半導體向來是科技發展的關鍵動力,科技股票投資組合經理 Alison Porter、Graeme Clark 和 Richard Clode 將探討不斷演變的半導體領域的挑戰與機遇。

 焦點分析

  • 半導體企業一直設法堅守作為科技創新基石的摩爾定律 (Moore’s Law),從而導致了科技板塊結構的轉變。
  • 總部位於美國的英特爾 (Intel),亦是摩爾定律的源頭。雖然英特爾尚能維持動能,但當初拒絕為 iPhone 供應晶片的決定,加上競爭日益激烈以及未有追隨外判的大趨勢,令公司受到影響。
  • 半導體行業面對眾多錯綜複雜的變數,包括地緣政治局勢緊張,這些因素改變科技格局,同時衍生出投資風險與機遇。

根據摩爾定律,集成電路的電晶體密度大約每兩年就會增加一倍,這是英特爾(總部位於俄勒岡州波特蘭市)創辦人之一摩爾 (Gordon Moore) 在 1965 年相對粗略的觀察,亦是往後半個世紀所有科技創新的基石。只要能夠降低成本並提升效能,便可以量產更佳、更快、更便宜的產品,這不僅是科技發展的關鍵動力,更是科技企業佔據更大份額的重要因素。在摩爾定律首次面世後不久,人類便首次登陸月球,當時美國太空總署 (NASA) 全部電腦的運算能力加起來,才相當於如今的一部 iPhone。NVIDIA 最新用於人工智能訓練的 Ampere(微)晶片不足 3 平方厘米,卻能容納高達 540 億個電晶體。

摩爾定律的沒落推動科技創新

科技行業是充滿動力的板塊,而且發展日新月異,摩爾定律歷久不衰無疑令人刮目相看。然而,關於堅守摩爾定律的考驗亦長期備受爭議,不少人早已揚言摩爾定律走向沒落,半導體巨企 NVIDIA 的行政總裁黃仁勳 (Jensen Huang) 僅是其中一人,這亦是他尋求收購競爭對手 ARM Holdings 的原因之一。截至目前,大多數考驗都能通過創新方案來解決。例如 ASML 一度受制於光束本身的物理極限,未能達到製作這類超精細電路板所需的光刻解析度,而嶄新的解決方案便應運而生,利用水的較高折射率來減少模糊度,開創浸潤式光刻技術。15 年前,Dennard 縮放比例定律(Dennard scaling)(即降低功耗以符合摩爾定律)開始失靈。

曾幾何時,英特爾的處理器是頻率(處理速度)每年呈爆炸性增長的一大關鍵。2002 年 Intel Pentium 4 的時脈達到 3Ghz(即每秒執行 30 億個週期),遠超 1974 年首台內置 Intel 8080 2MHz(每秒執行 200 萬個週期)處理器的商用個人電腦,但增長步伐自此明顯減慢。如今,英特爾的處理器時脈亦不出 5GHz。問題癥結在於按照這類納米幾何尺寸 (nanometre geometries),電晶體之間的密度極高,以至出現電流洩漏,造成嚴重過熱問題,變相令效能受到制肘。另一個相關問題是「暗矽」(dark silicon),過熱問題導致部份電晶體需要斷電。為此,研究人員設計出容納大量細小內核的晶片,這有別於內置單一大型內核的晶片,亦是英特爾、AMD、NVIDIA 或Apple處理器目前選用的多核架構。最近 NVIDIA 宣佈收購 ARM,標誌著圖形處理器 (GPU) 與低功率流動中央處理器 (CPU) 的多核領先公司合而為一。

英特爾的困境

儘管面對上述挑戰,但通過長久以來的捍衛者英特爾,摩爾定律仍然舉足輕重,畢竟英特爾憑藉最細小的電晶體與威力最強的運算晶片而傲視同儕。某程度上,這一獨特優勢與美國和日本的同業截然不同,愈來愈多公司選擇將半導體生行業務外判予代工廠。對英特爾而言,自行設計及生產處理器晶片依然是神聖的承諾。不過,14 納米工藝節點的問題在 2013/14 年度開始浮現,讓英特爾再次率先進軍市場,但出現一定延誤。個人電腦和伺服器市場以英特爾為首,由於競爭有限,故此不成問題。但報道指英特爾在 2005 年拒絕為 iPhone 生產晶片的決定,為日後的困局埋下伏筆。誠然,英特爾並非嚴重低估 iPhone 成功的唯一廠商。 時至今日,全球最大晶圓代工生產商台積電以直逼摩爾定律極限的技術,每年為蘋果公司生產超過 2 億部 iPhone 的處理器。無論是蘋果公司的創新步伐、智能手機市場的規模還是台積電從中獲得的豐厚利潤,均反映 10 納米節點的工藝問題對英特爾造成實際衝擊(導致延誤長達 4 年),使英特爾的競爭考驗變得更為嚴峻。相反,英特爾的主要競爭對手 AMD 則追隨生產外判的大趨勢,率先將製造業務分拆予 GlobalFoundries,但連續數年執行成效未如理想,AMD 作出重大決定,儘管要向 GlobalFoundries 支付巨額退出費用,亦選擇將生產工序交託予台積電。

在俄勒岡州,英特爾無法延續摩爾定律的進程;至於台灣的新竹科學園區,台積電則繼續每年準時發佈新款iPhone 晶片,如今更協助 AMD 首次生產出效能媲美英特爾的晶片。隨著英特爾最近宣佈推遲 7 納米的製程,投資者開始思考英特爾摩爾定律的沒落、外判代工模式的轉變、AMD 未來數年大舉佔據市場份額的可能性,以至 NVIDIA 銳意在建議收購 ARM後,從英特爾手上攫取數據中心的份額。

Circuit board, semiconductor, chip, microchip

半導體行業的關鍵問題

當前環境不僅足以重塑半導體市場,亦能夠徹底扭轉科技板塊的格局,特別是中美緊張局勢不斷升溫之際。摩爾定律是否終於步入黃昏,抑或這純粹是英特爾的問題?台積電會否成為摩爾定律未來的捍衛者,還是未來將有新「摩爾定律」誕生,並以台積電創辦人兼多年來的執行長/董事長張忠謀的英文名命名?

無論如何,不少證據顯示我們熟悉的摩爾定律將不會一成不變。畢竟要在面積只及單位數納米的晶片中容納數十億個電晶體,技術上極具挑戰性。一眾半導體巨企亦積極開展宣傳戰,台積電目前的生產能力為 5 納米,而英特爾則是更繁複棘手的 10 納米。儘管如此,獨立觀察者大多認為現時台積電與英特爾勢均力敵。再者,蘋果公司是台積電 5 納米製程的主要客戶,iPhone 處理器與伺服器處理器的大小相差高達 5 至 10 倍。晶片的體積愈大,生產的難度便會以幾何級數上升,這亦解釋了為何台積電的尖端客戶縮減至只剩下蘋果公司、高通 (Qualcomm) 以及華為/海思。AMD 和 NVIDIA 選用台積電的 7 納米製程,而 AMD 則決定更進一步克服困難,將晶片本身拆細為「小晶片」(chiplets),再以先進封裝技術重新嵌接。正當我們迫近摩爾定律和光刻技術的極限之際,英特爾亦宣佈開啟 7 納米製程,朝著相同的方向邁進。英特爾所指的「小晶片」或「磚片」(tiles) 相對容易生產,但代價是成本較高而效能較低。

英特爾的應對策略

英特爾仍公開承諾自行製造晶片,這亦是該公司根深蒂固的 DNA。雖然英特爾已將不少晶片外判,但核心處理器仍在內部生產。不過隨著延誤持續,加上管理層最近指出若 7 納米製程再有延誤,便會啟動後備方案,亦即外判予台積電,令投資者質疑上述承諾。我們不妨考慮幾個因素,首先是英特爾希望避免重蹈 10 納米失利的覆轍,當時客戶仰賴英特爾來規劃產品的路線圖,但計劃卻嚴重受阻多年,難免愈來愈怒氣沖天,而具體的後備方案旨在讓客戶安心。英特爾亦表示,朝著磚片技術方向邁進,有助增強外判的靈活性,讓公司於需要時可以選擇外判單一磚片而非整個晶片。此外,我們不能忽略地緣政治因素,無論是現屆美國政府還是未來有機會入主白宮的主人,他們均承諾策略性扶持美國的半導體行業,特別是生產尖端晶片的能力。而依賴台灣一間代工生產商,難免令不少美國企業高層以及國防部官員坐立不安。現時,英特爾是美國的尖端半導體製造商,而三星 (Samsung) 已在德州奧斯汀設立規模較細的廠房,台積電則計劃於 2024 年在德州鳳凰城落成一所規模更細的製造廠。英特爾全面外判予台積電的構思似乎不大可能成事,因為當中牽涉國家安全問題,亦會流失數以千計的高端半導體工程職位。但我們不能抹煞其可能性,特別是一旦英特爾在摩爾定律方面繼續面臨考驗,不過英特爾的首選方案似乎是按照摩爾定律在內部重回正軌。

挑戰與機遇並存

對台積電而言,高效能運算繼續是龐大機遇的所在,對公司來說是及時雨,畢竟撇除近期 5G 的利好效應,過去十年智能手機的驚人增長已開始放緩。未來數年,台積電儼然是摩爾定律的強大捍衛者。但若然期待英特爾將生產全面外判,則恐怕是過於樂觀。英特爾面臨的考驗,為 AMD 或 NVIDIA/ARM等客戶創造佔據市場份額的良機,變相有利台積電的前景,而英特爾或會逐步帶來更多商機,某些商機可能是暫時性質,但某些可能會較為持久。

中美緊張局勢升級,台積電亦需要繼續步步為營。美國政府最近實施新的限制,旨在切斷台積電與華為/海思的連繫*,再一次提醒我們地緣政治的威力。台積電已經在中國設廠,如今則承諾在美國設廠,至於其對岸的競爭對手中芯國際最近則宣佈投放巨額的新開支,增強產能以應付國內客戶的需求。但無法避免中芯國際被列入美國實體清單的風險,屆時必須申領許可證,方可採購美國知識產權佔 25% 或以上的產品。台積電將需在未來數年駕馭這些機遇與風險。

摘要

上述錯綜複雜的形勢提醒我們,面對科技時代的各種變數,股票指數無非是反映過去而非未來成果,故此對科技股進行主動型管理仍至關重要。舉例來說,英特爾不久前的市值仍高於台積電,但台積電目前的市值已接近英特爾的兩倍。與此同時,近期 NVIDIA 的市值已超越英特爾,而 AMD 的市值同樣亦步亦趨。

半導體行業的格局不斷演變,似乎為投資者創造不少良機,關鍵是如何正確審視這些機遇。

 

 

 

* 2020 年 5 月,美國政府頒佈針對華為及其晶片附屬公司海思的規定,要求使用美國技術或設備的生產商每次付運前均須申領許可證。

詞彙表

時脈是處理器速度的指標,指處理器的時脈合成器能夠產生脈衝,讓處理器部件同步運作的頻率。一般而言,時脈愈高,中央處理器(CPU)的速度愈快。

浸潤式光刻技術是集成電路 (IC) 生產所用的光刻解析度增強技術,以折射率高於 1 的液體介質填補最終透鏡與晶圓表面之間常有的氣隙。解析度增加的因子相等於液體的折射率。

根據 Dennard 縮放比例定律 (Dennard scaling) 的假設,電晶體變細,其功率密度會保持不變,讓使用的功率符合面積的比例,如此一來,CPU 製造商能於推出新一代產品時提高時脈,而毋須大幅增加整體電路功耗。

GPU∕圖形處理器負責執行圖形成像所需的精密數學及幾何運算。

CPU∕中央處理器是電腦處理指令的主要部件,通過不斷接收用戶或軟件程式運行時的數據,對作業系統和應用程式進行操作。

 

駿利亨德森投資不保證本文中提及之任何說明/範例是否在目前或曾經出現在任何投資投資組合。所示範例僅用於強調研究流程之特別元素。範例並不構成對於一檔證券買進或賣出之建議,或代表任何投資組合之持股或代表特定公司之表現。