急剧上升的芯片成本

国际金属加工网 2021年11月23日

半导体行业正在悄然发生剧变。一直统治着这个行业的规则正在瓦解,这打破了我们认为理所当然的假设,这些假设是在学校里灌输给我们的。例如无可指责的摩尔定律,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。但摩尔定律事实上已经死了。

人们开始意识到制造芯片并不容易。芯片短缺与台积电和ASML受到地缘政治的影响,唤醒了大众的想象力,凸显了芯片制造的科幻般的过程。前面的道路有很多障碍,但并未得到广泛认可。制造半导体将变得更加困难、昂贵和技术含量更高。换句话说,挑战将加速。

要在未来运营,芯片制造商将需要更大的规模、更多的人才和更多的资金。这影响了整个芯片范围——从最先进的芯片到最基本的芯片。这种趋势并不新鲜,因为它已经在发生了,但我相信现在它会开始加速。价格上涨可能会影响地球上的每个人。这种通货膨胀成本不是暂时的。

要了解我们是如何走到这里的,我想首先让您了解摩尔定律的消亡。我们过去几年的发展已经超过了晶体管性能缩放和频率缩放的增长,并且我们开始在晶体管密度增加方面达到了多核缩放的终点。但比这些趋势的终结更重要的是,成本缩放已经结束。虽然我们通过新技术不断提高晶体管密度,但每一层都会增加额外的成本。

ASML 在其投资者日大胆声明,摩尔定律将继续进行系统级扩展。这种说法的另一个名称是高级封装。但是,这些成本与制造更小晶体管的成本已经不断上升是相加的。

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ASML 投资者日 - 技术评论 - 幻灯片 13

虽然我相信先进封装将解决晶体管密度问题,但我不相信它会使芯片更便宜。事实上,自 2010 年代初以来,每美元的晶体管变得更加昂贵。
我不仅要关注技术逆风,还要关注成本逆风。

摩尔定律的主要历史假设之一是,不仅你的晶体管每两年翻一番,而且晶体管的成本会下降。不再。下图来自 Marvell 的 2020 年投资者日。28nm 的标准大约是 2011-2012 年。

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Marvell 2020 年投资者日 - 幻灯片 43

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 通俗地说就是二维表面(平面),而 FinFET——取代平面的技术——在晶体管中引入了一个“鳍”向上突出,创造了一个 3D 结构而不是 2D 结构。我们现在正处于向另一个栅极(GAA)过渡的边缘,这是一种更加 3D 密集型的结构。我们转向 GAA 或栅极技术的下一次迭代,我相信每 100m 栅极的成本增加将继续增加,就像它们在平面上的 FinFET 一样。这是由制造这些芯片的复杂性增加所驱动的——即制造步骤的增加。

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推高成本的不仅仅是这种转变。落后的芯片——旧芯片——也开始变得更加昂贵。这里的故事不是技术上的,而是经济上的,曾经有充足的产能和类似商品的回报的东西开始变得抢手。除非随后的价格上涨,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,而且在较旧的芯片上也是如此。

最后,不仅是旧芯片和新芯片,制造芯片的公司(半导体工厂)也变得更加整合和更具战略性。在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,即提供独一无二的产品的晶圆厂将其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。尽管成本增加,但他们开始获取更大的利润。无晶圆厂公司别无选择,只能支付更多。

这些主题中的每一个都值得深入探讨。我将首先从我最喜欢的主题开始:Semicap – 或制造芯片所需的工具。

行业共识:半导体成本强度将上升

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

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Tokyo Electron 2021 年 10 月投资者日 - Slide 101

价格的大幅上涨是广泛的,这涉及 DRAM、NAND 和逻辑生产。鉴于今天 5nm 已投入生产,这不是预测,而是一种将继续的趋势。主要驱动因素不仅是 EUV 等工具的成本上升,而且制造芯片的步骤数量也在增加。下图显示了芯片生产step随时间增加的情况。

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CCMP 2020 年 12 月投资者介绍

不仅仅是东京电子公司单独呼吁更高的强度。在最近的财报季,台积电、Lam Research、KLAC 和其他 Semicap 公司都呼吁强度不断上升。我认为在其他条件相同的情况下,10 万片晶圆的成本应该开始上升,处于领先地位的每个芯片的中低个位数。另一种看待这个问题的方法是从自上而下的角度。我比较了百万平方英寸 (MSI) 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。

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过去的情况是新晶圆厂设备上的支出跟不上 MSI 的扩张速度,因为购买的每个工具都会提供更多的产能。我想强调的是,如果你眯着眼睛,你会发现 WFE 和 MSI 的关系似乎在 2012 年左右发生了翻转。这与 28nm 节点或成本开始增加的关键节点不谋而合。展望未来,我认为我们应该期望 WFE 的增长速度快于历史平均水平。

2012年至2020年,MSI以3.6%的复合年增长率增长,WFE以8.0%的复合年增长率增长。这大约是产能增加的两倍。如果对半导体器件的需求继续增加,那么 MSI 应该增长得更快,因此 WFE 的乘数应该更高。我不确定 WFE 的关系是否保持 MSI 增长的 2 倍,但它应该是一个更高的乘数——比如 1.5x-2x MSI。与其历史速度相比,这是加速,而推动半导体需求的则是我们面临的技术逆风。

我现在想转向另一个在上个财报季反复提及的趋势,坦率地说,这让我感到惊讶,但又出人意料地合乎逻辑:旧芯片更贵。

旧芯片成本更高

不仅仅是最新、最快、最昂贵的芯片因为技术问题而成本更高。最近最有趣的趋势是,旧芯片开始推动价格上涨。汽车半导体最近的变化正在推动需求,不是对最新和最伟大的技术,而是对更老和更成熟的技术。问题在于,旧技术从来没有增加过有意义的产能,而且大多数时候,随着前沿技术的推进,晶圆厂只会成为“二手设备”,而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着降低了制造半导体的成本,尤其是在 10 多年之后。

这是定价的一个重要方面。晶圆厂在没有太多增量资金的情况下维持,但仍在生产芯片,这是随着时间的推移大幅降低旧芯片价格的原因。通常甚至会提高产量,从而进一步降低成本。一种想法是,2000 年成本数百美元的领先芯片到 2021 年将花费几美分,因为晶圆厂将完全折旧。

但是这有一个问题。我们遇到了以前从未发生过的情况。从历史上看,需求集中在前沿。今天,我们也要求处于落后的边缘。事实上,对旧芯片的需求开始急剧上升。这是由汽车和物联网生产驱动的,因为这些应用程序中的大多数是更老、更成熟的技术,它们具有更好的产量、成本和重要的可靠性。即使需求激增,也没有增加容量。添加到落后生产中的情况非常罕见。

直到最近,落后的技术仍有充足的产能需求。在落后的产能增加产能更是闻所未闻的。如果晶圆厂以 80% 的速度运行,则它被视为“已满”。现在,落后技术的晶圆厂运行率接近 100%。有些事情必须改变。

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SIA 公众意见 114

这是汽车半导体短缺的驱动因素之一:更高的需求和没有供应或没有增加供应的动机。大多数半导体公司和晶圆厂都痴迷于领先优势,因为它们可以获得更高的利润。现在,公司正在觉醒以保持落后的优势。“旧”芯片正变得与新芯片一样重要,为了增加产能,公司不得不再次开始大量增资。

在这种情况下存在明显的定价问题。对于新的晶圆厂,公司无法以之前完全折旧的晶圆厂规定的价格销售落后芯片来获利。价格必须上涨。Silicon Lab 的首席执行官上个季度讨论了这种动态: 

“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,我们已经有了摩尔定律和先进的节点变得越来越昂贵,你已经有了现在主流技术全面。过去,数字技术人员会搬出,而 N 减 1、N 减 2、N 减 3 节点将是完全折旧的晶圆厂,您将搬入。我们现在已经到了这样一个阶段,即先进与主流之间的混合、比例正在导致台积电和其他晶圆厂建立新的主流技术,这意味着这些晶圆厂并没有完全折旧。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,不仅仅是在高级节点,而且是跨。

所以,如果你看看我们在其他方面看到的成本增加——它在整个行业中,有一个特定的元素,随着时间的推移是持久的。因此,就行业的成本结构而言,这是一个阶梯函数,以匹配我们所看到的需求以及整个经济中电子产品不断增加的内容以及我们在大流行中看到的需求加速。这推动我们进入供应限制。我们会解决这个问题,但是解决这个问题需要大量的资本支出,而这必须得到补偿。这必须从我们的供应商上游流向我们,流向我们的客户,这就是您现在所看到的。”

其实上,不仅一家公司说了这件事。这种说法获得了On Semi,恩智浦半导体、Microchip 和其他“主流”或落后半导体公司肯定,这种情况将继续下去,因为落后工艺的需求高于供应。这对行业来说是全新的领域,不仅是对半导体战略重要性的肯定,也是对广泛需求的肯定。实际上只有一种解决方案——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增加未开发的落后优势来获利。反过来,他们担心对这些“新”落后芯片的需求。

这是一个僵局。晶圆厂和半导体公司不确定这种情况会持续多久,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,很难在一年之内改变自己的行为来对抗持续了几十年的趋势。更难的是经历这些艰难的变化并期望客户接受更高的价格。联电在其 2021 年第二季度的电话会议中说得很好:

“但是对于任何新建产能扩展,对于成熟节点,您都在与完全折旧的产能竞争——最有可能的是,您将与完全折旧的产能竞争。除非需求对客户非常重要,但经济性 - 如果经济性保持不变,则很难获得合理的投资回报率。但是,如果客户愿意与我们一起面对这些挑战,我们一定会去探索这些机会。”

换句话说,支付或继续短缺。考虑到交货时间并没有真正改善,我认为结果是略微支付。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。除非他们的客户真正承诺无法取消或退回的订单,否则晶圆厂不会扩大产能。因为他们不确定发生了多少双重订购,但 NCNR 是增加长期需求的非常坚定的承诺。 

虽然随着时间的推移,产能的增加最终会平息价格上涨,但这将需要数年时间,尤其是在汽车和物联网设备的需求持续增长的情况下。我不认为价格会永远处于滞后状态,但我认为我们应该预期历史价格下跌的关系不会像过去那样大。最后,留给我的是 800 磅重的大猩猩——台积电

台积电不降价

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。虽然我们可以让英特尔的毛利率收缩,但这更多是为了赶上台积电的公司特定投资。但在台积电,情况恰恰相反。台积电坚信它可以通过更小的节点来提高利润率。该公司在电话会议上多次重申这一点,鉴于台积电的独一无二的产品,更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:它对所有领先的制造业都有控制权。

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2021 年 SIA 行业状况报告 - 第 19 页

2019,年全球100%的10纳米以下逻辑产品是在台积电制造的。三星很有可能已经赶上了,但就领先优势而言,只有台积电处于领先地位。鉴于台积电的制造能力集中,客户确实别无选择。如果一家无晶圆厂公司想以更高的利润出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。

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

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台积电在最近的电话会议上是这样说的,鉴于其绝对惊人的直接资本支出,我认为这是合理的:

即使我们为行业承担了更大的投资负担,通过采取这样的行动,我们相信我们可以获得适当的回报,使我们能够投资以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。

目前,为了承担更高的资本支出负担,该公司正在有意义地传递价格。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继续增加下去,它可以而且将会提高价格。在情况真正改变之前,市场上没有其他任何有意义的竞争。如果三星和英特尔在代工领域联合起来,也许他们会愿意接受更低的毛利率,但在那之前,这是我们生活的台积电世界。它会在更高的资本成本的支持下提高价格。

半导体的价格正在上涨,而且不是暂时的

这些因素中的每一个本身都会成为价格上涨的顺风。总之,价格肯定会从这里上涨。在导致更高工具成本的更多步骤、摩尔定律的经济效益下降以及落后产能问题之间,我相信我们在半导体中看到的历史成本下降将开始放缓。在某些地方,我相信价格上涨将持续下去。在你对通货膨胀投机感到疯狂之前,我想重申一下,半导体只是一个价值约 5300 亿美元的产业,占全球 GDP 的 0.5%。这不会导致到处都是猖獗的通货膨胀。

等式的需求方面似乎没有丝毫放缓。更高的需求来自数量最多的垂直行业,个人电脑、移动设备、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。某些应用未来的计算密集度更高,例如机器学习。随着软件吞噬了我们生活中的一切,芯片使这成为可能。所有这一切都发生在摩尔定律戛然而止的时候。简单来说:需求增加+供应改善减少=价格上涨。

原文参考链接:

https://www.fabricatedknowledge.com/p/the-rising-tide-of-semiconductor



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