芯片短缺危機(jī)

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代幣需求正呈爆炸式增長，對人工智能計算的需求也在持續(xù)加速。模型能力的提升以及智能體工作流程的快速發(fā)展，推動了用戶采用率和代幣總需求的激增。僅在二月份，Anthropic 就新增了高達(dá) 60 億美元的年度經(jīng)常性收入 (ARR)，這主要得益于智能體編碼平臺 Claude Code 的廣泛應(yīng)用。如果 Anthropic 擁有更多計算資源，其新增收入還會更高。盡管過去幾年人工智能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模龐大，但可用的計算資源仍然稀缺。即使是已經(jīng)推出近兩代的 Hopper 處理器，其按需 GPU 的價格也在持續(xù)上漲。

根據(jù)我們自身的經(jīng)驗，我們聯(lián)系了所有我們了解的超大規(guī)模云服務(wù)提供商，詢問他們是否有可用的小型集群，但所有資源都已被牢牢鎖定。這種供應(yīng)緊張的局面解釋了超大規(guī)模云服務(wù)提供商資本支出計劃的大幅調(diào)整。普遍預(yù)期已大幅上調(diào)，其中谷歌的情況最為突出，其2026年的資本支出預(yù)期幾乎是此前預(yù)期的兩倍，這主要是由于數(shù)據(jù)中心和服務(wù)器支出增加所致。

這是一筆巨額支出，如果條件允許，超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心運營商會投入更多資金，但他們受到一個關(guān)鍵因素的制約：硅芯片供應(yīng)。目前先進(jìn)的邏輯和存儲器制造能力不足以支撐計算部署的步伐。盡管在ChatGPT發(fā)布之后（AD），數(shù)據(jù)中心的發(fā)展就受到了各種限制，例如CoWoS封裝和數(shù)據(jù)中心電力等，但我們現(xiàn)在已徹底進(jìn)入了硅芯片短缺階段。

臺積電N3短缺

臺積電N3邏輯晶圓產(chǎn)能是制約N3技術(shù)發(fā)展的最大因素之一，甚至可以說是最大的制約因素。臺積電的N3系列芯片于2023年開始出貨并投入市場銷售，初期需求主要來自智能手機(jī)和PC領(lǐng)域。N3的起步并不順利，首款衍生產(chǎn)品“N3B”良率不佳，且相對于密度提升而言成本過高。隨著工藝的改進(jìn)，N3E工藝得以廣泛應(yīng)用。N3E工藝是一種簡化的衍生產(chǎn)品，EUV層數(shù)更少，因此成本更低。N3技術(shù)的主要智能手機(jī)和PC客戶包括：蘋果公司，其M3至M5 Mac芯片和A17至A19 iPhone處理器均采用N3衍生產(chǎn)品；高通公司，其驍龍8 Elite系列處理器；聯(lián)發(fā)科公司，其天璣系列智能手機(jī)SoC以及部分汽車和PC芯片；以及英特爾公司，其Lunar Lake和Arrow Lake客戶端處理器。

迄今為止，N3 的需求主要由消費電子產(chǎn)品驅(qū)動。到 2026 年，所有主流 AI 加速器系列都將過渡到 N3，屆時 AI 將成為 N3 需求的主要來源，之后才會過渡到 N2 及更高版本。

從下表可以看出，到 2026 年，整個行業(yè)都在向臺積電的 N3 系列工藝節(jié)點靠攏，將其打造為 AI 加速器的主流工藝節(jié)點。NVIDIA 將從 Blackwell 的 4NP 工藝節(jié)點過渡到 Rubin 的 3NP 工藝節(jié)點。AMD 通常是新工藝節(jié)點的先行者，目前已在 MI350X 中采用 N3 工藝，并且 MI400 的 AID 和 MID 芯片也將繼續(xù)使用 N3 工藝（XCD 采用 N2 工藝節(jié)點）。谷歌的 TPU 路線圖從 TPU v7 開始全面轉(zhuǎn)向 N3E 工藝，TPU 今年的程序量將大幅增長。AWS 也將在 Trainium3 中過渡到 N3P 工藝節(jié)點。Meta 的 MTIA 也遵循類似的路徑，但其程序量要低得多。

這種轉(zhuǎn)變不僅限于XPU芯片。VR機(jī)架中使用的Vera CPU的所有芯片都采用了N3P技術(shù)。此外，還有NVLink 6交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)芯片，以及Tomahawk 6和Spectrum 6等橫向擴(kuò)展交換機(jī)。Rubin每GPU提供1.6T的橫向擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)，開啟了3nm 200G光DSP的普及應(yīng)用。

N3晶圓的突然普及，加上人工智能計算需求的持續(xù)增長，導(dǎo)致N3晶圓產(chǎn)能面臨巨大沖擊。臺積電措手不及，晶圓產(chǎn)能擴(kuò)張未能跟上人工智能需求的激增。這是怎么回事？盡管史上規(guī)模最大的計算產(chǎn)能建設(shè)始于2022年底，但臺積電的資本支出直到2025年才超過之前的峰值。而今年，臺積電的資本支出將打破去年的紀(jì)錄，因為他們已經(jīng)意識到客戶需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了自身的產(chǎn)能。

盡管臺積電在技術(shù)上明顯領(lǐng)先于其僅有的競爭對手英特爾和三星，但如果客戶無法獲得足夠的晶圓供應(yīng)來支持其業(yè)務(wù)，這種優(yōu)勢就顯得無關(guān)緊要了。因此，產(chǎn)能限制可能會促使客戶尋求更廣泛的晶圓代工模式。例如，英特爾得到了美國政府的支持，任何外包給英特爾晶圓代工的業(yè)務(wù)都會獲得美國政府的青睞。與此同時，三星晶圓代工也開始發(fā)展壯大，近期贏得了一些設(shè)計訂單。首先，三星獲得了特斯拉的一些芯片項目，例如AI5和AI6，盡管這些項目是與臺積電共同推進(jìn)的。三星晶圓代工也已進(jìn)入英偉達(dá)的數(shù)據(jù)中心供應(yīng)鏈，我們在之前的晶圓代工模式報告中對此進(jìn)行了討論。

N3 的數(shù)字

現(xiàn)在，讓我們來看看市場競爭究竟有多激烈。N3加速器晶圓的需求將在今年大幅增長。主要驅(qū)動因素是英偉達(dá)Rubin的量產(chǎn)計劃，因為該公司正從基于4NP的Blackwell過渡到基于N3P的Rubin一代。然而，考慮到Blackwell平臺和供應(yīng)鏈的成熟度更高，其今年的出貨量仍將高于Rubin。谷歌和博通的TPU搶在英偉達(dá)和亞馬遜之前進(jìn)入N3時代，TPUv7芯片已于2025年開始量產(chǎn)。這一勢頭將在今年延續(xù)，由于谷歌內(nèi)部需求以及來自Anthropic等公司的外部需求，TPU的出貨量將大幅增長。與此同時，向下一代TPUv8的過渡也將開始，這些芯片也將繼續(xù)采用N3工藝。另一個重要的影響因素是基于N3P的Trainium3將于2026年初開始晶圓交付，預(yù)計下半年產(chǎn)量將大幅提升。

因此，人工智能相關(guān)應(yīng)用（加速器、主機(jī)CPU和網(wǎng)絡(luò)N3芯片的需求）今年將占N3芯片總產(chǎn)量的近60%。剩余的40%主要用于智能手機(jī)和CPU。這些領(lǐng)域的需求已完全占用N3芯片的全部產(chǎn)能，臺積電幾乎沒有機(jī)會增加產(chǎn)能。即使臺積電增加N3芯片產(chǎn)能，到2027年，這種產(chǎn)能緊張的局面將更加嚴(yán)峻。我們預(yù)測，到2027年，人工智能需求將占N3芯片總產(chǎn)量的86%，幾乎完全擠占智能手機(jī)和CPU芯片的產(chǎn)能。這種轉(zhuǎn)變的部分原因是智能手機(jī)產(chǎn)品路線圖計劃向N2芯片過渡，但N3芯片產(chǎn)能緊張無疑也加速了這一轉(zhuǎn)變。對于仍采用N3芯片的產(chǎn)品線，其需求不太可能得到完全滿足。

在爭奪有限的N3芯片配額的客戶中，臺積電最終扮演著“造王者”的角色。到2026年，人工智能基礎(chǔ)設(shè)施客戶的優(yōu)先級明顯高于消費電子產(chǎn)品客戶。人工智能加速器的設(shè)計通常需要更大的芯片尺寸和更復(fù)雜的封裝，這意味著更高的平均售價。更重要的是，人工智能驅(qū)動的需求一直是臺積電增長的主要動力。終端客戶愿意不惜一切代價部署更多計算資源。各大人工智能實驗室的計算資源承諾也印證了這一點，并提供了未來多年的發(fā)展前景。

這與目前已高度飽和的移動和客戶端市場形成鮮明對比，后者在用戶數(shù)量和內(nèi)容增長方面都面臨挑戰(zhàn)。這使得人工智能加速器客戶在獲取高級節(jié)點容量方面具有相對優(yōu)勢。其他領(lǐng)域的客戶如果無法獲得足夠的N3容量，可能被迫延長現(xiàn)有產(chǎn)品周期或直接遷移到N2平臺。

臺積電的供應(yīng)狀況

由于需求遠(yuǎn)超供應(yīng)，臺積電正在擴(kuò)大產(chǎn)能，并使其現(xiàn)有生產(chǎn)線達(dá)到極限，盡可能地利用其額定產(chǎn)能生產(chǎn)每一片晶圓。因此，預(yù)計到2026年下半年，N3工藝的有效利用率將超過100%。該公司還在盡可能地將部分工藝層轉(zhuǎn)移到其他晶圓廠，以釋放額外的N3產(chǎn)能。

為什么臺積電不能直接增加N3晶圓的開工量？和存儲器供應(yīng)商一樣，臺積電也受到潔凈室空間的限制。必須先建造額外的可用晶圓廠面積，才能安裝設(shè)備并投產(chǎn)新產(chǎn)能。未來兩年內(nèi)，臺積電無法新增足夠的產(chǎn)能來完全滿足市場需求。因此，企業(yè)要想在此期間獲得更多晶圓配額，就必須放棄現(xiàn)有寶貴的配額，而這種情況很可能會發(fā)生。

智能手機(jī)能否作為前端釋放閥？

今年智能手機(jī)將成為N3晶圓需求的第二大驅(qū)動力。如果說有什么因素會造成需求疲軟，那么智能手機(jī)領(lǐng)域反而可能是需求疲軟的領(lǐng)域，從而釋放出XPU晶圓的產(chǎn)能。目前，蘋果和其他智能手機(jī)客戶，例如聯(lián)發(fā)科和高通，都已集體下達(dá)供應(yīng)鏈訂單，他們預(yù)計今年智能手機(jī)的出貨量將保持個位數(shù)低增長。

然而，不斷上漲的內(nèi)存價格正逐漸轉(zhuǎn)嫁到手機(jī)物料清單成本上，并最終影響到消費者的平均售價。這可能會抑制消費者需求。我們已經(jīng)看到一些跡象表明，智能手機(jī)需求預(yù)期將被下調(diào)至同比兩位數(shù)的低位下滑。隨著智能手機(jī)需求的減弱，相關(guān)的晶圓需求也將減少，從而釋放出更多產(chǎn)能用于XPU邏輯芯片。

就出貨量而言，如果將2026年智能手機(jī)N3晶圓總開工量的5%（43.7萬片晶圓的5%）重新分配給AI加速器，則可額外生產(chǎn)約10萬顆Rubin GPU或約30萬顆TPU v7。在更極端的情況下，如果將2026年智能手機(jī)N3晶圓總開工量的25%重新分配給AI加速器，臺積電則可額外生產(chǎn)約70萬顆Rubin GPU或約150萬顆TPU v7。然而，邏輯電路只是AI加速器芯片的一部分，還需要內(nèi)存供應(yīng)和先進(jìn)的封裝技術(shù)。

內(nèi)存是下一個最大的制約因素

全球內(nèi)存短缺問題短期內(nèi)不太可能緩解。隨著芯片供應(yīng)商和超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心競相確保加速器生產(chǎn)所需的DRAM供應(yīng)，內(nèi)存已成為下一個主要競爭領(lǐng)域。雖然DRAM晶圓總產(chǎn)能持續(xù)增長，但新增產(chǎn)能大部分被HBM吸收，有效地擠占了普通DRAM的市場份額。

按每比特晶圓消耗量計算，HBM 的晶圓產(chǎn)能約為普通 DRAM 的三倍，隨著行業(yè)今年向 HBM4 過渡，這一差距可能會擴(kuò)大到近四倍，明年 HBM4E 的出現(xiàn)甚至?xí)蟆Ｒ虼耍琀BM 的增量增長會從普通 DRAM 晶圓產(chǎn)能中分流出不成比例的份額，從而加劇存儲器產(chǎn)能的緊張局面。

加速器中HBM容量的快速增長加劇了這種壓力。HBM位出貨量正經(jīng)歷急劇變化，這主要是由單個設(shè)備的內(nèi)存容量提升所驅(qū)動，而不僅僅是芯片數(shù)量的增長。對于NVIDIA而言，從Blackwell到Blackwell Ultra和Rubin的升級使HBM容量提升了50%，而Rubin Ultra又進(jìn)一步提升了約4倍。類似的升級也發(fā)生在超大規(guī)模ASIC芯片上，TPU v8AX和Trainium3也從上一代的8-Hi堆棧升級到了12-Hi堆棧，而AMD的內(nèi)存容量也從MI350到MI400提升了50%。

另一個日益緊張的趨勢是客戶對更高HBM引腳速度的需求。像NVIDIA這樣的客戶正致力于將HBM4的引腳速度提升至約11 Gb/s，而內(nèi)存廠商要以可接受的良率實現(xiàn)這一目標(biāo)仍然十分困難。盡管SK海力士和三星在滿足這些規(guī)格方面取得了更大的進(jìn)展，但美光在HBM4方面卻落后了。我們在Rubin的文章以及早在今年1月發(fā)布的《加速器與HBM模型》中都討論過這一趨勢。隨著客戶對更高引腳速度的需求不斷增長，而廠商卻難以大規(guī)模交付，這種性能要求的不斷攀升進(jìn)一步限制了HBM的有效供應(yīng)。

除了HBM之外，服務(wù)器DRAM的需求也在增強(qiáng)。NVIDIA下一代平臺的AI服務(wù)器系統(tǒng)內(nèi)存將大幅增長，VR NVL72機(jī)架的DDR內(nèi)存容量將是Grace的三倍，Vera CPU的DDR內(nèi)存容量為1536GB，而Grace CPU的DDR內(nèi)存容量為512GB。我們預(yù)計，隨著老舊的云服務(wù)器和企業(yè)服務(wù)器進(jìn)入多年更新?lián)Q代周期，2026年DRAM的整體位需求也將出現(xiàn)增長。與此同時，AI工作負(fù)載，特別是數(shù)據(jù)暫存、編排和強(qiáng)化學(xué)習(xí)，正在推動CPU需求，并隨著時間的推移逐步提高CPU與GPU的比例。

在整個DRAM市場，人工智能和通用服務(wù)器的加速部署以及每個系統(tǒng)DRAM容量的不斷增長，預(yù)計將推動服務(wù)器DRAM需求隨時間推移而增長。未來兩年，隨著內(nèi)存價格上漲，這種需求應(yīng)該足以抵消智能手機(jī)、個人電腦和消費電子產(chǎn)品市場疲軟的影響。

如果邏輯芯片產(chǎn)能騰出來用于加速器，客戶將很快需要將注意力轉(zhuǎn)向從內(nèi)存供應(yīng)商那里獲得更多的HBM芯片。隨著傳統(tǒng)DDR DRAM價格飆升，DDR的利潤率已經(jīng)接近甚至超過了HBM供應(yīng)收縮時的水平。過去，HBM優(yōu)異的利潤率曾是內(nèi)存供應(yīng)商擴(kuò)大HBM晶圓產(chǎn)能的明確理由。然而，這種情況已經(jīng)改變，至少在2026年之前，利潤率的走勢已經(jīng)逆轉(zhuǎn)。

為了激勵更多HBM晶圓而非普通晶圓投入生產(chǎn)，客戶可能需要支付高于當(dāng)前合同價格的額外費用才能確保HBM的供應(yīng)。這種趨勢在2027年下一輪HBM定價談判結(jié)束后可能會更加明顯。如果內(nèi)存供應(yīng)商讓步并將產(chǎn)能轉(zhuǎn)向HBM，傳統(tǒng)DDR DRAM的可用位供應(yīng)量將進(jìn)一步收緊。

另一個關(guān)鍵影響是將部分內(nèi)存從消費級應(yīng)用重新分配到服務(wù)器和HBM，我們自2025年下半年以來一直在強(qiáng)調(diào)這一動態(tài)。在我們最新的《內(nèi)存模型》分析中，我們重點闡述了消費沖擊對潛在內(nèi)存重新分配的影響。在消費級設(shè)備出貨量下降50%的極端情況下，將釋放約553.9億Gb的內(nèi)存，相當(dāng)于2026年DRAM總需求的約14%。在出貨量下降25%的情況下，將釋放約276.9億Gb的內(nèi)存，約占DRAM總需求的7%，以及今年HBM需求的近80%。

我們的基本預(yù)測仍然是消費級內(nèi)存出貨量將出現(xiàn)較為溫和的10-15%的下滑。如果出貨量減少10%，則大約會釋放110.76億Gb的容量，僅占DRAM總需求的約3%。我們認(rèn)為，這種增量供應(yīng)量不足以實質(zhì)性地改變我們預(yù)期今年將出現(xiàn)的整體供需格局。

關(guān)鍵問題在于存儲器供應(yīng)商對消費疲軟的準(zhǔn)備程度，以及他們已做出多大程度的調(diào)整。我們認(rèn)為存儲器制造商對消費終端市場的疲軟狀況有著深刻的理解。例如，三星管理層曾多次強(qiáng)調(diào)消費疲軟，我們相信其產(chǎn)能分配計劃已經(jīng)考慮到了出貨量下降10-15%的情況。我們預(yù)計其他主要存儲器供應(yīng)商也會采取類似的策略。

CoWoS——緊繃但逐漸放松

前端產(chǎn)能目前是主要瓶頸，CoWoS 的限制有所緩解。雖然 CoWoS 產(chǎn)能有限，但臺積電在進(jìn)行產(chǎn)能規(guī)劃時仍以 N3 限制為依據(jù)。如果前端晶圓供應(yīng)不足，臺積電過度投資 CoWoS 產(chǎn)能就毫無意義。此外，2.5D 封裝還有其他選擇。CoWoS 可以而且之前也曾外包給 OSAT 廠商，例如 ASE/SPIL 和 Amkor。例如，當(dāng)英偉達(dá)得知出口許可證即將發(fā)放時，就選擇 Amkor 為其出口到中國的 H200 芯片進(jìn)行封裝。英特爾的旗艦級 EMIB 2.5D 先進(jìn)封裝解決方案也是一個日益受到關(guān)注的選擇，Trainium 和 TPU 等公司都已在不同程度上采用了該方案。

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（來源：編譯自semianalysis）

*免責(zé)聲明：本文由作者原創(chuàng)。文章內(nèi)容系作者個人觀點，半導(dǎo)體行業(yè)觀察轉(zhuǎn)載僅為了傳達(dá)一種不同的觀點，不代表半導(dǎo)體行業(yè)觀察對該觀點贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯(lián)系半導(dǎo)體行業(yè)觀察。

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