2020投資洞察-半導體技術發展與5大應用趨勢

星展 | 2023.03.13

過去六十年以來，半導體積體電路（Integrated circuit： IC）晶片的發明帶動全球科技呈現跳躍式的發展，大大地改變人類的生活，更帶來巨大的投資機會。

IC晶片 - 所有科技設備/裝置的基礎

如今，生活中的科技裝置幾乎均以半導體晶片為基礎，藉由可編輯應用程式控制，執行多樣化的功能。半導體的應用層面遍及智慧型手機、汽車、網路、雲端數據、工業自動化、智能家庭與各式消費性電子產品，產業端對於半導體關鍵技術發展與零組件供應的需求與日俱增，帶動整體潛在市場穩定擴張 (如下圖)

半導體技術發展的投資焦點 - IC設計與晶圓代工

過去半世紀的數位化浪潮下，半導體業的投資主要聚焦於產業鏈上游，其中包括IC設計和晶圓代工公司；相關企業主要致力於CPU、GPU、電源管理、頻率切換、現場可程式化邏輯閘陣列（Field programmable Gate Array：FPGA）、邏輯IC、類比通信以及記憶體和無線射頻混合信號晶片的設計和開發。

隨著IC技術進步，人們更加依賴各種連接裝置與物聯網（IOT）應用，使半導體IC晶片成為數位化趨勢下的關鍵支柱，讓位居最上游的全球IC設計公司長期維持穩健的收入和利潤（下圖）；也為半導體設備製造商創造有利的經營環境，整體前景持續看好。

晶圓代工和光刻技術 - 半導體的骨幹

然而，僅有IC設計技術進步是不夠的，晶圓代工廠和IC設計公司的密切合作才能帶動整體產業持續創新。90年代中期以來，晶圓代工技術持續突破，晶圓中IC晶片的電路間隙一直在縮小，從1997年的250奈米(nm；十億分之一公尺)一路縮小到目前最新的7~10奈米製程技術（如下圖）。當電路間隙縮小，一個晶片中就能包含更多的電晶體，不僅能消耗較少的電力，還能提供更多功能，晶片的處理速度也會更快。簡單來說，隨著奈米製程技術進步，單一設備內部就能有更多晶片組，讓裝置具備更多功能與更高效率。

目前，晶圓代工業者也正在積極投入極紫外光刻技術（Extreme Ultra-Violet：EUV）發展，這是半導體晶片的新架構，可望在晶圓代工、邏輯IC和記憶體（DRAM／NAND）製造方面取得突破，帶動製程技術超越10nm門檻，並且能以較低的成本簡化生產流程。

展望半導體產業未來的發展趨勢，以下5大領域的應用尤其值得關注！

1. 物聯網（IOT）平台和連接

在物聯網滲透率不斷提高下，人工智能（AI）、第5代行動通訊（5G）、雲端運算、工業自動化、智能汽車和數據分析的需求都在推動半導體業成長（下圖左）。

加上物聯網需求長期可望穩定成長（上圖右），勢必進一步增加對數據儲存和處理能力的需求，加強半導體生態系統的成長。

2. 智能汽車

汽車工業的重心已經從單純製造發展到安裝、整合各式電子零組件，藉以提升性能、效率、安全性和舒適性。目前的汽車創新主要由電子功能驅動，而不是機械驅動。在80年代，電子零組件僅佔汽車製造總成本10％；如今，每輛汽車的電子零組件總成本已上升至約40％；隨著汽車製造商爭相加入更複雜的零組件和功能，預計到2030年佔比將達50％（如下圖）。

2014年以來，全球轎車的年銷量一直維持於6,500~7,000萬輛，且未來數年整體銷量仍可能持平。儘管如此，電子零組件的應用發展仍帶動車內半導體組件使用量激增，車用IC的整體潛在市場近年已明顯擴大（下圖左）；世界一流的IC設計公司在汽車晶片的收入也呈現大幅成長（下圖右）。

星展集團認為這股成長趨勢仍處於起步階段，且具有龐大的發展潛力。因為先進電子元件在汽車上的使用仍處於早期階段，車輛中還有許多元件尚待更換。例如借助基於IC的微控制器、傳感器、離散電源管理、邏輯和被動晶片，可以修改或優化諸如車道校正、導航、事件數據記錄、再生煞車、穩定性控制、駕駛警覺性監視和變速箱控制等功能。

3. AI和5G

具有AI功能的晶片將在機器學習、醫療保健、安全性、高性能運算和數據分析各領域的需求推動下，進一步帶動半導體業的成長（下圖左）。2020年後，整個潛在市場規模預計將超過1,200億美元。5G技術儘管剛起步，但5G具備更高的數據運算效率、較低的延遲、更大的網路容量以及通訊和連接效率等多重優勢。至2025年，全球5G連接總數預計將超過10億(下圖右)，覆蓋全球三分之一的人口居住的地區。綜上所述，全球物聯網設備連接預計到2030年將達到500億，主要由企業所主導。

4. 智慧型手機 – 更大、更快、更強

隨著設備變得越來越複雜，手機記憶體密度的增加已成為贏得這場戰爭的基本要素。頂級品牌的新手機每年都擴充DRAM和 NAND的使用量（下圖左）。同時，智慧型手機記憶體的潛在市場於2018年攀升到1,600億美元（下圖右）。隨著智慧型手機配備更大的記憶體密度，其他消費電子產品也安裝更智能的功能，這都將帶動處理器和記憶體晶片需求的驚人成長。

例如，三星Galaxy S10 Plus高階款內建1TB的快閃記憶體（NAND），大大提升了遊戲性能。隨著越來越多的高端應用程式開發並安裝在手機中，以及消費者對於媒體和娛樂內容下載日益增加的黏著度，對於更大記憶體空間的需求正在迅速成為一種新常態。

5. 遊戲機 - 對速度的需求

遊戲正逐漸成為一種主流愛好，且新遊戲以驚人的速度推出。過去20年中，遊戲機處理器經歷驚人的發展。2005年以來，中央和圖形處理器（CPU和GPU）已從50位元大幅成長至250位元以上，而MFLOPS（每秒浮點運算百萬次）已增長了五倍，達到6M（如下圖）。正是IC晶片設計和晶圓代工技術的不斷進步促進了上述這些發展。