【产通社，12月24日讯】今天的半导体公司正面临着一系列挑战，即使晶圆厂满负荷运转，也无法满足需求。该行业包括许多不同的细分市场，如存储器、逻辑、模拟、分立、光学元件和传感器。单个半导体公司及其生产基地倾向专注于特定的细分市场，他们的最终客户通常需要所有半导体领域的产品，依赖于多家供应商。因此，缺少一个专门的芯片会使最终产品的生产陷入停顿，即使所有其他组件都可用。

半导体产品制作过程复杂和多层次。当考虑所有生产阶段时，整个过程从材料采购延伸到后端制造。对于每个产品领域，大多数公司专注于三个或更少的步骤，并可能将一些活动，如印刷电路板组装，外包给合作伙伴。在后端制造之后，半导体成为电子价值链的一部分。

半导体价值链从材料采购延伸到后端制造

过去20年里，行业价值链在许多环节中变得越来越整合，在每个领域都出现了一些冠军企业。因此，专业知识通常集中在某些市场（例如，美国的无晶圆厂企业（即仅芯片设计）和设备制造企业最多）。没有一个本地市场具备端到端半导体设计和制造所需的所有能力，专业知识的集中已经在价值链上形成了一个相互依赖的网络。


半导体行业在某些细分市场中变得越来越整合


专业知识的集中传达了一些优势，因为它通常允许公司共享资源，如电力供应，即使它们是竞争对手，这有助于降低成本。拥有合适技能的员工也可能被吸引到专业集群，从而形成强大的人才库。但这种相互依存关系也意味着，局部冲击可能会产生全球性影响，比如2011年泰国的洪水导致该国多家内存后端晶圆厂停产，并推高了内存芯片的价格高出百分之十，因为没有一个本地市场或公司具备端到端半导体设计和制造所需的所有能力。


R&D在半导体行业的平均支出非常高


对于半导体制造商来说，制造更小的节点尺寸一直是成功的途径。几十年来，随着半导体公司不断缩小技术节点的规模，芯片上的晶体管数量每两年翻一番——这是摩尔定律预测的速度。然而，近年来，翻倍的速度已经放缓，因为随着行业接近单个芯片上可以包含的晶体管数量的物理极限，技术挑战增加了。尽管如此，公司仍将试图推动这项技术，因为到2025年，最小节点芯片（7纳米及以下）的平均需求增长将比供应增长高出4个百分点。

节点尺寸的重要性因设备细分市场而异，对尖端芯片的需求在某些类别中将比其他类别增长更多。由于客户期望计算密集型应用的高性能，在最小可用技术节点上设计芯片的半导体公司可能在这些领域具有明显的优势。在其他领域，较大的节点通常是合适的，因为客户对当前的芯片性能感到满意，或者需要特定的功能，如快速切换，并且认为转移到较小的节点尺寸没有什么优势。

设备制造商可以通过创造实现前沿创新所需的机器来抓住增长。此外，他们可以创造出包括先进技术的设备，以优化过程控制，以及产量监测和提高。


半导体行业如何保持领先？


对特定成熟节点的需求（40到65纳米）也高于平均水平，因为它们用于汽车和其他关键产品。然而，他们的利润率历来较低，因此有时很难支持扩展成熟节点容量的商业案例。如果建造新的晶圆厂，高昂的前期成本将意味着公司最初从这些晶圆厂获得的利润将低于从资产已折旧的现有晶圆厂获得的利润。为了确保长期稳定的回报，玩家可以努力从客户那里获得硬性承诺，以保证新晶圆厂上线后的高利用率。


通过“超越摩尔”实现差异化


除了减小结构尺寸，一些半导体公司还在追求“比摩尔更多”的创新，以使他们的产品与众不同。例如，一些公司正在开发基于硅以外材料的半导体。化合物半导体材料，如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN），特别适用于要求高功率和高频率的应用，因为它们限制了能量损失，并允许形成更小的形状因子。

对提高可持续性和电气化的推动正在刺激SiC和GaN功率器件的采用，这两个类别的复合年增长率（CAGR）预计将远远超过功率半导体市场整体5%的预测增长率。


预计氮化镓和碳化硅功率器件的增长率会很高


设备制造商可以通过推出专门加工SiC或GaN的机器来促进创新并抓住新的机遇。鉴于对这些机器的需求将低于对主流前沿设备的需求，制造商应仔细审查开发这些最初利基产品的商业案例。代工厂可以为更广泛的无晶圆厂半导体厂商提供基于SiC和GaN的创新技术。

对创新功能的关注在高增长细分市场（如物联网）中可能尤其有价值，因为这有助于将产品与竞争对手区分开来（例如，通过优化几种射频应用中所需的快速切换）。几个IDM和代工厂已经在成熟的节点中开发这样的产品。

半导体元件的先进封装。这些技术在操作过程中提供了更好的热量管理，允许公司将半导体元件放置得更近。由于连接点数量更多，这些芯片提供了更高的数据传输率和更好的性能。此外，先进的封装允许半导体公司将成熟和领先的芯片结合在一个集成系统中，用于需要这两种类型的应用，从而降低成本。这种趋势被称为异构集成，使公司能够组合多个较小的芯片，而不是制造一个大芯片。较大的芯片通常具有较低的成品率，其下降通常与芯片尺寸成比例，因此异构集成可能带来巨大的成本优势。

高级包装市场价值2000万美元，这个数字预计到2026年将上升到450亿美元，届时将占包装收入的50%左右。虽然领先的IDM和代工厂正在推动包装创新，但先进技术也为价值链上的其他参与者创造了机会，因为它们刺激了对新材料和新设备的需求。

专业应用。专用集成芯片（ASIC）将明确定义的算法和功能集成到其芯片设计中，并为特定目的定制，如用于AI和云计算。这一领域最近发展迅速，可能会为更多的参与者提供一个良好的机会。希望专注于开发专用半导体的小公司仍会发现自己的产品需求旺盛，即使它们的客户群相对较小。

ASICs的客户群包括许多不同的公司，如汽车原始设备制造商和超大规模制造商，他们的需求会有所不同。一些客户可能会决定自行设计专用集成电路，以改善定制，区分他们的产品，并缩短交付周期。然后，他们将直接与代工厂合作，满足他们的生产需求。其他参与者，通常是较小的参与者，更喜欢有一个ASIC合作伙伴来负责从设计到最终产品所需的所有步骤，因为这需要许多专业能力。

虽然半导体可能隐藏在设备中，但它现在在每个人的生活中扮演着前所未有的重要角色，从学童到疗养院的病人。当前的半导体短缺突出了这一事实，并使该行业对运行良好的半导体供应链的依赖非常明显。一些最令人兴奋的趋势，包括与自动驾驶、车辆电气化和AI相关的趋势，依赖于半导体技术的持续创新和稳定的芯片供应。我们相信，如果利益相关者现在就准备抓住未来的机会，这些趋势可能会将未来十年变成“半导体黄金十年”。

查询进一步信息，请访问官方网站https://www.mckinsey.com/industries/semiconductors/our-insights/strategies-to-lead-in-the-semiconductor-world。（张怡，产通发布）