在疫情及芯片短缺的大環(huán)境下，光子學(xué)行業(yè)繼續(xù)書寫增長與創(chuàng)新的新篇章
根據(jù)市場調(diào)研公司Mordor Intelligence的最近數(shù)據(jù)，光子學(xué)市場的預(yù)期增長仍然令人印象深刻。[1]具體而言，Mordor Intelligence估計2020年全球光子學(xué)市場的規(guī)模為5898.2億美元，預(yù)計到2026年將達到10197.7億美元。這意味著在2021-2026年期間，預(yù)計復(fù)合年增長率（CAGR）約為7.14%。
此外，2021年6月，麥肯錫公司發(fā)布了題為《光子學(xué)領(lǐng)域的下一波創(chuàng)新》（TheNext Wave of Innovation in Photonics）的報告，其中也展示了整個光子學(xué)市場致力于創(chuàng)新的記錄，是如何使激光器件市場在2020年達到了170億美元的規(guī)模。[2]該報告還預(yù)計，光子學(xué)市場將繼續(xù)保持年均10%的增長率，到2025年的市場規(guī)模估值約為280億美元。此外，麥肯錫還預(yù)計整個精密光學(xué)領(lǐng)域每年將有8%的增長，光子學(xué)傳感器領(lǐng)域每年將有9%的增長；而專門用于汽車領(lǐng)域的光子傳感器，受到自動駕駛蓬勃發(fā)展的驅(qū)動，預(yù)計每年將強勁增長21%。
從這些現(xiàn)有的統(tǒng)計和預(yù)估數(shù)字中，我們得到的關(guān)鍵啟示是什么？Optica（原OSA，美國光學(xué)學(xué)會）高級行業(yè)顧問Tom Hausken解釋說，疫情似乎并沒有對光子學(xué)行業(yè)產(chǎn)生什么影響，“當你聽說市中心的辦公樓仍然空著，并對附近為其服務(wù)的企業(yè)造成巨大的影響、以及疫情帶來的其他持久影響時，我們的行業(yè)似乎出奇地沒有受到什么影響。”
“與沒有疫情的情況相比，2020年光子學(xué)行業(yè)的表現(xiàn)不佳；但是隨著疫情的緩解，之前被抑制的潛在需求在2021年顯現(xiàn)出來，推動了收入增長，因此這一年光子學(xué)市場表現(xiàn)出色。盡管當前存在的供應(yīng)鏈問題在一定程度上限制了光子學(xué)行業(yè)的增長，但是該行業(yè)似乎正在向著疫情前的健康狀態(tài)發(fā)展?！盩om Hausken說，“展望2022年，我們可以期待更多相同的情況，2022年應(yīng)該是‘正常’的一年，當然除了可能出現(xiàn)新的外部干擾。毋庸置疑的是，光子學(xué)行業(yè)在過去最具挑戰(zhàn)性的兩年中，一直表現(xiàn)不錯。”
這里我們特別說明一下：與以往的年度市場回顧與展望文章從各個激光細分市場的角度著眼不同，今年的文章將把光子學(xué)市場作為一個整體看待，不再細分領(lǐng)域。盡管激光器將繼續(xù)作為更大的光子學(xué)行業(yè)的一個重要部分，但市場已經(jīng)達到了成熟水平，現(xiàn)在重要的是要從整體上看待整個光子學(xué)市場。
芯片短缺問題
人們可能會覺得，每個人都在把當前的挫折“歸咎于”芯片短缺。畢竟，它已經(jīng)成為今天幾乎所有行業(yè)面臨的共同問題，但是今天的制成品中所使用的半導(dǎo)體芯片的數(shù)量，多得令人難以置信。而且，隨著智能技術(shù)成為常態(tài)，對更多芯片的需求正在加劇（見圖1）。具體來說，在人工智能（AI）、機器學(xué)習(xí)、自主性和移動解決方案電子化的持續(xù)驅(qū)動下，未來對芯片的需求只會繼續(xù)增加。
圖1：在硅晶圓上，每個方塊都是一塊芯片，上面帶有微觀晶體管和電路。通常情況下，晶圓被切割為一個個獨立的芯片；然后將這些芯片封裝到處理器中，為智能設(shè)備提供支持。（圖片來源：Laura Ockel/Unsplash）
以汽車行業(yè)為例，汽車制造商消耗了目前芯片產(chǎn)量的大約10%，汽車中使用的芯片數(shù)量從100顆（燃油車）到多達3000顆（自動駕駛型電動汽車）不等。另外，智能手機、家電產(chǎn)品、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）設(shè)備甚至玩具，都是迅速耗盡全球芯片供應(yīng)的消費大戶。
科爾尼公司（Kearney）2021年12月公布的一份報告指出，“市場對前沿半導(dǎo)體的需求將以每年15%的年增長率增加?！盵3]科爾尼公司認為人工智能、高性能計算、邊緣計算和無線通信是需求增長的主要驅(qū)動力（見圖2），同時還估計“到2030年，這些產(chǎn)品將占到前沿半導(dǎo)體消費的80%以上”。
圖2：全球半導(dǎo)體價值鏈僅依靠少數(shù)地區(qū)提供領(lǐng)先的生產(chǎn)能力。（圖片來源：SEMI 2020年第二季度和2021年第二季度更新的資料/科爾尼分析）
圖3：從1990年到2021年第二季度，全球集成電路（IC）出貨量在不同的衰退期的不同表現(xiàn)。（圖片來源：德勤）一部分解決辦法是提高芯片的生產(chǎn)能力，芯片制造既是成本密集型業(yè)務(wù)，也是解決持續(xù)芯片短缺問題的長久辦法的一部分。德勤在研究報告中寫道：“明確地說，200mm晶圓產(chǎn)量的增加，主要來自于增加現(xiàn)有晶圓廠的產(chǎn)能，而不是建造全新的工廠，這在2020年至2022年期間占去了近120億美元的資本設(shè)備支出。從技術(shù)角度來看，主流節(jié)點和更先進的300mm工藝節(jié)點（10nm以下，主要是3nm、5nm和7nm）的晶圓產(chǎn)能，將比更成熟的工藝節(jié)點增長更快。值得注意的是，市場對所有工藝節(jié)點下的兩種晶圓尺寸的需求都在增長，而不僅僅是需要最先進的工藝節(jié)點。”
芯片短缺的影響
為什么半導(dǎo)體供應(yīng)問題在理解光子學(xué)的挑戰(zhàn)和機遇方面發(fā)揮著如此重要的作用？這是有其合理性的。毫無疑問，半導(dǎo)體市場是一個不斷增長的激光器用戶市場，特別是對近紅外（NIR）激光器和綠光激光器的需求。此外，銷往半導(dǎo)體制造市場的光子學(xué)產(chǎn)品（光學(xué)元件、儀器、配件等）不僅規(guī)模龐大，而且還會隨著芯片需求的不斷升級而不斷增加。
進一步說，光子學(xué)和半導(dǎo)體芯片的使用往往是相輔相成、共同發(fā)展的；這不僅體現(xiàn)在先進的半導(dǎo)體芯片制造工藝中，而且（也許的更重要的）也體現(xiàn)在由此所實現(xiàn)的產(chǎn)品上。即使光子學(xué)市場內(nèi)的廠商能夠交付現(xiàn)有的訂單，但是由于無法獲得負擔(dān)得起的芯片，這就意味著最終產(chǎn)品生產(chǎn)商無法完成其產(chǎn)品交付。
芯片短缺是如何成為棘手的難題的？答案是多方面的。其中一個很重要的原因是出現(xiàn)了需求高峰：從人們對智能、自動化商品的無止境的渴求，到疫情引發(fā)的居家辦公所催生的對大大超過市場預(yù)期的消費電子產(chǎn)品（電腦、顯示器、網(wǎng)絡(luò)攝像頭、會議揚聲器等）的需求，這些產(chǎn)品的生產(chǎn)都離不開半導(dǎo)體芯片。來自市場研究公司Gartner的數(shù)據(jù)顯示，2020年第四季度的全球個人電腦出貨量，比2019年第四季度增長了10.7%；就全年而言，2020年的個人電腦出貨量達到2.75億臺，這是個人電腦這個已經(jīng)穩(wěn)定的行業(yè)在過去十多年來實現(xiàn)的最高增長率。
然而，需求的增加只是造成芯片短缺問題的部分原因。供應(yīng)鏈問題也在很大程度上促成了持續(xù)的芯片危機。最值得注意的是，自然災(zāi)害和重大事故的出現(xiàn)，影響了疫情期間半導(dǎo)體生產(chǎn)的進度。比如，2021年席卷美國德克薩斯州的暴風(fēng)雪，造成了停電和設(shè)施損壞，導(dǎo)致工廠停工，這對芯片供應(yīng)鏈產(chǎn)生了明顯的不利影響。恩智浦和三星等大型生產(chǎn)商都出現(xiàn)了超過25%的產(chǎn)能緊縮。同樣，日本的設(shè)施火災(zāi)阻斷了整個季度的生產(chǎn)能力，導(dǎo)致全球汽車用戶停滯不前。
全球勞動力的短缺也在影響著供應(yīng)能力，同樣這些勞動力短缺也影響了光子學(xué)行業(yè)。此外，由于疫情在全球的蔓延導(dǎo)致的一連串線下開工難度，也在一定程度上加劇了勞動力短缺問題。
職業(yè)倦怠、健康問題和刺激性付款都是勞動力短缺的相關(guān)影響因素。此外，疫情期間出現(xiàn)的一些政策調(diào)整所帶來的影響，也不容忽視。根據(jù)Megan Leonhardt在《財富》雜志中刊登的一篇文章，退休和職業(yè)中斷都是影響勞動力短缺的因素（見圖4）。[5]高盛公司估計，自疫情爆發(fā)以來，美國出現(xiàn)了超過500萬人的勞動力流失，這其中大約有340萬人超過了55歲——約150萬人是提前退休的，約100萬人按時退休。與此同時，在LinkedIn對在工作的美國人進行的一項調(diào)查顯示，有近一半（42%）的受訪者表示，他們已經(jīng)考慮暫停工作休息一下。
圖4：截至2021年10月，美國的勞動力就業(yè)率維持在61.6%左右，比2020年2月降低了約1.7個百分點。（圖片來源：《財富》）
著眼于未來
創(chuàng)新是將光子學(xué)市場的持續(xù)成功帶入下一階段的一個關(guān)鍵因素。盡管激光技術(shù)的創(chuàng)新速度一直在下降，但是將激光器、傳感器和光學(xué)器件結(jié)合起來的集成設(shè)備的誕生，可能會迎來一個新的機遇時代?，F(xiàn)在開發(fā)這種集成設(shè)備的公司將擁有先發(fā)優(yōu)勢，因為終端客戶可能會尋求戰(zhàn)略合作，以探索新的應(yīng)用和建立產(chǎn)品供應(yīng)。向集成設(shè)備轉(zhuǎn)變可能需要新的能力，但在分散的行業(yè)環(huán)境中快速尋到這些能力的機會有很多。
而且，創(chuàng)新機會并不局限于行業(yè)內(nèi)的大公司。例如《紐約時報》中的一篇文章，就討論了持續(xù)的半導(dǎo)體芯片短缺問題，是如何導(dǎo)致廣泛的半導(dǎo)體供應(yīng)鏈中的許多制造商（比如一些針對某個特定細分市場的廠商）的繁榮發(fā)展的。
不幸的是，這也是早期提到的行業(yè)成熟度發(fā)揮作用的地方。通常情況下，隨著行業(yè)的成熟，創(chuàng)新的速度開始下降。根據(jù)麥肯錫的報告，有真實的證據(jù)表明，這種趨勢正在整個激光和光子學(xué)領(lǐng)域發(fā)生。麥肯錫指出，專利申請的速度是一個關(guān)鍵指標。具體來說，從2001年到2010年，研究人員在美國申請了超過29,000項與激光有關(guān)的專利，是前十年專利申請量的兩倍以上（見圖5）。然而，從2011年到2020年，美國提交的專利申請數(shù)量約為24,000項。在一直以來保持著專利申請量每十年翻一番的行業(yè)中，這種下降是一種反常現(xiàn)象。
圖5：新專利的數(shù)量正在下降，技術(shù)的重點繼續(xù)轉(zhuǎn)移。（圖片來源：麥肯錫）
雖然我們并不否認專利下降的趨勢，但是任何關(guān)注整個光子學(xué)市場發(fā)展動態(tài)的人都知道，光子學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)新能力（即使是迭代性質(zhì)）仍然相當強大。疫情的爆發(fā)點燃了創(chuàng)新的火焰，促使研究和開發(fā)團體聚焦于光子學(xué)行業(yè)如何能為這個世界性問題提供更好的解決方案，去貢獻應(yīng)有的力量。
雖然疫情對許多行業(yè)造成了破壞，但實際上，疫情的爆發(fā)擴大了光子器件在醫(yī)療保健行業(yè)的應(yīng)用范圍。光子器件已經(jīng)在抗擊疫情方面發(fā)揮了作用，并且在推動人類與病毒展開全面斗爭。
“這場新冠疫情是突如其來的，而且人類很有可能要與疫情長期共存。同時，今天以光學(xué)為基礎(chǔ)的技術(shù)，在檢測病毒并幫助證明疫苗的能力方面，真的表現(xiàn)出了驚人的能力。”Hausken說，“在過去的幾年里，這項技術(shù)在產(chǎn)量和成本方面都有了很大的進步。想象一下：如果在疫情爆發(fā)的時候，光子學(xué)技術(shù)比當時落后十年或二十年，結(jié)果會是什么樣呢？情況很可能比現(xiàn)在會糟糕很多倍?！?/p>
展望未來，Hausken表示我們有理由感到樂觀。他說：“隨著對這場疫情危機的所有投資，我們現(xiàn)在有機會為未來的疫情做更充足的準備，甚至可以更好地緩解其他病毒，如流感甚至普通感冒。”他說，“這是一個不能浪費的機會，沒有光學(xué)和光子學(xué)，這些成績是不可能實現(xiàn)的。如果成功了，很可能我們都會認為這是一件理所當然的事，但事實上，疫情的出現(xiàn)為光學(xué)和光子學(xué)技術(shù)的發(fā)展提供了一個積極的推動因素?！?/p>
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