缺芯常態(tài)化的當(dāng)下，我們發(fā)現(xiàn)一個(gè)比較有趣的事實(shí)：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(chǎn)量增大，就可以以量來攤薄前期CapEx資本投入，每代工藝?yán)響?yīng)越用越便宜。舊工藝成本的罕見提升，這在行業(yè)過去都是前所未見的，可見當(dāng)前市場(chǎng)缺芯局面對(duì)半導(dǎo)體制造帶來的巨大變化...
前兩年我們結(jié)合MIT的一篇paper，寫過一篇半導(dǎo)體行業(yè)趨勢(shì)文章叫《深度學(xué)習(xí)的興起，是通用計(jì)算的挽歌？》�，F(xiàn)在回頭看MIT的這篇paper，感覺仿若圭臬。
這其中有個(gè)比較重要的基本理論，就是隨著半導(dǎo)體制造尖端工藝的成本不斷提升，市場(chǎng)越來越慘烈。5年前美國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)還估算說7nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)建廠的配套制造成本怎么也得花個(gè)70億；轉(zhuǎn)眼看看我們前不久報(bào)道今年臺(tái)積電預(yù)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(huì)有什么后果呢？一個(gè)行業(yè)、產(chǎn)業(yè)的增長(zhǎng)速度再如何都是有限的，如果成本增速超過了產(chǎn)業(yè)本身的預(yù)期發(fā)展速度，不僅會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品售價(jià)攀升、技術(shù)迭代周期放緩，而且也將導(dǎo)致市場(chǎng)參與者不得不靠蠶食其他競(jìng)爭(zhēng)者才能存活下去，寡頭效應(yīng)日益凸顯。這兩年的半導(dǎo)體制造市場(chǎng)就是如此。
另外這里還暗含了一則信息，就是摩爾定律事實(shí)上的終結(jié)。有人會(huì)說：這話都老掉牙了。如果不從技術(shù)角度來看摩爾定律，摩爾定律不只是說每12-18個(gè)月單位面積內(nèi)的晶體管數(shù)量翻倍，還在于達(dá)成相同性能的成本理論上會(huì)降低。前半部分對(duì)不對(duì)有很多人在討論，而后半部分可能已經(jīng)無法達(dá)成了。
另一件比較有趣的事情是，如果你認(rèn)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(xiàn)在也在提升，聽起來就比較詭異了吧？
最近Fabricated Knowledge發(fā)了篇半導(dǎo)體制造成本攀升的剖析文，結(jié)合如今缺芯潮大勢(shì)，分析得挺有意思。與此同時(shí)，如果我們結(jié)合半導(dǎo)體制造上游、硅片大廠，其實(shí)更能理解這波“晶體管漲價(jià)”的大趨勢(shì)是怎么回事，以及它還將持續(xù)多久。
尖端工藝與摩爾定律
對(duì)于“摩爾定律停滯”這一論調(diào)，反對(duì)的廠商自然是不少的。比如ASML，比如各大EDA廠商，比如幾個(gè)foundry廠；Synopsys這兩年就在不遺余力地宣傳SysMoore，將摩爾定律的發(fā)展提升到系統(tǒng)的層面來；而foundry廠著力在談more than Moore，也就是先進(jìn)封裝工藝的發(fā)展。
性能、效率的提升在半導(dǎo)體行業(yè)延續(xù)，應(yīng)該不是什么偽命題。不過這些市場(chǎng)參與者都沒怎么提達(dá)成同等性能的成本是否在增加。要知道，整個(gè)信息技術(shù)乃至電子科技領(lǐng)域發(fā)展的基石，很大程度都在技術(shù)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(dòng)力。
Fabricated Knowledge援引了Marvell前兩年Investor Day的一張圖。這張圖表達(dá)的是不同工藝節(jié)點(diǎn)之下，每?jī)|邏輯門的造價(jià)。可以很明確地看到，28nm是個(gè)臨界點(diǎn)。28nm實(shí)際上也是平面FET晶體管和FinFET晶體管之間的臨界點(diǎn)。此后每代工藝的每?jī)|門晶體管造價(jià)都是緩慢攀升的。
對(duì)當(dāng)代制造工藝來說，我們也正處在臨界點(diǎn)上：即尖端制造工藝方面，GAAFET結(jié)構(gòu)晶體管即將取代FinFET——明年三星GAAFET晶體管將率先量產(chǎn)，后續(xù)臺(tái)積電和Intel也將跟進(jìn)。這是否意味著3nm節(jié)點(diǎn)之后即將有新一波的成本增加？因?yàn)镚AAFET晶體管的制造需要更復(fù)雜、更多樣化的工序步驟。
其實(shí)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(gè)晶體管的設(shè)計(jì)和制造成本為分析對(duì)象，則歷史上有一段時(shí)間該數(shù)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(jīng)濟(jì)效益；而28nm之后，該趨勢(shì)便不復(fù)存在也是現(xiàn)在分析師們的統(tǒng)一意見。
有關(guān)成本提升的問題，前年美國(guó)CSET也寫過一份相關(guān)AI芯片成本攀升的paper，切入點(diǎn)還挺與眾不同，也更全面地探討了包括功耗成本、運(yùn)營(yíng)成本等在內(nèi)的總成本問題。對(duì)尖端制造工藝感興趣的讀者可前往閱讀。
事實(shí)上，制造設(shè)備（equipment）這些年的花銷顯著提升（2012-2020年，晶圓制造設(shè)備市場(chǎng)漲幅明顯大于出貨總產(chǎn)能），而且價(jià)格還在漲；不光是EUV光刻機(jī)的價(jià)格，各類新技術(shù)實(shí)現(xiàn)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(jìn)封裝工藝之類的新技術(shù)，普遍都在增加單個(gè)晶體管的制造成本。
舊工藝的成本竟然也在增？
另一個(gè)比較有趣的事實(shí)是，成熟工藝/舊工藝的成本這年頭也在提升。這一點(diǎn)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(chǎn)量增大，以量來攤薄前期CapEx資本投入，每代工藝?yán)響?yīng)越用越便宜。當(dāng)它成為舊工藝以后，還有改良過的成本優(yōu)化方案令其進(jìn)一步降低成本。一般舊工藝的制造工廠也就是折舊、維護(hù)成本。
但這兩年面臨了行業(yè)前所未見的大變局，就是芯片供不應(yīng)求，而且到了大規(guī)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(xiàn)出陡增的局面。汽車、IoT這些缺芯缺得很嚴(yán)重的應(yīng)用，一般都不會(huì)采用尖端制造工藝，基于其量只會(huì)用成本更低的舊工藝（其原因，也已經(jīng)在《深度學(xué)習(xí)的興起，是通用計(jì)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(dá)到80%，我們就可以說它處在“滿載”狀態(tài)了；而實(shí)際上VLSI Research的數(shù)據(jù)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(kuò)產(chǎn)了：也就是說現(xiàn)在針對(duì)舊工藝需要去增加CapEx實(shí)際資本支出，買設(shè)備、蓋廠或改建。
額外增加的CapEx支出，必然導(dǎo)致這些舊工藝的成本在中短期內(nèi)要漲價(jià)一波。包括Silicon Labs、安森美、恩智浦等在內(nèi)的企業(yè)都表達(dá)了這樣的態(tài)度，并表示次尖端工藝或成熟工藝的這種趨勢(shì)還會(huì)因?yàn)槿毙境倍掷m(xù)一段時(shí)間。Fabricated Knowledge評(píng)價(jià)這在行業(yè)過去都是前所未見的。
對(duì)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(dāng)堅(jiān)決的，而且愿意為成熟工藝付出更高的價(jià)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(huì)去投入。
當(dāng)然隨著時(shí)間拉長(zhǎng)，未來成熟工藝的成本仍然會(huì)慢慢下降。但Fabricated Knowledge認(rèn)為這可能需要好幾年，尤其是現(xiàn)在汽車和IoT的市場(chǎng)需求還如此旺盛。
硅片廠呈現(xiàn)的缺芯現(xiàn)狀
缺芯是個(gè)大話題，但總有某些切入點(diǎn)可談。比如說我們認(rèn)為做硅片的，在缺芯問題上就很有發(fā)言權(quán)。SUMCO預(yù)計(jì)2020-2025年智能手機(jī)出貨量的年復(fù)合增長(zhǎng)率（CAGR）能達(dá)到4.9%，從13億增長(zhǎng)至16.5億臺(tái)。HPC方面（包括數(shù)據(jù)中心CPU、AI芯片，5G手機(jī)的應(yīng)用處理器、自動(dòng)駕駛CPU等）預(yù)期這5年將有14.7%的CAGR。還有DRAM每年的bit數(shù)量增速有20%，晶圓需求近5年CAGR 20%等等。
很多應(yīng)用的需求仿佛完全沒有放緩的跡象。SUMCO和Global Wafers都表達(dá)，無法快速跟上市場(chǎng)需求量，因?yàn)樗麄儸F(xiàn)在缺關(guān)鍵工具來增加產(chǎn)量；其輸出能力至2023年之前都無法快速擴(kuò)充；至2025年將持續(xù)增加產(chǎn)能，但對(duì)于滿足硅片需求來說也是完全不夠的；2024年之前，SUMCO硅片價(jià)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(huì)且無法再增加200mm晶圓產(chǎn)量。目前SUMCO的供貨能力提升都在brownfield investment上（brownfield是指在老的系統(tǒng)上做新的部署，相對(duì)的greenfield一般是做全新的投入），到2021年其brownfield擴(kuò)張實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)能增加已經(jīng)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(shù)據(jù)。SUMCO表示，客戶庫存近一年遭遇陡降�！拔覀兿嘈趴蛻魩齑嬉呀�(jīng)降到了1個(gè)月的（用量）水平。如果庫存低于一個(gè)月的水平，對(duì)客戶而言就已經(jīng)構(gòu)成了比較危險(xiǎn)的局面�！比绻麑�(duì)庫存水平做邏輯和存儲(chǔ)晶圓的切分，“則你會(huì)看到邏輯這邊已經(jīng)達(dá)到0.7個(gè)月，而存儲(chǔ)是大約1.2個(gè)月�！�
可見如今的市場(chǎng)局面對(duì)后續(xù)半導(dǎo)體制造的成本將會(huì)造成多大和多久的影響。所以“好幾年”的預(yù)測(cè)大概是切實(shí)的。
最后一點(diǎn)值得一提的是，臺(tái)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(chǎng)話語權(quán)。我們此前也多次報(bào)道了基于市場(chǎng)需求，臺(tái)積電雄心壯志地表示未來提升利潤(rùn)率的信心。提升利潤(rùn)率的一部分就是加價(jià)——無論是為了賺更多的錢，還是文首所述的預(yù)期中市場(chǎng)發(fā)展速度跟不上成本的增長(zhǎng)。
在去年觀察手機(jī)市場(chǎng)的文章里，我們談到臺(tái)積電對(duì)晶圓價(jià)格做調(diào)整的事實(shí)，尤其是成熟工藝節(jié)點(diǎn)晶圓價(jià)格漲幅尤甚，今年也會(huì)持續(xù)漲價(jià)。以臺(tái)積電如今的市場(chǎng)地位，買家也不會(huì)有太多的選擇余地。這也需要作為半導(dǎo)體領(lǐng)域成本增加納入考量的一環(huán)。