臺美半导体贸易关系解析(4):美国才是半导体业大赢家
大家会不会很惊讶,扣除以转口功能为主的香港,臺湾其实是全球第一大半导体出口国。2023年香港出口的半导体总额1,940亿美元,但香港并无真正的半导体产业,类似文晔、大联大、安富利这些零件代理商,高度运用香港极佳的运筹服务体系,将产品转口到中国与东协、南亚国家。因此排除以运筹服务为主的香港,全球第一大的出口国其实是臺湾。根据国际贸易中心的數據,在香港之后排名第一的是臺湾。2023年臺湾半导体出口金额1,668亿美元,贡献全球17.5%。这个数据与臺湾2024年半导体出口金额1,650 亿美元非常相近,也可以对照以出口为主的臺湾半导体上市柜公司,在2024年的总营收是1,865亿美元。臺湾出口的半导体,虽然多数是用于满足美国客户的需求,但直接出口到美国的比重很低,而是依据客户的指示,将产品销售到不同的国家,进行更进一步的组装生产工作。例如,臺湾生产的半导体会经由香港出口到中国,卖给富士康、广达、纬创,或者中国本土的立讯、闻泰、比亚迪。也会出口到韓國、越南组装成手机用的芯片,或者交给新加坡、马来西亚、泰国、菲律宾,这些国家加工之后再出口。进口半导体直接用于本土市场的,美国才是真正的典范。2023年美国出口半导体的金额436亿美元,占全球出口市场的4.6%,这个金额都是英特尔、德州仪器、美光、Global Foundry在美国生产之后出口的产品。在美国之后名列主要出口国的还有日本、菲律宾、德国。显然易见,日本有瑞萨、罗姆、铠侠这些整合元件厂(IDM)厂,出口一定比例的半导体很容易理解。菲律宾没有本土的半导体制造厂,出口金额多数来自以封测为主的外商,至于德国有英飞凌,除了自家汽车产业之需,也有很多外销海外市场的产品。基本上,半导体产业是个全球分工的产业,每个国家依据自己的专长、投资、历史经验取得市场上的地位,但真正主导全球半导体产业的其实还是美国。例如,臺积电的客户2/3是美商,但最上游的材料设备厂商、EDA工具与IP是美商为主,他们结合微软(Microsoft)、AWS的云端服务创造价值。芯片原厂的主要客户是微软、AWS、高通(Qualcomm)、博通(Broadcom)、Google、Tesla、苹果(Apple)、Meta、惠普(HP)、戴尔(Dell)等,他们将臺湾生产的硬件产品创造出更高的价值,臺湾甚至臺积电都只是帮忙抬轿子的合作厂商,并非是决定整个产业价值链分配的重要关键。全球半导体制造业最关键的趋势是,我们正从国际专业分工,又走回系统整合的老路。联发科董事长蔡明介说联发科并不只是一家IC设计公司,而是一家系统整合服务公司。这样的大趋势可以从新思科技(Synopsys)购倂Ansys,将服务领域往前延伸到系统产品,而臺积电也在扩张整个生态系,他们主张的Foundry 2.0也是半导体产业的新格局。上述是一个不断演化的产业结构,冒然由不同的政府去定义谁该做哪些事,确实很容易出现顾此失彼的问题,这样的情况不仅制造厂不乐见,委托芯片制造的美国原厂更可能是最大的受害者。然而,一只看不见的手正在影响全球的供需结构,如果说要选出影响全球产业最大的黑天鹅,那您会选谁呢?
臺美半导体贸易关系解析(3):投鼠忌器,非不为,是不能为
如果川普政府对进口美国的半导体课征关税,哪个国家会受到最大的影响,影响又有多大呢?根据DIGITIMES汇整2023年全球主要IC进口国數據显示,中国进口金额3,508亿美元,占全球各国进口总金额的32.1%。若不计香港(18.5%)、新加坡(8%)的转口功能,臺湾进口金额733亿美元,占全球比重6.7%,是全球第二大IC进口国。中国进口的半导体,多数用在组装、加工、出口的用途上,一旦中国不再是世界工厂时,中国进口的半导体便会逐年减少,这也不是中国政府愿意看到的。中国希望外资厂商扩大终端产品在中国的量产规模,自然不会课征IC进口关税,因为这与中国的总体经济实力、竞争力息息相关。课征来自臺湾、韓國、美国IC进口关税,无疑是拿石头砸自己的脚。臺湾进口的IC以高端存儲器为主,这是因为服務器返臺生产所带来的需求,现在美光有七成的存儲器在臺湾生产,臺湾当然会提供美光最好的生产条件,希望能创造进口替代的功能,如果美国政府课征美光高关税的话,那也是砸自己的脚。紧跟在臺湾之后的主要进口国依序是韓國、越南、马来西亚、美国。韓國也有很多从臺湾进口的半导体,例如三星电子(Samsung Electronics)最新的S25手机芯片也是使用高通(Qualcomm)的,而高通的芯片是臺积电代工的。越南因为China +1而获利,马来西亚是全球主要的封测基地,进口IC加工,赚点蝇头小利,真的要从进口来源课税的话,做为出口最后一里路的马来西亚,现在恐怕也是如坐针毡。但问题是马来西亚的半导体业者都是外商,当地的政府官员、经理人能著力的空间很有限,甚至也不可能深度掌握全球供应链的信息。找马来西亚开刀,就像是头痛医脚、心绞痛找医美医师没有两样,根本不是对症下药的好方法。2023年美国进口的IC总金额是361亿美元,占全球比重3.3%,那么美国进口的IC是哪一类的产品,最后的用途,以及有无进口替代性才是关键。根据DIGITIMES的研究,美国进口的IC以逻辑芯片、微处理器类的产品为主,主要的用途应该是數據中心,如果为了满足美国当地的需求,那么到美国生产也无可厚非,只是直接用在美国的比重很低,对全世界的影响很有限,值得川普政府大动干戈吗?美商确实是臺积电、三星、海力士的大客户,但美商是全球布局经营的企业结构,在臺湾、韓國生产的IC完成生产流程之后,部分出口到马来西亚、越南完成封测流程,也会直接、间接卖给中国、臺湾、韓國、越南,这才是产业结构真实的面貌。臺湾真要以课税培植本土产业的话,一定很想课征韓國进口的存儲器,同理,韓國也一定想课征臺湾进口逻辑芯片的关税,但为什么按兵不动?谈到以关税培养本土工业,中国、臺湾、韓國都比美国更具实力,但谁都不敢轻举妄动。半导体产业的分工体系非常复杂,牵一发动全身,这些研究,美国的顾问公司不一定擅长,臺湾人、韓國人得自己做,才能中立、公正的化解可能出现的贸易摩擦。
臺美半导体贸易关系解析(2):臺上市柜电子公司营收成长13.7%
2024年臺湾出口总值达到4,750.7亿美元,创造了仅次于2022年的佳绩。这两年因为中美贸易大战的影响,真正决定市场游戏规则的主导者,已经从微软(Microsoft)、苹果(Apple)、NVIDIA、惠普(HP)等科技巨擘,转换为美国政府,而一夕数变的关税政策,更可能让制造厂疲于奔命,原本計劃以墨西哥基地供应北美市场的和硕、纬创、富士康、臺达电集团,现在都得面对新的局面。除了出口结构之外,DIGITIMES试著从1,009家上市柜电子公司分布结构,对照出完整的产业信息。2024年臺湾所有上市柜电子公司营收总额新臺币30.32萬億元,若以汇率32:1估算的话,营收总额是9,475亿美元。包括富士康、广达、和硕、纬创、仁宝、英业达在内的量产制造厂,贡献了4,959亿美元,约是整个产业总产值的53%。其次是半导体业的1,865亿美元,贡献值约20%,而代理商、零件制造厂、网通与光电厂则贡献了其余的27%,云端服务与軟件公司的贡献比很低,仅有微不足道的0.1%。基本上,由于臺湾具规模的电子公司都已经透过上市柜、公开发行的管道公开募资,因此臺湾上市柜公司的总营收数据,大致已经显现了总体的产业结构,2024年9,475亿美元的营收,比2023年成长13.7%,也展现了2024年基本上因为AI服務器与臺积电大商机的激励之下,缴出了一份「中上」的成绩单。产业结构随中美贸易关系的变化而移动臺湾因为大量组装服務器相关的产品,而这些敏感性的产品正从中国往他国,包括往臺湾移动,韓國是高端存儲器的供应大国,只要臺湾要组装服務器,5~10年内想发展HBM这一类高端的存儲器是难上加难。同样的道理,臺湾出口到美国的半导体,以微处理器类的半导体为主,在美国具有大规模生产能力之前,甚至5~10年之内,要取臺湾而代之也一样困难,甚至更难。因此现代国际分工的概念与以往不同,臺韩两个过去对抗的竞争对手,现在是上下游伙伴关系,而臺湾的臺积电、纬创、富士康也是美国NVIDIA、微软、苹果不可或缺的伙伴。臺湾不可能以课征韓國进口存儲器的高关税培养出本土的存儲器产业,同样的美国要以高关税培养美国本土产业的竞争力,也是缘木求鱼。我倒是愿意跟美国政府、臺湾政府与产业界呼吁,让臺湾半导体业(特别是臺积电)以自己能力范围,最快的速度将2nm的制程布局到美国,至少得2~3年的建厂計劃,需要的不仅仅是政府一声令下,还得需要技术、生产设备、人才的配合。过于操切理所当然的政府政策,最后破坏的是产业原本健全的供应链关系,最大的受害者必然是产业界与消费者。
臺美半导体贸易关系解析(1):从臺湾出口结构看端倪
2024年臺湾总出口4,750亿美元,其中65.2%来自电子产品的贡献,一方面电子产业主宰了臺湾的出口动能,整个结构的变动也与电子业息息相关。在4,750亿美元的总出口值中,半导体的出口值是1,650亿美元,比重34.8%,其余产品的出口值则是3,100亿美元。在其他的电子产品中,资通讯产品的出口值1,325亿美元,成长率高达59%,相较于其他化学、纺织、机械、其他类的电子产品成长率都属于持平状态,资通讯产品的高成长率显然与臺商返臺生产敏感性产品有绝对的关系。抽丝剥茧,就可以见微知著我们可以理解电子业不仅是臺湾的中流砥柱,在臺湾传统产业化工、钢铁因中国崛起受挫之际,成为支撑经济成长的关键。若无其蓬勃发展,臺湾难以在2024年达成4.3%的经济成长率。在臺湾总出口4,750亿美元中,出口到美国的金额1,113.7亿美元,年增46%,比重是23.4%,紧追中国之后,成为臺湾第二大出口市场,而且后续动能继续扩张。从进出口的关键数据来看,其他产业都只是持平或小幅衰退,只有两个数据出现巨幅成长,那就是对美出口,以及资通讯产品的出口大幅成长。这两份数据,就是臺湾面对2月18日美国政府裁量征收关税的关键数据。我们可以预期当敏感性产品返臺或赴美生产的大趋势形成之后,川普(Donald Trump)政府的行政裁量,就真的会影响产业的供需结构。如同微软(Microsoft)創始人Bill Gates说的,现在决定供应链流向的不是科技业者,而是美国政府。其次,IC这一类的产品,出口主要对象国并不是美国,据悉美国市场贡献臺湾半导体出口仅有4%上下,而且主要是微处理器这一类的产品,显然就是供给美国当地服務器、數據中心的需求。川普政府课征臺制IC高关税,事实上并无实际的意义,而是项庄舞剑,希望催促臺积电加速最先进的制程到美国投资的进度。此长彼消,对美国的出口成长之后,臺湾对中国市场(含香港)的比重就出现显著下滑的趋势。根据中华民国的海关數據显示,2024年臺湾出口到中国、香港的总金额是1,506亿美元,占比31.7%,看似很高,但其实已经从2020年的43.9%大幅下滑。臺商是先行指标,臺系EMS制造厂占全球100大EMS厂商总产值大约在6成左右,这些数据显示中国「世界工厂」的地位正在受到考验。除了与美国电子业的贸易值得关注之外,变化最大的应该是韓國。臺湾对韓國的出口207.9亿美元,成长14.2%,不可谓不高。但从韓國进口的电子产品与零件更高达437亿美元,导致臺湾对韓國的贸易逆差达到历史新高的229.2亿美元,也让韓國超越日本,成为臺湾第一大贸易逆差国。很长一段时间,臺湾因为从日本进口原物料、设备,导致对日本贸易的长期逆差,现在臺湾可以对日本出口半导体、关键零件,臺日之间的贸易关系趋于平衡,但反倒对韓國的逆差快速成长,那么我们需要调整进口结构,追求新的贸易伙伴关系吗?甚至比照美国课征韩制HBM存儲器高关税吗?
川普2.0时代:One World, Two or Three Systems?
川普(Donald Trump)上任美国总统后不断点火,除自2月1日起对加墨加征25%关税(已暂缓30天)、中国加征10%外,2月中可能加征半导体、药品、钢、铝、铜及石油天然气等项目关税,且放话要对欧盟加征关税。若说川普第一任发动贸易战后全球供应链体系走向「One World, Two Systems」,依当前发展态势,供应链将走向新的One World, Two Systems,甚或「One World, Three Systems」所谓的One World, Two Systems是指美中贸易战后,供应链从以中国大陆为主要生产基地的全球化生产体系,走向分裂的美国体系与中国体系。在美中贸易战进一步演变为科技战,联手盟友进行出口管制与技术管制,而中国倾全力加速建立自主可控供应链后,演变为「China」与「Beyond China」两体系—中国市场与自主供应链、及中国外的市场与供应链。川普上任后绝对美国本位的激进关税作法,供应链面临必须直接前往美国境内设厂的压力。根据1月底KPMG对250家加拿大企业所作调查,有48%的业者計劃投资美国并设置营运据点,以服务美国市场与降低成本。在臺湾,纬颖已发布重讯说明,将与客户协商并调配全球产能,不排除转移生产据点降低冲击。延伸报导关税新政转弯仍不能大意 服務器ODM客户积极评估迁移接下来供应链体系将出现两种可能的新走向,走向一是One World, Three Systems— 「USA」、「China」、与「Beyond China & USA」,亦即区分为供应美国市场的供应链、供应中国市场的供应链及供应其他市场的供应链。与先前体系主要的变化是,高关税下出货美国市场的货品需转移至美国在地生产。走向二仍是One World, Two Systems,但其内涵完全翻转,由过去的China与Beyond China两体系,转变为「USA」与「Beyond USA」两体系。对供应链来说,美国市场规模大,只好忍痛前往设厂,但在考量生产与运筹成本情况下,需就非美国市场整体考量供应链的运作,以挤出获利空间。之所以造成供应链体系的重新调整,原因在于川普1.0时代主要采取对中国进口货品课高关税的作法,而川普2.0时代是对美国主要贸易国家进行无差别攻击,甚至愈是盟友国家受伤愈惨。虽说美中贸易战开启「China+1」时代,但供应链真正大规模转移则是在新冠疫情后,而供应链转移至少需要5~10年以上时间,即便像是越南与印度逐步建立在地手机供应链,但中国迄今仍是最主要的生产据点,遑论其他的科技产品。未来的供应链体系会朝走向一或走向二发展,决定因素在于川普在激进关税政策外,是否会加大或松绑对中国的出口管制。拜登(Joe Biden)任内除关税外,陆续对中国祭出各种的出口管制措施,其中包括2022年10月的半导体与超级电脑出口管制,卸任前更祭出包括成熟制程301调查、三级列管的AI扩散临时最终规则、中俄聯網车销美禁令、及扩大先进制程芯片管控等。美国这些持续加码的管制政策,让供应链确信若要对非中国市场出货,必须积极建立中国外的生产体系。但若川普的施政重点仅在于透过高关税强化美国境内生产,而未继续加大对中国的出口管制,甚至在部分项目上加以松绑,如此一来,业者已为在美国投资伤透脑筋,在整体投资与营运绩效考量下,若无客户端压力,将可能继续倚重中国这个全球最完整、最低成本、最高效率的供应链体系。 在整体投资与营运绩效考量下,若无客户端压力,供应链业者将可能继续倚重中国这个全球最完整、最低成本、最高效率的供应链体系。如此一来,除加、墨两国是川普2.0时代首当其冲的受害者外,供应链转移到东南亚、印度的速度或将趋缓,影响这些新兴国家发展产业的进程,而对这几年部分未保留工厂已彻底迁出中国的臺商与外商来说,恐将不利于未来争取客户订单及与中国对手竞争。
潜艇发展:从传统到數字时代的转变
随著科技的快速发展,潜艇技术也经历显著变革。从最早的阳春设计,到现代核动力潜艇(下称核潜艇)搭载先进的人工智能(AI)系统,潜艇的发展不仅改变海军战术,也推动全球海上安全与作战方式的变革。美国海军的首艘潜艇是由霍兰(John Philip Holland)发明,并于1900年正式服役,命名为「USS Holland;SS-1」。这艘潜艇长54英尺,对外通讯需浮出水面打旗语,虽然并不完美,但成功实现水下航行如鱼般的梦想。霍兰设计这艘潜艇,使其能够使用内燃机在水面行驶,并在潜水时切换到电动马达。她还配备舰首鱼雷发射管和气动砲(Dynamite gun,使用压缩空气发射砲弹)。最终,霍兰的设计赢得美国海军的青睐,并于1900年4月1日被正式购入,成为美国海军的第一艘实用型潜艇。二战期间,美国的潜艇部队发挥巨大的战斗潜力,尽管当时仅占海军兵力的1.6%,却成功击沉日本海军的3分之1及其近3分之2的商船队,对日本战争能力造成严重损害。猫鲨级(Gato class;与水面舰艇不同,彼时美国海军潜艇命名皆取名自水生动物)潜艇是美国在第二次世界大战期间首次大量生产的潜艇,生产期间为1941年至1943年。雷达、电子监视技术和通信技术的快速发展改变猫鲨级指挥塔水面部分的设计,以容纳新设备的桅杆和天线。战后,潜艇技术进入數字化的新时代。1950年代,美国海军推出了以流线型舰体设计的青花鱼号潜艇(USS Albacore;AGSS-569),突破水下航速限制。随后,1955年,美国海军的鹦鹉螺号(USS Nautilus;SSN-571)以核动力成功突破续航能力的瓶颈,标志著核潜艇时代的到来。而「移动声学通讯系统(MACS)」是鹦鹉螺号上的最后一项重大实验,将潜艇带入數字资通讯时代。核潜艇发展使得美国海军能够长时间保持隐匿移動,并在极深的海域潜行。这些潜艇不仅能在冰层下航行,甚至能在北极点浮出水面。1960年,美国核潜艇「USS Triton」(SSRN/SSN-586)成功完成环绕地球一周的水下航行,为潜艇战术的未来奠定基础。Triton的數字资通讯设计具创新性,配备先进的电子监视与通讯技术,176名船员更展示首代核潜艇在不被侦测的情况下,进行长程水下作战的能力。随后的洛杉矶级(Los Angeles class;自此级开始,美国海军潜艇改以城市命名之)攻击型核潜艇以及后来的战略核潜艇(指搭载可装载核弹头的潜射弹道飞弹的核潜艇),成为美国海军强大作战力量的一部分。这些潜艇更安静,配备更先进的數字资通讯子设备、傳感器和降噪技术。进入21世纪,随著數字化和AI技术的发展,潜艇的操作与战术也在持续进化。现代潜艇配备先进的自动化系统,从导航到攻击,都能依赖高效的數字技术来提升作战精度与反应速度。例如,现代潜艇的声纳系统结合深度学习技术,能精确识别水下目标并作出實時反应。此外,AI技术使潜艇能进行更有效的數據分析与处理,为指挥官提供實時战场情报,增强决策能力。
从净利与净利率 分析EMS/ODM发展差异
2024年前20大EMS/ODM业者,包括中国9家、臺湾7家、及北美4家业者,这是以营收来进行排名,若是以「净利」与「净利率」,来检视这二十家业者,又会透露出哪些信息呢?若将这二十大业者的营收为X轴,净利为Y轴,取对数作图,可以明显发现沿著一条斜线两侧分布的趋势,这告诉我们,大型EMS/ODM要赚钱,事业规模非常重要,规模愈大的业者,往往能赚到更多利润。富士康、广达与立讯便是明显例子。这三家业者是营收前三大,其营收分别为2,137亿、439亿与360亿美元,而净利(初估)排名则是富士康、立讯与广达,分别赚了50亿、19亿、18亿美元。但若就各家业者营收与净利排名加以检视,自然会有些异常分布的业者,其中净利排名较营收排名为前,且差异至少为3个名次者,包括了Jabil(3)、Flex(3)、纬颖(8)、蓝思(8)、Celestica(3)及Sanmina(4)。其原因要从净利率来看。若观察这20大业者,净利率分布在0~7%,若以净利率3%作为分野,可看到上述6家公司都在3%之上,尤其纬颖与蓝思的净利率,更高达6%以上。此6家业者加上立讯与广达共8家,便是净利率领先的族群。何以领先?原因有二,一是切入高毛利市场。北美四大业者在两岸供应链业者相继崛起后,就逐步退出了量大的3C市场,而著重工控、车用、电信与云端、航太国防与医疗领域。而广达与纬颖,抓住了云端业者成为服務器最大客户的趋势,发展ODM direct模式,更迎来此波AI服務器爆发商机。二是垂直整合所导致。立讯与蓝思都从零组件业者起家,立讯作连接器、蓝思作机构件,持续扩展到其他零组件或模塊,尤其立讯靠著一系列购并快速成长,之后才进到整系统组装,由于零组件占营收比重高且有系统组装垂直整合优势,可达成更高的获利率。另一方面,净利排名较营收排名为后,且差异至少为3个名次者,包括纬创(4)、和硕(6)、仁宝(8)、英业达(6)及闻泰(4),除了闻泰近年在ODM业务上多处亏损情况外,其余4家业者均是臺湾业者。若以川普发动贸易战的2018年为起始点,观察臺湾电子六哥,除了广达从2018年的1.5%净利率,逐步提升至2024年的4.1%,及富士康始终可维持2~2.5%外,这四家净利排名较营收排名落差大的业者都在1.5%以下。除纬创可看到净利率逐年提升的趋势外,其余三家并无看到明显改善迹象。这几家业者都是电脑系统厂出身,零组件事业与垂直整合程度难与中国业者相较,量大的3C电子,即便想做也未必拿得到大单。除了數據中心成为突破关键外,还有哪些市场区隔是臺湾的优势呢?是否该加速朝向北美业者模式发展呢?春节即将到来,也许可以静下心来仔细思考后续获利提升策略了。
百大EMS/ODM新竞局 AI洗牌后谁领风骚?
这几年,不论是中美贸易战、COVID-19(新冠肺炎),乃至于川普第二任任期,科技供应链移转都是关键课题,半导体产业备受关注,然而若要真正掌握供应链移转的态势,除了看晶圆厂外,也应关注主要的EMS/ODM业者发展情况与布局态势,因为下游EMS/ODM业者的投资地点与量产规模,会带动当地上游的发展,同时,在AI新一波浪朝下,不论是AI服務器、混合实境(MR)装置或是其他AI赋能产品,唯有EMS/ODM厂支持才能化创意为实物,真正在市场上落地。若在網絡上用「Top EMS suppliers」或「 Top ODM suppliers」查找排名或研究报告,可以找到不少信息,但在熟悉供应链的业内人士眼里,业者名单总是残缺不全,例如说臺湾电子六哥漏了几哥,或是许多两岸业者并未列入统计,需要一个相对完整的排名。中、臺业者各占百大三分之一DIGITIMES针对全球事业范畴包括从事电路板/次系统/系统组装,且销售对象为非消费者之2B客户的业者,逐一清点公司主要业务,收集各国EMS/ODM业者名单共235家,排除未上市、无公开数据者,筛选出具有财报信息之公开发行业者153家,据此名单来进行排名与比较分析。若取前100大业者,臺湾与中国业者约各占三分之一,其余的三分之一企业,约是北美、东南亚及印度、欧洲各10家左右,剩余4家则是日本业者。这百大业者中,以前20大业者最为关键,其营收合计便占百大的85%左右,净利也占了约80%,掌握这二十大业者有助于掌握供应链最新态势。 前二十大中系企业数目首次超越臺商我们以公司上市地点进行统计,自2020年起就呈现臺湾与中国业者各8家,北美业者4家的稳定结构,但2024年出现了变化,北美业者仍维持4家,但中国增为9家,臺湾减为7家,主要原因在于臺湾业者佳世达近年发展策略桥强调整合价值、不拼量产规模而退出前20大。另中国手机ODM三强之一的龙旗于2024年3月挂牌,首次揭露营运信息并依其营业额正好位居第二十大之故,其余入榜业者均是过去几年始终在榜单上的熟面孔。(注:若将在中国挂牌的环旭电子视为臺商,则2024年臺湾与中国业者均各为8家)除了富士康长年位居龙头外,其余业者营收与名次的变动主要跟AI服務器及苹果(Apple)/手机订单有关。取得AI服務器大单的广达、纬创、英业达、纬颖,其2024年营收成长率分别达到26%、17%、22%及45%,富士康虽仅成长8%,但其子公司工业富联也有超过20%的成长。此外,华勤营收成长25%,AI服務器业绩成长是其中一个驱动力,而AI服務器后进者的和硕与仁宝,营收则分别负成长13%与7%。而在苹果及手机订单方面,持续购并与扩大苹果订单战果的立讯与比亚迪电子,营收分别成长了10%与29%,而2023年底以人民币158亿元出售中国手机产线退出市场的Jabil,营收则衰退了21%。而中国手机ODM三雄中,闻泰不堪ODM事业亏损,已于2025年1月宣布将其出售予立讯,专注半导体事业发展,而华勤与龙旗业绩持续成长,尤其龙旗在约占一半营收的最大客户小米2024年销量大幅提升的情况下,也带来高达73%的营收成长。2024年前20大业者合计营收为5,858亿美元,较2023年成长6.5%,摆脱了2023年景气低迷负成长9.4%,然若细看业者营收变化落差巨大,掌握市场趋势与掌握大客户成为追求高成长的关键所在!
2D FET:2D材料的考量
2D材料代表物质石墨烯(graphene)在2004年被发现,迄今已逾20余年。2D材料能被迅速被推上半导体界元件研发台面,学术界功不可没,未来还会是如此。 2D材料为何会被应用于半导体先进元件的制程之中?原因还是要克服先进制程的短通道效应(Short Channel Effect;SCE)的负面效果。 在通道尺度的微缩过程中,通道厚度也必须跟著持续微缩,就是减薄。但是变薄的通道会造成新的问题。首先,它会使SCE益发严重。另外,量子效应出来了。 具体的SCE相关负面效应包括漏电流(leakage current)增加、阈值电压变化(threshold voltage variability)、汲极感应势垒降低(Drain-Induced Barrier Lowering;DIBL)、载子(carriers;电子或电洞)通道狭窄等。 量子效应则主要指量子限制(quantum confinement),会在通道里形成新的离散能阶(discrete energy levels),因而使载子容易发生散射,降低载子的迁移率。 用2D材料来替代过於单薄的矽通道有点令人匪夷所思,因为2D材料乃是至薄之物-它只有单一层(monolayer)原分子。 以下面将述及的MoS2为例,它一层的厚度仅有0.7nm。 2D材料能够当成通道使用是因为2D材料的主要特性之一:它的原分子所形成二维的平面中,所有原分子的共价键在形成二维平面时完全与邻近原分子相互结合而耗尽,没有多余的、空闲的悬空键(dangling bond)。因而如果堆叠多层2D材料-譬如堆叠多层石墨烯变成石墨,层与层之间也只会产生微弱的凡德瓦力(van de Waals force;基于两层之间电偶极相互吸引的力,远比两层材料直接键结的力为弱),这是为什么石墨烯可以从石墨块材上用透明胶带(scotch tape)先粘住,然后再只撕一层石墨烯下来的原因。 材料若带有悬空键,容易吸附、聚积载子,对于流经附近的载子容易发生散射,降低载子迁移率,增加电阻及功耗。2D材料显然没有这个问题。像最先发现的石墨烯由于等效电子质量为0,迁移率高达106 cm2/Vs,接近光速的100分之1。可惜石墨烯是半金属(semimetal),也就是说即使FET闸极不施加电压,通道还是导电的。它不是可以用电场控制开关的半导体。 从已知的2D材料中选取合适的通道材料有讲究的,在传导性质上它先得是个半导体,再者它的载子迁移率要高,这是当FET通道的起码条件。 2D材料中有一个族群叫过渡金属二硫属化合物(Transition Metal Dichalcogenide;TMD),这是学术界最先研究的领域之一。经过上述两个条件的筛选,二硫化钼(molybdenum disulfide;MoS2)适合做n-FET的通道材料;二硒化钨(tungsten diselenide;WSe2)则适合p-FET,原因是2种2D材料在成长过程中如果有自然缺陷(defects)的话,容易形成相对的n、p电性,效果有如n、p掺杂(doping)。 有了合适半导体材料当通道后,还得有合适的金属与之匹配,在通道两边才能形成源极和汲极。主要的考量是在通道和金属之间要能够形成较低的肖特基势垒高度(Schottky barrier height),使得载子能顺利通过界面、降低电阻和功耗。依此选择条件,适合MoS2的金属材料为铜(Cu)和钛(Ti),适合WSe2的金属材料为铂(Pt)和钯(Pd)。 不过以上的材料考量是基于原先仅有已知1,000余种2D材料时的最佳材料选择。2024年发表的学术论文中,AI一口气又查找出50,000多种新2D材料,工程上的选择得重新评量一番。 在选定源极、通道、汲极的材料之后,自然还有许多的工程问题要著手解决,譬如如何将2D材料置放于晶圆上?先在其它地方生产然后转印(transfer)到二氧化矽上,抑或者直接在二氧化矽上直接用传统半导体工艺长薄膜?前者工序繁复,后者缺陷较多;工程从来都是妥协与取舍的考量。 2D FET什么时候会上场呢?Imec的技术路线路显示是在CFET之后;亦即在A7之后逐渐入场,到A2成为主流。 听起来有点天方夜谭,但是别让那些已经与现实量度完全脱节的节点命名所迷惑;N2不是真的2nm,A2也不是2 Angstroms。A2节点的半金属间距(half metal pitch;过去最早用以描述制程真实临界尺度的量度)大概在6~8nm之间,这长度至少还容得下25~30个MoS2分子共价键。 再进一步的2D FET演化可以是用2D金属材料来做源极和汲极,形成真正的2D FET—各FET全都落在一个单层平面之内了。材料选择的考虑因素除了上述尽量降低界面之间的肖特基势垒外,还要注意界面两边的晶格型态以及晶格常数是否可以容许顺利的键接。这些工程问题的解决方式的线索,首先来自于第一原理计算(first principles calculation)以及AI的材料查找,计算力变成工程实验的先导。 这里我们看到一个半导体产业有趣的现象。先进制程的应用绝大部份是为了高效能、AI芯片的制造,而这些芯片反过来又被用于半导体制程良率的提升以及新材料的开发。这是一个关系密切的良性循环,也许是半导体产业还能持续往more Moore这条路继续前进的新动力。
2D FET:先进制程面临的挑战
在2024年底刚开过IEDM的主题演讲(keynote speech),二维场效晶體管(2D Field Effect Transistor;2D FET)及納米碳管(carbon nanotube)被提起可能成为逻辑制程的未来技术。納米碳管FET在1998年被倡议后,逾1/4世纪终于初露曙光,原因是納米碳管的管径在制造过程中已经可以被有效控制。但是我认为2D FET是可能性更高的未来逻辑制程技术;除了产业界努力的推进研发之外,学术界对于2D材料地毯式的搜索以及物理、化学定性也发挥相当大的作用。2D FET是2D维材料—仅有单层(monolayer)原分子的构造—做为通道(channel)材料的FET。1个FET中,一边有源极(source)做为信號载子(carriers;可以是电子或电洞)的来源,其传导性质是金属;中间是矽,传导性质是半导体;另一边是汲极(drain),用来收集载子,其传导性质也是金属。通道上的是二氧化矽,再上层的是闸极(gate),传导性质是导电的。闸极施加电压超过阈值电压(threshold voltage)后,其电场会影响底下半导体的能带(bandgap)分布,令其变成导体,载子就可以从源极流经通道抵达汲极被收集。2D FET就是用2D半导体材料来替代矽半导体,这实在是一次半导体产业本质上的颠覆:原来选择硅片材料最主要的理由就是矽是最合适的通道半导体材料,现在还使用矽当基材的原因则是过去围绕著矽所发展出来庞大的工程制造体系以及设备和智财。体系和投资都太庞大了,轻易动不得。为什么要使用2D半导体材料呢?这一切都要从短道效应(Short Channel Effect;SCE)谈起。SCE是指制程微缩时,通道的长度随之变短,因而产生对原先FET设计时预期功能的负面效应。原因是通道两边源极和汲极的电性已开始影响二者中间通道的性能表现了。SCE并不是新课题,它从80年代开始、或者1um制程时就开始对制程微缩的工程形成持续的挑战。1um有多「短」?矽的共价键长度是0.234um,1um是400多个矽原子,理论上它就是个块材(bulk materials),但是IC设计工程师就发现汲极感应势垒降低(Drain-Induced Barrier Lowering;DIBL)、阈值电压滚降(threshold voltage roll-off)及亚阈值露电增加(increased subthreshold leakage)。用白话说,FET不太受控制,电压没提升到设定值就自行部分开启,漏电了。到了0.5um问题变得更加尖锐,除了以上的问题,因为通道变得更短,另外还产生热载子注入(hot carrier injection)—载子因源极和汲极的高电场、克服材料位势,跑到它不应该去的地方,譬如通道上方的氧化层,降低FET元件的性能及可靠性。这些问题就是逻辑制程微缩所要面临的主要挑战之一。早期的解决方案包括轻掺杂汲极(lightly doped drain)、栅氧化层厚度的改进(refinements in gate oxide thickness)、对通道的施以应力(strained channel)以提高其电子迁移率(electron mobility)、逆行井(retrograde well)、光环植入(halo implant)、双栅极氧化物(dual gate oxides)、浅构槽隔离(shallow trench isolation)等原先等较传统的半导体工程手段。到了更近年,问题益发严峻,比较不同的工程办法产生了:一是采用不同的材料,譬如以金属氮化钛(TiN)替代导电的复晶(polysilicon),并佐以高介电质材料(high k dielectric materials)二氧化铪(HfO2)代替原先氧化层的材料二氧化矽,用以重拾对通道开关电流的控制。另一个方向是大幅改造FET的结构,譬如在14nm变为主流的FinFET(鮨式FET),其本身就是3D结构,用以替代原先的2D平面结构(2D planar),这样的想法持续进行中,包括现在正在量产的GAA nanosheet(环栅納米片)以及未来的CFET(complementary FET;将NFET及PFET以堆叠而非并排的方式结合,以节省一半的晶粒尺吋),都是以新的结构来持续推进FET的效能、功耗以及面积的表现。这方面的制程推进虽然与beyond Moore的先进封装不同而被称为more Moore,但是可以发现现在其技术创造经济价值的方法,已与较狭义的微缩以及传统半导体工程手段的方式有所不同:是利用新材料、新元件架构乃至于新物理机制创造新经济价值。这也意味著半导体研发竞争开启典范转移的新篇章。
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