會獲得相當高的評價,全世界對碳化矽(SiC)等化合物半導體(compound semiconductor)的需求預估將會成長,三星電子也可能進軍化合物半導體領域。

(本文書摘內容出自《半導體投資大戰:為什麼美、中、台、韓都錢進半導體?了解全球半導體商機的第一本書》,由 商業周刊 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題。首圖來源:Shutterstock)