半導(dǎo)體成本正在不斷上漲

來源：本文由半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫編譯自Fabricated Knowledge

半導(dǎo)體行業(yè)正在悄然發(fā)生巨變。一些理所應(yīng)當(dāng)?shù)囊?guī)則正在瓦解，打破了先前的假設(shè)。例如，一直精準(zhǔn)預(yù)測未來的摩爾定律，即隨著時(shí)間的推移，指數(shù)級(jí)的進(jìn)步將使芯片變得更便宜、更好、更快。但實(shí)際上摩爾定律已經(jīng)逐漸失去作用。

人們開始意識(shí)到制造芯片并不容易。半導(dǎo)體芯片短缺、臺(tái)積電和ASML受到地緣政治的影響，這提醒了大眾對(duì)于芯片的關(guān)注，也展示了芯片制造需要的科技。制造半導(dǎo)體將變得更加困難，需要更高的技術(shù)、更昂貴的價(jià)格。換一句話來說，半導(dǎo)體制造的戰(zhàn)場日益激烈。

為了保證在芯片短缺的時(shí)代能夠繼續(xù)運(yùn)營，芯片制造商將需要更大的規(guī)模、更多的人才和更多的資金。

這篇文章想要深入的研究推動(dòng)半導(dǎo)體制造成本上升的原因。

它將影響整個(gè)芯片領(lǐng)域，從最先進(jìn)的芯片到最基本的芯片。這種趨勢并不是最近才出現(xiàn)的，它一直在發(fā)生，但到了現(xiàn)在它開始加速。半導(dǎo)體價(jià)格的上漲會(huì)影響全球的所有人，并且這種通貨膨脹不是暫時(shí)的。

想要了解為什么現(xiàn)在半導(dǎo)體的成本會(huì)不斷上升，需要說到摩爾定律?，F(xiàn)在，半導(dǎo)體世界中已經(jīng)超越了晶體管能量縮放、頻率縮放的增長，并且開始在晶體管密度增加中達(dá)到多核縮放的終點(diǎn)。但比這些趨勢的終結(jié)更重要的是，成本擴(kuò)展已經(jīng)結(jié)束。雖然芯片制造商繼續(xù)通過新技術(shù)提高晶體管密度，但每一層都增加了成本。

ASML 在其投資者日發(fā)表了一項(xiàng)大膽的聲明，即摩爾定律將繼續(xù)進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)擴(kuò)展，另一個(gè)名稱是先進(jìn)封裝。但這些成本增加了制造更小晶體管的成本。

雖然先進(jìn)封裝將解決晶體管密度問題，但它并不會(huì)使芯片變得更便宜。事實(shí)上，自2010年代初以來，每美元的晶體管價(jià)格變得更加昂貴。

半導(dǎo)體領(lǐng)域內(nèi)不僅需要關(guān)注技術(shù)逆風(fēng)，還需要關(guān)注成本逆風(fēng)。摩爾定律的主要?dú)v史假設(shè)之一是晶體管不僅每兩年翻一番，而且晶體管的成本也會(huì)下降，28nm大約是2011-2012年的標(biāo)準(zhǔn)。

有趣的是，在 28nm 附近發(fā)生了質(zhì)的變化，因?yàn)樗亲詈蟮钠矫婀?jié)點(diǎn)之一。Planar 用簡單的語言來說是一個(gè)二維表面，而 FinFET在晶體管中引入了一個(gè)“鰭”向上突出，創(chuàng)建了 3D 結(jié)構(gòu)而不是 2D 結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在正處于另一個(gè)柵極轉(zhuǎn)換的邊緣——環(huán)柵極 (GAA)，它是一種更加 3D 密集型結(jié)構(gòu)。隨著轉(zhuǎn)向 GAA 或下一次門技術(shù)迭代，每 100m 門的成本增加將繼續(xù)增加，就像對(duì)平面 FinFET 所做的那樣。這是由于制造這些芯片的復(fù)雜性增加，即制造中增加的步驟數(shù)量。

不僅僅是這種轉(zhuǎn)變推高了成本。成熟制程芯片也開始變得更加昂貴。這里的關(guān)鍵不是技術(shù)而是經(jīng)濟(jì)，雖然成熟制程曾經(jīng)有充足的產(chǎn)能和同類產(chǎn)品，但現(xiàn)在它變得搶手。除非價(jià)格上漲，否則企業(yè)不愿意增加產(chǎn)能。這是另一個(gè)關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素，不僅在最先進(jìn)的芯片上，而且在較成熟的芯片上也是如此。

最后，不僅是成熟制程芯片和先進(jìn)制程芯片，半導(dǎo)體晶圓廠正在變得更加整合和更具戰(zhàn)略性。制造最先進(jìn)芯片的前沿確實(shí)沒有太多空間。這是半導(dǎo)體成本的第三個(gè)驅(qū)動(dòng)因素，即提供獨(dú)一無二產(chǎn)品的晶圓廠將不斷上漲的成本轉(zhuǎn)嫁給客戶。臺(tái)積電不是價(jià)格接受者，全世界都依賴它的產(chǎn)品。盡管成本不斷增加，但他們開始獲得更大的利潤。無晶圓廠公司別無選擇，只能付出更多。

這些主題中的每一個(gè)都值得深入探討。首先從第一個(gè)主題開始：制造芯片所需的設(shè)備。

 行業(yè)共識(shí)：半導(dǎo)體成本強(qiáng)度將上升 

財(cái)報(bào)季的普遍主題之一是制造半導(dǎo)體的設(shè)備成本較高。真正的警告是東京電子在其投資者日展示的這張幻燈片。

價(jià)格大幅度上漲是普遍現(xiàn)象，涉及 DRAM、NAND和邏輯芯片。鑒于今天 5nm 已投入生產(chǎn)，這不是預(yù)測，而是將繼續(xù)下去的趨勢。主要驅(qū)動(dòng)因素不僅是 EUV 等工具的成本上漲，而且制造芯片的步驟也在增加。下圖顯示了步數(shù)隨時(shí)間的增加。

不僅僅是東京電子表示會(huì)有更強(qiáng)的難度。在最近的財(cái)報(bào)季，臺(tái)積電、Lam Research、KLAC 和其他 Semicap 公司都表示研發(fā)芯片的難度正在上升。在其他條件相同的情況下，100K 晶圓的啟動(dòng)成本應(yīng)該會(huì)開始上升，每塊芯片處于低到中個(gè)位數(shù)的前沿。另一種看待這個(gè)問題的方法是從自上而下的角度。比較以百萬平方英寸 (MSI) 為單位的總出貨量，并將其與晶圓廠設(shè)備的增長進(jìn)行了比較。將此視為總產(chǎn)量與制造更多晶圓的支出。

在過去，新晶圓廠設(shè)備的支出低于 MSI 的擴(kuò)張速度，因?yàn)橘徺I的每臺(tái)設(shè)備都會(huì)提供更多產(chǎn)能。但實(shí)際上， WFE 和 MSI 的關(guān)系似乎在 2012 年左右的某個(gè)地方發(fā)生了翻轉(zhuǎn)。這與 28nm 節(jié)點(diǎn)或成本開始增加的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)不謀而合。也就是說，按照這個(gè)趨勢預(yù)期 WFE 的增長速度將超過歷史平均水平。

2012年-2020年，MSI年復(fù)合增長率3.6%，WFE年復(fù)合增長率8.0%。這大約是容量增加的兩倍。如果對(duì)半導(dǎo)體設(shè)備的需求繼續(xù)增加，那么 MSI 應(yīng)該會(huì)增長得更快，因此 WFE 的乘數(shù)會(huì)更高。與歷史速度相比，這是一個(gè)加速，推動(dòng)這一趨勢的是對(duì)半導(dǎo)體的需求和半導(dǎo)體領(lǐng)域面臨的技術(shù)逆風(fēng)。

實(shí)際上，有一個(gè)財(cái)報(bào)反復(fù)提及的趨勢，出人意料地合乎邏輯：成熟制程芯片成本更高。

 成熟芯片成本更高 

由于技術(shù)問題，不僅僅是最新、最快和最昂貴的芯片成本更高。最近的趨勢是成熟芯片開始推動(dòng)價(jià)格上漲。汽車半導(dǎo)體的變化正在推動(dòng)市場芯片的需求，不是最新的先進(jìn)制程芯片，而是歷史更久的成熟制程芯片。

關(guān)鍵的問題在于，成熟技術(shù)從未有過真正意義上的產(chǎn)能增加，而且大多數(shù)時(shí)候，隨著前沿技術(shù)的推進(jìn)，晶圓廠將成為“舊物”，晶圓廠設(shè)備將繼續(xù)使用和折舊。使用完全折舊的晶圓廠設(shè)備顯著降低了制造半導(dǎo)體的成本，尤其是在10多年之后。

這是定價(jià)的一個(gè)重要方面。在沒有太多增量資金的情況下維持晶圓廠，但仍在生產(chǎn)芯片，這就是隨著時(shí)間的推移大幅降低舊芯片價(jià)格的原因。通常晶圓廠甚至?xí)岣弋a(chǎn)量，從而進(jìn)一步降低成本。之前的預(yù)估中，因?yàn)榫A廠將完全折舊，2000年價(jià)值數(shù)百美元的尖端芯片，在2021年只需要花費(fèi)幾美分。

但現(xiàn)在發(fā)生了以前從未發(fā)生過的情況。從歷史上看，需求集中在先進(jìn)制程，但由于電動(dòng)汽車和物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)的飛速發(fā)展，目前對(duì)成熟制程芯片的需求急劇上升。因?yàn)檫@些應(yīng)用中大多數(shù)是使用更加成熟的技術(shù)，它們具有更好的產(chǎn)量、成本，更重要的是可靠性。即使需求激增，也沒有增加產(chǎn)能，這是很罕見的。

到目前，成熟制程仍然有充足的產(chǎn)能，為成熟制程增加容量是聞所未聞。如果晶圓廠以80%的速度運(yùn)行，則會(huì)認(rèn)為該晶圓廠被認(rèn)為是滿載運(yùn)營的，現(xiàn)在先進(jìn)的晶圓廠正在以100%的速度運(yùn)行。

需求增加而沒有增加供應(yīng)或是說沒有增加供應(yīng)的計(jì)劃，這是汽車半導(dǎo)體短缺的主要原因。大多數(shù)半導(dǎo)體公司和晶圓廠都癡迷于前沿領(lǐng)域，因?yàn)樗鼈兛梢垣@得更高的利潤。現(xiàn)在，企業(yè)開始意識(shí)到要保持成熟制程的優(yōu)勢。成熟制程芯片正在變得和先進(jìn)制程芯片一樣重要，為了增加產(chǎn)能，企業(yè)不得不再次開始加大投資。

在這種情況下存在明顯的定價(jià)問題。有了新的晶圓廠，一家公司就無法以之前完全折舊的晶圓廠所規(guī)定的價(jià)格出售落后的芯片來獲利。價(jià)格必須上漲。Silicon Lab 的 CEO 上個(gè)季度討論了這一變化。

“就成本增加和耐用性而言，我認(rèn)為我們正在進(jìn)入半導(dǎo)體行業(yè)的一個(gè)新階段，在摩爾定律的推動(dòng)下先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)變得越來越昂貴。過去，技術(shù)人員會(huì)搬出完全折舊的晶圓廠，但現(xiàn)在我們到了這樣一個(gè)階段，即先進(jìn)制程和成熟制程之間混合，這意味著這些晶圓廠沒有完全折舊。

因此，行業(yè)目前看到的成本增加的很大一部分是因?yàn)楸仨毻度腩~外的資本支出來跨節(jié)點(diǎn)擴(kuò)建新產(chǎn)能，不僅僅是在先進(jìn)制程節(jié)點(diǎn)上。

所以，我們在其他方面看到的成本增加。在半導(dǎo)體行業(yè)中有一個(gè)特殊的元素，就是時(shí)間。就行業(yè)成本結(jié)構(gòu)而言，隨著時(shí)間的推移，這是一個(gè)階梯函數(shù)。市場的需求、整個(gè)經(jīng)濟(jì)中電子產(chǎn)品含量的增加，以及新冠疫情的影響確實(shí)加速推動(dòng)了我們陷入供應(yīng)限制。我們會(huì)解決這個(gè)問題，但要解決這個(gè)問題需要大量的資本支出，而且必須得到平攤成本。這必須從我們的供應(yīng)商上游流向我們，流向我們的客戶，這就是你現(xiàn)在所看到的。”

有意思的是，并不是一家公司這樣表述。On Semi、恩智浦、美光和其他成熟制程的半導(dǎo)體公司都確定，因?yàn)槁浜蟮男枨蟾哂诠?yīng)，這種情況將持續(xù)下去。這對(duì)行業(yè)來說是一個(gè)全新的領(lǐng)域，不僅是對(duì)半導(dǎo)體戰(zhàn)略重要性的確認(rèn)，也是對(duì)廣泛需求的確認(rèn)。實(shí)際上只有一個(gè)解決方案：增加產(chǎn)能。但晶圓廠不確定他們能否在不提高價(jià)格的情況下通過增加晶圓廠的成熟制程產(chǎn)能來獲利。反過來，他們擔(dān)心對(duì)這些新增的成熟制程芯片的需求。

這是一個(gè)僵局。晶圓廠和半導(dǎo)體公司不確定這是否會(huì)持續(xù)下去，但汽車原始設(shè)備制造商等似乎有永不滿足的需求。對(duì)于晶圓廠來說，很難在一年內(nèi)改變你的行為，以對(duì)抗持續(xù)數(shù)十年的趨勢。更難的是經(jīng)歷那些艱難的變化并期望客戶接受更高的價(jià)格。UMC 在其 2021 年第二季度的業(yè)績發(fā)布會(huì)議中說得很好：

“但是對(duì)于任何新建的容量擴(kuò)展，對(duì)于成熟的節(jié)點(diǎn)，您都在與完全折舊的容量競爭。除非需求對(duì)客戶非常重要，但經(jīng)濟(jì)性保持不變，則很難獲得合理的投資回報(bào)率。重要的是，如果客戶愿意與我們一起面對(duì)這些挑戰(zhàn)，我們一定會(huì)探索這些機(jī)會(huì)?！?/em>

換句話來說，要么給錢要么繼續(xù)短缺，鑒于交貨時(shí)間并沒有真正改善，最后的結(jié)果將是少量支付。這里必須有某種妥協(xié)，現(xiàn)在它以不可取消、不可退貨的訂單 (NCNR) 的形式出現(xiàn)。除非客戶真正承諾無法取消或退貨的訂單，否則晶圓廠不會(huì)擴(kuò)大產(chǎn)能。不確定有多少雙重訂購，但 NCNR 是對(duì)增加長期需求的堅(jiān)定承諾。 

雖然隨著時(shí)間的推移，產(chǎn)能的增加最終應(yīng)該會(huì)緩和價(jià)格上漲，但這將需要數(shù)年時(shí)間，尤其是如果汽車和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的需求持續(xù)存在的話。雖然價(jià)格不會(huì)在落后的情況下永遠(yuǎn)上漲，但實(shí)際歷史價(jià)格的下跌也不會(huì)像以前那么大。

 臺(tái)積電沒有降價(jià)  

領(lǐng)先產(chǎn)品的工具價(jià)格正在上漲，這應(yīng)該會(huì)損害臺(tái)積電和其他領(lǐng)先晶圓廠的利潤率。雖然英特爾在收縮毛利潤，但這是公司投入特定資產(chǎn)趕上臺(tái)積電而出現(xiàn)的情況。對(duì)于臺(tái)積電來說，情況恰恰相反。臺(tái)積電相信它可以通過更小的節(jié)點(diǎn)來提高利潤率。該公司在業(yè)績發(fā)布會(huì)上多次重申這一點(diǎn)，鑒于臺(tái)積電暫無同類產(chǎn)品，較高的毛利率是非常合理的?，F(xiàn)實(shí)情況是，臺(tái)積電不是價(jià)格接受者，而是價(jià)格制定者。主要原因：它掌握了所有前沿制造業(yè)。

2019年全球100%的10nm以下邏輯芯片是臺(tái)積電制造的。三星很可能已經(jīng)趕上了，但就領(lǐng)先優(yōu)勢而言，依舊是臺(tái)積電領(lǐng)先。鑒于臺(tái)積電的制造能力集中，客戶真的別無選擇。如果一家無晶圓廠公司想以更高的利潤銷售其最新最好的芯片，他們必須去臺(tái)積電。與此同時(shí)，臺(tái)積電的毛利率多年來一直在緩慢上升。

盡管資本支出大幅增加并流向折舊銷售的商品成本，但它們的毛利率仍然很高，公司相信它將保持這種狀態(tài)。

鑒于其絕對(duì)驚人的直接資本支出，臺(tái)積電在最近一次電話會(huì)議上這樣說：

“盡管我們?yōu)樾袠I(yè)承擔(dān)了更大的投資負(fù)擔(dān)，但通過采取這樣的行動(dòng)，我們相信我們可以獲得適當(dāng)?shù)幕貓?bào)，使我們能夠投資支持客戶的增長并實(shí)現(xiàn) 50% 或更高的長期盈利增長我們股東的毛利率?！?/em>

目前，為了承擔(dān)更高的資本支出負(fù)擔(dān)，該公司正在有目的的分?jǐn)們r(jià)格。它最近將芯片價(jià)格提高了 20%，如果制造先進(jìn)半導(dǎo)體的持續(xù)成本持續(xù)下去，它將會(huì)繼續(xù)提高價(jià)格。在情況發(fā)生變化之前，全球競爭不會(huì)有什么變化。如果三星和英特爾在代工業(yè)務(wù)上齊心協(xié)力，也許他們會(huì)愿意降低毛利率，但在此之前，半導(dǎo)體領(lǐng)域的是臺(tái)積電的世界。在資本成本上升的情況下，這將提高價(jià)格。

 半導(dǎo)體的價(jià)格正在上漲，而且不是暫時(shí)的   

這些因素中的每一個(gè)都將成為價(jià)格上漲的順風(fēng)?？傊?，可以肯定的是，價(jià)格將不斷上漲。在更高技術(shù)的設(shè)備、更多步驟以及摩爾定律的經(jīng)濟(jì)效益下降、產(chǎn)能滯后的種種問題影響下，半導(dǎo)體的成本正在上升。

在某些地方，價(jià)格上漲將繼續(xù)存在。半導(dǎo)體是一個(gè)價(jià)值約 5300 億美元的產(chǎn)業(yè)，占全球 GDP 的一半。

日常的需求沒有絲毫放緩，更高的需求來自數(shù)量最多的垂直領(lǐng)域，PC、移動(dòng)、數(shù)據(jù)中心、汽車和物聯(lián)網(wǎng)都是一個(gè)可靠且不斷增長的終端市場。某些應(yīng)用程序未來的計(jì)算密集度更高，例如機(jī)器學(xué)習(xí)。隨著軟件逐漸占據(jù)未來全部的生活，硅已經(jīng)如同每日都需要的糧食一樣，隨處可見。這一切都在摩爾定律戛然而止之際發(fā)生。

簡單來說：更高的需求 + 更低的供應(yīng)改善 = 價(jià)格上漲。