半導體成本正在不斷上漲

來(lái)源：本文由半導體產(chǎn)業(yè)縱橫編譯自Fabricated Knowledge

半導體行業(yè)正在悄然發(fā)生巨變。一些理所應當的規則正在瓦解，打破了先前的假設。例如，一直精準預測未來(lái)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。但實(shí)際上摩爾定律已經(jīng)逐漸失去作用。

人們開(kāi)始意識到制造芯片并不容易。半導體芯片短缺、臺積電和ASML受到地緣政治的影響，這提醒了大眾對于芯片的關(guān)注，也展示了芯片制造需要的科技。制造半導體將變得更加困難，需要更高的技術(shù)、更昂貴的價(jià)格。換一句話(huà)來(lái)說(shuō)，半導體制造的戰場(chǎng)日益激烈。

為了保證在芯片短缺的時(shí)代能夠繼續運營(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。

這篇文章想要深入的研究推動(dòng)半導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的，它一直在發(fā)生，但到了現在它開(kāi)始加速。半導體價(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。

想要了解為什么現在半導體的成本會(huì )不斷上升，需要說(shuō)到摩爾定律?，F在，半導體世界中已經(jīng)超越了晶體管能量縮放、頻率縮放的增長(cháng)，并且開(kāi)始在晶體管密度增加中達到多核縮放的終點(diǎn)。但比這些趨勢的終結更重要的是，成本擴展已經(jīng)結束。雖然芯片制造商繼續通過(guò)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)表了一項大膽的聲明，即摩爾定律將繼續進(jìn)行系統級擴展，另一個(gè)名稱(chēng)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(wèn)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(lái)，每美元的晶體管價(jià)格變得更加昂貴。

半導體領(lǐng)域內不僅需要關(guān)注技術(shù)逆風(fēng)，還需要關(guān)注成本逆風(fēng)。摩爾定律的主要歷史假設之一是晶體管不僅每?jì)赡攴环?，而且晶體管的成本也會(huì )下降，28nm大約是2011-2012年的標準。

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 用簡(jiǎn)單的語(yǔ)言來(lái)說(shuō)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 結構而不是 2D 結構?，F在正處于另一個(gè)柵極轉換的邊緣——環(huán)柵極 (GAA)，它是一種更加 3D 密集型結構。隨著(zhù)轉向 GAA 或下一次門(mén)技術(shù)迭代，每 100m 門(mén)的成本增加將繼續增加，就像對平面 FinFET 所做的那樣。這是由于制造這些芯片的復雜性增加，即制造中增加的步驟數量。

不僅僅是這種轉變推高了成本。成熟制程芯片也開(kāi)始變得更加昂貴。這里的關(guān)鍵不是技術(shù)而是經(jīng)濟，雖然成熟制程曾經(jīng)有充足的產(chǎn)能和同類(lèi)產(chǎn)品，但現在它變得搶手。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，半導體晶圓廠(chǎng)正在變得更加整合和更具戰略性。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)二產(chǎn)品的晶圓廠(chǎng)將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。盡管成本不斷增加，但他們開(kāi)始獲得更大的利潤。無(wú)晶圓廠(chǎng)公司別無(wú)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(kāi)始：制造芯片所需的設備。

 行業(yè)共識：半導體成本強度將上升 

財報季的普遍主題之一是制造半導體的設備成本較高。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)，這不是預測，而是將繼續下去的趨勢。主要驅動(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。下圖顯示了步數隨時(shí)間的增加。

不僅僅是東京電子表示會(huì )有更強的難度。在最近的財報季，臺積電、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)成本應該會(huì )開(kāi)始上升，每塊芯片處于低到中個(gè)位數的前沿。另一種看待這個(gè)問(wèn)題的方法是從自上而下的角度。比較以百萬(wàn)平方英寸 (MSI) 為單位的總出貨量，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)量與制造更多晶圓的支出。

在過(guò)去，新晶圓廠(chǎng)設備的支出低于 MSI 的擴張速度，因為購買(mǎi)的每臺設備都會(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。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。也就是說(shuō)，按照這個(gè)趨勢預期 WFE 的增長(cháng)速度將超過(guò)歷史平均水平。

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

實(shí)際上，有一個(gè)財報反復提及的趨勢，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(wèn)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(kāi)始推動(dòng)價(jià)格上漲。汽車(chē)半導體的變化正在推動(dòng)市場(chǎng)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(wèn)題在于，成熟技術(shù)從未有過(guò)真正意義上的產(chǎn)能增加，而且大多數時(shí)候，隨著(zhù)前沿技術(shù)的推進(jìn)，晶圓廠(chǎng)將成為“舊物”，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。在沒(méi)有太多增量資金的情況下維持晶圓廠(chǎng)，但仍在生產(chǎn)芯片，這就是隨著(zhù)時(shí)間的推移大幅降低舊芯片價(jià)格的原因。通常晶圓廠(chǎng)甚至會(huì )提高產(chǎn)量，從而進(jìn)一步降低成本。之前的預估中，因為晶圓廠(chǎng)將完全折舊，2000年價(jià)值數百美元的尖端芯片，在2021年只需要花費幾美分。

但現在發(fā)生了以前從未發(fā)生過(guò)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(chē)和物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)的飛速發(fā)展，目前對成熟制程芯片的需求急劇上升。因為這些應用中大多數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(méi)有增加產(chǎn)能，這是很罕見(jiàn)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(chǎng)以80%的速度運行，則會(huì )認為該晶圓廠(chǎng)被認為是滿(mǎn)載運營(yíng)的，現在先進(jìn)的晶圓廠(chǎng)正在以100%的速度運行。

需求增加而沒(méi)有增加供應或是說(shuō)沒(méi)有增加供應的計劃，這是汽車(chē)半導體短缺的主要原因。大多數半導體公司和晶圓廠(chǎng)都癡迷于前沿領(lǐng)域，因為它們可以獲得更高的利潤?，F在，企業(yè)開(kāi)始意識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(kāi)始加大投資。

在這種情況下存在明顯的定價(jià)問(wèn)題。有了新的晶圓廠(chǎng)，一家公司就無(wú)法以之前完全折舊的晶圓廠(chǎng)所規定的價(jià)格出售落后的芯片來(lái)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，我認為我們正在進(jìn)入半導體行業(yè)的一個(gè)新階段，在摩爾定律的推動(dòng)下先進(jìn)的節點(diǎn)變得越來(lái)越昂貴。過(guò)去，技術(shù)人員會(huì )搬出完全折舊的晶圓廠(chǎng)，但現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(zhù)這些晶圓廠(chǎng)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，不僅僅是在先進(jìn)制程節點(diǎn)上。

所以，我們在其他方面看到的成本增加。在半導體行業(yè)中有一個(gè)特殊的元素，就是時(shí)間。就行業(yè)成本結構而言，隨著(zhù)時(shí)間的推移，這是一個(gè)階梯函數。市場(chǎng)的需求、整個(gè)經(jīng)濟中電子產(chǎn)品含量的增加，以及新冠疫情的影響確實(shí)加速推動(dòng)了我們陷入供應限制。我們會(huì )解決這個(gè)問(wèn)題，但要解決這個(gè)問(wèn)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商上游流向我們，流向我們的客戶(hù)，這就是你現在所看到的?！?/em>

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體公司都確定，因為落后的需求高于供應，這種情況將持續下去。這對行業(yè)來(lái)說(shuō)是一個(gè)全新的領(lǐng)域，不僅是對半導體戰略重要性的確認，也是對廣泛需求的確認。實(shí)際上只有一個(gè)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)格的情況下通過(guò)增加晶圓廠(chǎng)的成熟制程產(chǎn)能來(lái)獲利。反過(guò)來(lái)，他們擔心對這些新增的成熟制程芯片的需求。

這是一個(gè)僵局。晶圓廠(chǎng)和半導體公司不確定這是否會(huì )持續下去，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)，很難在一年內改變你的行為，以對抗持續數十年的趨勢。更難的是經(jīng)歷那些艱難的變化并期望客戶(hù)接受更高的價(jià)格。UMC 在其 2021 年第二季度的業(yè)績(jì)發(fā)布會(huì )議中說(shuō)得很好：

“但是對于任何新建的容量擴展，對于成熟的節點(diǎn)，您都在與完全折舊的容量競爭。除非需求對客戶(hù)非常重要，但經(jīng)濟性保持不變，則很難獲得合理的投資回報率。重要的是，如果客戶(hù)愿意與我們一起面對這些挑戰，我們一定會(huì )探索這些機會(huì )?！?/em>

換句話(huà)來(lái)說(shuō)，要么給錢(qián)要么繼續短缺，鑒于交貨時(shí)間并沒(méi)有真正改善，最后的結果將是少量支付。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。除非客戶(hù)真正承諾無(wú)法取消或退貨的訂單，否則晶圓廠(chǎng)不會(huì )擴大產(chǎn)能。不確定有多少雙重訂購，但 NCNR 是對增加長(cháng)期需求的堅定承諾。 

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

 臺積電沒(méi)有降價(jià)  

領(lǐng)先產(chǎn)品的工具價(jià)格正在上漲，這應該會(huì )損害臺積電和其他領(lǐng)先晶圓廠(chǎng)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)趕上臺積電而出現的情況。對于臺積電來(lái)說(shuō)，情況恰恰相反。臺積電相信它可以通過(guò)更小的節點(diǎn)來(lái)提高利潤率。該公司在業(yè)績(jì)發(fā)布會(huì )上多次重申這一點(diǎn)，鑒于臺積電暫無(wú)同類(lèi)產(chǎn)品，較高的毛利率是非常合理的?，F實(shí)情況是，臺積電不是價(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，依舊是臺積電領(lǐng)先。鑒于臺積電的制造能力集中，客戶(hù)真的別無(wú)選擇。如果一家無(wú)晶圓廠(chǎng)公司想以更高的利潤銷(xiāo)售其最新最好的芯片，他們必須去臺積電。與此同時(shí)，臺積電的毛利率多年來(lái)一直在緩慢上升。

盡管資本支出大幅增加并流向折舊銷(xiāo)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)。

鑒于其絕對驚人的直接資本支出，臺積電在最近一次電話(huà)會(huì )議上這樣說(shuō)：

“盡管我們?yōu)樾袠I(yè)承擔了更大的投資負擔，但通過(guò)采取這樣的行動(dòng)，我們相信我們可以獲得適當的回報，使我們能夠投資支持客戶(hù)的增長(cháng)并實(shí)現 50% 或更高的長(cháng)期盈利增長(cháng)我們股東的毛利率?！?/em>

目前，為了承擔更高的資本支出負擔，該公司正在有目的的分攤價(jià)格。它最近將芯片價(jià)格提高了 20%，如果制造先進(jìn)半導體的持續成本持續下去，它將會(huì )繼續提高價(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，半導體領(lǐng)域的是臺積電的世界。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)的設備、更多步驟以及摩爾定律的經(jīng)濟效益下降、產(chǎn)能滯后的種種問(wèn)題影響下，半導體的成本正在上升。

在某些地方，價(jià)格上漲將繼續存在。半導體是一個(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(méi)有絲毫放緩，更高的需求來(lái)自數量最多的垂直領(lǐng)域，PC、移動(dòng)、數據中心、汽車(chē)和物聯(lián)網(wǎng)都是一個(gè)可靠且不斷增長(cháng)的終端市場(chǎng)。某些應用程序未來(lái)的計算密集度更高，例如機器學(xué)習。隨著(zhù)軟件逐漸占據未來(lái)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(jiàn)。這一切都在摩爾定律戛然而止之際發(fā)生。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)：更高的需求 + 更低的供應改善 = 價(jià)格上漲。