一座 2nm 晶圓廠(chǎng)，280 億美元

據咨詢(xún)公司 IBS 稱(chēng)，一座 2 納米半導體制造工廠(chǎng)每月可生產(chǎn) 50,000 片晶圓（WSPM），成本約為 280 億美元。這比 3nm 晶圓廠(chǎng)的成本高出 80 億美元，這只是隨著(zhù)行業(yè)轉向下一代芯片，企業(yè)預計成本將呈指數級增長(cháng)的一個(gè)例證。

IBS 表示，準確地說(shuō)，與 3nm 處理器相比，2nm 芯片成本將上漲約 50%，這意味著(zhù)蘋(píng)果等公司在未來(lái)幾年推出臺積電 N2 制造工藝時(shí)，將不得不花費 3 萬(wàn)美元來(lái)處理單個(gè) 300mm 晶圓。不過(guò)，這些數字可能還有一些回旋余地，有可能降低這些芯片的預期高成本。

事實(shí)上，半導體公司可以采取多種方法，并在預建、施工和運營(yíng)階段做出一系列設計決策，這些決策將極大地改變晶圓廠(chǎng)的最終成本。

可以肯定的是，芯片開(kāi)發(fā)的成本是不容小覷的。IBS 數據顯示，僅軟件開(kāi)發(fā)一項就占 3.14 億美元，驗證又占 1.54 億美元。此外，2nm 節點(diǎn)的芯片設計需要專(zhuān)門(mén)人才，而這種人才供不應求。此外，光刻技術(shù)的使用也有所增加，這是一種在芯片表面創(chuàng )建圖案的工藝。

芯片上的特征越小，光刻工藝需要越精確，從而提高了工藝中使用的設備和材料的成本。那座 2 納米晶圓廠(chǎng)的投資額將達到 280 億美元？造成 80 億美元成本差異的原因是維持 50,000 片晶圓產(chǎn)能所需的 EUV 光刻工具數量的增加。

就連 IBS 也承認，這些數字和芯片設計不斷發(fā)展的格局背后存在細微差別。據估計，一家公司從頭開(kāi)始構建大型 2 納米芯片可能需要花費 7.25 億美元。但這是由一家沒(méi)有預先存在知識產(chǎn)權的公司進(jìn)行的，而現實(shí)情況是許多半導體公司，尤其是初創(chuàng )公司，都追求更有效的戰略。

IBS 還指出，支持 AI 的 EDA 工具在芯片設計、通過(guò)自動(dòng)化復雜設計流程和優(yōu)化芯片性能來(lái)簡(jiǎn)化流程和降低成本方面的作用變得越來(lái)越重要

建造一座晶圓廠(chǎng)需要多少錢(qián)？

近年來(lái)，半導體工廠(chǎng)變得越來(lái)越復雜，建設成本也越來(lái)越高。但激勵和支持的正確結合可以幫助公司降低成本。

一方面，晶圓廠(chǎng)的建設和運營(yíng)成本大幅上升。另一方面，雖然世界多個(gè)地區的政府激勵政策仍在不斷演變，但新的、更積極的財政支持計劃對于使這些大規模資本密集型項目的經(jīng)濟可行性至關(guān)重要。

衡量晶圓廠(chǎng)的成本

為了分析今天的晶圓廠(chǎng)經(jīng)濟性，我們探索了一個(gè)先進(jìn)邏輯的前端制造工廠(chǎng)——一個(gè)新建的下一代晶圓廠(chǎng)，可以在 300 毫米晶圓尺寸上制造 2nm 到亞 2nm 節點(diǎn)。初始生產(chǎn)計劃于 2026 年進(jìn)行。到那時(shí)，我們預計大多數公司將經(jīng)歷兩項重大的工藝技術(shù)進(jìn)步：首先，芯片上單個(gè)功能和晶體管的制造方式發(fā)生轉變；從鰭式場(chǎng)效應晶體管（FinFET）到環(huán)柵（GAA）器件結構，改進(jìn)工作已經(jīng)在進(jìn)行中，以提高效率和速度。其次，引入高數值孔徑（high-NA）極紫外光刻（EUVL），這對于繼續減小工藝特征尺寸至關(guān)重要節點(diǎn)。

從成本角度來(lái)看，未來(lái)新建晶圓廠(chǎng)的破土動(dòng)工無(wú)論是前期支出還是持續支出都將比幾年前更加昂貴。

從前期成本來(lái)看，由于生產(chǎn)下一代節點(diǎn)需要更先進(jìn)的工具，設備支出將會(huì )激增。建設支出也會(huì )增加，因為需要更多的空間和更大的建筑物來(lái)容納額外的設備并維持更多和更復雜的晶圓層的必要生產(chǎn)量。

在設備類(lèi)別中，新型 EUVL 機器將是實(shí)現亞 2nm 節點(diǎn)的關(guān)鍵，并計劃在 2025 年左右進(jìn)行規?；a(chǎn)，預計成本約為今天 1.5 億美元以上機器的兩倍。節點(diǎn)的進(jìn)步將影響晶圓廠(chǎng)中的其他工藝工具，如用于蝕刻、沉積和平坦化的工具，這些工具都需要改進(jìn)，以滿(mǎn)足較小特征尺寸的性能需求。

從歷史上看，我們已經(jīng)看到了 5% 至 15% 的掩模層的總數增加，因此在從一個(gè)主要節點(diǎn)推進(jìn)到下一個(gè)所涉及的工藝步驟的數量上升。我們預計，這種成本增長(cháng)趨勢將在未來(lái)幾年繼續下去，并有助于需要更多的工具，更大的潔凈室，以容納額外的工具，額外和更嚴格的建筑和施工標準，以支撐更大的晶圓廠(chǎng)規模，以及更多的子晶圓廠(chǎng)和相關(guān)的基礎設施，以支持他們。

隨著(zhù)監管機構和芯片制造商致力于提高可持續性，預計會(huì )出現額外的成本驅動(dòng)因素。為了滿(mǎn)足更高的可持續發(fā)展基準，新工廠(chǎng)將需要更多地使用可再生能源、水回收和工藝氣體減排系統。

此外，近年來(lái)通貨膨脹全面上升，特別是在建筑業(yè)。例如，自 2021 年以來(lái)，美國建筑價(jià)格的復合年增長(cháng)率（CAGR）上漲了 6%，材料成本的復合年增長(cháng)率（CAGR）飆升了 25%。建設新的和改進(jìn)的晶圓廠(chǎng)需要許多高度專(zhuān)業(yè)化的能力，例如滿(mǎn)足微污染規范的復雜氣體輸送系統。世界上任何地方都很少有公司有能力以適當的質(zhì)量規格水平提供這些服務(wù)。

我們估計，與更廣泛的通貨膨脹水平相比，晶圓廠(chǎng)建設成本的通貨膨脹將繼續保持高位，主要是因為近年來(lái)在許多地區，如美國和歐洲部分地區，沒(méi)有持續的新晶圓廠(chǎng)建設量，有一個(gè)有限的人才和專(zhuān)業(yè)知識，以支持這種高度專(zhuān)業(yè)化的建設計劃。

一旦晶圓廠(chǎng)投入運營(yíng)，某些領(lǐng)域的成本增加將會(huì )明顯感受到。例如，晶圓生產(chǎn)中的附加層和工藝步驟將需要更多的材料。這些材料必須比當今的材料具有更高的質(zhì)量和更先進(jìn)，以支持技術(shù)上更復雜的制造。一個(gè)例子是能夠實(shí)現高數值孔徑 EUVL 所需的超薄膜的光刻膠材料。

運營(yíng)勞動(dòng)力成本預計將相對穩定。領(lǐng)先的晶圓廠(chǎng)實(shí)現了廣泛的自動(dòng)化，因為與人工干預相比，這種方法不太可能在生產(chǎn)過(guò)程中引入污染物或缺陷。因此，員工規模和職責（主要是工程、技術(shù)和運營(yíng)職能）不需要大幅改變。

然而，維護成本預計將繼續上升，因為先進(jìn)晶圓廠(chǎng)中更復雜、更昂貴的設備將需要越來(lái)越熟練的維護和昂貴的維修零部件。

公用事業(yè)支出也將受到重大影響。我們預計水、電和天然氣的增長(cháng)將超出通貨膨脹，這與更多的流程步驟和層次相一致：更多的步驟，更多的消耗。盡管我們看到設備制造商在開(kāi)發(fā)資源效率更高的芯片制造工具方面不斷取得進(jìn)展，但他們的首要任務(wù)仍然是晶圓廠(chǎng)的生產(chǎn)性能，即吞吐量、關(guān)鍵尺寸、產(chǎn)量和可靠性。

根據晶圓廠(chǎng)的建設地點(diǎn)，當地因素也可能影響最終成本。其中包括附近的供應商集群和來(lái)自設備提供商的技術(shù)人員，所有這些都可能改變物流和晶圓廠(chǎng)維護成本。此外，特定地區可能提供的員工便利設施，例如娛樂(lè )設施、自助餐廳和食品補貼，可能會(huì )影響運營(yíng)預算。此外，當地勞動(dòng)法規（例如限制輪班時(shí)間）可能會(huì )增加員工的管理費用。世界各地和某些地方的電價(jià)也存在很大差異，這可以對晶圓廠(chǎng)的經(jīng)濟產(chǎn)生重大影響。

稅收也是當地的一個(gè)考慮因素。例如，美國已經(jīng)有一定程度半導體產(chǎn)業(yè)存在的州（如紐約州、得克薩斯州、亞利桑那州、俄亥俄州和加利福尼亞州）的州稅和地方稅在 4% 到 7% 之間，占比在 1% 到 3% 之間。世界其他地區的地方稅收結構可能有很大不同，這可能會(huì )影響項目的總體成本估算。

每個(gè)晶圓廠(chǎng)都是獨一無(wú)二的

這些成本類(lèi)別是衡量晶圓廠(chǎng)經(jīng)濟效益的起點(diǎn)，但它們是可以替代的。沒(méi)有兩個(gè)晶圓廠(chǎng)是相同的。事實(shí)上，半導體公司可以采取多種方法，并在預建、施工和運營(yíng)階段做出一系列設計決策，這些決策將極大地改變晶圓廠(chǎng)的最終成本。

半導體公司可以采取多種方法，并做出一系列設計決策，這些決策將極大地改變晶圓廠(chǎng)的最終成本。

一般來(lái)說(shuō)，公司的戰略重點(diǎn)和經(jīng)驗將顯著(zhù)影響半導體工廠(chǎng)的預算。一些公司的商業(yè)模式以高晶圓廠(chǎng)利用率和大批量產(chǎn)能為目標；有些人可能會(huì )專(zhuān)注于按時(shí)交貨，還有一些人可能會(huì )尋求更高利潤率的產(chǎn)品，甚至不惜犧牲產(chǎn)能利用率。這些選項中的每一個(gè)都具有明顯不同的尺寸、設備、工具和技術(shù)成本。此外，對于晶圓廠(chǎng)設計和開(kāi)發(fā)并不陌生的公司可能會(huì )受益于他們隨著(zhù)時(shí)間的推移獲得的專(zhuān)業(yè)知識和現有資源（包括專(zhuān)業(yè)勞動(dòng)力和供應鏈合作伙伴）。

雖然所有這些決策都至關(guān)重要，并且可能對晶圓廠(chǎng)成本和性能產(chǎn)生重大影響，但我們研究中的另一件事很突出：由擁有經(jīng)驗豐富的專(zhuān)業(yè)勞動(dòng)力和合作伙伴的成熟半導體制造公司建造的晶圓廠(chǎng)可能會(huì )產(chǎn)生最好的產(chǎn)品結果。從過(guò)去的晶圓廠(chǎng)建設中獲得的經(jīng)驗，無(wú)論是通過(guò)內部能力還是強大的合作伙伴關(guān)系，都可以加快建設速度并降低成本。相比之下，由新玩家或被獨特或不熟悉的環(huán)境包圍的項目（例如，在世界另一個(gè)地區建造第一個(gè)主要設施）缺乏同樣的優(yōu)勢。

有時(shí)，公司可能會(huì )發(fā)現他們還需要考慮意外成本。例如，如上所述，晶圓廠(chǎng)建設所需的工人和專(zhuān)業(yè)人員都是高度專(zhuān)業(yè)化的。公司可能會(huì )發(fā)現，在其晶圓廠(chǎng)附近區域沒(méi)有足夠數量的工人，因此必須承擔額外費用來(lái)支持這些專(zhuān)家從其他地區的重新安置。

假設晶圓廠(chǎng)的成本

考慮到主要成本驅動(dòng)因素和基本假設，我們得出的結論是，2026 年建成的晶圓廠(chǎng)的 10 年總擁有成本將達到 350 億美元至 430 億美元，比當今的成本高出 33% 至 66%。

正如所討論的，推動(dòng)這種增長(cháng)的最關(guān)鍵因素是，首先，工藝復雜性不斷升級，例如掩模層的增加和制造步驟的增加，其次是下一代晶圓廠(chǎng)技術(shù)（主要是高數值孔徑）的采用率加快 EUVL。通貨膨脹還將推高建筑及相關(guān)成本。值得注意的是，我們得出的廣泛 TCO 范圍對任何這些成本因素的變化都極其敏感；例如，如果通貨膨脹率最終達到 2.6% 而不是 4%，那么 2026 年建造晶圓廠(chǎng)的成本可能會(huì )降至 370 億美元。