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)能不足是導致芯片短缺的一個主要原因。本文嘗試從以下幾個方面來回答這個問題：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，全球半導體供應鏈受到“牛鞭效應”的影響，去年下半年開始出現(xiàn)波及全球的“芯片荒”。一方面，疫情和自然災害對晶圓廠產(chǎn)能造成了影響，同時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，其實這是整個行業(yè)的系統(tǒng)性問題，是芯片制造商和半導體設備供應商在十多年前做出的決定所造成的結果，只不過由去年出現(xiàn)的“完美風暴（新冠疫情+中美科技戰(zhàn)+5G/AI/IoT新興應用）”引爆而已。
當前的芯片短缺不僅限于先進處理器和關鍵器件（采用300mm晶圓和14nm以下工藝制造），更多是那些不太關鍵但不可或缺的器件，比如所有電子設備都要用到的電源轉(zhuǎn)換和管理芯片。打個普通老百姓熟悉的比方，山黑豬肉短缺會引起豬肉市場價格上漲，但畢竟不是每個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于食品行業(yè)的大米和面粉。
除了每個電子設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，從而刺激了電腦和消費電子產(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微米的工藝技術生產(chǎn)半導體器件，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年報告統(tǒng)計，全球200mm 晶圓廠所生產(chǎn)的模擬器件占比為23%，估計2020年和今年這個比例會更高。
這些不太先進的芯片為什么不能像大米和面粉一樣快速增加產(chǎn)能以應急呢？制造它們應該不用特別尖端（類似卡脖子的技術）的半導體設備吧。的確，信號鏈器件、傳感器、顯示驅(qū)動器、電源管理 IC 和 RF 器件大都是在200mm（8英寸）晶圓廠生產(chǎn)的，而不是針對先進芯片的 300mm（12英寸）晶圓廠。但是，在全球范圍內(nèi)，工藝技術早已成熟的8英寸晶圓廠數(shù)量有限，因為所生產(chǎn)出來的芯片售價便宜，半導體廠商也不愿多投資到這些老舊的廠房和設備。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準。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)濟高效的工具和凈化間都發(fā)展到了新的水平和標準。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世紀的第一個十年，隨著芯片制造商遷移到300毫米工藝節(jié)點，對200毫米晶圓產(chǎn)能的投資停滯不前了。那個時期供應過剩壓低了芯片價格，導致了半導體行業(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) 新興應用的發(fā)展開始推動物聯(lián)網(wǎng)設備的增長，進而對電源管理芯片(PMIC)、圖像處理和模擬器件等相關芯片的需求呈現(xiàn)出指數(shù)級增長。跟智能手機不同，這些設備對功耗和成本比較敏感，自然要求配置的芯片價格低廉，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手機和****帶動的需求也進一步加劇了現(xiàn)有200mm晶圓產(chǎn)能供應緊張的局面，產(chǎn)能自 2019 年年中以來一直嚴重短缺。200mm 晶圓廠的新生吸引了新的供應商加入該市場。據(jù) SEMI 稱，全球投產(chǎn)的 200mm 晶圓廠數(shù)量預計將從 2016 年的189 家增加到2022年的213家。

根據(jù) SEMI 最新發(fā)布的《200mm晶圓廠展望報告》，2020年至2024年期間全球200mm晶圓產(chǎn)能預計提高95萬片，即17%，達到每月 660 萬片的歷史新高。同期半導體廠商將新增 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)動器件的強勁需求，從而有助于緩解全球芯片短缺的局面。

該報告跟蹤統(tǒng)計了全球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)展狀況。報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)能上領先世界，其次是日本和中國臺灣，各占16%。

無論擴充現(xiàn)有晶圓廠產(chǎn)能，還是新建200mm晶圓廠，都需要相應的200mm晶圓制造設備。這一細分市場的銷售規(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，預計2021年將達到近40億美元。設備支出增加部分反映出全球半導體行業(yè)正在努力克服當前芯片短缺的困境。
預計 2022 年8英寸設備投資將保持在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)達到飽和，要增加產(chǎn)能以滿足芯片需求，芯片制造商要么擴大現(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、意法半導體和ADI等，亞洲則以代工廠商為主。

2018年底，臺積電宣布新建一座8英寸晶圓廠，此前臺積電在上海有一座8英寸晶圓廠，這是臺積電15年來首次擴建8英寸產(chǎn)能，過去多年臺積電主要產(chǎn)能早就轉(zhuǎn)向更先進的12英寸晶圓廠了。盡管臺積電等代工大廠也會承接一些8英寸晶圓的代工，但訂單沒有那么靈活，主要是幾個固定的大客戶（比如蘋果）。在臺積電的產(chǎn)能中，采用300mm晶圓的先進制程占了大半，很難再有多余的產(chǎn)能擠出來。從臺積電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%。為擴大產(chǎn)能，今年4月份臺積電宣布追加投資28.87億美元，將在南京擴建28納米產(chǎn)線。預計到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預計，今年大陸的8英寸晶圓產(chǎn)能將占到全球的18%，這主要應歸功于中芯國際和華虹半導體等代工廠商的持續(xù)投入。
無論新建還是現(xiàn)有晶圓廠擴建，都需要更多的半導體設備，而設備同樣面臨短缺的窘境。大多數(shù)半導體設備制造商都不再生產(chǎn) 200 毫米設備，即便生產(chǎn)的新設備支持 200毫米晶圓，其交貨時間也可能長達18個月。這意味著，今天增加的新設備支出最早要到 2022 年才能增加產(chǎn)能。代工廠商、設備廠商以及舊設備交易商都在尋找有20到25年歷史的舊機器，以便對其進行翻新以支持8英寸晶圓。一夜之間，以前無人問津的舊設備現(xiàn)在成了搶手貨。
日經(jīng)亞洲最近報道了特朗普時代中美貿(mào)易戰(zhàn)的一個意外后果：中國半導體制造商正在搶購二手半導體設備，因為這些老舊機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。一些日本二手設備經(jīng)銷商表示，價格已經(jīng)比去年上漲了 20%。有些核心設備（例如光刻系統(tǒng)）的價格上漲了三倍。這類設備的價格與2008 年金融危機之后相比，上漲了十倍之多?！敖咏?0%的二手機器似乎都運往中國去了，”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毫米晶圓設備的公司很少見了。因此，“可用的二手機器價格甚至高于全新機器的價格，”日立資本的一位消息人士表示。“幾年前基本上一文不值的機器現(xiàn)在售價高達100萬美元，”一位二手設備經(jīng)銷商的消息人士稱。有著20至30年歷史的機器仍然可以在晶圓廠生產(chǎn)線上運行。
全球二手半導體制造設備服務公司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)，證實了這一趨勢：

• 從2019到2020年，芯片制造商在二手設備上的支出增加了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，二手設備的價格就翻了一倍。

雖然美國政府撥款500億美元吸引半導體巨頭在美國設廠，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制造中心，臺積電和三星也緊隨其后在亞利桑那州建設新的晶圓廠。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的數(shù)字芯片，即便量產(chǎn)也要等到2024年以后了。
遠水解不了近渴，芯片短缺的短期解決方案可能就在于現(xiàn)有的 200mm 晶圓廠擴大產(chǎn)能，最快的方法是采購二手或翻新設備。然而，半導體制造設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)團體和監(jiān)管機構等忽視。雖然“二手制造設備”聽起來不太可能是解決全球芯片危機的可行之道，但健康的設備二級市場具有以下價值：

• 改善引起全球芯片短缺的剛性供應鏈；
• 增加設備流動性，幫助芯片制造商擴大產(chǎn)能，同時降低供應過剩風險；
• 借助更便宜的設備，使較小的制造商能夠參與傳統(tǒng)半導體市場的競爭；
• 通過對在生命周期結束前很少使用的機器進行再循環(huán)，推動高科技制造業(yè)的環(huán)境可持續(xù)性。

半導體設備二級市場對于成熟工藝節(jié)點的擴容至關重要，在眼下的全球芯片荒特殊時期不失為一個可行的緩解策略。

據(jù)IC Insights發(fā)布的《2021-2025年全球晶圓產(chǎn)能報告》，截至2020年12月，全球最大的代工廠臺積電 (TSMC)在三個晶圓尺寸類別（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家公司擁有和運營200毫米晶圓廠，其中臺積電占總產(chǎn)能的10%，而中芯國際占比5%。
臺積電目前在臺灣設有四座12吋超大晶圓廠（GIGAFAB Facilities）、四座8吋晶圓廠和一座六吋晶圓廠，在大陸設有臺積電南京12吋晶圓廠和臺積電上海8吋晶圓廠。此外，在美國設有WaferTech 8吋晶圓廠。

中芯國際分別在上海、天津和深圳設有三座8英寸晶圓廠。該公司今年一季度財報顯示，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產(chǎn)能約 90 萬片，較 2018 年增長 50％；8英寸晶圓制造廠裝機產(chǎn)能約100萬片，較 2018 年增長 10％；6 英寸晶圓制造廠裝機產(chǎn)能約 230 萬片，較 2018 年增長15％；5 英寸晶圓制造廠裝機產(chǎn)能約 80 萬片，較 2018 年下降 11％；4 英寸晶圓制造廠裝機產(chǎn)能約 260 萬片，較 2018 年增長 30％；3 英寸晶圓制造廠裝機產(chǎn)能約 40 萬片，較 2018 年下降 20％。

其中8英寸晶圓廠項目包括：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、芯恩（青島）、賽萊克斯、積塔半導體、寧波中芯N2、士蘭集昕二期、無錫海辰、濟南富能半導體、吉林華微電子、華潤微電子無錫項目（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。