半導(dǎo)體行業(yè)正在悄然發(fā)生巨變。

　　一直在推動(dòng)這個(gè)行業(yè)的規(guī)則正在磨損，撤銷我們認(rèn)為理所當(dāng)然的假設(shè)，這些假設(shè)在學(xué)校里被灌輸給我們，包括無(wú)可指責(zé)的摩爾定律——即隨著時(shí)間的推移，指數(shù)級(jí)的進(jìn)步將使事情變得更便宜、更好、更快，但它已經(jīng)死了。

　　人們也開(kāi)始意識(shí)到制造芯片并不容易。

　　芯片的短缺和地緣政治集中喚醒了大家對(duì)臺(tái)積電和ASML的，并突出了科幻小說(shuō)般的芯片制造過(guò)關(guān)注。大家也意識(shí)到前方的道路存在未被廣泛理解的障礙。制造半導(dǎo)體將變得更加困難、更加昂貴和更加技術(shù)化。換句話說(shuō)，挑戰(zhàn)將會(huì)加速。

　　為了在未來(lái)運(yùn)營(yíng)，芯片制造商將需要更大的規(guī)模、更多的人才和更多的資金。我以前寫過(guò)這方面的文章，但我想更深入地研究推動(dòng)半導(dǎo)體制造成本上升的原因。它影響整個(gè)芯片范圍，從最先進(jìn)的芯片到最基本的芯片。這種趨勢(shì)并不新鮮，它已經(jīng)在發(fā)生，但我相信現(xiàn)在它會(huì)開(kāi)始加快速度。價(jià)格上漲可能會(huì)影響地球上的每個(gè)人。這種通貨膨脹成本不是暫時(shí)的。

　　要了解我們是如何到達(dá)這里的，我想先讓您了解一下摩爾定律的消亡。我們已經(jīng)超越了晶體管能量縮放、頻率縮放的增長(zhǎng)，并且我們開(kāi)始在晶體管密度增加中達(dá)到多核縮放的終點(diǎn)。但比這些趨勢(shì)的終結(jié)更重要的是，成本擴(kuò)展已經(jīng)結(jié)束。雖然我們繼續(xù)通過(guò)新技術(shù)提高晶體管密度，但每一層都增加了成本。

　　ASML 在其投資者日發(fā)表了一項(xiàng)大膽的聲明，即摩爾定律將繼續(xù)進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)擴(kuò)展。另一個(gè)名稱是高級(jí)封裝。但這些成本增加了制造更小晶體管的成本。

　　ASML 投資者日 – 技術(shù)評(píng)論 – 幻燈片 13

　　雖然我相信 Advanced Packaging 將解決晶體管密度問(wèn)題，但我不相信它會(huì)使芯片變得更便宜。事實(shí)上，自 2010 年代初以來(lái)，每美元的晶體管價(jià)格變得更加昂貴。

　　我不僅要關(guān)注技術(shù)逆風(fēng)，還要關(guān)注成本逆風(fēng)。摩爾定律的主要?dú)v史假設(shè)之一是，不僅您的晶體管每?jī)赡攴环揖w管的成本也會(huì)下降。但這不復(fù)存在。下圖來(lái)自 Marvell 2020 年投資者日。28nm 的標(biāo)準(zhǔn)大約是在 2011-2012 年亮相的。

　　Marvell 2020 年投資者日 – 第 43 張幻燈片

　　有趣的是，在 28nm 附近發(fā)生了質(zhì)的變化，因?yàn)樗亲詈蟮钠矫婀?jié)點(diǎn)之一。Planar 用簡(jiǎn)單的語(yǔ)言來(lái)說(shuō)是一個(gè)二維表面（平面），而 FinFET（取代平面的技術(shù)）在晶體管中引入了一個(gè)“鰭”以向上突出，從而創(chuàng)建 3D 結(jié)構(gòu)而不是 2D 結(jié)構(gòu)。我們現(xiàn)在正處于向另一個(gè)柵極轉(zhuǎn)換的邊緣——環(huán)柵極 (GAA)，它是一種更加 3D 密集型結(jié)構(gòu)。隨著我們轉(zhuǎn)向 GAA 或下一次門技術(shù)迭代，我相信每 100m 門的成本增加將繼續(xù)增加，就像他們對(duì)平面 FinFET 所做的那樣。這是由于制造這些芯片的復(fù)雜性增加 - 即制造中增加的步驟數(shù)量。

　　不僅僅是這種轉(zhuǎn)變推高了成本。落后的芯片——舊芯片——也開(kāi)始變得更加昂貴。這里的故事不是技術(shù)，而是經(jīng)濟(jì)，我們?cè)?jīng)有充足的產(chǎn)能和類似商品的回報(bào)現(xiàn)在開(kāi)始變得搶手。除非隨后價(jià)格上漲，否則企業(yè)不愿意增加產(chǎn)能。這是另一個(gè)關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素，不僅在最先進(jìn)的芯片上，而且在較舊的芯片上也是如此。

　　最后，不僅是舊芯片和新芯片，制造芯片的公司（半導(dǎo)體晶圓廠）正在變得更加整合和更具戰(zhàn)略性。制造最先進(jìn)芯片的前沿確實(shí)沒(méi)有太多空間。這是半導(dǎo)體成本的第三個(gè)驅(qū)動(dòng)因素，即提供獨(dú)一無(wú)二產(chǎn)品的晶圓廠將不斷上漲的成本轉(zhuǎn)嫁給客戶。臺(tái)積電不是價(jià)格接受者，全世界都依賴它的產(chǎn)品。盡管成本不斷增加，但他們開(kāi)始獲得更大的利潤(rùn)。無(wú)晶圓廠公司別無(wú)選擇，只能付出更多。

　　這些主題中的每一個(gè)都值得深入探討。我將首先從我最喜歡的主題開(kāi)始：Semicap——或制造芯片所需的工具。

　　行業(yè)共識(shí)：半導(dǎo)體成本強(qiáng)度將上升

　　本財(cái)報(bào)季的普遍主題之一是制造半導(dǎo)體的工具成本較高。真正的警告是東京電子在其投資者日展示的這張幻燈片。

　　Tokyo Electron 2021 年 10 月投資者日——幻燈片 101

　　價(jià)格的大幅上漲是廣泛的，涉及 DRAM、NAND 和 Logic。鑒于今天 5nm 已投入生產(chǎn)，這不是預(yù)測(cè)，而是將繼續(xù)下去的趨勢(shì)。主要驅(qū)動(dòng)因素不僅是 EUV 等工具的成本上漲，而且制造芯片的步驟數(shù)量也在增加。下圖顯示了步數(shù)隨時(shí)間的增加。

　　CCMP 2020年12月投資者介紹

　　不僅僅是東京電子公司單獨(dú)要求更高的強(qiáng)度。在最近的財(cái)報(bào)季，臺(tái)積電、Lam Research、KLAC 和其他 Semicap 公司都表示強(qiáng)度正在上升。我認(rèn)為在其他條件相同的情況下，100K 晶圓的啟動(dòng)成本應(yīng)該會(huì)開(kāi)始上升，每塊芯片處于低到中個(gè)位數(shù)的前沿。另一種看待這個(gè)問(wèn)題的方法是從自上而下的角度。我比較了以百萬(wàn)平方英寸 (MSI) 為單位的總出貨量，并將其與晶圓廠設(shè)備的增長(zhǎng)進(jìn)行了比較。將此視為總產(chǎn)量與制造更多晶圓的支出。

　　5 年的平均值，每年的數(shù)字要大得多。

　　過(guò)去的關(guān)系是，新晶圓廠設(shè)備的支出低于 MSI 的擴(kuò)張速度，因?yàn)橘?gòu)買的每臺(tái)設(shè)備都會(huì)提供更多產(chǎn)能。我想強(qiáng)調(diào)一下，如果你仔細(xì)看，你會(huì)看到 WFE 和 MSI 的關(guān)系似乎在 2012 年左右的某個(gè)地方發(fā)生了翻轉(zhuǎn)。這與 28nm 節(jié)點(diǎn)或成本開(kāi)始增加的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)不謀而合。展望未來(lái)，我認(rèn)為我們應(yīng)該預(yù)期 WFE 的增長(zhǎng)速度將超過(guò)歷史平均水平。

　　2012年至2020年，MSI年復(fù)合增長(zhǎng)率3.6%，WFE年復(fù)合增長(zhǎng)率8.0%。這大約是容量增加的兩倍。如果對(duì)半導(dǎo)體設(shè)備的需求繼續(xù)增加，那么 MSI 應(yīng)該會(huì)增長(zhǎng)得更快，因此 WFE 的乘數(shù)會(huì)更高。我不確定 WFE 的關(guān)系是否保持在 MSI 增長(zhǎng)的 2 倍，但它應(yīng)該是一個(gè)更高的乘數(shù)——比如 1.5x-2x MSI。與歷史速度相比，這是一個(gè)加速，推動(dòng)這一趨勢(shì)的是對(duì)半導(dǎo)體的需求和我們面臨的技術(shù)逆風(fēng)。

　　我現(xiàn)在想轉(zhuǎn)向另一個(gè)在上一個(gè)財(cái)報(bào)季反復(fù)提到的趨勢(shì)，坦率地說(shuō)，這讓我感到驚訝，但又出人意料地合乎邏輯：舊芯片更貴。

　　舊芯片成本更高

　　由于技術(shù)問(wèn)題，不僅僅是最新、最快和最昂貴的芯片成本更高。最近最有趣的趨勢(shì)是舊芯片開(kāi)始推動(dòng)價(jià)格上漲。汽車半導(dǎo)體最近的變化正在推動(dòng)需求，不是對(duì)最新最好的技術(shù)，而是對(duì)更古老和更成熟的技術(shù)的需求。問(wèn)題在于，老技術(shù)從未有過(guò)有意義的產(chǎn)能增加，而且大多數(shù)時(shí)候，隨著前沿技術(shù)的推進(jìn)，晶圓廠將成為“舊物”，晶圓廠設(shè)備將繼續(xù)使用和折舊。使用完全折舊的晶圓廠設(shè)備顯著降低了制造半導(dǎo)體的成本，尤其是在 10 多年之后。

　　這是定價(jià)的一個(gè)重要方面。在沒(méi)有太多增量資金的情況下維持晶圓廠，但仍在生產(chǎn)芯片，這是隨著時(shí)間的推移大幅降低舊芯片價(jià)格的原因。通常甚至?xí)岣弋a(chǎn)量，從而進(jìn)一步降低成本。當(dāng)時(shí)的想法是，2000 年售價(jià)數(shù)百美元的尖端芯片在 2021 年將花費(fèi)幾美分，因?yàn)榫A廠將完全折舊。

　　但這有一個(gè)問(wèn)題。我們遇到了以前從未發(fā)生過(guò)的情況。從歷史上看，需求集中在前沿。事實(shí)上，我們現(xiàn)在對(duì)舊芯片的需求開(kāi)始急劇上升。這是由汽車和物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)推動(dòng)的，因?yàn)檫@些應(yīng)用中的大多數(shù)都是較舊、更成熟的技術(shù)，它們具有更好的產(chǎn)量、成本，更重要的是可靠性。即使需求激增，也沒(méi)有增加產(chǎn)能。加入落后的生產(chǎn)是非常罕見(jiàn)的。

　　直到最近，落后的節(jié)點(diǎn)仍有充足的產(chǎn)能。為落后的節(jié)點(diǎn)增加產(chǎn)能是聞所未聞的。如果晶圓廠以 80% 的產(chǎn)能利用率運(yùn)行，則該晶圓廠被認(rèn)為是“滿的”?，F(xiàn)在，先進(jìn)的晶圓廠正在以接近 100% 的利用率運(yùn)行。有些事情必須改變。

　　這是汽車半導(dǎo)體短缺的驅(qū)動(dòng)因素之一：需求增加而沒(méi)有供應(yīng)或增加供應(yīng)的動(dòng)機(jī)。大多數(shù)半導(dǎo)體公司和晶圓廠都癡迷于領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼈兛梢垣@得更高的利潤(rùn)?，F(xiàn)在，企業(yè)開(kāi)始意識(shí)到要保持落后優(yōu)勢(shì)?！芭f”芯片正變得與新芯片一樣重要，為了增加產(chǎn)能，公司不得不再次開(kāi)始大量增資。

　　在這種情況下存在明顯的定價(jià)問(wèn)題。有了新的晶圓廠，一家公司就無(wú)法以以前完全折舊的晶圓廠所規(guī)定的價(jià)格出售落后的芯片來(lái)獲利。價(jià)格必須上漲。Silicon Lab 的 CEO 上個(gè)季度討論了這一動(dòng)態(tài)：

　　就成本增加和耐用性而言，我認(rèn)為我們正在進(jìn)入半導(dǎo)體行業(yè)的一個(gè)新階段，我們已經(jīng)有了摩爾定律，先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)變得越來(lái)越昂貴，而你已經(jīng)有了現(xiàn)在主流技術(shù)已經(jīng)滿了。過(guò)去，數(shù)字人會(huì)搬出，N-1、N-2、N-3 節(jié)點(diǎn)將是完全折舊的晶圓廠，您將搬入。我們現(xiàn)在已經(jīng)到了這樣一個(gè)地步，先進(jìn)與主流之間的比例導(dǎo)致晶圓廠臺(tái)積電和其他晶圓廠建立新的主流技術(shù)，這意味著這些晶圓廠沒(méi)有完全折舊。因此，業(yè)界目前看到的成本增加的很大一部分是因?yàn)楸仨毻度腩~外的資本支出來(lái)跨節(jié)點(diǎn)構(gòu)建新容量，不僅僅是在高級(jí)節(jié)點(diǎn)，而是跨節(jié)點(diǎn)。

　　因此，如果你看看我們?cè)谄渌矫婵吹降某杀驹黾印?strong>這是整個(gè)行業(yè)，其中有一定的因素，隨著時(shí)間的推移是持久的。因此，就行業(yè)成本結(jié)構(gòu)而言，這是一個(gè)階梯函數(shù)，以匹配我們所看到的需求以及整個(gè)經(jīng)濟(jì)中電子產(chǎn)品含量的增加以及我們?cè)诖罅餍兄锌吹降男枨蠹铀俅_實(shí)推動(dòng)了這向前推進(jìn)并驅(qū)使我們陷入供應(yīng)限制。我們會(huì)解決這個(gè)問(wèn)題，但要解決這個(gè)問(wèn)題需要大量的資本支出，而且必須得到補(bǔ)償。這必須從我們的供應(yīng)商向上游流向我們，流向我們的客戶，這就是你現(xiàn)在所看到的。

　　需要注意的是，這并不是一家之言。On Semi、NXP Semiconductors、Microchip 和其他“主流”或落后的半導(dǎo)體公司確認(rèn)這種情況將持續(xù)下去，因?yàn)槁浜蟮男枨蟾哂诠?yīng)。這對(duì)行業(yè)來(lái)說(shuō)是一個(gè)全新的領(lǐng)域，不僅是對(duì)半導(dǎo)體戰(zhàn)略重要性的確認(rèn)，也是對(duì)廣泛需求的確認(rèn)。實(shí)際上只有一個(gè)解決方案——增加產(chǎn)能——但晶圓廠不確定他們能否在不提高價(jià)格的情況下通過(guò)增加綠地落后優(yōu)勢(shì)來(lái)獲利。反過(guò)來(lái)，他們擔(dān)心對(duì)這些“新”落后芯片的需求。

　　這是一個(gè)僵局。晶圓廠和半導(dǎo)體公司不確定這是否會(huì)持續(xù)下去，但汽車原始設(shè)備制造商等似乎有永不滿足的需求。對(duì)于晶圓廠來(lái)說(shuō)，很難在一年內(nèi)改變你的行為，以對(duì)抗持續(xù)數(shù)十年的趨勢(shì)。更難的是經(jīng)歷那些艱難的變化并期望客戶接受更高的價(jià)格。UMC 在其 2021 年第二季度的電話會(huì)議中說(shuō)得很好：

　　但是對(duì)于任何新建的產(chǎn)能擴(kuò)展，對(duì)于成熟節(jié)點(diǎn)，您都在與一個(gè)完全折舊的產(chǎn)能競(jìng)爭(zhēng)——最有可能的是，您將與一個(gè)完全折舊的產(chǎn)能競(jìng)爭(zhēng)。除非需求對(duì)客戶非常重要，但經(jīng)濟(jì)性——如果經(jīng)濟(jì)性保持不變，則很難獲得合理的投資回報(bào)率。但是，如果客戶愿意與我們一起面對(duì)這些挑戰(zhàn)，我們一定會(huì)探索這些機(jī)會(huì)。

　　換句話說(shuō)，付錢或繼續(xù)短缺。鑒于交貨時(shí)間并沒(méi)有真正改善，我認(rèn)為結(jié)果將是少量支付。這里必須有某種妥協(xié)，現(xiàn)在它以不可取消、不可退貨的訂單 (NCNR) 的形式出現(xiàn)。除非客戶真正承諾無(wú)法取消或退貨的訂單，否則晶圓廠不會(huì)擴(kuò)大后緣產(chǎn)能。不確定有多少雙重訂購(gòu)，但 NCNR 是對(duì)增加長(zhǎng)期需求的堅(jiān)定承諾。

　　雖然隨著時(shí)間的推移，產(chǎn)能的增加最終應(yīng)該會(huì)緩和價(jià)格上漲，但這將需要數(shù)年時(shí)間，尤其是如果汽車和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的需求持續(xù)存在的話。我不認(rèn)為價(jià)格會(huì)在落后的情況下永遠(yuǎn)上漲，但我認(rèn)為我們應(yīng)該預(yù)期歷史價(jià)格下跌的關(guān)系不會(huì)像以前那么大。最后，剩下的就是 800 磅重的大猩猩——臺(tái)積電。

　　臺(tái)積電沒(méi)有降價(jià)

　　領(lǐng)先產(chǎn)品的工具價(jià)格正在上漲，這應(yīng)該會(huì)損害臺(tái)積電和其他領(lǐng)先晶圓廠的利潤(rùn)率。雖然我們可以在英特爾看到收縮的毛利率，但這更多是公司特定投資趕上臺(tái)積電的后果。但在臺(tái)積電，情況恰恰相反。臺(tái)積電相信它可以通過(guò)更小的節(jié)點(diǎn)來(lái)提高利潤(rùn)率。該公司在電話會(huì)議上多次重申這一點(diǎn)，鑒于臺(tái)積電的同類產(chǎn)品，較高的毛利率是非常合理的?，F(xiàn)實(shí)情況是，臺(tái)積電不是價(jià)格接受者，而是價(jià)格制定者。主要原因：它壟斷了所有前沿制造業(yè)。

　　2019年全球100%的10nm以下邏輯是臺(tái)積電制造的。三星很可能已經(jīng)趕上了，但就領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)而言，臺(tái)積電遙遙領(lǐng)先。鑒于臺(tái)積電的制造能力集中，客戶真的別無(wú)選擇。如果一家無(wú)晶圓廠公司想以更高的利潤(rùn)銷售其最新最好的芯片，他們必須去臺(tái)積電。與此同時(shí)，臺(tái)積電的毛利率多年來(lái)一直在緩慢上升。

　　盡管資本支出大幅增加并流向作為折舊出售的商品成本，但它們的毛利率仍然很高，公司相信它將保持這種狀態(tài)。

　　臺(tái)積電在最近一次電話會(huì)議上這樣說(shuō)，鑒于其絕對(duì)驚人的直接資本支出，我認(rèn)為這是合理的：

　　盡管我們?yōu)樾袠I(yè)承擔(dān)了更大的投資負(fù)擔(dān)，但通過(guò)采取這樣的行動(dòng)，我們相信我們可以獲得適當(dāng)?shù)幕貓?bào)，使我們能夠投資支持客戶的增長(zhǎng)并實(shí)現(xiàn) 50% 或更高的長(zhǎng)期盈利增長(zhǎng)我們股東的毛利率。

　　目前，為了承擔(dān)更高的資本支出負(fù)擔(dān)，該公司正在有意義地傳遞價(jià)格。它最近將芯片價(jià)格提高了 20%，如果制造先進(jìn)半導(dǎo)體的持續(xù)成本持續(xù)下去，它可以而且將會(huì)提高價(jià)格。在情況發(fā)生變化之前，市場(chǎng)上沒(méi)有其他有意義的競(jìng)爭(zhēng)。如果三星和英特爾在代工業(yè)務(wù)上齊心協(xié)力，也許他們會(huì)愿意降低毛利率，但在那之前，我們生活的是臺(tái)積電的世界。在更高的資本成本的背景下，這將提高價(jià)格。

　　半導(dǎo)體的價(jià)格正在上漲，而且不是暫時(shí)的

　　這些因素中的每一個(gè)都將成為價(jià)格上漲的順風(fēng)?？傊梢钥隙ǖ氖?，價(jià)格將從這里上漲。在導(dǎo)致更高工具成本的更多步驟、摩爾定律的經(jīng)濟(jì)效益下降以及落后的產(chǎn)能問(wèn)題之間，我相信我們?cè)诎雽?dǎo)體中看到的歷史成本下降將開(kāi)始放緩。在某些地方，我相信芯片的價(jià)格上漲將繼續(xù)存在。在你對(duì)通貨膨脹進(jìn)行瘋狂猜測(cè)之前，我想重申一下，半導(dǎo)體只是一個(gè)價(jià)值約 5300 億美元的產(chǎn)業(yè)，占全球 GDP 很小的一部份。這不會(huì)在任何地方造成猖獗的通貨膨脹。

　　等式的需求方面似乎沒(méi)有絲毫放緩。更高的需求來(lái)自數(shù)量最多的垂直市場(chǎng)，PC、移動(dòng)、數(shù)據(jù)中心、汽車和物聯(lián)網(wǎng)都是一個(gè)可靠且不斷增長(zhǎng)的終端市場(chǎng)。某些應(yīng)用程序未來(lái)的計(jì)算密集度更高，例如機(jī)器學(xué)習(xí)。隨著軟件吞噬了我們生活中的一切，芯片使這頓飯成為可能。這一切都在摩爾定律戛然而止之際發(fā)生。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)：更高的需求 + 更低的供應(yīng)改善 = 價(jià)格上漲。