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无视摩尔定律,半导体成本正在不断上涨...

国际电子商情讯 据Fabricated Knowledge报道,半导体行业正在悄然发生巨变。一些理所应当的规则正在瓦解,打破了先前的假设...

半导体行业正在悄然发生巨变。一些理所应当的规则正在瓦解,打破了先前的假设。例如,一直精准预测未来的摩尔定律,即随着时间的推移,指数级的进步将使芯片变得更便宜、更好、更快。但实际上摩尔定律已经逐渐失去作用。t8tesmc

人们开始意识到制造芯片并不容易。半导体芯片短缺、台积电和ASML受到地缘政治的影响,这提醒了大众对于芯片的关注,也展示了芯片制造需要的科技。制造半导体将变得更加困难,需要更高的技术、更昂贵的价格。换一句话来说,半导体制造的战场日益激烈。t8tesmc

为了保证在芯片短缺的时代能够继续运营,芯片制造商将需要更大的规模、更多的人才和更多的资金。t8tesmc

这篇文章想要深入的研究推动半导体制造成本上升的原因。t8tesmc

它将影响整个芯片领域,从最先进的芯片到最基本的芯片。这种趋势并不是最近才出现的,它一直在发生,但到了现在它开始加速。半导体价格的上涨会影响全球的所有人,并且这种通货膨胀不是暂时的。t8tesmc

想要了解为什么现在半导体的成本会不断上升,需要说到摩尔定律。现在,半导体世界中已经超越了晶体管能量缩放、频率缩放的增长,并且开始在晶体管密度增加中达到多核缩放的终点。但比这些趋势的终结更重要的是,成本扩展已经结束。虽然芯片制造商继续通过新技术提高晶体管密度,但每一层都增加了成本。t8tesmc

ASML 在其投资者日发表了一项大胆的声明,即摩尔定律将继续进行系统级扩展,另一个名称是先进封装。但这些成本增加了制造更小晶体管的成本。t8tesmc

虽然先进封装将解决晶体管密度问题,但它并不会使芯片变得更便宜。事实上,自2010年代初以来,每美元的晶体管价格变得更加昂贵。t8tesmc

半导体领域内不仅需要关注技术逆风,还需要关注成本逆风。摩尔定律的主要历史假设之一是晶体管不仅每两年翻一番,而且晶体管的成本也会下降,28nm大约是2011-2012年的标准。t8tesmc

有趣的是,在 28nm 附近发生了质的变化,因为它是最后的平面节点之一。Planar 用简单的语言来说是一个二维表面,而 FinFET在晶体管中引入了一个“鳍”向上突出,创建了 3D 结构而不是 2D 结构。现在正处于另一个栅极转换的边缘——环栅极 (GAA),它是一种更加 3D 密集型结构。随着转向 GAA 或下一次门技术迭代,每 100m 门的成本增加将继续增加,就像对平面 FinFET 所做的那样。这是由于制造这些芯片的复杂性增加,即制造中增加的步骤数量。t8tesmc

不仅仅是这种转变推高了成本。成熟制程芯片也开始变得更加昂贵。这里的关键不是技术而是经济,虽然成熟制程曾经有充足的产能和同类产品,但现在它变得抢手。除非价格上涨,否则企业不愿意增加产能。这是另一个关键驱动因素,不仅在最先进的芯片上,而且在较成熟的芯片上也是如此。t8tesmc

最后,不仅是成熟制程芯片和先进制程芯片,半导体晶圆厂正在变得更加整合和更具战略性。制造最先进芯片的前沿确实没有太多空间。这是半导体成本的第三个驱动因素,即提供独一无二产品的晶圆厂将不断上涨的成本转嫁给客户。台积电不是价格接受者,全世界都依赖它的产品。尽管成本不断增加,但他们开始获得更大的利润。无晶圆厂公司别无选择,只能付出更多。t8tesmc

这些主题中的每一个都值得深入探讨。首先从第一个主题开始:制造芯片所需的设备。t8tesmc

 行业共识:半导体成本强度将上升t8tesmc

财报季的普遍主题之一是制造半导体的设备成本较高。真正的警告是东京电子在其投资者日展示的这张幻灯片。t8tesmc

价格大幅度上涨是普遍现象,涉及 DRAM、NAND和逻辑芯片。鉴于今天 5nm 已投入生产,这不是预测,而是将继续下去的趋势。主要驱动因素不仅是 EUV 等工具的成本上涨,而且制造芯片的步骤也在增加。t8tesmc

不仅仅是东京电子表示会有更强的难度。在最近的财报季,台积电、Lam Research、KLAC 和其他 Semicap 公司都表示研发芯片的难度正在上升。在其他条件相同的情况下,100K 晶圆的启动成本应该会开始上升,每块芯片处于低到中个位数的前沿。另一种看待这个问题的方法是从自上而下的角度。比较以百万平方英寸 (MSI) 为单位的总出货量,并将其与晶圆厂设备的增长进行了比较。将此视为总产量与制造更多晶圆的支出。t8tesmc

在过去,新晶圆厂设备的支出低于 MSI 的扩张速度,因为购买的每台设备都会提供更多产能。但实际上, WFE 和 MSI 的关系似乎在 2012 年左右的某个地方发生了翻转。这与 28nm 节点或成本开始增加的关键节点不谋而合。也就是说,按照这个趋势预期 WFE 的增长速度将超过历史平均水平。t8tesmc

2012年-2020年,MSI年复合增长率3.6%,WFE年复合增长率8.0%。这大约是容量增加的两倍。如果对半导体设备的需求继续增加,那么 MSI 应该会增长得更快,因此 WFE 的乘数会更高。与历史速度相比,这是一个加速,推动这一趋势的是对半导体的需求和半导体领域面临的技术逆风。t8tesmc

实际上,有一个财报反复提及的趋势,出人意料地合乎逻辑:成熟制程芯片成本更高。t8tesmc

 成熟芯片成本更高t8tesmc

由于技术问题,不仅仅是最新、最快和最昂贵的芯片成本更高。最近的趋势是成熟芯片开始推动价格上涨。汽车半导体的变化正在推动市场芯片的需求,不是最新的先进制程芯片,而是历史更久的成熟制程芯片。t8tesmc

关键的问题在于,成熟技术从未有过真正意义上的产能增加,而且大多数时候,随着前沿技术的推进,晶圆厂将成为“旧物”,晶圆厂设备将继续使用和折旧。使用完全折旧的晶圆厂设备显著降低了制造半导体的成本,尤其是在10多年之后。t8tesmc

这是定价的一个重要方面。在没有太多增量资金的情况下维持晶圆厂,但仍在生产芯片,这就是随着时间的推移大幅降低旧芯片价格的原因。通常晶圆厂甚至会提高产量,从而进一步降低成本。之前的预估中,因为晶圆厂将完全折旧,2000年价值数百美元的尖端芯片,在2021年只需要花费几美分。t8tesmc

但现在发生了以前从未发生过的情况。从历史上看,需求集中在先进制程,但由于电动汽车和物联网生产的飞速发展,目前对成熟制程芯片的需求急剧上升。因为这些应用中大多数是使用更加成熟的技术,它们具有更好的产量、成本,更重要的是可靠性。即使需求激增,也没有增加产能,这是很罕见的。t8tesmc

到目前,成熟制程仍然有充足的产能,为成熟制程增加容量是闻所未闻。如果晶圆厂以80%的速度运行,则会认为该晶圆厂被认为是满载运营的,现在先进的晶圆厂正在以100%的速度运行。t8tesmc

需求增加而没有增加供应或是说没有增加供应的计划,这是汽车半导体短缺的主要原因。大多数半导体公司和晶圆厂都痴迷于前沿领域,因为它们可以获得更高的利润。现在,企业开始意识到要保持成熟制程的优势。成熟制程芯片正在变得和先进制程芯片一样重要,为了增加产能,企业不得不再次开始加大投资。t8tesmc

在这种情况下存在明显的定价问题。有了新的晶圆厂,一家公司就无法以之前完全折旧的晶圆厂所规定的价格出售落后的芯片来获利。价格必须上涨。Silicon Lab 的 CEO 上个季度讨论了这一变化。t8tesmc

“就成本增加和耐用性而言,我认为我们正在进入半导体行业的一个新阶段,在摩尔定律的推动下先进的节点变得越来越昂贵。过去,技术人员会搬出完全折旧的晶圆厂,但现在我们到了这样一个阶段,即先进制程和成熟制程之间混合,这意味着这些晶圆厂没有完全折旧。t8tesmc

因此,行业目前看到的成本增加的很大一部分是因为必须投入额外的资本支出来跨节点扩建新产能,不仅仅是在先进制程节点上。t8tesmc

所以,我们在其他方面看到的成本增加。在半导体行业中有一个特殊的元素,就是时间。就行业成本结构而言,随着时间的推移,这是一个阶梯函数。市场的需求、整个经济中电子产品含量的增加,以及新冠疫情的影响确实加速推动了我们陷入供应限制。我们会解决这个问题,但要解决这个问题需要大量的资本支出,而且必须得到平摊成本。这必须从我们的供应商上游流向我们,流向我们的客户,这就是你现在所看到的。”t8tesmc

有意思的是,并不是一家公司这样表述。On Semi、恩智浦、美光和其他成熟制程的半导体公司都确定,因为落后的需求高于供应,这种情况将持续下去。这对行业来说是一个全新的领域,不仅是对半导体战略重要性的确认,也是对广泛需求的确认。实际上只有一个解决方案:增加产能。但晶圆厂不确定他们能否在不提高价格的情况下通过增加晶圆厂的成熟制程产能来获利。反过来,他们担心对这些新增的成熟制程芯片的需求。t8tesmc

这是一个僵局。晶圆厂和半导体公司不确定这是否会持续下去,但汽车原始设备制造商等似乎有永不满足的需求。对于晶圆厂来说,很难在一年内改变你的行为,以对抗持续数十年的趋势。更难的是经历那些艰难的变化并期望客户接受更高的价格。UMC 在其 2021 年第二季度的业绩发布会议中说得很好:t8tesmc

“但是对于任何新建的容量扩展,对于成熟的节点,您都在与完全折旧的容量竞争。除非需求对客户非常重要,但经济性保持不变,则很难获得合理的投资回报率。重要的是,如果客户愿意与我们一起面对这些挑战,我们一定会探索这些机会。”t8tesmc

换句话来说,要么给钱要么继续短缺,鉴于交货时间并没有真正改善,最后的结果将是少量支付。这里必须有某种妥协,现在它以不可取消、不可退货的订单 (NCNR) 的形式出现。除非客户真正承诺无法取消或退货的订单,否则晶圆厂不会扩大产能。不确定有多少双重订购,但 NCNR 是对增加长期需求的坚定承诺。t8tesmc

虽然随着时间的推移,产能的增加最终应该会缓和价格上涨,但这将需要数年时间,尤其是如果汽车和物联网设备的需求持续存在的话。虽然价格不会在落后的情况下永远上涨,但实际历史价格的下跌也不会像以前那么大。t8tesmc

 台积电没有降价 t8tesmc

领先产品的工具价格正在上涨,这应该会损害台积电和其他领先晶圆厂的利润率。虽然英特尔在收缩毛利润,但这是公司投入特定资产赶上台积电而出现的情况。对于台积电来说,情况恰恰相反。台积电相信它可以通过更小的节点来提高利润率。该公司在业绩发布会上多次重申这一点,鉴于台积电暂无同类产品,较高的毛利率是非常合理的。现实情况是,台积电不是价格接受者,而是价格制定者。主要原因:它掌握了所有前沿制造业。t8tesmc

2019年全球100%的10nm以下逻辑芯片是台积电制造的。三星很可能已经赶上了,但就领先优势而言,依旧是台积电领先。鉴于台积电的制造能力集中,客户真的别无选择。如果一家无晶圆厂公司想以更高的利润销售其最新最好的芯片,他们必须去台积电。与此同时,台积电的毛利率多年来一直在缓慢上升。t8tesmc

尽管资本支出大幅增加并流向折旧销售的商品成本,但它们的毛利率仍然很高,公司相信它将保持这种状态。t8tesmc

鉴于其绝对惊人的直接资本支出,台积电在最近一次电话会议上这样说:t8tesmc

“尽管我们为行业承担了更大的投资负担,但通过采取这样的行动,我们相信我们可以获得适当的回报,使我们能够投资支持客户的增长并实现 50% 或更高的长期盈利增长我们股东的毛利率。”t8tesmc

目前,为了承担更高的资本支出负担,该公司正在有目的的分摊价格。它最近将芯片价格提高了 20%,如果制造先进半导体的持续成本持续下去,它将会继续提高价格。在情况发生变化之前,全球竞争不会有什么变化。如果三星和英特尔在代工业务上齐心协力,也许他们会愿意降低毛利率,但在此之前,半导体领域的是台积电的世界。在资本成本上升的情况下,这将提高价格。t8tesmc

 半导体的价格正在上涨,而且不是暂时的   t8tesmc

这些因素中的每一个都将成为价格上涨的顺风。总之,可以肯定的是,价格将不断上涨。在更高技术的设备、更多步骤以及摩尔定律的经济效益下降、产能滞后的种种问题影响下,半导体的成本正在上升。t8tesmc

在某些地方,价格上涨将继续存在。半导体是一个价值约 5300 亿美元的产业,占全球 GDP 的一半。t8tesmc

日常的需求没有丝毫放缓,更高的需求来自数量最多的垂直领域,PC、移动、数据中心、汽车和物联网都是一个可靠且不断增长的终端市场。某些应用程序未来的计算密集度更高,例如机器学习。随着软件逐渐占据未来全部的生活,硅已经如同每日都需要的粮食一样,随处可见。这一切都在摩尔定律戛然而止之际发生。t8tesmc

简单来说:更高的需求 + 更低的供应改善 = 价格上涨。t8tesmc

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