半導(dǎo)體投資的去向擴(kuò)張狂潮的背后是什么？為什么是現(xiàn)在，以及未來(lái)的挑戰(zhàn)。

公司和國(guó)家正在向半導(dǎo)體制造、材料和研究投入巨額資金——未來(lái)十年至少有5000億美元，甚至可能更多——以保證芯片和技術(shù)訣竅的穩(wěn)定供應(yīng)，以支持全球增長(zhǎng)越來(lái)越多以數(shù)據(jù)為中心的行業(yè)。

建立能夠保證產(chǎn)能和必要電子元件的重復(fù)供應(yīng)鏈，是相對(duì)和平時(shí)期有史以來(lái)最集中、成本最高的技術(shù)建設(shè)。但這引發(fā)了人們對(duì)人才短缺、重復(fù)性低效率以及未來(lái)某個(gè)時(shí)候可能引發(fā)價(jià)格戰(zhàn)和庫(kù)存減記的潛在供過(guò)于求的擔(dān)憂。從積極的方面來(lái)看，至少在不久的將來(lái)，它正在創(chuàng)造技術(shù)史上最大的半導(dǎo)體及相關(guān)服務(wù)和設(shè)備繁榮之一。

在這波投資的背后，有幾個(gè)關(guān)鍵趨勢(shì)，以及未來(lái)的一些潛在陷阱。

關(guān)鍵芯片（包括在成熟節(jié)點(diǎn)開發(fā)的芯片）的持續(xù)短缺引發(fā)了各個(gè)行業(yè)和地區(qū)對(duì)芯片和關(guān)鍵材料（如稀土、鎳、氖和鋰）供應(yīng)連續(xù)性的擔(dān)憂。美國(guó)和中國(guó)繼續(xù)進(jìn)行口水戰(zhàn)和貿(mào)易限制，或者大多數(shù)晶圓廠和封裝廠位于亞洲。然而，盡管言辭激烈，兩國(guó)之間的貿(mào)易依然活躍。據(jù)美國(guó)人口普查局報(bào)告，2020年美國(guó)向中國(guó)出口了價(jià)1250億美元的商品，進(jìn)口了4330億美元。2021 年出口增至 1510 億美元，進(jìn)口增至 5050 億美元。2022年前10個(gè)月出口與2021年基本持平，進(jìn)口實(shí)際增長(zhǎng)16.4%。10 月份有所下降，但這幾乎沒(méi)有對(duì)整體數(shù)字產(chǎn)生影響。

至少部分原因可以用與流行病相關(guān)的影響來(lái)解釋，在這種情況下，封鎖促使消費(fèi)者購(gòu)買筆記本電腦、相機(jī)、調(diào)制解調(diào)器和大屏幕電視。結(jié)果是對(duì)所有類型芯片的需求激增，尤其是那些在成熟節(jié)點(diǎn)開發(fā)的芯片。但這種需求影響了其他越來(lái)越依賴 200mm 和更舊晶圓廠的行業(yè)，包括汽車、白色家電和工業(yè)零件，以及制造這些芯片所需的設(shè)備，所有這一切都因交付量減少和主要航運(yùn)放緩而加劇集線器。

這些短缺的突然性尤其令芯片行業(yè)震驚。在大流行之前，半導(dǎo)體供應(yīng)鏈被認(rèn)為幾乎不受短缺或庫(kù)存過(guò)剩的影響。在1999年至2000年的互聯(lián)網(wǎng)繁榮之后，由于供應(yīng)不足導(dǎo)致芯片的雙倍和三倍訂購(gòu)，隨后出現(xiàn)了嚴(yán)重的崩潰。芯片制造商隨后轉(zhuǎn)向及時(shí)生產(chǎn)模式。因此，盡管 2008 年再次出現(xiàn)嚴(yán)重衰退，但庫(kù)存過(guò)剩遠(yuǎn)低于2001年和2002年。

然而，從那時(shí)起，半導(dǎo)體對(duì)更多行業(yè)變得更加重要，供應(yīng)故障被視為經(jīng)濟(jì)和政治威脅。它不再只是智能手機(jī)和個(gè)人電腦。芯片用于從軍事/航空和人工智能系統(tǒng)到超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心、醫(yī)療設(shè)備、交通工具（汽車、卡車、輪船、飛機(jī)、鐵路）的一切領(lǐng)域。而這些芯片的設(shè)計(jì)和制造，以及圍繞它們的研究，可以提供數(shù)十萬(wàn)個(gè)高薪工作。

這就是為什么代工廠和設(shè)備公司正在制定計(jì)劃并籌劃巨額投資，以及為什么政府在他們自己的后院大力投資半導(dǎo)體和相關(guān)技術(shù)。這些投資可能會(huì)在未來(lái)幾十年推動(dòng)就業(yè)，從建筑到工藝工程再到材料科學(xué)。

例如，英飛凌提議在德國(guó)德累斯頓擴(kuò)建51億美元的300毫米模擬、混合信號(hào)和功率半導(dǎo)體，預(yù)計(jì)將增加1,000個(gè)新工作崗位，或者IBM未來(lái)十年在紐約投資200億美元用于制造業(yè)用于所有類型服務(wù)器的芯片，包括量子計(jì)算機(jī)。與此同時(shí)，英特爾計(jì)劃在未來(lái)十年內(nèi)在不同地點(diǎn)投資超過(guò)1730億美元，用于從尖端晶體管到先進(jìn)封裝的各種領(lǐng)域。美光計(jì)劃向最先進(jìn)的內(nèi)存工廠投入350億美元（最初）（并在 20 年內(nèi)投入近 1150 億美元）。這僅僅是開始。據(jù)報(bào)道，超過(guò)2000億美元的額外投資仍未得到供應(yīng)商的證實(shí)，傳聞或正在考慮的更多。

擴(kuò)建是全球性的。在多年投資不足之后，日本正在加大生產(chǎn)先進(jìn)芯片的力度。根據(jù)CSIS的數(shù)據(jù)，1988 年，日本公司占全球半導(dǎo)體銷售額的51% ，但與美國(guó)的貿(mào)易摩擦以及來(lái)自韓國(guó)和中國(guó)的競(jìng)爭(zhēng)削弱了日本的領(lǐng)導(dǎo)地位?，F(xiàn)在正在通過(guò)私人和公共資金進(jìn)行新的努力，以重新獲得部分市場(chǎng)份額。許多日本科技公司和日本政府正在聯(lián)手開發(fā)一個(gè)名為Rapidus的先進(jìn)芯片。日本政府出資約5億美元，其他參與者各投資約700萬(wàn)美元。此外，日本計(jì)劃撥款24億美元與美國(guó)合作，在本世紀(jì)后半葉開發(fā)和量產(chǎn)電路線寬為2納米的先進(jìn)半導(dǎo)體。

日本公司正在進(jìn)行大量投資其中：

單獨(dú)來(lái)看，這些都是對(duì)未來(lái)的巨大賭注?？偟膩?lái)說(shuō)，這些可能會(huì)轉(zhuǎn)移芯片制造地的重心，使設(shè)計(jì)和制造在區(qū)域基礎(chǔ)上更加緊密地結(jié)合在一起。但這種影響將以多快的速度顯現(xiàn)出來(lái)仍不確定。麥肯錫高級(jí)合伙人Ondrej Burkacky 表示：“在世界其他地方重建任何半導(dǎo)體供應(yīng)鏈要素都需要時(shí)間。”一個(gè)新的半導(dǎo)體工廠需要5年時(shí)間。技術(shù)的研發(fā)很容易需要10到15年。供應(yīng)鏈?zhǔn)侨蛐缘模瑳](méi)有什么是真正本地化的，因?yàn)樗菫榉?wù)全球市場(chǎng)而建立的。因此，沒(méi)有比半導(dǎo)體行業(yè)更具全球性的起點(diǎn)了。然而，改變的承諾是非常真實(shí)的。美國(guó)CHIPS 法案的通過(guò)，以及擬議中的歐洲 Chips 法案僅僅是個(gè)開始。所有這些投資都對(duì)這個(gè)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的行業(yè)的未來(lái)產(chǎn)生了廣泛的影響。

除了更大的經(jīng)濟(jì)變化，技術(shù)方面也正在發(fā)生翻天覆地的變化。縮放帶來(lái)的功耗、性能和成本優(yōu)勢(shì)的降低，以及SoC分解為異構(gòu)封裝，正在整個(gè)芯片行業(yè)造成巨大的變動(dòng)。對(duì)于過(guò)去的幾個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)，縮放的最大驅(qū)動(dòng)因素之一是光罩的尺寸，它被限制在 858mm²。這反過(guò)來(lái)又限制了單個(gè)平面芯片上可以包含的功能數(shù)量。

這基本上是一個(gè)不動(dòng)產(chǎn)問(wèn)題，芯片制造商開始通過(guò)使用各種類型的高級(jí)封裝、橋接器以及連接各種裸片和分區(qū)功能的新方法來(lái)規(guī)避這個(gè)問(wèn)題。但隨著數(shù)據(jù)的爆炸式增長(zhǎng)和更快地處理數(shù)據(jù)的需要，以及摩爾定律效益的衰退，解決方案變得更加復(fù)雜、更加定制化，并且更難設(shè)計(jì)。

Synopsys 的EDA 集團(tuán)總經(jīng)理 Shankar Krishnamoorthy 說(shuō)：“對(duì)改進(jìn)的需求永無(wú)止境。” “人工智能需要大量的計(jì)算能力。因此，您可以擴(kuò)大規(guī)模。但我們現(xiàn)在看到每個(gè)人都在做的是我們所說(shuō)的“上述所有”戰(zhàn)略。真正對(duì)能量敏感的部分可以放在最新的節(jié)點(diǎn)上。但是你可以從很多不同的節(jié)點(diǎn)獲得小芯片。這種演變正在以極快的速度發(fā)生。每個(gè)客戶都將其放在他們的路線圖上——即使是移動(dòng)公司，它們傳統(tǒng)上都是單一的、二維類型的設(shè)計(jì)。他們現(xiàn)在正在尋求發(fā)展到 3D。”

在這個(gè)超融合的世界中，曾經(jīng)的單個(gè)芯片現(xiàn)在變成了多個(gè)芯片或小芯片——英特爾的 Ponte Vecchio 架構(gòu)采用 9 種不同的工藝開發(fā)了多達(dá) 47 種不同的芯片。這使得定制設(shè)計(jì)的組件變得必不可少，并且它需要一個(gè)能夠以相對(duì)較小的數(shù)量開發(fā)和制造更多設(shè)備的供應(yīng)鏈。

“分解將繼續(xù)存在，”Krishnamoorthy 說(shuō)。“這一切都與工作負(fù)載級(jí)別的交付性能有關(guān)，有許多不同的方法可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。”數(shù)字也證明了這一點(diǎn)。Amkor 正在越南開發(fā)一個(gè)新的封裝工廠，初始投資為 2 億至 2.5 億美元，而 ASE 計(jì)劃投資 3 億美元在馬來(lái)西亞的封裝廠。

使所有這些投資發(fā)揮作用需要受過(guò)高等教育的勞動(dòng)力。在過(guò)去的十年中，行業(yè)高管一直在尋找更遠(yuǎn)的地方來(lái)吸引工程師加入半導(dǎo)體行業(yè)。在那段時(shí)間里，大多數(shù)人選擇了軟件工作。

“有了一些人才，你在哪個(gè)行業(yè)并不重要，因?yàn)槟闳匀恍枰嗳瞬牛?rdquo;德勤咨詢公司負(fù)責(zé)人兼半導(dǎo)體行業(yè)負(fù)責(zé)人 Brandon Kulik 說(shuō)。“所以有公司職能和財(cái)務(wù)，隨著一個(gè)行業(yè)的發(fā)展，它需要更多其他人擁有的東西，它必須與其他行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)共同的人才。但在半導(dǎo)體中，工程和制造是非常具體的。我們?cè)诠こ谭矫姘l(fā)生的變化是，隨著我們的客戶開始轉(zhuǎn)向更集成的解決方案、更多的軟件和更多基于平臺(tái)的解決方案，工程組合開始發(fā)生變化。

除了標(biāo)準(zhǔn)的遺留設(shè)計(jì)類型，你還需要更多的軟件和系統(tǒng)工程師，這意味著他們需要與一些大型軟件公司競(jìng)爭(zhēng)。”Meta、Twitter、Microsoft 和 Salesforce.com 等公司最近的裁員有助于填補(bǔ)這一缺口。多年來(lái)，工程專業(yè)的畢業(yè)生涌向大型系統(tǒng)公司從事軟件工程工作。但直到最近，他們?cè)诤艽蟪潭壬虾雎粤擞布矫妫驗(yàn)樗麄兗僭O(shè)性能會(huì)在每個(gè)新工藝節(jié)點(diǎn)上繼續(xù)提高。情況不再如此。軟件工程師越來(lái)越需要了解他們編寫的代碼的功率和熱影響，包括給定操作需要多少計(jì)算周期以及如何更好地利用硬件一直到 RTL 級(jí)別。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這個(gè)行業(yè)需要更多的人，今天在這個(gè)行業(yè)工作的很多人都需要補(bǔ)充培訓(xùn)。“未來(lái)的頭號(hào)瓶頸是人才，”麥肯錫的 Burkacky 說(shuō)。”限制硅行業(yè)增長(zhǎng)的不會(huì)是鋰或氖。這將是人。即使需求下降，人才短缺仍將持續(xù)存在，因?yàn)樵撔袠I(yè)的長(zhǎng)期增長(zhǎng)趨勢(shì)是向上和向右的。即使需求下降，對(duì)供應(yīng)鏈彈性的需求也會(huì)推動(dòng)一些產(chǎn)能。您將需要更大規(guī)模地設(shè)計(jì)和制造。世界仍處于連接事物的早期階段。因此，經(jīng)濟(jì)周期將一如既往地受到?jīng)_擊，因?yàn)檫@是一個(gè)周期性行業(yè)。但我們對(duì)客戶的建議是保持長(zhǎng)遠(yuǎn)的眼光，在人才戰(zhàn)略方面展望三到五年，甚至更遠(yuǎn)。這將繼續(xù)是一場(chǎng)斗爭(zhēng)。”