半導體行業(yè)正在悄然發(fā)生巨變。

　　一直在推動這個行業(yè)的規(guī)則正在磨損，撤銷我們認為理所當然的假設，這些假設在學校里被灌輸給我們，包括無可指責的摩爾定律——即隨著時間的推移，指數(shù)級的進步將使事情變得更便宜、更好、更快，但它已經(jīng)死了。

　　人們也開始意識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臺積電和ASML的，并突出了科幻小說般的芯片制造過關(guān)注。大家也意識到前方的道路存在未被廣泛理解的障礙。制造半導體將變得更加困難、更加昂貴和更加技術(shù)化。換句話說，挑戰(zhàn)將會加速。

　　為了在未來運營，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。我以前寫過這方面的文章，但我想更深入地研究推動半導體制造成本上升的原因。它影響整個芯片范圍，從最先進的芯片到最基本的芯片。這種趨勢并不新鮮，它已經(jīng)在發(fā)生，但我相信現(xiàn)在它會開始加快速度。價格上漲可能會影響地球上的每個人。這種通貨膨脹成本不是暫時的。

　　要了解我們是如何到達這里的，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，并且我們開始在晶體管密度增加中達到多核縮放的終點。但比這些趨勢的終結(jié)更重要的是，成本擴展已經(jīng)結(jié)束。雖然我們繼續(xù)通過新技術(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)表了一項大膽的聲明，即摩爾定律將繼續(xù)進行系統(tǒng)級擴展。另一個名稱是高級封裝。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)評論 – 幻燈片 13

　　雖然我相信 Advanced Packaging 將解決晶體管密度問題，但我不相信它會使芯片變得更便宜。事實上，自 2010 年代初以來，每美元的晶體管價格變得更加昂貴。

　　我不僅要關(guān)注技術(shù)逆風，還要關(guān)注成本逆風。摩爾定律的主要歷史假設之一是，不僅您的晶體管每兩年翻一番，而且晶體管的成本也會下降。但這不復存在。下圖來自 Marvell 2020 年投資者日。28nm 的標準大約是在 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，因為它是最后的平面節(jié)點之一。Planar 用簡單的語言來說是一個二維表面（平面），而 FinFET（取代平面的技術(shù)）在晶體管中引入了一個“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，就像他們對平面 FinFET 所做的那樣。這是由于制造這些芯片的復雜性增加 - 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——也開始變得更加昂貴。這里的故事不是技術(shù)，而是經(jīng)濟，我們曾經(jīng)有充足的產(chǎn)能和類似商品的回報現(xiàn)在開始變得搶手。除非隨后價格上漲，否則企業(yè)不愿意增加產(chǎn)能。這是另一個關(guān)鍵驅(qū)動因素，不僅在最先進的芯片上，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（半導體晶圓廠）正在變得更加整合和更具戰(zhàn)略性。制造最先進芯片的前沿確實沒有太多空間。這是半導體成本的第三個驅(qū)動因素，即提供獨一無二產(chǎn)品的晶圓廠將不斷上漲的成本轉(zhuǎn)嫁給客戶。臺積電不是價格接受者，全世界都依賴它的產(chǎn)品。盡管成本不斷增加，但他們開始獲得更大的利潤。無晶圓廠公司別無選擇，只能付出更多。

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

　　行業(yè)共識：半導體成本強度將上升

　　本財報季的普遍主題之一是制造半導體的工具成本較高。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)，這不是預測，而是將繼續(xù)下去的趨勢。主要驅(qū)動因素不僅是 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要求更高的強度。在最近的財報季，臺積電、Lam Research、KLAC 和其他 Semicap 公司都表示強度正在上升。我認為在其他條件相同的情況下，100K 晶圓的啟動成本應該會開始上升，每塊芯片處于低到中個位數(shù)的前沿。另一種看待這個問題的方法是從自上而下的角度。我比較了以百萬平方英寸 (MSI) 為單位的總出貨量，并將其與晶圓廠設備的增長進行了比較。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。

　　過去的關(guān)系是，新晶圓廠設備的支出低于 MSI 的擴張速度，因為購買的每臺設備都會提供更多產(chǎn)能。我想強調(diào)一下，如果你仔細看，你會看到 WFE 和 MSI 的關(guān)系似乎在 2012 年左右的某個地方發(fā)生了翻轉(zhuǎn)。這與 28nm 節(jié)點或成本開始增加的關(guān)鍵節(jié)點不謀而合。展望未來，我認為我們應該預期 WFE 的增長速度將超過歷史平均水平。

　　2012年至2020年，MSI年復合增長率3.6%，WFE年復合增長率8.0%。這大約是容量增加的兩倍。如果對半導體設備的需求繼續(xù)增加，那么 MSI 應該會增長得更快，因此 WFE 的乘數(shù)會更高。我不確定 WFE 的關(guān)系是否保持在 MSI 增長的 2 倍，但它應該是一個更高的乘數(shù)——比如 1.5x-2x MSI。與歷史速度相比，這是一個加速，推動這一趨勢的是對半導體的需求和我們面臨的技術(shù)逆風。

　　我現(xiàn)在想轉(zhuǎn)向另一個在上一個財報季反復提到的趨勢，坦率地說，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。最近最有趣的趨勢是舊芯片開始推動價格上漲。汽車半導體最近的變化正在推動需求，不是對最新最好的技術(shù)，而是對更古老和更成熟的技術(shù)的需求。問題在于，老技術(shù)從未有過有意義的產(chǎn)能增加，而且大多數(shù)時候，隨著前沿技術(shù)的推進，晶圓廠將成為“舊物”，晶圓廠設備將繼續(xù)使用和折舊。使用完全折舊的晶圓廠設備顯著降低了制造半導體的成本，尤其是在 10 多年之后。

　　這是定價的一個重要方面。在沒有太多增量資金的情況下維持晶圓廠，但仍在生產(chǎn)芯片，這是隨著時間的推移大幅降低舊芯片價格的原因。通常甚至會提高產(chǎn)量，從而進一步降低成本。當時的想法是，2000 年售價數(shù)百美元的尖端芯片在 2021 年將花費幾美分，因為晶圓廠將完全折舊。

　　但這有一個問題。我們遇到了以前從未發(fā)生過的情況。從歷史上看，需求集中在前沿。事實上，我們現(xiàn)在對舊芯片的需求開始急劇上升。這是由汽車和物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)推動的，因為這些應用中的大多數(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，也沒有增加產(chǎn)能。加入落后的生產(chǎn)是非常罕見的。

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

　　這是汽車半導體短缺的驅(qū)動因素之一：需求增加而沒有供應或增加供應的動機。大多數(shù)半導體公司和晶圓廠都癡迷于領(lǐng)先優(yōu)勢，因為它們可以獲得更高的利潤?，F(xiàn)在，企業(yè)開始意識到要保持落后優(yōu)勢?！芭f”芯片正變得與新芯片一樣重要，為了增加產(chǎn)能，公司不得不再次開始大量增資。

　　在這種情況下存在明顯的定價問題。有了新的晶圓廠，一家公司就無法以以前完全折舊的晶圓廠所規(guī)定的價格出售落后的芯片來獲利。價格必須上漲。Silicon Lab 的 CEO 上個季度討論了這一動態(tài)：

　　就成本增加和耐用性而言，我認為我們正在進入半導體行業(yè)的一個新階段，我們已經(jīng)有了摩爾定律，先進的節(jié)點變得越來越昂貴，而你已經(jīng)有了現(xiàn)在主流技術(shù)已經(jīng)滿了。過去，數(shù)字人會搬出，N-1、N-2、N-3 節(jié)點將是完全折舊的晶圓廠，您將搬入。我們現(xiàn)在已經(jīng)到了這樣一個地步，先進與主流之間的比例導致晶圓廠臺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為必須投入額外的資本支出來跨節(jié)點構(gòu)建新容量，不僅僅是在高級節(jié)點，而是跨節(jié)點。

　　因此，如果你看看我們在其他方面看到的成本增加——這是整個行業(yè)，其中有一定的因素，隨著時間的推移是持久的。因此，就行業(yè)成本結(jié)構(gòu)而言，這是一個階梯函數(shù)，以匹配我們所看到的需求以及整個經(jīng)濟中電子產(chǎn)品含量的增加以及我們在大流行中看到的需求加速確實推動了這向前推進并驅(qū)使我們陷入供應限制。我們會解決這個問題，但要解決這個問題需要大量的資本支出，而且必須得到補償。這必須從我們的供應商向上游流向我們，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”或落后的半導體公司確認這種情況將持續(xù)下去，因為落后的需求高于供應。這對行業(yè)來說是一個全新的領(lǐng)域，不僅是對半導體戰(zhàn)略重要性的確認，也是對廣泛需求的確認。實際上只有一個解決方案——增加產(chǎn)能——但晶圓廠不確定他們能否在不提高價格的情況下通過增加綠地落后優(yōu)勢來獲利。反過來，他們擔心對這些“新”落后芯片的需求。

　　這是一個僵局。晶圓廠和半導體公司不確定這是否會持續(xù)下去，但汽車原始設備制造商等似乎有永不滿足的需求。對于晶圓廠來說，很難在一年內(nèi)改變你的行為，以對抗持續(xù)數(shù)十年的趨勢。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格。UMC 在其 2021 年第二季度的電話會議中說得很好：

　　但是對于任何新建的產(chǎn)能擴展，對于成熟節(jié)點，您都在與一個完全折舊的產(chǎn)能競爭——最有可能的是，您將與一個完全折舊的產(chǎn)能競爭。除非需求對客戶非常重要，但經(jīng)濟性——如果經(jīng)濟性保持不變，則很難獲得合理的投資回報率。但是，如果客戶愿意與我們一起面對這些挑戰(zhàn)，我們一定會探索這些機會。

　　換句話說，付錢或繼續(xù)短缺。鑒于交貨時間并沒有真正改善，我認為結(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法取消或退貨的訂單，否則晶圓廠不會擴大后緣產(chǎn)能。不確定有多少雙重訂購，但 NCNR 是對增加長期需求的堅定承諾。

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

　　臺積電沒有降價

　　領(lǐng)先產(chǎn)品的工具價格正在上漲，這應該會損害臺積電和其他領(lǐng)先晶圓廠的利潤率。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積電的后果。但在臺積電，情況恰恰相反。臺積電相信它可以通過更小的節(jié)點來提高利潤率。該公司在電話會議上多次重申這一點，鑒于臺積電的同類產(chǎn)品，較高的毛利率是非常合理的?，F(xiàn)實情況是，臺積電不是價格接受者，而是價格制定者。主要原因：它壟斷了所有前沿制造業(yè)。

　　2019年全球100%的10nm以下邏輯是臺積電制造的。三星很可能已經(jīng)趕上了，但就領(lǐng)先優(yōu)勢而言，臺積電遙遙領(lǐng)先。鑒于臺積電的制造能力集中，客戶真的別無選擇。如果一家無晶圓廠公司想以更高的利潤銷售其最新最好的芯片，他們必須去臺積電。與此同時，臺積電的毛利率多年來一直在緩慢上升。

　　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)。

　　臺積電在最近一次電話會議上這樣說，鑒于其絕對驚人的直接資本支出，我認為這是合理的：

　　盡管我們?yōu)樾袠I(yè)承擔了更大的投資負擔，但通過采取這樣的行動，我們相信我們可以獲得適當?shù)幕貓螅刮覀兡軌蛲顿Y支持客戶的增長并實現(xiàn) 50% 或更高的長期盈利增長我們股東的毛利率。

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

　　半導體的價格正在上漲，而且不是暫時的

　　這些因素中的每一個都將成為價格上漲的順風?？傊?，可以肯定的是，價格將從這里上漲。在導致更高工具成本的更多步驟、摩爾定律的經(jīng)濟效益下降以及落后的產(chǎn)能問題之間，我相信我們在半導體中看到的歷史成本下降將開始放緩。在某些地方，我相信芯片的價格上漲將繼續(xù)存在。在你對通貨膨脹進行瘋狂猜測之前，我想重申一下，半導體只是一個價值約 5300 億美元的產(chǎn)業(yè)，占全球 GDP 很小的一部份。這不會在任何地方造成猖獗的通貨膨脹。

　　等式的需求方面似乎沒有絲毫放緩。更高的需求來自數(shù)量最多的垂直市場，PC、移動、數(shù)據(jù)中心、汽車和物聯(lián)網(wǎng)都是一個可靠且不斷增長的終端市場。某些應用程序未來的計算密集度更高，例如機器學習。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。簡單來說：更高的需求 + 更低的供應改善 = 價格上漲。