急劇上升的芯片成本

半導(dǎo)體行業(yè)正在悄然發(fā)生劇變。一直統(tǒng)治著這個(gè)行業(yè)的規(guī)則正在瓦解，這打破了我們認(rèn)為理所當(dāng)然的假設(shè)，這些假設(shè)是在學(xué)校里灌輸給我們的。例如無(wú)可指責(zé)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。但摩爾定律事實(shí)上已經(jīng)死了。

人們開(kāi)始意識(shí)到制造芯片并不容易。芯片短缺與臺(tái)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(rèn)可。制造半導(dǎo)體將變得更加困難、昂貴和技術(shù)含量更高。換句話說(shuō)，挑戰(zhàn)將加速。

要在未來(lái)運(yùn)營(yíng)，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(shì)并不新鮮，因?yàn)樗呀?jīng)在發(fā)生了，但我相信現(xiàn)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(zhǎng)，并且我們開(kāi)始在晶體管密度增加方面達(dá)到了多核縮放的終點(diǎn)。但比這些趨勢(shì)的終結(jié)更重要的是，成本縮放已經(jīng)結(jié)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(xù)進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)擴(kuò)展。這種說(shuō)法的另一個(gè)名稱是高級(jí)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?dú)v史假設(shè)之一是，不僅你的晶體管每?jī)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(biāo)準(zhǔn)大約是 2011-2012 年。

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 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(jié)構(gòu)而不是 2D 結(jié)構(gòu)。我們現(xiàn)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(jié)構(gòu)。我們轉(zhuǎn)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(xù)增加，就像它們?cè)谄矫嫔系?FinFET 一樣。這是由制造這些芯片的復(fù)雜性增加所驅(qū)動(dòng)的——即制造步驟的增加。

推高成本的不僅僅是這種轉(zhuǎn)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(jì)上的，曾經(jīng)有充足的產(chǎn)能和類似商品的回報(bào)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(qū)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(dǎo)體工廠）也變得更加整合和更具戰(zhàn)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(dǎo)體成本的第三個(gè)驅(qū)動(dòng)因素，即提供獨(dú)一無(wú)二的產(chǎn)品的晶圓廠將其不斷上漲的成本轉(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。盡管成本增加，但他們開(kāi)始獲取更大的利潤(rùn)。無(wú)晶圓廠公司別無(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(shí)：半導(dǎo)體成本強(qiáng)度將上升
本財(cái)報(bào)季的普遍主題之一是制造半導(dǎo)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(yù)測(cè)，而是一種將繼續(xù)的趨勢(shì)。主要驅(qū)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(shù)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(dú)呼吁更高的強(qiáng)度。在最近的財(cái)報(bào)季，臺(tái)積電、Lam Research、KLAC 和其他 Semicap 公司都呼吁強(qiáng)度不斷上升。我認(rèn)為在其他條件相同的情況下，10 萬(wàn)片晶圓的成本應(yīng)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(shù)。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，并將其與晶圓廠設(shè)備的增長(zhǎng)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設(shè)備上的支出跟不上 MSI 的擴(kuò)張速度，因?yàn)橘?gòu)買(mǎi)的每個(gè)工具都會(huì)提供更多的產(chǎn)能。我想強(qiáng)調(diào)的是，如果你瞇著眼睛，你會(huì)發(fā)現(xiàn) WFE 和 MSI 的關(guān)系似乎在 2012 年左右發(fā)生了翻轉(zhuǎn)。這與 28nm 節(jié)點(diǎn)或成本開(kāi)始增加的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)不謀而合。展望未來(lái)，我認(rèn)為我們應(yīng)該期望 WFE 的增長(zhǎng)速度快于歷史平均水平。
2012年至2020年，MSI以3.6%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，WFE以8.0%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。這大約是產(chǎn)能增加的兩倍。如果對(duì)半導(dǎo)體器件的需求繼續(xù)增加，那么 MSI 應(yīng)該增長(zhǎng)得更快，因此 WFE 的乘數(shù)應(yīng)該更高。我不確定 WFE 的關(guān)系是否保持 MSI 增長(zhǎng)的 2 倍，但它應(yīng)該是一個(gè)更高的乘數(shù)——比如 1.5x-2x MSI。與其歷史速度相比，這是加速，而推動(dòng)半導(dǎo)體需求的則是我們面臨的技術(shù)逆風(fēng)。
我現(xiàn)在想轉(zhuǎn)向另一個(gè)在上個(gè)財(cái)報(bào)季反復(fù)提及的趨勢(shì)，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?yàn)榧夹g(shù)問(wèn)題而成本更高。最近最有趣的趨勢(shì)是，舊芯片開(kāi)始推動(dòng)價(jià)格上漲。汽車半導(dǎo)體最近的變化正在推動(dòng)需求，不是對(duì)最新和最偉大的技術(shù)，而是對(duì)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(shù)時(shí)候，隨著前沿技術(shù)的推進(jìn)，晶圓廠只會(huì)成為“二手設(shè)備”，而晶圓廠設(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。晶圓廠在沒(méi)有太多增量資金的情況下維持，但仍在生產(chǎn)芯片，這是隨著時(shí)間的推移大幅降低舊芯片價(jià)格的原因。通常甚至?xí)岣弋a(chǎn)量，從而進(jìn)一步降低成本。一種想法是，2000 年成本數(shù)百美元的領(lǐng)先芯片到 2021 年將花費(fèi)幾美分，因?yàn)榫A廠將完全折舊。
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(duì)舊芯片的需求開(kāi)始急劇上升。這是由汽車和物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)驅(qū)動(dòng)的，因?yàn)檫@些應(yīng)用程序中的大多數(shù)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。如果晶圓廠以 80% 的速度運(yùn)行，則它被視為“已滿”?，F(xiàn)在，落后技術(shù)的晶圓廠運(yùn)行率接近 100%。有些事情必須改變。

這是汽車半導(dǎo)體短缺的驅(qū)動(dòng)因素之一：更高的需求和沒(méi)有供應(yīng)或沒(méi)有增加供應(yīng)的動(dòng)機(jī)。大多數(shù)半導(dǎo)體公司和晶圓廠都癡迷于領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼈兛梢垣@得更高的利潤(rùn)?，F(xiàn)在，公司正在覺(jué)醒以保持落后的優(yōu)勢(shì)。“舊”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(duì)于新的晶圓廠，公司無(wú)法以之前完全折舊的晶圓廠規(guī)定的價(jià)格銷售落后芯片來(lái)獲利。價(jià)格必須上漲。Silicon Lab 的首席執(zhí)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(rèn)為我們正在進(jìn)入半導(dǎo)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(jié)點(diǎn)變得越來(lái)越昂貴，你已經(jīng)有了現(xiàn)在主流技術(shù)全面。過(guò)去，數(shù)字技術(shù)人員會(huì)搬出，而 N 減 1、N 減 2、N 減 3 節(jié)點(diǎn)將是完全折舊的晶圓廠，您將搬入。我們現(xiàn)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(dǎo)致臺(tái)積電和其他晶圓廠建立新的主流技術(shù)，這意味著這些晶圓廠并沒(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?yàn)楸仨毻度腩~外的資本支出來(lái)跨節(jié)點(diǎn)擴(kuò)建新產(chǎn)能，不僅僅是在高級(jí)節(jié)點(diǎn)，而且是跨。
所以，如果你看看我們?cè)谄渌矫婵吹降某杀驹黾印谡麄€(gè)行業(yè)中，有一個(gè)特定的元素，隨著時(shí)間的推移是持久的。因此，就行業(yè)的成本結(jié)構(gòu)而言，這是一個(gè)階梯函數(shù)，以匹配我們所看到的需求以及整個(gè)經(jīng)濟(jì)中電子產(chǎn)品不斷增加的內(nèi)容以及我們?cè)诖罅餍兄锌吹降男枨蠹铀?。這推動(dòng)我們進(jìn)入供應(yīng)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(bǔ)償。這必須從我們的供應(yīng)商上游流向我們，流向我們的客戶，這就是您現(xiàn)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(dǎo)體、Microchip 和其他“主流”或落后半導(dǎo)體公司肯定，這種情況將繼續(xù)下去，因?yàn)槁浜蠊に嚨男枨蟾哂诠?yīng)。這對(duì)行業(yè)來(lái)說(shuō)是全新的領(lǐng)域，不僅是對(duì)半導(dǎo)體戰(zhàn)略重要性的肯定，也是對(duì)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(shì)來(lái)獲利。反過(guò)來(lái)，他們擔(dān)心對(duì)這些“新”落后芯片的需求。
這是一個(gè)僵局。晶圓廠和半導(dǎo)體公司不確定這種情況會(huì)持續(xù)多久，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(lái)說(shuō)，很難在一年之內(nèi)改變自己的行為來(lái)對(duì)抗持續(xù)了幾十年的趨勢(shì)。更難的是經(jīng)歷這些艱難的變化并期望客戶接受更高的價(jià)格。聯(lián)電在其 2021 年第二季度的電話會(huì)議中說(shuō)得很好：
“但是對(duì)于任何新建產(chǎn)能擴(kuò)展，對(duì)于成熟節(jié)點(diǎn)，您都在與完全折舊的產(chǎn)能競(jìng)爭(zhēng)——最有可能的是，您將與完全折舊的產(chǎn)能競(jìng)爭(zhēng)。除非需求對(duì)客戶非常重要，但經(jīng)濟(jì)性 - 如果經(jīng)濟(jì)性保持不變，則很難獲得合理的投資回報(bào)率。但是，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)去探索這些機(jī)會(huì)?！?/span>
換句話說(shuō)，支付或繼續(xù)短缺?？紤]到交貨時(shí)間并沒(méi)有真正改善，我認(rèn)為結(jié)果是略微支付。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)。除非他們的客戶真正承諾無(wú)法取消或退回的訂單，否則晶圓廠不會(huì)擴(kuò)大產(chǎn)能。因?yàn)樗麄儾淮_定發(fā)生了多少雙重訂購(gòu)，但 NCNR 是增加長(zhǎng)期需求的非常堅(jiān)定的承諾。?
雖然隨著時(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(shù)年時(shí)間，尤其是在汽車和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的需求持續(xù)增長(zhǎng)的情況下。我不認(rèn)為價(jià)格會(huì)永遠(yuǎn)處于滯后狀態(tài)，但我認(rèn)為我們應(yīng)該預(yù)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(tái)積電。

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