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，一直精準預(yù)測未來的摩爾定律，即隨著時間的推移，指數(shù)級的進步將使芯片變得更便宜、更好、更快。但實際上摩爾定律已經(jīng)逐漸失去作用。

人們開始意識到制造芯片并不容易。半導(dǎo)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(dǎo)體將變得更加困難，需要更高的技術(shù)、更昂貴的價格。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代能夠繼續(xù)運營，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半導(dǎo)體制造成本上升的原因。

它將影響整個芯片領(lǐng)域，從最先進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)體價格的上漲會影響全球的所有人，并且這種通貨膨脹不是暫時的。

想要了解為什么現(xiàn)在半導(dǎo)體的成本會不斷上升，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到多核縮放的終點。但比這些趨勢的終結(jié)更重要的是，成本擴展已經(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)表了一項大膽的聲明，即摩爾定律將繼續(xù)進行系統(tǒng)級擴展，另一個名稱是先進封裝。但這些成本增加了制造更小晶體管的成本。

雖然先進封裝將解決晶體管密度問題，但它并不會使芯片變得更便宜。事實上，自2010年代初以來，每美元的晶體管價格變得更加昂貴。

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)。摩爾定律的主要歷史假設(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(jié)點之一。Planar 用簡單的語言來說是一個二維表面，而 FinFET在晶體管中引入了一個“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，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。除非價格上漲，否則企業(yè)不愿意增加產(chǎn)能。這是另一個關(guān)鍵驅(qū)動因素，不僅在最先進的芯片上，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。制造最先進芯片的前沿確實沒有太多空間。這是半導(dǎo)體成本的第三個驅(qū)動因素，即提供獨一無二產(chǎn)品的晶圓廠將不斷上漲的成本轉(zhuǎn)嫁給客戶。臺積電不是價格接受者，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都值得深入探討。首先從第一個主題開始：制造芯片所需的設(shè)備。

 行業(yè)共識：半導(dǎo)體成本強度將上升 

財報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)隨時間的增加。

不僅僅是東京電子表示會有更強的難度。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 晶圓的啟動成本應(yīng)該會開始上升，每塊芯片處于低到中個位數(shù)的前沿。另一種看待這個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 的擴張速度，因為購買的每臺設(shè)備都會提供更多產(chǎn)能。但實際上， WFE 和 MSI 的關(guān)系似乎在 2012 年左右的某個地方發(fā)生了翻轉(zhuǎn)。這與 28nm 節(jié)點或成本開始增加的關(guān)鍵節(jié)點不謀而合。也就是說，按照這個趨勢預(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。如果對半導(dǎo)體設(shè)備的需求繼續(xù)增加，那么 MSI 應(yīng)該會增長得更快，因此 WFE 的乘數(shù)會更高。與歷史速度相比，這是一個加速，推動這一趨勢的是對半導(dǎo)體的需求和半導(dǎo)體領(lǐng)域面臨的技術(shù)逆風(fēng)。

實際上，有一個財報反復(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價格上漲。汽車半導(dǎo)體的變化正在推動市場芯片的需求，不是最新的先進制程芯片，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)時候，隨著前沿技術(shù)的推進，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。

這是定價的一個重要方面。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，這就是隨著時間的推移大幅降低舊芯片價格的原因。通常晶圓廠甚至?xí)岣弋a(chǎn)量，從而進一步降低成本。之前的預(yù)估中，因為晶圓廠將完全折舊，2000年價值數(shù)百美元的尖端芯片，在2021年只需要花費幾美分。

但現(xiàn)在發(fā)生了以前從未發(fā)生過的情況。從歷史上看，需求集中在先進制程，但由于電動汽車和物聯(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(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%的速度運行，則會認為該晶圓廠被認為是滿載運營的，現(xiàn)在先進的晶圓廠正在以100%的速度運行。

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，因為它們可以獲得更高的利潤?，F(xiàn)在，企業(yè)開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)定的價格出售落后的芯片來獲利。價格必須上漲。Silicon Lab 的 CEO 上個季度討論了這一變化。

“就成本增加和耐用性而言，我認為我們正在進入半導(dǎo)體行業(yè)的一個新階段，在摩爾定律的推動下先進的節(jié)點變得越來越昂貴。過去，技術(shù)人員會搬出完全折舊的晶圓廠，但現(xiàn)在我們到了這樣一個階段，即先進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為必須投入額外的資本支出來跨節(jié)點擴建新產(chǎn)能，不僅僅是在先進制程節(jié)點上。

所以，我們在其他方面看到的成本增加。在半導(dǎo)體行業(yè)中有一個特殊的元素，就是時間。就行業(yè)成本結(jié)構(gòu)而言，隨著時間的推移，這是一個階梯函數(shù)。市場的需求、整個經(jīng)濟中電子產(chǎn)品含量的增加，以及新冠疫情的影響確實加速推動了我們陷入供應(yīng)限制。我們會解決這個問題，但要解決這個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，因為落后的需求高于供應(yīng)，這種情況將持續(xù)下去。這對行業(yè)來說是一個全新的領(lǐng)域，不僅是對半導(dǎo)體戰(zhàn)略重要性的確認，也是對廣泛需求的確認。實際上只有一個解決方案：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)心對這些新增的成熟制程芯片的需求。

這是一個僵局。晶圓廠和半導(dǎo)體公司不確定這是否會持續(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。對于晶圓廠來說，很難在一年內(nèi)改變你的行為，以對抗持續(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格。UMC 在其 2021 年第二季度的業(yè)績發(fā)布會議中說得很好：

“但是對于任何新建的容量擴展，對于成熟的節(jié)點，您都在與完全折舊的容量競爭。除非需求對客戶非常重要，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，如果客戶愿意與我們一起面對這些挑戰(zhàn)，我們一定會探索這些機會。”

換句話來說，要么給錢要么繼續(xù)短缺，鑒于交貨時間并沒有真正改善，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，否則晶圓廠不會擴大產(chǎn)能。不確定有多少雙重訂購，但 NCNR 是對增加長期需求的堅定承諾。 

雖然隨著時間的推移，產(chǎn)能的增加最終應(yīng)該會緩和價格上漲，但這將需要數(shù)年時間，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。雖然價格不會在落后的情況下永遠上漲，但實際歷史價格的下跌也不會像以前那么大。

 臺積電沒有降價  

領(lǐng)先產(chǎn)品的工具價格正在上漲，這應(yīng)該會損害臺積電和其他領(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)趕上臺積電而出現(xiàn)的情況。對于臺積電來說，情況恰恰相反。臺積電相信它可以通過更小的節(jié)點來提高利潤率。該公司在業(yè)績發(fā)布會上多次重申這一點，鑒于臺積電暫無同類產(chǎn)品，較高的毛利率是非常合理的?，F(xiàn)實情況是，臺積電不是價格接受者，而是價格制定者。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，他們必須去臺積電。與此同時，臺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)。

鑒于其絕對驚人的直接資本支出，臺積電在最近一次電話會議上這樣說：

“盡管我們?yōu)樾袠I(yè)承擔(dān)了更大的投資負擔(dān)，但通過采取這樣的行動，我們相信我們可以獲得適當(dāng)?shù)幕貓螅刮覀兡軌蛲顿Y支持客戶的增長并實現(xiàn) 50% 或更高的長期盈利增長我們股東的毛利率。”

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

 半導(dǎo)體的價格正在上漲，而且不是暫時的   

這些因素中的每一個都將成為價格上漲的順風(fēng)。總之，可以肯定的是，價格將不斷上漲。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，價格上漲將繼續(xù)存在。半導(dǎo)體是一個價值約 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、數(shù)據(jù)中心、汽車和物聯(lián)網(wǎng)都是一個可靠且不斷增長的終端市場。某些應(yīng)用程序未來的計算密集度更高，例如機器學(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 = 價格上漲。