增加200mm晶圓產(chǎn)能是解決全球芯片短缺的關(guān)鍵？（附中國和全球8英寸晶圓廠完整清單）

全球芯片短缺主要表現(xiàn)在成熟晶圓工藝生產(chǎn)的器件，包括電源管理、MCU、RF器件、傳感器和各種分立器件等。全球200mm晶圓廠數(shù)量有限和產(chǎn)能不足是導(dǎo)致芯片短缺的一個(gè)主要原因。本文嘗試從以下幾個(gè)方面來回答這個(gè)問題：增加200mm晶圓產(chǎn)能是否可以解決全球芯片短缺？

1. 真正短缺的是模擬芯片

2. 200mm晶圓發(fā)展簡史

3. 全球200mm晶圓產(chǎn)能現(xiàn)狀及未來增長趨勢

4. 如何增加200mm晶圓產(chǎn)能？

5. 臺(tái)積電和中芯國際200mm晶圓產(chǎn)能

6. 附錄一：中國大陸200mm晶圓廠分布

7. 附錄二：全球200mm晶圓廠分布

新冠疫情造成了全世界恐慌，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)和行業(yè)人士也不能幸免。尤其不幸的是，全球半導(dǎo)體供應(yīng)鏈?zhǔn)艿健?/span>牛鞭效應(yīng)”的影響，去年下半年開始出現(xiàn)波及全球的“芯片荒”。一方面，疫情和自然災(zāi)害對晶圓廠產(chǎn)能造成了影響，同時(shí)芯片市場的囤貨和恐慌心理人為抬高了芯片需求；另一方面政府、社會(huì)和媒體的渲染炒作讓“芯片荒”現(xiàn)象更加膨脹，美國總統(tǒng)更是火上澆油，讓全世界都跟著感染“芯片恐慌”。
撇開這些表面現(xiàn)象，讓我們以系統(tǒng)性的眼光來探究一下“芯片荒”背后的真實(shí)原因。現(xiàn)在出現(xiàn)的芯片短缺并非孤立事件，也不是近期才有的問題，其實(shí)這是整個(gè)行業(yè)的系統(tǒng)性問題，是芯片制造商和半導(dǎo)體設(shè)備供應(yīng)商在十多年前做出的決定所造成的結(jié)果，只不過由去年出現(xiàn)的“完美風(fēng)暴（新冠疫情+中美科技戰(zhàn)+5G/AI/IoT新興應(yīng)用）”引爆而已。
當(dāng)前的芯片短缺不僅限于先進(jìn)處理器和關(guān)鍵器件（采用300mm晶圓和14nm以下工藝制造），更多是那些不太關(guān)鍵但不可或缺的器件，比如所有電子設(shè)備都要用到的電源轉(zhuǎn)換和管理芯片。打個(gè)普通老百姓熟悉的比方，山黑豬肉短缺會(huì)引起豬肉市場價(jià)格上漲，但畢竟不是每個(gè)人都必須吃山黑豬肉（類似高端芯片）。如果大米和面粉也短缺了，無論吃面包的西方人，吃面食的中國北方人，還是吃米飯的中國南方人，都會(huì)恐慌。對電子和高科技行業(yè)來說，電源管理和功率器件就相當(dāng)于食品行業(yè)的大米和面粉。
除了每個(gè)電子設(shè)備必配的電源管理和功率器件外，將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的ADC和信號鏈器件，以及無線連接和通信所需的RF器件，構(gòu)成廣泛意義上的“模擬芯片”。模擬器件的需求一直是相對平穩(wěn)的，年增長率約為10-15%。然而，去年的疫情迫使人們在家上班和上學(xué)，從而刺激了電腦和消費(fèi)電子產(chǎn)品的極大需求。這些產(chǎn)品對模擬器件的消耗搶吃了汽車電子的產(chǎn)能，進(jìn)而造成了汽車廠商因缺芯而停產(chǎn)。

200mm（8英寸）晶圓廠可以采用從90微米到0.15微米的工藝技術(shù)生產(chǎn)半導(dǎo)體器件，可以生產(chǎn)模擬芯片、普通邏輯器件、MCU等微處理芯片、存儲(chǔ)器、MEMS和傳感器、光電器件，以及功率器件等分立元器件。根據(jù)Semico Research的2018年報(bào)告統(tǒng)計(jì)，全球200mm 晶圓廠所生產(chǎn)的模擬器件占比為23%，估計(jì)2020年和今年這個(gè)比例會(huì)更高。
這些不太先進(jìn)的芯片為什么不能像大米和面粉一樣快速增加產(chǎn)能以應(yīng)急呢？制造它們應(yīng)該不用特別尖端（類似卡脖子的技術(shù)）的半導(dǎo)體設(shè)備吧。的確，信號鏈器件、傳感器、顯示驅(qū)動(dòng)器、電源管理 IC 和 RF 器件大都是在200mm（8英寸）晶圓廠生產(chǎn)的，而不是針對先進(jìn)芯片的 300mm（12英寸）晶圓廠。但是，在全球范圍內(nèi)，工藝技術(shù)早已成熟的8英寸晶圓廠數(shù)量有限，因?yàn)樗a(chǎn)出來的芯片售價(jià)便宜，半導(dǎo)體廠商也不愿多投資到這些老舊的廠房和設(shè)備。目前的8英寸晶圓廠產(chǎn)能都已飽和，但快速增加新的晶圓廠也不大可能。

自從第一座200mm晶圓廠在1990年代建成，8英寸晶圓成為多年來的晶圓制造標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù) SEMI 的數(shù)據(jù)，1995年全球共有62座200mm晶圓廠，到2007 年增長到193座。從 2000年代開始，許多芯片制造商逐漸從200毫米遷移到300毫米晶圓廠。更大的晶圓意味著芯片制造商可以在每個(gè)晶圓片上切割出更多的裸片，從而提高生產(chǎn)率并降低成本。據(jù)SEMI 分析師稱，一般來說300mm晶圓面積比200mm大2.25倍。

300mm相對于200mm晶圓的優(yōu)勢不單單在于成本，還有其他因素，比如經(jīng)濟(jì)高效的工具和凈化間都發(fā)展到了新的水平和標(biāo)準(zhǔn)。于是，晶圓代工廠商和IDM廠商紛紛投資300mm晶圓廠。200mm晶圓廠數(shù)量不但沒有增加，反而有所下降，這意味著有些工廠被關(guān)閉了。從2007年到2016年，全球200mm晶圓廠數(shù)量從193座下降到189座。

晶圓廠數(shù)量的增長趨勢（來源: SEMI）
在21世紀(jì)的第一個(gè)十年，隨著芯片制造商遷移到300毫米工藝節(jié)點(diǎn)，對200毫米晶圓產(chǎn)能的投資停滯不前了。那個(gè)時(shí)期供應(yīng)過剩壓低了芯片價(jià)格，導(dǎo)致了半導(dǎo)體行業(yè)一系列并購，基本上將那些根本沒有規(guī)模優(yōu)勢的200 毫米晶圓廠商從這一高資本投入和低利潤收益的市場競爭中排擠了出去。
然而，從2015年開始，人工智能 (AI) 和物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 新興應(yīng)用的發(fā)展開始推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的增長，進(jìn)而對電源管理芯片(PMIC)、圖像處理和模擬器件等相關(guān)芯片的需求呈現(xiàn)出指數(shù)級增長。跟智能手機(jī)不同，這些設(shè)備對功耗和成本比較敏感，自然要求配置的芯片價(jià)格低廉，因此所需要的芯片大都使用200mm 晶圓廠生產(chǎn)。
除了物聯(lián)網(wǎng)，5G手機(jī)和****帶動(dòng)的需求也進(jìn)一步加劇了現(xiàn)有200mm晶圓產(chǎn)能供應(yīng)緊張的局面，產(chǎn)能自 2019 年年中以來一直嚴(yán)重短缺。200mm 晶圓廠的新生吸引了新的供應(yīng)商加入該市場。據(jù) SEMI 稱，全球投產(chǎn)的 200mm 晶圓廠數(shù)量預(yù)計(jì)將從 2016 年的189 家增加到2022年的213家。

根據(jù) SEMI 最新發(fā)布的《200mm晶圓廠展望報(bào)告》，2020年至2024年期間全球200mm晶圓產(chǎn)能預(yù)計(jì)提高95萬片，即17%，達(dá)到每月 660 萬片的歷史新高。同期半導(dǎo)體廠商將新增 22 座200mm晶圓廠，以滿足5G、汽車和物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 應(yīng)用對模擬器件、電源管理芯片、MOSFET器件、MCU、傳感器，以及顯示驅(qū)動(dòng)器件的強(qiáng)勁需求，從而有助于緩解全球芯片短缺的局面。

該報(bào)告跟蹤統(tǒng)計(jì)了全球160多家公司的330座晶圓廠數(shù)據(jù)，涵蓋從2013年至2024年間的200mm晶圓廠發(fā)展?fàn)顩r。報(bào)告顯示晶圓代工廠商今年將占全球200mm晶圓產(chǎn)能的50%以上，模擬器件廠商的產(chǎn)能占17%，分立/功率器件廠商占10%。從地域來看，今年中國將以18% 的份額在200mm產(chǎn)能上領(lǐng)先世界，其次是日本和中國臺(tái)灣，各占16%。

無論擴(kuò)充現(xiàn)有晶圓廠產(chǎn)能，還是新建200mm晶圓廠，都需要相應(yīng)的200mm晶圓制造設(shè)備。這一細(xì)分市場的銷售規(guī)模在2012 至 2019 年間一直徘徊在 20 億至 30 億美元之間， 2020年突破了30 億美元大關(guān)，預(yù)計(jì)2021年將達(dá)到近40億美元。設(shè)備支出增加部分反映出全球半導(dǎo)體行業(yè)正在努力克服當(dāng)前芯片短缺的困境。
預(yù)計(jì) 2022 年8英寸設(shè)備投資將保持在30 億美元以上，其中代工廠商占支出的一半以上，其次是分立/功率器件廠商占21%，模擬廠商占15%，MEMS和傳感器廠商占7%。

鑒于現(xiàn)有200mm晶圓廠產(chǎn)能已經(jīng)達(dá)到飽和，要增加產(chǎn)能以滿足芯片需求，芯片制造商要么擴(kuò)大現(xiàn)有晶圓廠的產(chǎn)能，要么建造新的晶圓廠。從全球200mm晶圓廠的分布情況看（見附錄完整的8英寸晶圓廠清單），美國和歐洲大多是一些IDM廠商，如英飛凌、TI、NXP、意法半導(dǎo)體和ADI等，亞洲則以代工廠商為主。

2018年底，臺(tái)積電宣布新建一座8英寸晶圓廠，此前臺(tái)積電在上海有一座8英寸晶圓廠，這是臺(tái)積電15年來首次擴(kuò)建8英寸產(chǎn)能，過去多年臺(tái)積電主要產(chǎn)能早就轉(zhuǎn)向更先進(jìn)的12英寸晶圓廠了。盡管臺(tái)積電等代工大廠也會(huì)承接一些8英寸晶圓的代工，但訂單沒有那么靈活，主要是幾個(gè)固定的大客戶（比如蘋果）。在臺(tái)積電的產(chǎn)能中，采用300mm晶圓的先進(jìn)制程占了大半，很難再有多余的產(chǎn)能擠出來。從臺(tái)積電2021年一季度各制程營收占比可看出，28納米以上（含28納米）的成熟制程占其營收的37%。為擴(kuò)大產(chǎn)能，今年4月份臺(tái)積電宣布追加投資28.87億美元，將在南京擴(kuò)建28納米產(chǎn)線。預(yù)計(jì)到2024年，28納米工藝芯片產(chǎn)能將提高至4萬片/月。
傳統(tǒng)IDM廠商不大可能投資新建8英寸晶圓廠，新建晶圓廠主要還是代工廠商，尤其是中國大陸的晶圓廠。SEMI預(yù)計(jì)，今年大陸的8英寸晶圓產(chǎn)能將占到全球的18%，這主要應(yīng)歸功于中芯國際和華虹半導(dǎo)體等代工廠商的持續(xù)投入。
無論新建還是現(xiàn)有晶圓廠擴(kuò)建，都需要更多的半導(dǎo)體設(shè)備，而設(shè)備同樣面臨短缺的窘境。大多數(shù)半導(dǎo)體設(shè)備制造商都不再生產(chǎn) 200 毫米設(shè)備，即便生產(chǎn)的新設(shè)備支持 200毫米晶圓，其交貨時(shí)間也可能長達(dá)18個(gè)月。這意味著，今天增加的新設(shè)備支出最早要到 2022 年才能增加產(chǎn)能。代工廠商、設(shè)備廠商以及舊設(shè)備交易商都在尋找有20到25年歷史的舊機(jī)器，以便對其進(jìn)行翻新以支持8英寸晶圓。一夜之間，以前無人問津的舊設(shè)備現(xiàn)在成了搶手貨。
日經(jīng)亞洲最近報(bào)道了特朗普時(shí)代中美貿(mào)易戰(zhàn)的一個(gè)意外后果：中國半導(dǎo)體制造商正在搶購二手半導(dǎo)體設(shè)備，因?yàn)檫@些老舊機(jī)器不受美國對中國制裁的限制，允許中國廠商不受限制地買入。一些日本二手設(shè)備經(jīng)銷商表示，價(jià)格已經(jīng)比去年上漲了 20%。有些核心設(shè)備（例如光刻系統(tǒng)）的價(jià)格上漲了三倍。這類設(shè)備的價(jià)格與2008 年金融危機(jī)之后相比，上漲了十倍之多。“接近90%的二手機(jī)器似乎都運(yùn)往中國去了，”三菱UFJ Lease & Finance 的一位消息人士表示。
由于新的芯片產(chǎn)線都使用300毫米晶圓，生產(chǎn)200毫米晶圓設(shè)備的公司很少見了。因此，“可用的二手機(jī)器價(jià)格甚至高于全新機(jī)器的價(jià)格，”日立資本的一位消息人士表示?！皫啄昵盎旧弦晃牟恢档臋C(jī)器現(xiàn)在售價(jià)高達(dá)100萬美元，”一位二手設(shè)備經(jīng)銷商的消息人士稱。有著20至30年歷史的機(jī)器仍然可以在晶圓廠生產(chǎn)線上運(yùn)行。
全球二手半導(dǎo)體制造設(shè)備服務(wù)公司Moov首席執(zhí)行官Steven Zhou在其福布斯專欄的最近一篇文章中列舉數(shù)據(jù)，證實(shí)了這一趨勢：

• 從2019到2020年，芯片制造商在二手設(shè)備上的支出增加了54%；
• 同期美國芯片制造商的支出增加了61%，而中國廠商的支出增加了339%；
• 僅過去一年，二手設(shè)備的價(jià)格就翻了一倍。

雖然美國政府撥款500億美元吸引半導(dǎo)體巨頭在美國設(shè)廠，比如美國最大的芯片制造商英特爾宣布投資200億美元在亞利桑那州新建兩個(gè)制造中心，臺(tái)積電和三星也緊隨其后在亞利桑那州建設(shè)新的晶圓廠。然而，這些投資都是針對最新晶圓工藝的，所制造的芯片都是最先進(jìn)的數(shù)字芯片，即便量產(chǎn)也要等到2024年以后了。
遠(yuǎn)水解不了近渴，芯片短缺的短期解決方案可能就在于現(xiàn)有的 200mm 晶圓廠擴(kuò)大產(chǎn)能，最快的方法是采購二手或翻新設(shè)備。然而，半導(dǎo)體制造設(shè)備二級市場是分散的、無序的，并且很容易被芯片制造商、行業(yè)團(tuán)體和監(jiān)管機(jī)構(gòu)等忽視。雖然“二手制造設(shè)備”聽起來不太可能是解決全球芯片危機(jī)的可行之道，但健康的設(shè)備二級市場具有以下價(jià)值：

• 改善引起全球芯片短缺的剛性供應(yīng)鏈；
• 增加設(shè)備流動(dòng)性，幫助芯片制造商擴(kuò)大產(chǎn)能，同時(shí)降低供應(yīng)過剩風(fēng)險(xiǎn)；
• 借助更便宜的設(shè)備，使較小的制造商能夠參與傳統(tǒng)半導(dǎo)體市場的競爭；
• 通過對在生命周期結(jié)束前很少使用的機(jī)器進(jìn)行再循環(huán)，推動(dòng)高科技制造業(yè)的環(huán)境可持續(xù)性。

半導(dǎo)體設(shè)備二級市場對于成熟工藝節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)容至關(guān)重要，在眼下的全球芯片荒特殊時(shí)期不失為一個(gè)可行的緩解策略。

據(jù)IC Insights發(fā)布的《2021-2025年全球晶圓產(chǎn)能報(bào)告》，截至2020年12月，全球最大的代工廠臺(tái)積電 (TSMC)在三個(gè)晶圓尺寸類別（6/8/12英寸）的晶圓產(chǎn)能排名中均位列Top 10。該公司擁有最多的200毫米晶圓產(chǎn)能，在300毫米晶圓產(chǎn)能中排名第二，僅次于三星。

200毫米晶圓產(chǎn)能領(lǐng)先者包括純代工廠商，以及專注于模擬/混合信號IC和微控制器的IDM制造商。截至2020年12月，全球共有63家公司擁有和運(yùn)營200毫米晶圓廠，其中臺(tái)積電占總產(chǎn)能的10%，而中芯國際占比5%。
臺(tái)積電目前在臺(tái)灣設(shè)有四座12吋超大晶圓廠（GIGAFAB Facilities）、四座8吋晶圓廠和一座六吋晶圓廠，在大陸設(shè)有臺(tái)積電南京12吋晶圓廠和臺(tái)積電上海8吋晶圓廠。此外，在美國設(shè)有WaferTech 8吋晶圓廠。

中芯國際分別在上海、天津和深圳設(shè)有三座8英寸晶圓廠。該公司今年一季度財(cái)報(bào)顯示，其成熟制程到今年底產(chǎn)能將持續(xù)滿載，新增產(chǎn)能主要在下半年形成。其主要產(chǎn)能還是集中在成熟制程上，55/65納米工藝的營收占比最多，為32.8%。

年底我國12英寸晶圓制造廠裝機(jī)產(chǎn)能約 90 萬片，較 2018 年增長 50％；8英寸晶圓制造廠裝機(jī)產(chǎn)能約100萬片，較 2018 年增長 10％；6 英寸晶圓制造廠裝機(jī)產(chǎn)能約 230 萬片，較 2018 年增長15％；5 英寸晶圓制造廠裝機(jī)產(chǎn)能約 80 萬片，較 2018 年下降 11％；4 英寸晶圓制造廠裝機(jī)產(chǎn)能約 260 萬片，較 2018 年增長 30％；3 英寸晶圓制造廠裝機(jī)產(chǎn)能約 40 萬片，較 2018 年下降 20％。

其中8英寸晶圓廠項(xiàng)目包括：中芯紹興、北京燕東、中芯天津二期、寧波中芯N1、士蘭集昕、上海新進(jìn)、芯恩（青島）、賽萊克斯、積塔半導(dǎo)體、寧波中芯N2、士蘭集昕二期、無錫海辰、濟(jì)南富能半導(dǎo)體、吉林華微電子、華潤微電子無錫項(xiàng)目（規(guī)劃中）、四川中科晶芯（規(guī)劃中）、贛州名芯（規(guī)劃中），以及英諾賽科的8 英寸氮化鎵產(chǎn)線。