半導(dǎo)體行業(yè)正在悄然發(fā)生劇變,。一直統(tǒng)治著這個(gè)行業(yè)的規(guī)則正在瓦解,,這打破了我們認(rèn)為理所當(dāng)然的假設(shè),,這些假設(shè)是在學(xué)校里灌輸給我們的,。例如無(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)步將使芯片變得更便宜,、更好、更快,。但摩爾定律事實(shí)上已經(jīng)死了,。
人們開(kāi)始意識(shí)到制造芯片并不容易。芯片短缺與臺(tái)積電和ASML受到地緣政治的影響,,喚醒了大眾的想象力,,凸顯了芯片制造的科幻般的過(guò)程。前面的道路有很多障礙,,但并未得到廣泛認(rèn)可,。制造半導(dǎo)體將變得更加困難、昂貴和技術(shù)含量更高,。換句話說(shuō),,挑戰(zhàn)將加速。
要在未來(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。這影響了整個(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,,因?yàn)樗呀?jīng)在發(fā)生了,但我相信現(xiàn)在它會(huì)開(kāi)始加速,。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。
要了解我們是如何走到這里的,,我想首先讓您了解摩爾定律的消亡,。我們過(guò)去幾年的發(fā)展已經(jīng)超過(guò)了晶體管性能縮放和頻率縮放的增長(zhǎng),并且我們開(kāi)始在晶體管密度增加方面達(dá)到了多核縮放的終點(diǎn),。但比這些趨勢(shì)的終結(jié)更重要的是,,成本縮放已經(jīng)結(jié)束。雖然我們通過(guò)新技術(shù)不斷提高晶體管密度,,但每一層都會(huì)增加額外的成本,。
ASML 在其投資者日大膽聲明,摩爾定律將繼續(xù)進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)擴(kuò)展,。這種說(shuō)法的另一個(gè)名稱是高級(jí)封裝。但是,,這些成本與制造更小晶體管的成本已經(jīng)不斷上升是相加的,。
ASML 投資者日 - 技術(shù)評(píng)論 - 幻燈片 13
雖然我相信先進(jìn)封裝將解決晶體管密度問(wèn)題,,但我不相信它會(huì)使芯片更便宜。事實(shí)上,,自 2010 年代初以來(lái),,每美元的晶體管變得更加昂貴。
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,不僅你的晶體管每?jī)赡攴环?,而且晶體管的成本會(huì)下降,。不再。下圖來(lái)自 Marvell 的 2020 年投資者日,。28nm 的標(biāo)準(zhǔn)大約是 2011-2012 年,。
Marvell 2020 年投資者日 - 幻燈片 43
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 通俗地說(shuō)就是二維表面(平面),而 FinFET——取代平面的技術(shù)——在晶體管中引入了一個(gè)“鰭”向上突出,,創(chuàng)造了一個(gè) 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(GAA)過(guò)渡的邊緣,這是一種更加 3D 密集型的結(jié)構(gòu),。我們轉(zhuǎn)向 GAA 或柵極技術(shù)的下一次迭代,,我相信每 100m 柵極的成本增加將繼續(xù)增加,就像它們?cè)谄矫嫔系?FinFET 一樣,。這是由制造這些芯片的復(fù)雜性增加所驅(qū)動(dòng)的——即制造步驟的增加,。
推高成本的不僅僅是這種轉(zhuǎn)變。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)上的,,而是經(jīng)濟(jì)上的,曾經(jīng)有充足的產(chǎn)能和類(lèi)似商品的回報(bào)的東西開(kāi)始變得搶手,。除非隨后的價(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)體工廠)也變得更加整合和更具戰(zhàn)略性。在制造最先進(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)二的產(chǎn)品的晶圓廠將其不斷上漲的成本轉(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,。盡管成本增加,,但他們開(kāi)始獲取更大的利潤(rùn)。無(wú)晶圓廠公司別無(wú)選擇,,只能支付更多,。
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 - Slide 101
價(jià)格的大幅上漲是廣泛的,,這涉及 DRAM,、NAND 和邏輯生產(chǎn)。鑒于今天 5nm 已投入生產(chǎn),,這不是預(yù)測(cè),,而是一種將繼續(xù)的趨勢(shì)。主要驅(qū)動(dòng)因素不僅是 EUV 等工具的成本上升,,而且制造芯片的步驟數(shù)量也在增加,。下圖顯示了芯片生產(chǎn)step隨時(shí)間增加的情況。
CCMP 2020 年 12 月投資者介紹
不僅僅是東京電子公司單獨(dú)呼吁更高的強(qiáng)度,。在最近的財(cái)報(bào)季,,臺(tái)積電、Lam Research,、KLAC 和其他 Semicap 公司都呼吁強(qiáng)度不斷上升,。我認(rèn)為在其他條件相同的情況下,10 萬(wàn)片晶圓的成本應(yīng)該開(kāi)始上升,,處于領(lǐng)先地位的每個(gè)芯片的中低個(gè)位數(shù),。另一種看待這個(gè)問(wèn)題的方法是從自上而下的角度。我比較了百萬(wàn)平方英寸 (MSI) 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。
過(guò)去的情況是新晶圓廠設(shè)備上的支出跟不上 MSI 的擴(kuò)張速度,,因?yàn)橘?gòu)買(mǎi)的每個(gè)工具都會(huì)提供更多的產(chǎn)能,。我想強(qiáng)調(diào)的是,如果你瞇著眼睛,,你會(huì)發(fā)現(xiàn) WFE 和 MSI 的關(guān)系似乎在 2012 年左右發(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)該期望 WFE 的增長(zhǎng)速度快于歷史平均水平,。
2012年至2020年,,MSI以3.6%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng),WFE以8.0%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng),。這大約是產(chǎn)能增加的兩倍。如果對(duì)半導(dǎo)體器件的需求繼續(xù)增加,,那么 MSI 應(yīng)該增長(zhǎng)得更快,,因此 WFE 的乘數(shù)應(yīng)該更高。我不確定 WFE 的關(guān)系是否保持 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,。與其歷史速度相比,這是加速,,而推動(dòng)半導(dǎo)體需求的則是我們面臨的技術(shù)逆風(fēng),。
我現(xiàn)在想轉(zhuǎn)向另一個(gè)在上個(gè)財(cái)報(bào)季反復(fù)提及的趨勢(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
不僅僅是最新,、最快,、最昂貴的芯片因?yàn)榧夹g(shù)問(wèn)題而成本更高。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(chē)半導(dǎo)體最近的變化正在推動(dòng)需求,不是對(duì)最新和最偉大的技術(shù),,而是對(duì)更老和更成熟的技術(shù),。問(wèn)題在于,舊技術(shù)從來(lái)沒(méi)有增加過(guò)有意義的產(chǎn)能,,而且大多數(shù)時(shí)候,,隨著前沿技術(shù)的推進(jìn),晶圓廠只會(huì)成為“二手設(shè)備”,,而晶圓廠設(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,。晶圓廠在沒(méi)有太多增量資金的情況下維持,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。一種想法是,,2000 年成本數(shù)百美元的領(lǐng)先芯片到 2021 年將花費(fèi)幾美分,,因?yàn)榫A廠將完全折舊。
但是這有一個(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,。今天,,我們也要求處于落后的邊緣。事實(shí)上,,對(duì)舊芯片的需求開(kāi)始急劇上升,。這是由汽車(chē)和物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)驅(qū)動(dòng)的,因?yàn)檫@些應(yīng)用程序中的大多數(shù)是更老,、更成熟的技術(shù),,它們具有更好的產(chǎn)量、成本和重要的可靠性,。即使需求激增,,也沒(méi)有增加容量。添加到落后生產(chǎn)中的情況非常罕見(jiàn),。
直到最近,,落后的技術(shù)仍有充足的產(chǎn)能需求。在落后的產(chǎn)能增加產(chǎn)能更是聞所未聞的,。如果晶圓廠以 80% 的速度運(yùn)行,,則它被視為“已滿”。現(xiàn)在,,落后技術(shù)的晶圓廠運(yùn)行率接近 100%,。有些事情必須改變。
SIA 公眾意見(jiàn) 114
這是汽車(chē)半導(dǎo)體短缺的驅(qū)動(dòng)因素之一:更高的需求和沒(méi)有供應(yīng)或沒(méi)有增加供應(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)。現(xiàn)在,,公司正在覺(jué)醒以保持落后的優(yōu)勢(shì),。“舊”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,。對(duì)于新的晶圓廠,,公司無(wú)法以之前完全折舊的晶圓廠規(guī)定的價(jià)格銷(xiāo)售落后芯片來(lái)獲利,。價(jià)格必須上漲。Silicon Lab 的首席執(zhí)行官上個(gè)季度討論了這種動(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)有了摩爾定律和先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)變得越來(lái)越昂貴,你已經(jīng)有了現(xiàn)在主流技術(shù)全面,。過(guò)去,,數(shù)字技術(shù)人員會(huì)搬出,而 N 減 1,、N 減 2,、N 減 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)階段,即先進(jìn)與主流之間的混合,、比例正在導(dǎo)致臺(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并沒(méi)有完全折舊。因此,,行業(yè)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)擴(kuò)建新產(chǎn)能,,不僅僅是在高級(jí)節(jié)點(diǎn),而且是跨,。
所以,,如果你看看我們?cè)谄渌矫婵吹降某杀驹黾印谡麄€(gè)行業(yè)中,有一個(gè)特定的元素,,隨著時(shí)間的推移是持久的,。因此,就行業(yè)的成本結(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)品不斷增加的內(nèi)容以及我們?cè)诖罅餍兄锌吹降男枨蠹铀佟_@推動(dòng)我們進(jìn)入供應(yīng)限制,。我們會(huì)解決這個(gè)問(wèn)題,,但是解決這個(gè)問(wèn)題需要大量的資本支出,而這必須得到補(bǔ)償,。這必須從我們的供應(yīng)商上游流向我們,,流向我們的客戶,這就是您現(xiàn)在所看到的,。
”
其實(shí)上,,不僅一家公司說(shuō)了這件事。這種說(shuō)法獲得了On Semi,,恩智浦半導(dǎo)體,、Microchip 和其他“主流”或落后半導(dǎo)體公司肯定,,這種情況將繼續(xù)下去,因?yàn)槁浜蠊に嚨男枨蟾哂诠?yīng),。這對(duì)行業(yè)來(lái)說(shuō)是全新的領(lǐng)域,,不僅是對(duì)半導(dǎo)體戰(zhàn)略重要性的肯定,也是對(duì)廣泛需求的肯定,。實(shí)際上只有一種解決方案——增加產(chǎn)能——但晶圓廠不確定他們能否在不提高價(jià)格的情況下增加未開(kāi)發(fā)的落后優(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)體公司不確定這種情況會(huì)持續(xù)多久,但汽車(chē)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),,很難在一年之內(nèi)改變自己的行為來(lái)對(duì)抗持續(xù)了幾十年的趨勢(shì)。更難的是經(jīng)歷這些艱難的變化并期望客戶接受更高的價(jià)格,。聯(lián)電在其 2021 年第二季度的電話會(huì)議中說(shuō)得很好:
“
但是對(duì)于任何新建產(chǎn)能擴(kuò)展,,對(duì)于成熟節(jié)點(diǎn),您都在與完全折舊的產(chǎn)能競(jìng)爭(zhēng)——最有可能的是,,您將與完全折舊的產(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)去探索這些機(jī)會(huì),。
”
換句話說(shuō),支付或繼續(xù)短缺,??紤]到交貨時(shí)間并沒(méi)有真正改善,我認(rèn)為結(jié)果是略微支付,。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),。除非他們的客戶真正承諾無(wú)法取消或退回的訂單,,否則晶圓廠不會(huì)擴(kuò)大產(chǎn)能。因?yàn)樗麄儾淮_定發(fā)生了多少雙重訂購(gòu),,但 NCNR 是增加長(zhǎng)期需求的非常堅(jiān)定的承諾,。?
雖然隨著時(shí)間的推移,,產(chǎn)能的增加最終會(huì)平息價(jià)格上漲,,但這將需要數(shù)年時(shí)間,,尤其是在汽車(chē)和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的需求持續(xù)增長(zhǎng)的情況下。我不認(rèn)為價(jià)格會(huì)永遠(yuǎn)處于滯后狀態(tài),,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)像過(guò)去那樣大,。最后,留給我的是 800 磅重的大猩猩——臺(tái)積電,。
臺(tái)積電不降價(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。雖然我們可以讓英特爾的毛利率收縮,,但這更多是為了趕上臺(tái)積電的公司特定投資,。但在臺(tái)積電,情況恰恰相反,。臺(tái)積電堅(jiān)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)積電的獨(dú)一無(wú)二的產(chǎn)品,,更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:它對(duì)所有領(lǐng)先的制造業(yè)都有控制權(quán),。
2021 年 SIA 行業(yè)狀況報(bào)告 - 第 19 頁(yè)
2019,,年全球100%的10納米以下邏輯產(chǎn)品是在臺(tái)積電制造的。三星很有可能已經(jīng)趕上了,,但就領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)而言,,只有臺(tái)積電處于領(lǐng)先地位。鑒于臺(tái)積電的制造能力集中,,客戶確實(shí)別無(wú)選擇,。如果一家無(wú)晶圓廠公司想以更高的利潤(rùn)出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)積電在最近的電話會(huì)議上是這樣說(shuō)的,,鑒于其絕對(duì)驚人的直接資本支出,,我認(rèn)為這是合理的:
“
即使我們?yōu)樾袠I(yè)承擔(dān)了更大的投資負(fù)擔(dān),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),,使我們能夠投資以支持客戶的增長(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)成本繼續(xù)增加下去,,它可以而且將會(huì)提高價(jià)格,。在情況真正改變之前,市場(chǎng)上沒(méi)有其他任何有意義的競(jìng)爭(zhēng),。如果三星和英特爾在代工領(lǐng)域聯(lián)合起來(lái),,也許他們會(huì)愿意接受更低的毛利率,但在那之前,,這是我們生活的臺(tái)積電世界,。它會(huì)在更高的資本成本的支持下提高價(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)本身都會(huì)成為價(jià)格上漲的順風(fēng),。總之,,價(jià)格肯定會(huì)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,我相信價(jià)格上漲將持續(xù)下去,。在你對(duì)通貨膨脹投機(jī)感到瘋狂之前,,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 的 0.5%,。這不會(huì)導(dǎo)致到處都是猖獗的通貨膨脹。
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)量最多的垂直行業(yè),,個(gè)人電腦、移動(dòng)設(shè)備,、數(shù)據(jù)中心,、汽車(chē)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,芯片使這成為可能。所有這一切都發(fā)生在摩爾定律戛然而止的時(shí)候,。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō):需求增加+供應(yīng)改善減少=價(jià)格上漲,。