半导体不只是晶体管

半导体行业正在发生一场悄无声息的动荡。一直支配着这个行业的规则正在磨损，推翻了我们认为理所当然的假设，这些假设是在学校里强加给我们。无可指责的摩尔定律，即集成三极管数目的指数级的进步将使事情随着时间的推移而变得更便宜，更好，更快，然而现在摩尔定律已经死了。

人们开始意识到制造芯片并不容易。短缺以及台积电和ASML的地缘政治集中唤醒了大众的想象力，并突出了科幻小说般的芯片制造工艺。前面的道路有障碍，但没有得到广泛的承认。制造半导体将变得更加困难，更昂贵，更具技术性。换句话说，挑战将加速。

为了在未来运营，芯片制造商将需要更多的规模，更多的人才和更多的资金。本文想更深入地研究是什么推动了制造半导体的成本上升。它影响整个芯片系列，从最先进的芯片到最基本的芯片。这种趋势并不新鲜，它已经发生了，但我相信现在它将开始加快速度。价格上涨可能会影响地球上的每个人；并且这种成本上升的趋势并不只是暂时的。

为了理解我们是如何走到这一步的，我想先让大家了解一下摩尔定律的死亡原因。我们已经在晶体管功率缩放和频率缩放方面实现了增长，并且我们开始在晶体管密度增加方面达到多核缩放的终点。但比这些趋势的结束更重要的是，芯片成本的缩减已经结束。虽然我们继续通过新技术提高晶体管密度，但每个技术都增加了额外的成本。

ASML在其投资者日做出了一个大胆的声明，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。但这些成本是制造更小晶体管已经不断上升的成本的补充。

ASML投资者日的技术评论

虽然我相信先进封装将解决晶体管密度问题，但我不相信它会让芯片更便宜。事实上，自2010年代初以来，每美元的晶体管已经变得更加昂贵。

我不仅要关注技术逆风，还要关注成本逆风。摩尔定律的一个主要历史假设是，不仅你的晶体管每两年翻一番，而且晶体管的成本也会下降。然而现在它已经不再成立了。下图来自Marvell的2020年投资者日的材料，28nm的条形大约是2011-2012年，价格最便宜。

Marvell 2020投资者日的幻灯片

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。平面在通俗易懂的语言中是二维表面（平面），而FinFET（取代平面的技术）将"翅片"引入晶体管向上突出，从而创建3D结构而不是2D结构。我们现在正处于另一个栅极过渡的边缘 -全方位栅极（GAA），这是一个更加密集型的3D结构。当我们转向GAA或下一代栅极技术时，我相信每100M栅的成本增加将继续增加，就像FinFET在平面上所做的那样。这是由制造这些芯片的复杂性增加所驱动的 - 即制造中增加的步骤数量。

不仅仅是这种转变推高了成本。落后的芯片——较旧的芯片——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，曾经具有类似商品的回报的充足产能开始变得炙手可热。企业不愿意增加产能，除非随后价格上涨。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，不仅仅是旧芯片和新芯片，而且制造芯片的公司（半导体晶圆厂）也变得更加整合和更具战略性。在制造最先进的芯片的前沿，确实没有太多的空间。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正在将其不断上升的成本转嫁给客户。台积电不是一个价格接受者，世界依赖于其产品。尽管成本不断增加，但人们开始获得更大的利润。无晶圆厂公司别无选择，只能支付更多的费用。

这些课题中的每一个都值得深入研究。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：Semicap成本强度将上升

这个财报季的普遍主题之一是制造半导体的工具成本较高。真正的警告镜头是Tokyo Electron在其投资者日展示的这张幻灯片。

东京电子 2021年10月投资者日

芯片价格的大幅上涨是广泛的，包括DRAM，NAND和Logic。鉴于5nm今天正在生产中，这不是一个预测，而是一个将继续下去的趋势。主要驱动因素不仅是EUV等工具成本的上升，而且是制造芯片的工艺步骤数量不断增加。下图显示了芯片工艺步数随时间推移的增加情况。

CCMP 2020年12月投资者简报

并不是只有东京电子公司（Tokyo Electron）单独抱怨更高的芯片制造成本。在最近的财报季，台积电、泛林集团、KLAC和其他半导体公司都呼吁关于芯片制造成本的上升。我认为在其他条件相同的情况下，10万片晶圆启动的成本应该开始上升，每个芯片的低到中个位数处于领先地位。另一种看待这个问题的方法是从自上而下的角度来看待这个问题。我比较了以百万平方英寸（MSI）为单位的总出货量，并将其与晶圆厂设备的成本增长进行了比较。将此视为总产量与制造更多晶圆的支出。

百万平方英寸（MSI）为单位的总出货量

过去，这种关系是，在新晶圆厂设备上的支出与MSI的扩张速度不符，因为购买的每台工具都会提供更多的产能。我想强调的是，如果你眯起眼睛，你可以看到WFE和MSI的关系似乎在2012年左右发生了翻转。这与28nm节点或成本增加开始的关键节点相吻合。展望未来，我认为我们应该预期WFE的增长速度将快于历史平均水平。

从2012年到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。这大约是容量增加的两倍。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的乘数更高。我不确定WFE的关系是否保持在MSI增长的2倍，但它应该是一个更高的乘数 - 例如，1.5x-2x MSI。与其历史速度相比，这是加速的，而推动这一增长的是对半导体的需求以及我们面临的技术逆风。

我现在想转向另一个趋势，这个趋势在上一个财报季一再被提到，坦率地说，这让我感到惊讶，但令人惊讶的逻辑：旧工艺节点的芯片将会更昂贵。

旧工艺节点的芯片成本更高

不仅仅是最新，最快，最昂贵的芯片由于技术问题而成本更高。最近最有趣的趋势是，旧工艺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，而是对更古老和更成熟的技术的需求。问题在于，业界从未为旧技术增加过有意义的产能，大多数时候，随着领先优势的推进，晶圆厂设备将继续被使用和折旧，晶圆厂只会成为"手工制作"。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，特别是在10多年后。

这是定价的一个重要方面。一个在没有太多增量资本的情况下维持的晶圆厂，但仍然生产芯片，随着时间的推移，这大大降低了旧芯片的价格。通常甚至会提高产量，从而进一步降低成本。当时的想法是，一个在2000年花费数百美元的尖端芯片将在2021年花费几美分，因为晶圆厂将完全贬值。

但这有一个问题。我们有一个以前从未发生过的情况。从历史上看，需求集中在前沿。今天，我们也在滞后的边缘提出了要求。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，因为这些应用中的大多数都是更古老，更成熟的技术，具有更好的产量，成本，重要的是可靠性。尽管需求飙升，但没有增加任何产能。增加滞后边缘的生产是非常罕见的。

直到最近，在滞后边缘仍有充足的产能。为滞后边缘增加产能是闻所未闻的。如果晶圆厂以80%的速度运行，则被视为"已满"。现在，后缘晶圆厂的运行率接近100%。有些事情必须改变。

Public Comment 114.

这是汽车半导体短缺的驱动因素之一：需求增加，没有供应或激励措施来增加更多供应。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，企业正在觉醒，以保持滞后优势。"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增加大量资金。

此方案中存在明显的定价问题。有了新的晶圆厂，公司就无法以以前完全折旧的晶圆厂决定的价格出售落后的芯片来获利。价格必须上涨。Silicon Lab的首席执行官上个季度讨论了这一动态：

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，我们已经有摩尔定律和先进的节点变得越来越昂贵，你已经拥有了主流技术。过去，数字人员会搬出去，N减去1，N减去2，N减去3个节点将完全贬值，你会搬进去。我们现在已经达到了这样一个地步，即先进和主流之间的混合，比例正在导致晶圆厂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贬值。因此，该行业目前看到的成本增加的很大一部分是由于必须投入额外的资本支出才能在节点之间构建新容量，不仅在高级节点上，而且在各个节点上。

因此，如果你看看我们在其他行业看到的成本增加 - 这是整个行业，有一定的元素，随着时间的推移，这是持久的。因此，就行业的成本结构而言，这是一个阶跃功能，以匹配我们看到的需求，以及整个经济中电子产品含量的增加以及我们通过大流行看到的需求加速，这确实推动了这一趋势，并将我们推向了供应限制。我们将努力解决这个问题，但要解决这个问题需要大量的资本支出，这必须得到补偿。这必须从我们的供应商流向上游，流向我们的客户，这就是你现在所看到的。

最棒的是，这不是一家公司在真空中说这句话。在Semi上，恩智浦半导体、Microchip和其他"主流"或落后边缘半导体公司确认这种情况将继续下去，因为滞后边缘的需求高于供应。这对该行业来说是一个全新的领域，不仅证实了半导体的战略重要性，而且证实了广泛的需求。实际上只有一个解决方案——增加产能——但晶圆厂不确定它们能否在不提高价格的情况下增加芯片滞后优势。反过来，他们担心对这些"新"滞后芯片的需求。

这是一个僵局。晶圆厂和半导体公司不确定这种情况是否会持续下去，但汽车原始设备制造商等似乎有着永不满足的需求。对于晶圆厂来说，很难在一年内改变你的行为，这与持续了几十年的趋势背道而驰。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。联华电子在2021年第二季度的电话会议上说得很好：

但是，对于任何绿地容量扩展，对于成熟节点，您正在与完全 - 最有可能的是，您将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 - 如果经济性保持不变，将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，我们一定会探索这些机会。

换句话说，要么付出代价，要么继续短缺。鉴于交货时间并没有真正改善，我认为略微支付将是结果。这里必须有某种妥协，现在它以不可取消，不可退还的订单（NCNR）的形式出现。晶圆厂不会扩大后缘产能，除非他们的客户真正承诺无法取消或退货的订单。目前还不确定有多少双重订购正在进行中，但NCR是增加长期需求的坚定承诺。

虽然容量的增加最终应该会随着时间的推移平滑价格上涨，但这将需要数年时间，特别是如果汽车和物联网设备的需求持续增长。我不认为价格会永远以滞后优势上涨，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，这给我留下了800磅重的大猩猩 - 台湾半导体制造公司。

台积电不会降价

尖端产品的刀具价格正在上涨，这应该会损害台积电和其他尖端晶圆厂的利润率。虽然我们可以在英特尔收缩毛利率，但这更多的是公司特定投资以赶上台积电的功能。但在台积电，情况恰恰相反。台积电相信，它可以通过较小的节点提高其利润率。该公司在电话会议上多次重申了这一点，鉴于台积电独一无二的产品，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。主要原因是：它扼杀了所有前沿制造业。

2021 SIA 发布的行业报告

全球100%的10nm以下逻辑是在2019年台积电制造的。三星很可能已经迎头赶上，但就领先优势而言，它只是台积电领先。鉴于台积电的制造能力集中，客户真的没有其他选择。如果一家无晶圆厂公司想以更高的利润率出售其最新、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。

尽管资本支出大幅增长，导致作为折旧出售的商品成本，但他们的毛利率仍然很高，该公司相信它将保持这种状态。

台积电在最近的电话会议上这样说，鉴于其绝对惊人的直接资本支出，我认为这是有道理的：

即使我们承担着更大的行业投资负担，通过采取此类行动，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，并为股东提供50%和更高的毛利率的长期盈利增长。

现在，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下去，它可以而且将会进一步提高价格。在情况发生变化之前，镇上没有其他有意义的竞争。如果三星和英特尔在代工厂中共同行动，也许他们会愿意采取较低的毛利率，但在此之前，这是我们生活的台积电世界。这将在资本成本上升的背景下提高价格。

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，可以肯定的是，价格将从这里上涨。在导致工具成本上升的更多步骤，摩尔定律的经济效益下降以及滞后产能问题之间，我相信我们在半导体中看到的历史成本下降将开始放缓。在一些地方，我相信后缘的价格上涨将会持续下去。在你疯狂地进行通胀投机之前，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%。这不会导致各地猖獗的通货膨胀。

等式的需求方面似乎丝毫没有放缓。更高的需求来自数量最多的垂直行业，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。某些应用程序将来会更加计算密集型，例如机器学习。当软件吞噬了我们生活中的一切时，硅使这顿饭成为可能。所有这一切都发生在摩尔定律尖叫着停止的时候。简单来说：更高的需求+更低的供应改善=价格上涨。