半導體制造成本之謎：舊工藝罕見漲價的原因竟是...
2022-3-1 14:23:53??????點擊：
缺芯常態化的當下，我們發現一個比較有趣的事實：成熟工藝/舊工藝成本也在提升。要知道，每一代制造工藝，隨著良率提升、產量增大，就可以以量來攤薄前期CapEx資本投入，每代工藝理應越用越便宜。舊工藝成本的罕見提升，這在行業過去都是前所未見的，可見當前市場缺芯局面對半導體制造帶來的巨大變化...
前兩年我們結合MIT的一篇paper，寫過一篇半導體行業趨勢文章叫《深度學習的興起，是通用計算的挽歌？》。現在回頭看MIT的這篇paper，感覺仿若圭臬。
這其中有個比較重要的基本理論，就是隨著半導體制造尖端工藝的成本不斷提升，市場越來越慘烈。5年前美國半導體行業協會還估算說7nm技術節點建廠的配套制造成本怎么也得花個70億；轉眼看看我們前不久報道今年臺積電預期的CapEx資本支出是多少，就知尖端制造工藝的成本投入有多夸張。
那么成本增多會有什么后果呢？一個行業、產業的增長速度再如何都是有限的，如果成本增速超過了產業本身的預期發展速度，不僅會導致產品售價攀升、技術迭代周期放緩，而且也將導致市場參與者不得不靠蠶食其他競爭者才能存活下去，寡頭效應日益凸顯。這兩年的半導體制造市場就是如此。
另外這里還暗含了一則信息，就是摩爾定律事實上的終結。有人會說：這話都老掉牙了。如果不從技術角度來看摩爾定律，摩爾定律不只是說每12-18個月單位面積內的晶體管數量翻倍，還在于達成相同性能的成本理論上會降低。前半部分對不對有很多人在討論，而后半部分可能已經無法達成了。
另一件比較有趣的事情是，如果你認為尖端制造工藝成本攀升并沒有什么稀罕，那么成熟工藝（舊工藝，也有人稱其為主流工藝）的成本現在也在提升，聽起來就比較詭異了吧？
最近Fabricated Knowledge發了篇半導體制造成本攀升的剖析文，結合如今缺芯潮大勢，分析得挺有意思。與此同時，如果我們結合半導體制造上游、硅片大廠，其實更能理解這波“晶體管漲價”的大趨勢是怎么回事，以及它還將持續多久。
尖端工藝與摩爾定律
對于“摩爾定律停滯”這一論調，反對的廠商自然是不少的。比如ASML，比如各大EDA廠商，比如幾個foundry廠；Synopsys這兩年就在不遺余力地宣傳SysMoore，將摩爾定律的發展提升到系統的層面來；而foundry廠著力在談more than Moore，也就是先進封裝工藝的發展。
性能、效率的提升在半導體行業延續，應該不是什么偽命題。不過這些市場參與者都沒怎么提達成同等性能的成本是否在增加。要知道，整個信息技術乃至電子科技領域發展的基石，很大程度都在技術迭代周期短，且成本不斷降低的過程里。說得再冠冕堂皇些，這可是第三次科技革命的推動力。
Fabricated Knowledge援引了Marvell前兩年Investor Day的一張圖。這張圖表達的是不同工藝節點之下，每億邏輯門的造價。可以很明確地看到，28nm是個臨界點。28nm實際上也是平面FET晶體管和FinFET晶體管之間的臨界點。此后每代工藝的每億門晶體管造價都是緩慢攀升的。
對當代制造工藝來說，我們也正處在臨界點上：即尖端制造工藝方面，GAAFET結構晶體管即將取代FinFET——明年三星GAAFET晶體管將率先量產，后續臺積電和Intel也將跟進。這是否意味著3nm節點之后即將有新一波的成本增加？因為GAAFET晶體管的制造需要更復雜、更多樣化的工序步驟。
其實2018年就有人寫了篇題為Measuring Moore’s Law: Evidence from Price, Cost, and Quality Indexes 的分析paper，談到過如果以單個晶體管的設計和制造成本為分析對象，則歷史上有一段時間該數字每年都能下降20-30%——也就是說工藝迭代能夠帶來更高的經濟效益；而28nm之后，該趨勢便不復存在也是現在分析師們的統一意見。
有關成本提升的問題，前年美國CSET也寫過一份相關AI芯片成本攀升的paper，切入點還挺與眾不同，也更全面地探討了包括功耗成本、運營成本等在內的總成本問題。對尖端制造工藝感興趣的讀者可前往閱讀。
事實上，制造設備（equipment）這些年的花銷顯著提升（2012-2020年，晶圓制造設備市場漲幅明顯大于出貨總產能），而且價格還在漲；不光是EUV光刻機的價格，各類新技術實現更高密度的芯片制造（比如3D NAND）增加更多工序，都在提升制造成本。什么先進封裝工藝之類的新技術，普遍都在增加單個晶體管的制造成本。
舊工藝的成本竟然也在增？
另一個比較有趣的事實是，成熟工藝/舊工藝的成本這年頭也在提升。這一點是否完全不符合直覺？我們知道一代制造工藝，隨著良率提升、產量增大，以量來攤薄前期CapEx資本投入，每代工藝理應越用越便宜。當它成為舊工藝以后，還有改良過的成本優化方案令其進一步降低成本。一般舊工藝的制造工廠也就是折舊、維護成本。
但這兩年面臨了行業前所未見的大變局，就是芯片供不應求，而且到了大規模缺芯的地步。缺芯缺的很大一部分就是舊工藝制造的芯片，需求量還呈現出陡增的局面。汽車、IoT這些缺芯缺得很嚴重的應用，一般都不會采用尖端制造工藝，基于其量只會用成本更低的舊工藝（其原因，也已經在《深度學習的興起，是通用計算的挽歌？》一文中有了明確的解釋）。
一般一家fab廠的利用率達到80%，我們就可以說它處在“滿載”狀態了；而實際上VLSI Research的數據是次尖端工藝fab的利用率去年將近100%。這就要求成熟工藝去擴產了：也就是說現在針對舊工藝需要去增加CapEx實際資本支出，買設備、蓋廠或改建。
額外增加的CapEx支出，必然導致這些舊工藝的成本在中短期內要漲價一波。包括Silicon Labs、安森美、恩智浦等在內的企業都表達了這樣的態度，并表示次尖端工藝或成熟工藝的這種趨勢還會因為缺芯潮而持續一段時間。Fabricated Knowledge評價這在行業過去都是前所未見的。
對于fab和foundry廠而言，他們還面臨抉擇上的困難，就是這些成熟工藝芯片需求量到底有多大，是否真的值得再去造新廠（所謂的greenfield investment）。起碼車企在這方面是相當堅決的，而且愿意為成熟工藝付出更高的價格，甚至全額付款保證金。如果說客戶能夠下這樣的訂單，確保不取消，則制造廠自然就會去投入。
當然隨著時間拉長，未來成熟工藝的成本仍然會慢慢下降。但Fabricated Knowledge認為這可能需要好幾年，尤其是現在汽車和IoT的市場需求還如此旺盛。
硅片廠呈現的缺芯現狀
缺芯是個大話題，但總有某些切入點可談。比如說我們認為做硅片的，在缺芯問題上就很有發言權。SUMCO預計2020-2025年智能手機出貨量的年復合增長率（CAGR）能達到4.9%，從13億增長至16.5億臺。HPC方面（包括數據中心CPU、AI芯片，5G手機的應用處理器、自動駕駛CPU等）預期這5年將有14.7%的CAGR。還有DRAM每年的bit數量增速有20%，晶圓需求近5年CAGR 20%等等。
很多應用的需求仿佛完全沒有放緩的跡象。SUMCO和Global Wafers都表達，無法快速跟上市場需求量，因為他們現在缺關鍵工具來增加產量；其輸出能力至2023年之前都無法快速擴充；至2025年將持續增加產能，但對于滿足硅片需求來說也是完全不夠的；2024年之前，SUMCO硅片價格每年增10%。
在成熟制造工藝方面，頗具代表性的一件事：在earning call上，SUMCO表示不會且無法再增加200mm晶圓產量。目前SUMCO的供貨能力提升都在brownfield investment上（brownfield是指在老的系統上做新的部署，相對的greenfield一般是做全新的投入），到2021年其brownfield擴張實現的產能增加已經到了極限。
2022-02-28 14:19:41 作者：黃燁鋒
半導體制造成本之謎：舊工藝罕見漲價的原因竟是...
缺芯常態化的當下，我們發現一個比較有趣的事實：成熟工藝/舊工藝成本也在提升。要知道，每一代制造工藝，隨著良率提升、產量增大，就可以以量來攤薄前期CapEx資本投入，每代工藝理應越用越便宜。舊工藝成本的罕見提升，這在行業過去都是前所未見的，可見當前市場缺芯局面對半導體制造帶來的巨大變化...
前兩年我們結合MIT的一篇paper，寫過一篇半導體行業趨勢文章叫《深度學習的興起，是通用計算的挽歌？》。現在回頭看MIT的這篇paper，感覺仿若圭臬。
這其中有個比較重要的基本理論，就是隨著半導體制造尖端工藝的成本不斷提升，市場越來越慘烈。5年前美國半導體行業協會還估算說7nm技術節點建廠的配套制造成本怎么也得花個70億；轉眼看看我們前不久報道今年臺積電預期的CapEx資本支出是多少，就知尖端制造工藝的成本投入有多夸張。
那么成本增多會有什么后果呢？一個行業、產業的增長速度再如何都是有限的，如果成本增速超過了產業本身的預期發展速度，不僅會導致產品售價攀升、技術迭代周期放緩，而且也將導致市場參與者不得不靠蠶食其他競爭者才能存活下去，寡頭效應日益凸顯。這兩年的半導體制造市場就是如此。
另外這里還暗含了一則信息，就是摩爾定律事實上的終結。有人會說：這話都老掉牙了。如果不從技術角度來看摩爾定律，摩爾定律不只是說每12-18個月單位面積內的晶體管數量翻倍，還在于達成相同性能的成本理論上會降低。前半部分對不對有很多人在討論，而后半部分可能已經無法達成了。
另一件比較有趣的事情是，如果你認為尖端制造工藝成本攀升并沒有什么稀罕，那么成熟工藝（舊工藝，也有人稱其為主流工藝）的成本現在也在提升，聽起來就比較詭異了吧？
最近Fabricated Knowledge發了篇半導體制造成本攀升的剖析文，結合如今缺芯潮大勢，分析得挺有意思。與此同時，如果我們結合半導體制造上游、硅片大廠，其實更能理解這波“晶體管漲價”的大趨勢是怎么回事，以及它還將持續多久。
尖端工藝與摩爾定律
對于“摩爾定律停滯”這一論調，反對的廠商自然是不少的。比如ASML，比如各大EDA廠商，比如幾個foundry廠；Synopsys這兩年就在不遺余力地宣傳SysMoore，將摩爾定律的發展提升到系統的層面來；而foundry廠著力在談more than Moore，也就是先進封裝工藝的發展。
性能、效率的提升在半導體行業延續，應該不是什么偽命題。不過這些市場參與者都沒怎么提達成同等性能的成本是否在增加。要知道，整個信息技術乃至電子科技領域發展的基石，很大程度都在技術迭代周期短，且成本不斷降低的過程里。說得再冠冕堂皇些，這可是第三次科技革命的推動力。
Fabricated Knowledge援引了Marvell前兩年Investor Day的一張圖。這張圖表達的是不同工藝節點之下，每億邏輯門的造價。可以很明確地看到，28nm是個臨界點。28nm實際上也是平面FET晶體管和FinFET晶體管之間的臨界點。此后每代工藝的每億門晶體管造價都是緩慢攀升的。
對當代制造工藝來說，我們也正處在臨界點上：即尖端制造工藝方面，GAAFET結構晶體管即將取代FinFET——明年三星GAAFET晶體管將率先量產，后續臺積電和Intel也將跟進。這是否意味著3nm節點之后即將有新一波的成本增加？因為GAAFET晶體管的制造需要更復雜、更多樣化的工序步驟。
其實2018年就有人寫了篇題為Measuring Moore’s Law: Evidence from Price, Cost, and Quality Indexes 的分析paper，談到過如果以單個晶體管的設計和制造成本為分析對象，則歷史上有一段時間該數字每年都能下降20-30%——也就是說工藝迭代能夠帶來更高的經濟效益；而28nm之后，該趨勢便不復存在也是現在分析師們的統一意見。
有關成本提升的問題，前年美國CSET也寫過一份相關AI芯片成本攀升的paper，切入點還挺與眾不同，也更全面地探討了包括功耗成本、運營成本等在內的總成本問題。對尖端制造工藝感興趣的讀者可前往閱讀。
事實上，制造設備（equipment）這些年的花銷顯著提升（2012-2020年，晶圓制造設備市場漲幅明顯大于出貨總產能），而且價格還在漲；不光是EUV光刻機的價格，各類新技術實現更高密度的芯片制造（比如3D NAND）增加更多工序，都在提升制造成本。什么先進封裝工藝之類的新技術，普遍都在增加單個晶體管的制造成本。
舊工藝的成本竟然也在增？
另一個比較有趣的事實是，成熟工藝/舊工藝的成本這年頭也在提升。這一點是否完全不符合直覺？我們知道一代制造工藝，隨著良率提升、產量增大，以量來攤薄前期CapEx資本投入，每代工藝理應越用越便宜。當它成為舊工藝以后，還有改良過的成本優化方案令其進一步降低成本。一般舊工藝的制造工廠也就是折舊、維護成本。
但這兩年面臨了行業前所未見的大變局，就是芯片供不應求，而且到了大規模缺芯的地步。缺芯缺的很大一部分就是舊工藝制造的芯片，需求量還呈現出陡增的局面。汽車、IoT這些缺芯缺得很嚴重的應用，一般都不會采用尖端制造工藝，基于其量只會用成本更低的舊工藝（其原因，也已經在《深度學習的興起，是通用計算的挽歌？》一文中有了明確的解釋）。
一般一家fab廠的利用率達到80%，我們就可以說它處在“滿載”狀態了；而實際上VLSI Research的數據是次尖端工藝fab的利用率去年將近100%。這就要求成熟工藝去擴產了：也就是說現在針對舊工藝需要去增加CapEx實際資本支出，買設備、蓋廠或改建。
額外增加的CapEx支出，必然導致這些舊工藝的成本在中短期內要漲價一波。包括Silicon Labs、安森美、恩智浦等在內的企業都表達了這樣的態度，并表示次尖端工藝或成熟工藝的這種趨勢還會因為缺芯潮而持續一段時間。Fabricated Knowledge評價這在行業過去都是前所未見的。
對于fab和foundry廠而言，他們還面臨抉擇上的困難，就是這些成熟工藝芯片需求量到底有多大，是否真的值得再去造新廠（所謂的greenfield investment）。起碼車企在這方面是相當堅決的，而且愿意為成熟工藝付出更高的價格，甚至全額付款保證金。如果說客戶能夠下這樣的訂單，確保不取消，則制造廠自然就會去投入。
當然隨著時間拉長，未來成熟工藝的成本仍然會慢慢下降。但Fabricated Knowledge認為這可能需要好幾年，尤其是現在汽車和IoT的市場需求還如此旺盛。
硅片廠呈現的缺芯現狀
缺芯是個大話題，但總有某些切入點可談。比如說我們認為做硅片的，在缺芯問題上就很有發言權。SUMCO預計2020-2025年智能手機出貨量的年復合增長率（CAGR）能達到4.9%，從13億增長至16.5億臺。HPC方面（包括數據中心CPU、AI芯片，5G手機的應用處理器、自動駕駛CPU等）預期這5年將有14.7%的CAGR。還有DRAM每年的bit數量增速有20%，晶圓需求近5年CAGR 20%等等。
很多應用的需求仿佛完全沒有放緩的跡象。SUMCO和Global Wafers都表達，無法快速跟上市場需求量，因為他們現在缺關鍵工具來增加產量；其輸出能力至2023年之前都無法快速擴充；至2025年將持續增加產能，但對于滿足硅片需求來說也是完全不夠的；2024年之前，SUMCO硅片價格每年增10%。
在成熟制造工藝方面，頗具代表性的一件事：在earning call上，SUMCO表示不會且無法再增加200mm晶圓產量。目前SUMCO的供貨能力提升都在brownfield investment上（brownfield是指在老的系統上做新的部署，相對的greenfield一般是做全新的投入），到2021年其brownfield擴張實現的產能增加已經到了極限。
SUMCO另外還給出了其下游客戶300mm硅片庫存方面的數據。SUMCO表示，客戶庫存近一年遭遇陡降。“我們相信客戶庫存已經降到了1個月的（用量）水平。如果庫存低于一個月的水平，對客戶而言就已經構成了比較危險的局面?！比绻麑齑嫠阶鲞壿嫼痛鎯A的切分，“則你會看到邏輯這邊已經達到0.7個月，而存儲是大約1.2個月?！?br /> 可見如今的市場局面對后續半導體制造的成本將會造成多大和多久的影響。所以“好幾年”的預測大概是切實的。
最后一點值得一提的是，臺積電作為目前foundry廠的龍頭老大，在尖端制造工藝上幾乎具備了徹底的市場話語權。我們此前也多次報道了基于市場需求，臺積電雄心壯志地表示未來提升利潤率的信心。提升利潤率的一部分就是加價——無論是為了賺更多的錢，還是文首所述的預期中市場發展速度跟不上成本的增長。
前兩年我們結合MIT的一篇paper，寫過一篇半導體行業趨勢文章叫《深度學習的興起，是通用計算的挽歌？》。現在回頭看MIT的這篇paper，感覺仿若圭臬。
這其中有個比較重要的基本理論，就是隨著半導體制造尖端工藝的成本不斷提升，市場越來越慘烈。5年前美國半導體行業協會還估算說7nm技術節點建廠的配套制造成本怎么也得花個70億；轉眼看看我們前不久報道今年臺積電預期的CapEx資本支出是多少，就知尖端制造工藝的成本投入有多夸張。
那么成本增多會有什么后果呢？一個行業、產業的增長速度再如何都是有限的，如果成本增速超過了產業本身的預期發展速度，不僅會導致產品售價攀升、技術迭代周期放緩，而且也將導致市場參與者不得不靠蠶食其他競爭者才能存活下去，寡頭效應日益凸顯。這兩年的半導體制造市場就是如此。
另外這里還暗含了一則信息，就是摩爾定律事實上的終結。有人會說：這話都老掉牙了。如果不從技術角度來看摩爾定律，摩爾定律不只是說每12-18個月單位面積內的晶體管數量翻倍，還在于達成相同性能的成本理論上會降低。前半部分對不對有很多人在討論，而后半部分可能已經無法達成了。
另一件比較有趣的事情是，如果你認為尖端制造工藝成本攀升并沒有什么稀罕，那么成熟工藝（舊工藝，也有人稱其為主流工藝）的成本現在也在提升，聽起來就比較詭異了吧？
最近Fabricated Knowledge發了篇半導體制造成本攀升的剖析文，結合如今缺芯潮大勢，分析得挺有意思。與此同時，如果我們結合半導體制造上游、硅片大廠，其實更能理解這波“晶體管漲價”的大趨勢是怎么回事，以及它還將持續多久。
尖端工藝與摩爾定律
對于“摩爾定律停滯”這一論調，反對的廠商自然是不少的。比如ASML，比如各大EDA廠商，比如幾個foundry廠；Synopsys這兩年就在不遺余力地宣傳SysMoore，將摩爾定律的發展提升到系統的層面來；而foundry廠著力在談more than Moore，也就是先進封裝工藝的發展。
性能、效率的提升在半導體行業延續，應該不是什么偽命題。不過這些市場參與者都沒怎么提達成同等性能的成本是否在增加。要知道，整個信息技術乃至電子科技領域發展的基石，很大程度都在技術迭代周期短，且成本不斷降低的過程里。說得再冠冕堂皇些，這可是第三次科技革命的推動力。
Fabricated Knowledge援引了Marvell前兩年Investor Day的一張圖。這張圖表達的是不同工藝節點之下，每億邏輯門的造價。可以很明確地看到，28nm是個臨界點。28nm實際上也是平面FET晶體管和FinFET晶體管之間的臨界點。此后每代工藝的每億門晶體管造價都是緩慢攀升的。
對當代制造工藝來說，我們也正處在臨界點上：即尖端制造工藝方面，GAAFET結構晶體管即將取代FinFET——明年三星GAAFET晶體管將率先量產，后續臺積電和Intel也將跟進。這是否意味著3nm節點之后即將有新一波的成本增加？因為GAAFET晶體管的制造需要更復雜、更多樣化的工序步驟。
其實2018年就有人寫了篇題為Measuring Moore’s Law: Evidence from Price, Cost, and Quality Indexes 的分析paper，談到過如果以單個晶體管的設計和制造成本為分析對象，則歷史上有一段時間該數字每年都能下降20-30%——也就是說工藝迭代能夠帶來更高的經濟效益；而28nm之后，該趨勢便不復存在也是現在分析師們的統一意見。
有關成本提升的問題，前年美國CSET也寫過一份相關AI芯片成本攀升的paper，切入點還挺與眾不同，也更全面地探討了包括功耗成本、運營成本等在內的總成本問題。對尖端制造工藝感興趣的讀者可前往閱讀。
事實上，制造設備（equipment）這些年的花銷顯著提升（2012-2020年，晶圓制造設備市場漲幅明顯大于出貨總產能），而且價格還在漲；不光是EUV光刻機的價格，各類新技術實現更高密度的芯片制造（比如3D NAND）增加更多工序，都在提升制造成本。什么先進封裝工藝之類的新技術，普遍都在增加單個晶體管的制造成本。
舊工藝的成本竟然也在增？
另一個比較有趣的事實是，成熟工藝/舊工藝的成本這年頭也在提升。這一點是否完全不符合直覺？我們知道一代制造工藝，隨著良率提升、產量增大，以量來攤薄前期CapEx資本投入，每代工藝理應越用越便宜。當它成為舊工藝以后，還有改良過的成本優化方案令其進一步降低成本。一般舊工藝的制造工廠也就是折舊、維護成本。
但這兩年面臨了行業前所未見的大變局，就是芯片供不應求，而且到了大規模缺芯的地步。缺芯缺的很大一部分就是舊工藝制造的芯片，需求量還呈現出陡增的局面。汽車、IoT這些缺芯缺得很嚴重的應用，一般都不會采用尖端制造工藝，基于其量只會用成本更低的舊工藝（其原因，也已經在《深度學習的興起，是通用計算的挽歌？》一文中有了明確的解釋）。
一般一家fab廠的利用率達到80%，我們就可以說它處在“滿載”狀態了；而實際上VLSI Research的數據是次尖端工藝fab的利用率去年將近100%。這就要求成熟工藝去擴產了：也就是說現在針對舊工藝需要去增加CapEx實際資本支出，買設備、蓋廠或改建。
額外增加的CapEx支出，必然導致這些舊工藝的成本在中短期內要漲價一波。包括Silicon Labs、安森美、恩智浦等在內的企業都表達了這樣的態度，并表示次尖端工藝或成熟工藝的這種趨勢還會因為缺芯潮而持續一段時間。Fabricated Knowledge評價這在行業過去都是前所未見的。
對于fab和foundry廠而言，他們還面臨抉擇上的困難，就是這些成熟工藝芯片需求量到底有多大，是否真的值得再去造新廠（所謂的greenfield investment）。起碼車企在這方面是相當堅決的，而且愿意為成熟工藝付出更高的價格，甚至全額付款保證金。如果說客戶能夠下這樣的訂單，確保不取消，則制造廠自然就會去投入。
當然隨著時間拉長，未來成熟工藝的成本仍然會慢慢下降。但Fabricated Knowledge認為這可能需要好幾年，尤其是現在汽車和IoT的市場需求還如此旺盛。
硅片廠呈現的缺芯現狀
缺芯是個大話題，但總有某些切入點可談。比如說我們認為做硅片的，在缺芯問題上就很有發言權。SUMCO預計2020-2025年智能手機出貨量的年復合增長率（CAGR）能達到4.9%，從13億增長至16.5億臺。HPC方面（包括數據中心CPU、AI芯片，5G手機的應用處理器、自動駕駛CPU等）預期這5年將有14.7%的CAGR。還有DRAM每年的bit數量增速有20%，晶圓需求近5年CAGR 20%等等。
很多應用的需求仿佛完全沒有放緩的跡象。SUMCO和Global Wafers都表達，無法快速跟上市場需求量，因為他們現在缺關鍵工具來增加產量；其輸出能力至2023年之前都無法快速擴充；至2025年將持續增加產能，但對于滿足硅片需求來說也是完全不夠的；2024年之前，SUMCO硅片價格每年增10%。
在成熟制造工藝方面，頗具代表性的一件事：在earning call上，SUMCO表示不會且無法再增加200mm晶圓產量。目前SUMCO的供貨能力提升都在brownfield investment上（brownfield是指在老的系統上做新的部署，相對的greenfield一般是做全新的投入），到2021年其brownfield擴張實現的產能增加已經到了極限。
2022-02-28 14:19:41 作者：黃燁鋒
半導體制造成本之謎：舊工藝罕見漲價的原因竟是...
缺芯常態化的當下，我們發現一個比較有趣的事實：成熟工藝/舊工藝成本也在提升。要知道，每一代制造工藝，隨著良率提升、產量增大，就可以以量來攤薄前期CapEx資本投入，每代工藝理應越用越便宜。舊工藝成本的罕見提升，這在行業過去都是前所未見的，可見當前市場缺芯局面對半導體制造帶來的巨大變化...
前兩年我們結合MIT的一篇paper，寫過一篇半導體行業趨勢文章叫《深度學習的興起，是通用計算的挽歌？》。現在回頭看MIT的這篇paper，感覺仿若圭臬。
這其中有個比較重要的基本理論，就是隨著半導體制造尖端工藝的成本不斷提升，市場越來越慘烈。5年前美國半導體行業協會還估算說7nm技術節點建廠的配套制造成本怎么也得花個70億；轉眼看看我們前不久報道今年臺積電預期的CapEx資本支出是多少，就知尖端制造工藝的成本投入有多夸張。
那么成本增多會有什么后果呢？一個行業、產業的增長速度再如何都是有限的，如果成本增速超過了產業本身的預期發展速度，不僅會導致產品售價攀升、技術迭代周期放緩，而且也將導致市場參與者不得不靠蠶食其他競爭者才能存活下去，寡頭效應日益凸顯。這兩年的半導體制造市場就是如此。
另外這里還暗含了一則信息，就是摩爾定律事實上的終結。有人會說：這話都老掉牙了。如果不從技術角度來看摩爾定律，摩爾定律不只是說每12-18個月單位面積內的晶體管數量翻倍，還在于達成相同性能的成本理論上會降低。前半部分對不對有很多人在討論，而后半部分可能已經無法達成了。
另一件比較有趣的事情是，如果你認為尖端制造工藝成本攀升并沒有什么稀罕，那么成熟工藝（舊工藝，也有人稱其為主流工藝）的成本現在也在提升，聽起來就比較詭異了吧？
最近Fabricated Knowledge發了篇半導體制造成本攀升的剖析文，結合如今缺芯潮大勢，分析得挺有意思。與此同時，如果我們結合半導體制造上游、硅片大廠，其實更能理解這波“晶體管漲價”的大趨勢是怎么回事，以及它還將持續多久。
尖端工藝與摩爾定律
對于“摩爾定律停滯”這一論調，反對的廠商自然是不少的。比如ASML，比如各大EDA廠商，比如幾個foundry廠；Synopsys這兩年就在不遺余力地宣傳SysMoore，將摩爾定律的發展提升到系統的層面來；而foundry廠著力在談more than Moore，也就是先進封裝工藝的發展。
性能、效率的提升在半導體行業延續，應該不是什么偽命題。不過這些市場參與者都沒怎么提達成同等性能的成本是否在增加。要知道，整個信息技術乃至電子科技領域發展的基石，很大程度都在技術迭代周期短，且成本不斷降低的過程里。說得再冠冕堂皇些，這可是第三次科技革命的推動力。
Fabricated Knowledge援引了Marvell前兩年Investor Day的一張圖。這張圖表達的是不同工藝節點之下，每億邏輯門的造價。可以很明確地看到，28nm是個臨界點。28nm實際上也是平面FET晶體管和FinFET晶體管之間的臨界點。此后每代工藝的每億門晶體管造價都是緩慢攀升的。
對當代制造工藝來說，我們也正處在臨界點上：即尖端制造工藝方面，GAAFET結構晶體管即將取代FinFET——明年三星GAAFET晶體管將率先量產，后續臺積電和Intel也將跟進。這是否意味著3nm節點之后即將有新一波的成本增加？因為GAAFET晶體管的制造需要更復雜、更多樣化的工序步驟。
其實2018年就有人寫了篇題為Measuring Moore’s Law: Evidence from Price, Cost, and Quality Indexes 的分析paper，談到過如果以單個晶體管的設計和制造成本為分析對象，則歷史上有一段時間該數字每年都能下降20-30%——也就是說工藝迭代能夠帶來更高的經濟效益；而28nm之后，該趨勢便不復存在也是現在分析師們的統一意見。
有關成本提升的問題，前年美國CSET也寫過一份相關AI芯片成本攀升的paper，切入點還挺與眾不同，也更全面地探討了包括功耗成本、運營成本等在內的總成本問題。對尖端制造工藝感興趣的讀者可前往閱讀。
事實上，制造設備（equipment）這些年的花銷顯著提升（2012-2020年，晶圓制造設備市場漲幅明顯大于出貨總產能），而且價格還在漲；不光是EUV光刻機的價格，各類新技術實現更高密度的芯片制造（比如3D NAND）增加更多工序，都在提升制造成本。什么先進封裝工藝之類的新技術，普遍都在增加單個晶體管的制造成本。
舊工藝的成本竟然也在增？
另一個比較有趣的事實是，成熟工藝/舊工藝的成本這年頭也在提升。這一點是否完全不符合直覺？我們知道一代制造工藝，隨著良率提升、產量增大，以量來攤薄前期CapEx資本投入，每代工藝理應越用越便宜。當它成為舊工藝以后，還有改良過的成本優化方案令其進一步降低成本。一般舊工藝的制造工廠也就是折舊、維護成本。
但這兩年面臨了行業前所未見的大變局，就是芯片供不應求，而且到了大規模缺芯的地步。缺芯缺的很大一部分就是舊工藝制造的芯片，需求量還呈現出陡增的局面。汽車、IoT這些缺芯缺得很嚴重的應用，一般都不會采用尖端制造工藝，基于其量只會用成本更低的舊工藝（其原因，也已經在《深度學習的興起，是通用計算的挽歌？》一文中有了明確的解釋）。
一般一家fab廠的利用率達到80%，我們就可以說它處在“滿載”狀態了；而實際上VLSI Research的數據是次尖端工藝fab的利用率去年將近100%。這就要求成熟工藝去擴產了：也就是說現在針對舊工藝需要去增加CapEx實際資本支出，買設備、蓋廠或改建。
額外增加的CapEx支出，必然導致這些舊工藝的成本在中短期內要漲價一波。包括Silicon Labs、安森美、恩智浦等在內的企業都表達了這樣的態度，并表示次尖端工藝或成熟工藝的這種趨勢還會因為缺芯潮而持續一段時間。Fabricated Knowledge評價這在行業過去都是前所未見的。
對于fab和foundry廠而言，他們還面臨抉擇上的困難，就是這些成熟工藝芯片需求量到底有多大，是否真的值得再去造新廠（所謂的greenfield investment）。起碼車企在這方面是相當堅決的，而且愿意為成熟工藝付出更高的價格，甚至全額付款保證金。如果說客戶能夠下這樣的訂單，確保不取消，則制造廠自然就會去投入。
當然隨著時間拉長，未來成熟工藝的成本仍然會慢慢下降。但Fabricated Knowledge認為這可能需要好幾年，尤其是現在汽車和IoT的市場需求還如此旺盛。
硅片廠呈現的缺芯現狀
缺芯是個大話題，但總有某些切入點可談。比如說我們認為做硅片的，在缺芯問題上就很有發言權。SUMCO預計2020-2025年智能手機出貨量的年復合增長率（CAGR）能達到4.9%，從13億增長至16.5億臺。HPC方面（包括數據中心CPU、AI芯片，5G手機的應用處理器、自動駕駛CPU等）預期這5年將有14.7%的CAGR。還有DRAM每年的bit數量增速有20%，晶圓需求近5年CAGR 20%等等。
很多應用的需求仿佛完全沒有放緩的跡象。SUMCO和Global Wafers都表達，無法快速跟上市場需求量，因為他們現在缺關鍵工具來增加產量；其輸出能力至2023年之前都無法快速擴充；至2025年將持續增加產能，但對于滿足硅片需求來說也是完全不夠的；2024年之前，SUMCO硅片價格每年增10%。
在成熟制造工藝方面，頗具代表性的一件事：在earning call上，SUMCO表示不會且無法再增加200mm晶圓產量。目前SUMCO的供貨能力提升都在brownfield investment上（brownfield是指在老的系統上做新的部署，相對的greenfield一般是做全新的投入），到2021年其brownfield擴張實現的產能增加已經到了極限。
SUMCO另外還給出了其下游客戶300mm硅片庫存方面的數據。SUMCO表示，客戶庫存近一年遭遇陡降。“我們相信客戶庫存已經降到了1個月的（用量）水平。如果庫存低于一個月的水平，對客戶而言就已經構成了比較危險的局面?！比绻麑齑嫠阶鲞壿嫼痛鎯A的切分，“則你會看到邏輯這邊已經達到0.7個月，而存儲是大約1.2個月?！?br /> 可見如今的市場局面對后續半導體制造的成本將會造成多大和多久的影響。所以“好幾年”的預測大概是切實的。
最后一點值得一提的是，臺積電作為目前foundry廠的龍頭老大，在尖端制造工藝上幾乎具備了徹底的市場話語權。我們此前也多次報道了基于市場需求，臺積電雄心壯志地表示未來提升利潤率的信心。提升利潤率的一部分就是加價——無論是為了賺更多的錢，還是文首所述的預期中市場發展速度跟不上成本的增長。
在去年觀察手機市場的文章里，我們談到臺積電對晶圓價格做調整的事實，尤其是成熟工藝節點晶圓價格漲幅尤甚，今年也會持續漲價。以臺積電如今的市場地位，買家也不會有太多的選擇余地。這也需要作為半導體領域成本增加納入考量的一環。
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