急劇上升的芯片成本

半導體行業(yè)正在悄然發(fā)生劇變。一直統治著(zhù)這個(gè)行業(yè)的規則正在瓦解，這打破了我們認為理所當然的假設，這些假設是在學(xué)校里灌輸給我們的。例如無(wú)可指責的摩爾定律，即隨著(zhù)時(shí)間的推移，指數級的進(jìn)步將使芯片變得更便宜、更好、更快。但摩爾定律事實(shí)上已經(jīng)死了。

人們開(kāi)始意識到制造芯片并不容易。芯片短缺與臺積電和ASML受到地緣政治的影響，喚醒了大眾的想象力，凸顯了芯片制造的科幻般的過(guò)程。前面的道路有很多障礙，但并未得到廣泛認可。制造半導體將變得更加困難、昂貴和技術(shù)含量更高。換句話(huà)說(shuō)，挑戰將加速。

要在未來(lái)運營(yíng)，芯片制造商將需要更大的規模、更多的人才和更多的資金。這影響了整個(gè)芯片范圍——從最先進(jìn)的芯片到最基本的芯片。這種趨勢并不新鮮，因為它已經(jīng)在發(fā)生了，但我相信現在它會(huì )開(kāi)始加速。價(jià)格上漲可能會(huì )影響地球上的每個(gè)人。這種通貨膨脹成本不是暫時(shí)的。

要了解我們是如何走到這里的，我想首先讓您了解摩爾定律的消亡。我們過(guò)去幾年的發(fā)展已經(jīng)超過(guò)了晶體管性能縮放和頻率縮放的增長(cháng)，并且我們開(kāi)始在晶體管密度增加方面達到了多核縮放的終點(diǎn)。但比這些趨勢的終結更重要的是，成本縮放已經(jīng)結束。雖然我們通過(guò)新技術(shù)不斷提高晶體管密度，但每一層都會(huì )增加額外的成本。

ASML 在其投資者日大膽聲明，摩爾定律將繼續進(jìn)行系統級擴展。這種說(shuō)法的另一個(gè)名稱(chēng)是高級封裝。但是，這些成本與制造更小晶體管的成本已經(jīng)不斷上升是相加的。

雖然我相信先進(jìn)封裝將解決晶體管密度問(wèn)題，但我不相信它會(huì )使芯片更便宜。事實(shí)上，自 2010 年代初以來(lái)，每美元的晶體管變得更加昂貴。

我不僅要關(guān)注技術(shù)逆風(fēng)，還要關(guān)注成本逆風(fēng)。

摩爾定律的主要歷史假設之一是，不僅你的晶體管每?jì)赡攴环?，而且晶體管的成本會(huì )下降。不再。下圖來(lái)自 Marvell 的 2020 年投資者日。28nm 的標準大約是 2011-2012 年。

有趣的是，在 28nm 附近發(fā)生了質(zhì)的變化，因為它是最后的平面節點(diǎn)之一。Planar 通俗地說(shuō)就是二維表面（平面），而 FinFET——取代平面的技術(shù)——在晶體管中引入了一個(gè)“鰭”向上突出，創(chuàng )造了一個(gè) 3D 結構而不是 2D 結構。我們現在正處于向另一個(gè)柵極（GAA）過(guò)渡的邊緣，這是一種更加 3D 密集型的結構。我們轉向 GAA 或柵極技術(shù)的下一次迭代，我相信每 100m 柵極的成本增加將繼續增加，就像它們在平面上的 FinFET 一樣。這是由制造這些芯片的復雜性增加所驅動(dòng)的——即制造步驟的增加。

推高成本的不僅僅是這種轉變。落后的芯片——舊芯片——也開(kāi)始變得更加昂貴。這里的故事不是技術(shù)上的，而是經(jīng)濟上的，曾經(jīng)有充足的產(chǎn)能和類(lèi)似商品的回報的東西開(kāi)始變得搶手。除非隨后的價(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)鍵驅動(dòng)因素，不僅在最先進(jìn)的芯片上，而且在較舊的芯片上也是如此。

最后，不僅是舊芯片和新芯片，制造芯片的公司（半導體工廠(chǎng)）也變得更加整合和更具戰略性。在制造最先進(jìn)芯片的前沿確實(shí)沒(méi)有太多空間。這是半導體成本的第三個(gè)驅動(dòng)因素，即提供獨一無(wú)二的產(chǎn)品的晶圓廠(chǎng)將其不斷上漲的成本轉嫁給客戶(hù)。臺積電不是價(jià)格接受者，全世界都依賴(lài)它的產(chǎn)品。盡管成本增加，但他們開(kāi)始獲取更大的利潤。無(wú)晶圓廠(chǎng)公司別無(wú)選擇，只能支付更多。

這些主題中的每一個(gè)都值得深入探討。我將首先從我最喜歡的主題開(kāi)始：Semicap – 或制造芯片所需的工具。

行業(yè)共識：半導體成本強度將上升
本財報季的普遍主題之一是制造半導體的工具成本較高。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)格的大幅上漲是廣泛的，這涉及 DRAM、NAND 和邏輯生產(chǎn)。鑒于今天 5nm 已投入生產(chǎn)，這不是預測，而是一種將繼續的趨勢。主要驅動(dòng)因素不僅是 EUV 等工具的成本上升，而且制造芯片的步驟數量也在增加。下圖顯示了芯片生產(chǎn)step隨時(shí)間增加的情況。


不僅僅是東京電子公司單獨呼吁更高的強度。在最近的財報季，臺積電、Lam Research、KLAC 和其他 Semicap 公司都呼吁強度不斷上升。我認為在其他條件相同的情況下，10 萬(wàn)片晶圓的成本應該開(kāi)始上升，處于領(lǐng)先地位的每個(gè)芯片的中低個(gè)位數。另一種看待這個(gè)問(wèn)題的方法是從自上而下的角度。我比較了百萬(wàn)平方英寸 (MSI) 的總出貨量，并將其與晶圓廠(chǎng)設備的增長(cháng)進(jìn)行了比較。將此視為總產(chǎn)量造更多晶圓的支出。
過(guò)去的情況是新晶圓廠(chǎng)設備上的支出跟不上 MSI 的擴張速度，因為購買(mǎi)的每個(gè)工具都會(huì )提供更多的產(chǎn)能。我想強調的是，如果你瞇著(zhù)眼睛，你會(huì )發(fā)現 WFE 和 MSI 的關(guān)系似乎在 2012 年左右發(fā)生了翻轉。這與 28nm 節點(diǎn)或成本開(kāi)始增加的關(guān)鍵節點(diǎn)不謀而合。展望未來(lái)，我認為我們應該期望 WFE 的增長(cháng)速度快于歷史平均水平。
2012年至2020年，MSI以3.6%的復合年增長(cháng)率增長(cháng)，WFE以8.0%的復合年增長(cháng)率增長(cháng)。這大約是產(chǎn)能增加的兩倍。如果對半導體器件的需求繼續增加，那么 MSI 應該增長(cháng)得更快，因此 WFE 的乘數應該更高。我不確定 WFE 的關(guān)系是否保持 MSI 增長(cháng)的 2 倍，但它應該是一個(gè)更高的乘數——比如 1.5x-2x MSI。與其歷史速度相比，這是加速，而推動(dòng)半導體需求的則是我們面臨的技術(shù)逆風(fēng)。
我現在想轉向另一個(gè)在上個(gè)財報季反復提及的趨勢，坦率地說(shuō)，這讓我感到驚訝，但又出人意料地合乎邏輯：舊芯片更貴。
舊芯片成本更高
不僅僅是最新、最快、最昂貴的芯片因為技術(shù)問(wèn)題而成本更高。最近最有趣的趨勢是，舊芯片開(kāi)始推動(dòng)價(jià)格上漲。汽車(chē)半導體最近的變化正在推動(dòng)需求，不是對最新和最偉大的技術(shù)，而是對更老和更成熟的技術(shù)。問(wèn)題在于，舊技術(shù)從來(lái)沒(méi)有增加過(guò)有意義的產(chǎn)能，而且大多數時(shí)候，隨著(zhù)前沿技術(shù)的推進(jìn)，晶圓廠(chǎng)只會(huì )成為“二手設備”，而晶圓廠(chǎng)設備將繼續使用和折舊。使用完全折舊的晶圓廠(chǎng)設備顯著(zhù)降低了制造半導體的成本，尤其是在 10 多年之后。
這是定價(jià)的一個(gè)重要方面。晶圓廠(chǎng)在沒(méi)有太多增量資金的情況下維持，但仍在生產(chǎn)芯片，這是隨著(zhù)時(shí)間的推移大幅降低舊芯片價(jià)格的原因。通常甚至會(huì )提高產(chǎn)量，從而進(jìn)一步降低成本。一種想法是，2000 年成本數百美元的領(lǐng)先芯片到 2021 年將花費幾美分，因為晶圓廠(chǎng)將完全折舊。
但是這有一個(gè)問(wèn)題。我們遇到了以前從未發(fā)生過(guò)的情況。從歷史上看，需求集中在前沿。今天，我們也要求處于落后的邊緣。事實(shí)上，對舊芯片的需求開(kāi)始急劇上升。這是由汽車(chē)和物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)驅動(dòng)的，因為這些應用程序中的大多數是更老、更成熟的技術(shù)，它們具有更好的產(chǎn)量、成本和重要的可靠性。即使需求激增，也沒(méi)有增加容量。添加到落后生產(chǎn)中的情況非常罕見(jiàn)。
直到最近，落后的技術(shù)仍有充足的產(chǎn)能需求。在落后的產(chǎn)能增加產(chǎn)能更是聞所未聞的。如果晶圓廠(chǎng)以 80% 的速度運行，則它被視為“已滿(mǎn)”?，F在，落后技術(shù)的晶圓廠(chǎng)運行率接近 100%。有些事情必須改變。

這是汽車(chē)半導體短缺的驅動(dòng)因素之一：更高的需求和沒(méi)有供應或沒(méi)有增加供應的動(dòng)機。大多數半導體公司和晶圓廠(chǎng)都癡迷于領(lǐng)先優(yōu)勢，因為它們可以獲得更高的利潤?，F在，公司正在覺(jué)醒以保持落后的優(yōu)勢?！芭f”芯片正變得與新芯片一樣重要，為了增加產(chǎn)能，公司不得不再次開(kāi)始大量增資。
在這種情況下存在明顯的定價(jià)問(wèn)題。對于新的晶圓廠(chǎng)，公司無(wú)法以之前完全折舊的晶圓廠(chǎng)規定的價(jià)格銷(xiāo)售落后芯片來(lái)獲利。價(jià)格必須上漲。Silicon Lab 的首席執行官上個(gè)季度討論了這種動(dòng)態(tài)：??
“就成本增加和耐用性而言，我認為我們正在進(jìn)入半導體行業(yè)的一個(gè)新階段，我們已經(jīng)有了摩爾定律和先進(jìn)的節點(diǎn)變得越來(lái)越昂貴，你已經(jīng)有了現在主流技術(shù)全面。過(guò)去，數字技術(shù)人員會(huì )搬出，而 N 減 1、N 減 2、N 減 3 節點(diǎn)將是完全折舊的晶圓廠(chǎng)，您將搬入。我們現在已經(jīng)到了這樣一個(gè)階段，即先進(jìn)與主流之間的混合、比例正在導致臺積電和其他晶圓廠(chǎng)建立新的主流技術(shù)，這意味著(zhù)這些晶圓廠(chǎng)并沒(méi)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為必須投入額外的資本支出來(lái)跨節點(diǎn)擴建新產(chǎn)能，不僅僅是在高級節點(diǎn)，而且是跨。
所以，如果你看看我們在其他方面看到的成本增加——它在整個(gè)行業(yè)中，有一個(gè)特定的元素，隨著(zhù)時(shí)間的推移是持久的。因此，就行業(yè)的成本結構而言，這是一個(gè)階梯函數，以匹配我們所看到的需求以及整個(gè)經(jīng)濟中電子產(chǎn)品不斷增加的內容以及我們在大流行中看到的需求加速。這推動(dòng)我們進(jìn)入供應限制。我們會(huì )解決這個(gè)問(wèn)題，但是解決這個(gè)問(wèn)題需要大量的資本支出，而這必須得到補償。這必須從我們的供應商上游流向我們，流向我們的客戶(hù)，這就是您現在所看到的。”
其實(shí)上，不僅一家公司說(shuō)了這件事。這種說(shuō)法獲得了On Semi，恩智浦半導體、Microchip 和其他“主流”或落后半導體公司肯定，這種情況將繼續下去，因為落后工藝的需求高于供應。這對行業(yè)來(lái)說(shuō)是全新的領(lǐng)域，不僅是對半導體戰略重要性的肯定，也是對廣泛需求的肯定。實(shí)際上只有一種解決方案——增加產(chǎn)能——但晶圓廠(chǎng)不確定他們能否在不提高價(jià)格的情況下增加未開(kāi)發(fā)的落后優(yōu)勢來(lái)獲利。反過(guò)來(lái)，他們擔心對這些“新”落后芯片的需求。
這是一個(gè)僵局。晶圓廠(chǎng)和半導體公司不確定這種情況會(huì )持續多久，但汽車(chē)原始設備制造商等似乎有永不滿(mǎn)足的需求。對于晶圓廠(chǎng)來(lái)說(shuō)，很難在一年之內改變自己的行為來(lái)對抗持續了幾十年的趨勢。更難的是經(jīng)歷這些艱難的變化并期望客戶(hù)接受更高的價(jià)格。聯(lián)電在其 2021 年第二季度的電話(huà)會(huì )議中說(shuō)得很好：
“但是對于任何新建產(chǎn)能擴展，對于成熟節點(diǎn)，您都在與完全折舊的產(chǎn)能競爭——最有可能的是，您將與完全折舊的產(chǎn)能競爭。除非需求對客戶(hù)非常重要，但經(jīng)濟性 - 如果經(jīng)濟性保持不變，則很難獲得合理的投資回報率。但是，如果客戶(hù)愿意與我們一起面對這些挑戰，我們一定會(huì )去探索這些機會(huì )?！?/span>
換句話(huà)說(shuō)，支付或繼續短缺?？紤]到交貨時(shí)間并沒(méi)有真正改善，我認為結果是略微支付。這里必須有某種妥協(xié)，現在它以不可取消、不可退貨的訂單 (NCNR) 的形式出現。除非他們的客戶(hù)真正承諾無(wú)法取消或退回的訂單，否則晶圓廠(chǎng)不會(huì )擴大產(chǎn)能。因為他們不確定發(fā)生了多少雙重訂購，但 NCNR 是增加長(cháng)期需求的非常堅定的承諾。?
雖然隨著(zhù)時(shí)間的推移，產(chǎn)能的增加最終會(huì )平息價(jià)格上漲，但這將需要數年時(shí)間，尤其是在汽車(chē)和物聯(lián)網(wǎng)設備的需求持續增長(cháng)的情況下。我不認為價(jià)格會(huì )永遠處于滯后狀態(tài)，但我認為我們應該預期歷史價(jià)格下跌的關(guān)系不會(huì )像過(guò)去那樣大。最后，留給我的是 800 磅重的大猩猩——臺積電。

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