半導體製造成本之謎
2022-03-03
作者
黃燁鋒，國際電子商情(ESMC)
缺晶片常態化的當下，可發現一個有趣的事實：成熟製程/舊製程成本也在提升，可見當前市場缺晶片局面對半導體製造帶來的巨大變化...
隨著半導體製造尖端製程的成本不斷提升，市場越來越慘烈。5年前美國半導體產業協會還估算7nm技術節點建廠的配套製造成本最少得花70億美元；轉眼看看前不久今年台積電(TSMC)預期的CapEx資本支出，就能了解尖端製程的成本投入有多誇張。
那麼成本增加會有什麼後果呢？一個產業的成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、技術演進週期放緩，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，這兩年的半導體製造市場就是如此。
此外，這裡還暗含了一則資訊，就是摩爾定律事實上的終結。如果不從技術角度來看摩爾定律，摩爾定律不只是每12~18個月單位面積內的電晶體數量翻倍，還在於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，而後半部分可能已經無法達成了。
另一件比較有趣的事情是，如果你認為尖端製造製程成本攀升並沒有什麼稀罕，那麼成熟製程(舊製程，也有人稱其為主流製程_的成本現在也在提升，這就比較詭異了吧？
最近Fabricated Knowledge發佈一篇半導體製造成本攀升的剖析文章，結合如今晶片短缺大勢。與此同時，如果結合半導體製造上游、矽片大廠，其實更能理解這波「電晶體漲價」的大趨勢是怎麼回事，以及它還將持續多久。
尖端製程與摩爾定律
對於「摩爾定律停滯」這一論調，反對的廠商自然是不少。例如ASML、各大EDA廠商、幾家晶圓代工廠；Synopsys這兩年就在不遺餘力地宣傳SysMoore，將摩爾定律的發展提升到系統層面；而晶圓代工廠著力在談more than Moore，也就是先進封裝製程的發展。
性能、效率的提升在半導體產業延續，應該不是什麼偽命題。不過這些市場參與者都沒怎麼提達成同等性能的成本是否在增加。要知道，整個資訊技術乃至電子科技領域發展的基石，很大程度都在技術演進週期短，且成本不斷降低的過程裡。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Marvell前兩年Investor Day的一張圖。這張圖表達的是不同製程節點之下，每億邏輯閘的造價。可以很明確地看到，28nm是個臨界點，28nm實際上也是平面FET電晶體和FinFET電晶體之間的臨界點，此後每代製程的每億閘電晶體造價都是緩慢攀升。
對當代製程來說，也正處在臨界點上：即尖端製造製程方面，GAAFET結構電晶體即將取代FinFET——明年三星(Samsung) GAAFET電晶體將率先量產，後續台積電和英特爾(Intel)也將跟進。這是否意味著3nm節點之後即將有新一波的成本增加？因為GAAFET電晶體的製造需要更複雜、更多樣化的工序步驟。
其實2018年就篇題為「Measuring Moore’s Law: Evidence from Price, Cost, and Quality Indexes」 的分析報告，談到如果以單個電晶體的設計和製造成本為分析物件，則歷史上有一段時間該數字每年都能下降20~30%——也就是說製程演進能夠帶來更高的經濟效益；而28nm之後該趨勢便不復存在，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也發佈過一份AI晶片相關成本攀升的報告，更全面地探討了包括功耗成本、營運成本等在內的總成本問題。
事實上，製造設備(equipment)這些年的花費顯著提升(2012~2020年，晶圓製造設備市場漲幅明顯大於出貨總產能)，而且價格還在漲；不光是EUV微影機台的價格，各類新技術實現更高密度的晶片製造(如3D NAND)增加更多工序，都在提升製造成本。可以說，先進封裝製程之類的新技術，普遍都在增加單個電晶體的製造成本。
舊製程的成本竟然也在增加？
另一個比較有趣的事是，成熟製程/舊製程的成本也在提升。這一點是否完全不符合直覺？眾所周知，新一代製程，隨著良率提升、產量增加，以量來攤薄前期CapEx資本投入，每代製程理應越用越便宜。當它成為舊製程以後，還有改良過的成本最佳化方案使其進一步降低成本。一般舊製程的製造工廠也就是折舊、維護成本。
但這兩年面臨了產業前所未見的大變局，就是晶片供不應求，而且到了大規模缺晶片的地步。缺晶片缺的很大一部分就是舊製程製造的晶片，需求量還呈現出陡增的局面。汽車、IoT這些晶片短缺得很嚴重的應用，一般都不會採用尖端製造製程，基於其量只會用成本更低的舊製程。
一般一家晶圓廠的利用率達到80%，就可以說它處在「滿載」狀態了；而實際上VLSI Research的資料是去年次尖端製程晶圓廠的利用率將近100%。這就要求成熟製程擴產：也就是說現在針對舊製程需要去增加CapEx實際資本支出，買設備、蓋廠或改建。
額外增加的CapEx支出，必然導致這些舊製程的成本在中短期內要漲價一波。包括Silicon Labs、安森美(omsemi)、恩智浦(NXP)等在內的企業都表達了這樣的態度，並表示次尖端製程或成熟製程的這種趨勢還會因為缺晶片而持續一段時間，Fabricated Knowledge評價這在產業過去都是前所未見的。
對於晶圓廠和晶圓代工廠而言，他們還面臨抉擇上的困難，就是這些成熟製程晶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，而且願意為成熟製程付出更高的價格，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，則製造廠自然就會去投入。
當然隨著時間拉長，未來成熟製程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。
矽片廠呈現的缺晶片現狀
缺芯是個大話題，但總有某些切入點可談。例如筆者認為做矽片的，在缺晶片問題上就很有發言權。SUMCO預計，2020~2025年智慧型手機出貨量的年複合成長率(CAGR)能達到4.9%，從13億成長至16.5億台。HPC方面(包括資料中心CPU、AI晶片，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。
很多應用的需求似乎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，但對於滿足矽片需求來說也是完全不夠的；2024年之前，SUMCO矽片價格每年增10%。
在成熟製造製程方面，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另外還提供了其下游客戶300mm矽片庫存方面的資料。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)水準。如果庫存低於一個月的水準，對客戶而言就已經構成了比較危險的局面。」如果對庫存水準做邏輯和儲存晶圓的切分，「則你會看到邏輯這邊已經達到0.7個月，而儲存是大約1.2個月。」可見如今的市場局面對後續半導體製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。
值得一提的是，台積電作為目前晶圓代工廠的龍頭老大，在尖端製程上幾乎具備了徹底的市場話語權。之前，台積電即基於市場需求，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，還是前面所述的預期中市場發展速度跟不上成本的成長。
在去年，筆者已談到台積電對晶圓價格做調整的事實，尤其是成熟製程節點晶圓價格漲幅尤甚，今年也會持續漲價。以台積電如今的市場地位，買家也不會有太多的選擇餘地。這也需要作為半導體領域成本增加納入考量的一環。
本文原刊登於國際電子商情網站
