前兩年我們結(jié)合MIT的一篇paper，寫過一篇半導體行業(yè)趨勢文章叫《深度學習的興起，是通用計算的挽歌？》。現(xiàn)在回頭看MIT的這篇paper，感覺仿若圭臬。

這其中有個比較重要的基本理論，就是隨著半導體制造尖端工藝的成本不斷提升，市場越來越慘烈。5年前美國半導體行業(yè)協(xié)會還估算說7nm技術節(jié)點建廠的配套制造成本怎么也得花個70億；轉(zhuǎn)眼看看我們前不久報道今年臺積電預期的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。

那么成本增多會有什么后果呢？一個行業(yè)、產(chǎn)業(yè)的增長速度再如何都是有限的，如果成本增速超過了產(chǎn)業(yè)本身的預期發(fā)展速度，不僅會導致產(chǎn)品售價攀升、技術迭代周期放緩，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。這兩年的半導體制造市場就是如此。

另外這里還暗含了一則信息，就是摩爾定律事實上的終結(jié)。有人會說：這話都老掉牙了。如果不從技術角度來看摩爾定律，摩爾定律不只是說每12-18個月單位面積內(nèi)的晶體管數(shù)量翻倍，還在于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，而后半部分可能已經(jīng)無法達成了。

另一件比較有趣的事情是，如果你認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)了篇半導體制造成本攀升的剖析文，結(jié)合如今缺芯潮大勢，分析得挺有意思。與此同時，如果我們結(jié)合半導體制造上游、硅片大廠，其實更能理解這波“晶體管漲價”的大趨勢是怎么回事，以及它還將持續(xù)多久。

尖端工藝與摩爾定律

對于“摩爾定律停滯”這一論調(diào)，反對的廠商自然是不少的。比如ASML，比如各大EDA廠商，比如幾個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，也就是先進封裝工藝的發(fā)展。

性能、效率的提升在半導體行業(yè)延續(xù)，應該不是什么偽命題。不過這些市場參與者都沒怎么提達成同等性能的成本是否在增加。要知道，整個信息技術乃至電子科技領域發(fā)展的基石，很大程度都在技術迭代周期短，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力。

Fabricated Knowledge援引了Marvell前兩年Investor Day的一張圖。這張圖表達的是不同工藝節(jié)點之下，每億邏輯門的造價。可以很明確地看到，28nm是個臨界點。28nm實際上也是平面FET晶體管和FinFET晶體管之間的臨界點。此后每代工藝的每億門晶體管造價都是緩慢攀升的。

對當代制造工藝來說，我們也正處在臨界點上：即尖端制造工藝方面，GAAFET結(jié)構晶體管即將取代FinFET——明年三星GAAFET晶體管將率先量產(chǎn)，后續(xù)臺積電和Intel也將跟進。這是否意味著3nm節(jié)點之后即將有新一波的成本增加？因為GAAFET晶體管的制造需要更復雜、更多樣化的工序步驟。

其實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，談到過如果以單個晶體管的設計和制造成本為分析對象，則歷史上有一段時間該數(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)濟效益；而28nm之后，該趨勢便不復存在也是現(xiàn)在分析師們的統(tǒng)一意見。

有關成本提升的問題，前年美國CSET也寫過一份相關AI芯片成本攀升的paper，切入點還挺與眾不同，也更全面地探討了包括功耗成本、運營成本等在內(nèi)的總成本問題。對尖端制造工藝感興趣的讀者可前往閱讀。

事實上，制造設備（equipment）這些年的花銷顯著提升（2012-2020年，晶圓制造設備市場漲幅明顯大于出貨總產(chǎn)能），而且價格還在漲；不光是EUV光刻機的價格，各類新技術實現(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。什么先進封裝工藝之類的新技術，普遍都在增加單個晶體管的制造成本。

舊工藝的成本竟然也在增？

另一個比較有趣的事實是，成熟工藝/舊工藝的成本這年頭也在提升。這一點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，每代工藝理應越用越便宜。當它成為舊工藝以后，還有改良過的成本優(yōu)化方案令其進一步降低成本。一般舊工藝的制造工廠也就是折舊、維護成本。

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這些缺芯缺得很嚴重的應用，一般都不會采用尖端制造工藝，基于其量只會用成本更低的舊工藝（其原因，也已經(jīng)在《深度學習的興起，是通用計算的挽歌？》一文中有了明確的解釋）。

一般一家fab廠的利用率達到80%，我們就可以說它處在“滿載”狀態(tài)了；而實際上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產(chǎn)了：也就是說現(xiàn)在針對舊工藝需要去增加CapEx實際資本支出，買設備、蓋廠或改建。

額外增加的CapEx支出，必然導致這些舊工藝的成本在中短期內(nèi)要漲價一波。包括Silicon Labs、安森美、恩智浦等在內(nèi)的企業(yè)都表達了這樣的態(tài)度，并表示次尖端工藝或成熟工藝的這種趨勢還會因為缺芯潮而持續(xù)一段時間。Fabricated Knowledge評價這在行業(yè)過去都是前所未見的。

對于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堅決的，而且愿意為成熟工藝付出更高的價格，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，則制造廠自然就會去投入。

當然隨著時間拉長，未來成熟工藝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(xiàn)在汽車和IoT的市場需求還如此旺盛。

硅片廠呈現(xiàn)的缺芯現(xiàn)狀

缺芯是個大話題，但總有某些切入點可談。比如說我們認為做硅片的，在缺芯問題上就很有發(fā)言權。SUMCO預計2020-2025年智能手機出貨量的年復合增長率（CAGR）能達到4.9%，從13億增長至16.5億臺。HPC方面（包括數(shù)據(jù)中心CPU、AI芯片，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(shù)量增速有20%，晶圓需求近5年CAGR 20%等等。

很多應用的需求仿佛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(xiàn)在缺關鍵工具來增加產(chǎn)量；其輸出能力至2023年之前都無法快速擴充；至2025年將持續(xù)增加產(chǎn)能，但對于滿足硅片需求來說也是完全不夠的；2024年之前，SUMCO硅片價格每年增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，相對的greenfield一般是做全新的投入），到2021年其brownfield擴張實現(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。“我們相信客戶庫存已經(jīng)降到了1個月的（用量）水平。如果庫存低于一個月的水平，對客戶而言就已經(jīng)構成了比較危險的局面。”如果對庫存水平做邏輯和存儲晶圓的切分，“則你會看到邏輯這邊已經(jīng)達到0.7個月，而存儲是大約1.2個月。”

可見如今的市場局面對后續(xù)半導體制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。

最后一點值得一提的是，臺積電作為目前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話語權。我們此前也多次報道了基于市場需求，臺積電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，還是文首所述的預期中市場發(fā)展速度跟不上成本的增長。

在去年觀察手機市場的文章里，我們談到臺積電對晶圓價格做調(diào)整的事實，尤其是成熟工藝節(jié)點晶圓價格漲幅尤甚，今年也會持續(xù)漲價。以臺積電如今的市場地位，買家也不會有太多的選擇余地。這也需要作為半導體領域成本增加納入考量的一環(huán)。