本文來源于公眾號“半導體產業縱橫”，ID：ICVIEWS，作者：暢秋。版權歸原作者所有，謝謝。
過去幾年，全球晶圓廠建設如火如荼，突如其來的疫情，雖然對產能建設造成了一些影響，但總體規劃和發展態勢沒有變，特別是12英寸（300mm）晶圓廠，規模和聲勢更加引人關注。
來自SEMI的統計和預測數據顯示，當年，全球用于12英寸晶圓廠的投資額同比增長13%，創造歷史新紀錄。而且，由于疫情影響，全球數字化轉型進程加速，這樣，2021年在12英寸晶圓廠上的投資再創新高，同比增長約4%，之后的2022 年稍微放緩。
從當時的預測情況來看，2022年之前沒有大問題，但對2023年的預測顯然過于樂觀了，今年的情況并不好。
在晶圓廠數量方面，SEMI表示，排除低可能性或謠傳的晶圓廠建設，保守估計，2020- 2024年至少新增38座12英寸晶圓廠，其中，中國臺灣增加11座，中國大陸增加8座，兩地區合計占總數的一半。預計2024年12英寸晶圓廠總數將達到161座，晶圓廠月產能有望增長180萬片(wpm)，達到700萬片以上。
近幾年，雖然中國大陸在12英寸晶圓廠建設方面出現了不少泡沫，但總體增長的勢頭，特別是市場對產能的需求量一直是剛性增長。在這種情況下，中國大陸產能占全球比重將快速增加，據統計，2015年的市占率僅為8%，而到2024年將增至20%，月產能也將達到150萬片。
與中國大陸相比，日本在全球12英寸晶圓產能比重持續下降，2015年約占19%，2024年將跌至12%；美洲也將從2015年的13%，跌至2024年的10%。SEMI認為，韓國將成為最具發展潛力的市場，投資額在150億-190億美元之間，緊隨其后的中國臺灣投資額約為140億-170億美元，中國大陸為110億-130億美元。
前些天（3月27日），SEMI發布的最新統計和預測報告顯示，在2021和2022年強勁增長后，由于存儲和邏輯芯片需求疲軟，預計2023年12英寸晶圓廠產能擴張將放緩，不過，這只是短暫“休息”，SEMI認為，到2026年，全球12英寸晶圓廠產能將增加到每月960萬片，創歷史新高。
SEMI總裁Ajit Manocha表示，在2022-2026年間，新增產能的主要驅動力為：模擬和功率器件IDM的產能以30%的復合年增長率領先，其次是晶圓代工業，增長率為12%，之后是光電器件的6%，存儲芯片的4%。包括格芯（GlobalFoundries）、華虹半導體、英飛凌、英特爾、Kioxia、美光、三星、SK海力士、中芯國際、意法半導體、德州儀器、臺積電和聯電在內的IDM和晶圓代工廠，將有82座新廠在2023-2026年期間運營。
由于美國的出口管制，中國大陸企業和政府將12英寸晶圓廠投資重點放在了成熟制程產線上，其全球份額將從2022年的22%增加到2026的25%，產能達到每月240萬片。
根據SEMI的預測，2022-2026年，由于存儲芯片市場需求疲軟，韓國占全球12英寸晶圓產能比重將從25%下滑至23%，盡管中國臺灣地區的份額也會略有下降，從22%降至21%，但仍有望保持第三名的位置。而日本在全球的份額預計將從2022年的13%下降到2026年的12%。
在政府投資的推動下，2022-2026年，預計美洲、歐洲和中東地區的12英寸晶圓產能份額將增長，到2026年，美洲的份額將增長0.2%至接近9%，歐洲和中東地區的份額將從6%增加到7%，東南亞的4%基本保持不變。
由于推出了390億美元的芯片制造補貼計劃，美國“芯片法案”帶動本土的英特爾、美光、德州儀器，以及外來的臺積電和三星電子等國際巨頭企業在美國大規模興建12英寸晶圓廠。
英特爾在亞利桑那州投資了200億美元建設兩座晶圓廠，2022年9月，英特爾又斥資 200 億美元在俄亥俄州建造兩座先進制程晶圓廠，而且，類似的投資在未來還會增加，十年內的總額可能會達到1000億美元。
“芯片法案”公布之后，美光就宣布了400億美元的投資計劃，這一投資持續到2030年，將分階段在美國建設先進制程存儲芯片晶圓廠。
臺積電在亞利桑那州建設的5nm晶圓廠已經搬入設備，在此基礎上，該晶圓代工龍頭2022年12月宣布將再建一座3nm制程晶圓廠，這些項目投資加起來，不少于400億美元。三星在德克薩斯州新建了一座12英寸晶圓廠，其總投資也將由原計劃的170億美元提升至250億美元。
在歐洲，臺積電，英特爾都有新建12英寸晶圓廠的計劃，目前正在規劃當中。

01

12英寸晶圓的魅力

目前，硅晶圓的主力是8英寸和12英寸的，而從前文所述，以及目前的市場行情來看，12英寸的明顯壓過8英寸一頭，這是為什么呢？
一個很重要的原因就是先進制程的發展。14nm以下的芯片，如已經量產的7nm、5nm、4nm、3nm，以及未來的2nm等，都是用12英寸晶圓制造的。原因在于：制程工藝越復雜，芯片的成本越高，為了控制成本，就要最大化地利用硅晶圓，而晶圓尺寸越大，浪費的越少，利用率越高。例如，用8英寸和12英寸晶圓生產同一制程工藝的芯片，12英寸所產芯片數量是8英寸的2.385倍。
12英寸晶圓的表面積大約為70659平方毫米，以華為麒麟990 5G處理器為例，其單個芯片面積為10.68×10.61＝113.31平方毫米，如果晶圓能夠被100%利用，可以生產出700個這樣的芯片，但實際上這是不可能的，芯片是方形的，晶圓是圓形的，一定會有損耗，理論計算可以產出640個左右，但考慮到良率等因素，實際能生產出500個左右。
再有，12英寸晶圓廠潔凈度要比8英寸高出不少，因此，同樣的芯片產品從8英寸產線轉移到12英寸的，其良率會明顯提升，從而增加成本效益。

02

8英寸晶圓廠還有前途嗎？

12英寸晶圓的成本效益高，全球各大芯片廠商也在興建12英寸晶圓廠，難道8英寸晶圓產線已經成為昨日黃花，沒有價值了？答案是否定的。
這里有一組數據，截至2022年，全球有150多座12英寸晶圓廠，其中，42座在中國臺灣，33座在中國大陸，19座在美國，12座在歐洲和中東。雖然先進制程工藝很重要，且吸引了大量投資，但仍有相當大比例的芯片在8英寸晶圓廠生產，特別是90nm-180nm工藝節點芯片，是8英寸產線的天下。截至2022年，全球約有230座8英寸晶圓廠，其中，51座在美國，49座在歐洲和中東。
從2018年起，8英寸晶圓芯片產能就處于供給不足的狀態，這種狀況一直持續到2022上半年，特別是在中國大陸，無論是IDM，還是晶圓代工廠，8英寸晶圓產能一直都很緊俏，產能利用率相當高。
出現這種狀況的原因主要是市場對模擬芯片的需求量一直在提升，功率器件、電源管理芯片、CMOS圖像傳感器、MEMS傳感器、RF收發器、濾波器，PA、ADC、DAC等，大都在8英寸晶圓產線投產。
SEMI預計，2019~2022年，全球8英寸晶圓產量增加約70萬片，增幅為14%，其中，MEMS和傳感器相關產能約增加25%，功率器件產能提高約23%。2019年，在15個新晶圓廠建設計劃中，約有一半是8英寸的。
8英寸晶圓產能為何滿足不了應用需求呢？主要原因有如下幾點。
一、市場對模擬芯片的需求強勁，特別是新能源汽車的快速發展，對功率器件（IGBT、MOSFET等）的需求相當強勁，而這些芯片主要在8英寸晶圓產線生產。
二、晶圓代工廠的8英寸線產能普遍緊張，而且，大部分模擬、分立器件市場由IDM大廠把持，但因產能有限，這些IDM通常會將訂單外包給晶圓代工廠，同時，在從6英寸轉向8英寸過程中，部分IDM的主要產能專注于12英寸線，沒有額外增添8英寸線，這樣就不得不將8英寸產品外包。因此，大部分IDM擴產幅度比需求增長幅度低，外包的比例會越來越高，這樣就加劇了8英寸晶圓代工產能供不應求的情勢。
三、相關設備供給不足，很多設備廠已經不再生產8英寸晶圓加工設備了，二手設備數量又很有限，以及8英寸硅片產量受限等，也在制約8英寸晶圓產能供給量。
2008-2016年，全球共有15座8英寸晶圓廠轉型為12英寸的，然而，從2016年開始，8英寸晶圓廠關閉的速度開始減緩，這種態勢一直持續到2021年前后，8英寸晶圓產線似乎煥發了第二春。
疫情爆發以來，全球半導體業呈現出異常紅火的局面，特別是2020年到2022上半年，各種芯片供不應求，8英寸晶圓產能的市場需求非常火爆。但從2022下半年開始，這股芯片熱快速降溫，進入2023年以來，各種芯片全面過剩，8英寸晶圓產能不再像過去幾年那么火爆了。不過，這是全行業共有的狀況，并不是8英寸獨有的。業界普遍估計，到了2024年，全球半導體業將全面復蘇，到那時，8英寸晶圓產能需求有望再次熱火起來。

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