從技術研發到生產制造探尋半導體大漲價背后的技術原因

李實

2020年之后的全球半導體市場，不但在需求端產生了極大增長，還經歷了全行業的缺貨和漲價風潮。目前來看，2022年的半導體市場依舊會呈現旺盛需求，同時全行業大漲價的趨勢也持續加劇。那么，半導體市場的需求到底會增加多少？助推價格上漲的因素又有哪些？今天本文就來和大家一起探尋這些問題的答案。

全球半導體市場規模在這些年—直呈顯著擴大的態勢。雖然我們經常聽到類似PC市場萎縮、移動設備市場增速放緩等論調，但實際上這只是單獨市場在成熟后的—種表現。隨著半導體使用范圍越來越廣以及人們對計算的要求越來越高，整個半導體產業依舊處于高速擴張的進程中。根據全球半導體行業協會的統計，2021年全球半導體市場規模約為5559億美元，相比2020年增長了26.2%，這是自2010年增長31.8%以來的最大年度增幅。

對已經開始的2022年，不同的預測機構給出了自己的答案，比如WSTS預測2022年全球半導體市場將增長g%，IC-Insights預測將增長11%.Future Horizons預測將增長10%，Intelligence預測將增長15%。IC-Insights還預測從2021年到2026年，半導體市場復合增長率將達到7.1%的水平?？偟膩砜?，無論哪一個機構，都認為2022年全球半導體市場依舊將維持增長態勢。與半導體相關的產品方面，國際貨幣基金組織預測，2022年全球智能手機市場規模將增加4.4%、PC輕微降低1.1%，汽車將增加9%。不僅如此，業內還預測目前席卷全球的半導體缺貨大潮將在2023年得到徹底緩解。

在這些預測之外，伴隨著半導體行業價格上漲的趨勢。從2020年開始，半導體行業迎來了全面價格上漲，并且目前來看這種上漲是持續的、確定的。從兩方面因素來說，一方面是持續的市場需求和市場規模上升，另—方面是半導體成本上漲導致的終端產品價格上漲。越來越貴的半導體和增長的需求也可能重疊起來，導致整個市場規模進一步擴大，當然這并不是可以無限疊加的，但是在最近兩三年中，這個情況是可能持續發生的。

那么，究竟是什么導致了半導體成本的大幅度上升呢？這種上升在技術和應用端表現為哪些方面呢？我們接著往下看。半導體價格上漲的根本原因：技術瓶頸的來臨

如果你是一個對半導體產業略有了解的讀者，那么一定會知道“摩爾定律”。在過去數十年間，摩爾定律—直在指導著半導體行業的發展，推動著單位晶體管體積的縮小和單位面積晶體管密度的提升。不過，目前很多征兆顯示，傳統的摩爾定律可能正在失去效用并轉向一種新的發展模式。失去效用的摩爾定律和轉化為新的發展方式的半導體產業，都面臨著成本的顯著提升。

在下面的一張圖片中，可以看到從1970年到2020年半導體行業中有關微處理器發展結果的相對數值。左邊的數據從10的0次方也就是1倍性能開始，—直到10的7次方。右側的數據從上到下是指晶體管數量（干個）、單線程性能（SpecINT x 1000）、頻率（MHz）、典型功耗（瓦特）、邏輯核心數量。其中，晶體管數量是一個相對數值，它使用的是下列所有數據相乘后的結果，使用晶體管數量這個相對值，主要是用于分析摩爾定律在發展中的效用。

我們將圖片分為2個部分來看。先來看2000年之前。請注意，在2000年之前，單線程性能、頻率和功耗數值都是穩定持續上升的，邏輯核心數量一直維持相，我們可以看到橙色的晶體管數量呈現穩定上升的斜率。這樣的表現也完美符合摩爾定律的要求。

但是在2000年之后，情況發生了變化。首先是單線程性能在維持了一段時間的穩定斜率后，從2010年開始放緩，頻率上升的斜率在更早的時候就逐漸開始顯得無力了，功耗的數值則長期保持在相對穩定的區間內沒有上升。在這種情況下，作為相對數值的晶體管數量就無法持續上升了，但是人們找到了新的解決辦法，就是增加邏輯核心的數量。因此，從2010年開始，邏輯核心的數量開始大幅度提升，在很大程度上抵消了難以繼續快速增長的單線程性能、頻率和功耗值，維持了晶體管數量的相對提升幅度，并為這個數值帶來了一個完美的斜率表現。

實際上，從這里的數據可以看出，單純的摩爾定律本身在2010年后就遇到了顯著的發展瓶頸。業內很多人士開始爭論摩爾定律是否已經失效。不過目前很多行業巨頭依舊認為摩爾定律有效，只是可能大幅度放緩而已。當然，一些爭論還包含了語義上的分歧。但是從傳統摩爾定律提高性能的方式來看，摩爾定律效力大幅度降低已經是板上釘釘的事情了。

摩爾定律效力的降低最直接的表現就是芯片制造難度的提升。無論是臺積電還是ASML，都在制造更小、更快的晶體管上持續投入了大量的資金和人力。很多科普或者知識類文章都介紹過臺積電或者ASML在制造半導體方面的“神奇”技術。但實際上，臺積電和ASML取得的每一個進步都是極為困難的，并且由于傳統方法在逐漸失效且接近物理極限，因此前方的道路上還廣泛存在著未知且無人理解的技術難題。這里的困境在于，解決了越多的難題，就越接近極限，會遇到更多的難題。因此，這些半導體或者基礎設備制造商在未來如果要持續運營，需要更大的規模、更多的人才和更多的資金。并且這個“更多”會隨著每一代問題的持續解決，螺旋式上升。

AMSL是摩爾定律堅定的支持者。和前文所述類似的是，AMSL也發表了一些自己的見解。他們宣稱摩爾定律會繼續生存下去，但面向的是系統級擴展，采用的主要方法是高級封裝（這和本期介紹英特爾投資者大會中的一些內容不謀而合），但是，高級封裝帶來的依舊是成本的增加。根據ASML的資料顯示，在頻率、晶體管能耗、晶體管密度以及光刻密度持續放緩的今天，只有系統級縮放能夠維持系統能效比的提升。從ASML的描述來看，諸如高級封裝之類的技術在很大程度上的確可以解決半導體密度的問題，但是并不能使芯片價格變得更便宜。實際上，從2010年以來，每美元可以購買到的晶體管已經越來越少了。

來自美滿電子的數據顯示從90nm工藝到28nm工藝，一百萬門控晶體管的價格從4美元下降到大約1.3美元，但是進入后28nm時代，100百萬門控晶體管的價格不降反增，目前在7nm工藝下價格為1.52美元左右?？紤]到更先進工藝需要集成更多的晶體管，因此7nm工藝的芯片價格變得更貴也在情理之中。

在這里需要注意的是，28nm之后，單位晶體管的價格才發生了變化。在28nm工藝節點上，人們實現了從平面晶體管到立體晶體管的轉變，FinFET技術開始大規模應用，避免了傳統平面晶體管出現電子泄露等現象。值得注意的是，目前我們正面臨一個新的技術轉變，5nm工藝之后，將有廠商開始使用GAA環柵極技術來生產晶體管，這將進一步提升單位晶體管的價格。價格提升的原因主要是制造步驟的增加，這將涉及更多的材料、設備、人力、時間以及更低的單位產能。

正如上文所說，現在的半導體制造端開始不再像之前從90nm時代到28nm時代那樣容易了-制造上的難題被解決后，帶來的并非大規模的成本下降，反而是更高昂的成本，接下來的新一代技術又會如此往復，成本進一步緩慢上升。令人驚訝的是，新的技術成本高昂也就算了，就連一些相對較老的生產技術，由于政治、經濟甚至整個市場環境的原因，也開始逐漸提升價格。另外，技術壟斷等原因也使得部分企業在業內擁有過高的定價權和話語權，設計類無晶圓廠企業在這種情況下只能選擇使用，而沒有太多的議價能力。

接下來，本文將對半導體價格上漲中的幾個關鍵性問題進行探討。成本上升：半導體產業投資強度一增再增

首先來看有關半導體行業投資強度的問題，引用的資料來自各大半導體或相關企業的年報。東京電子的年報顯示，無論是DRAM、3D NAND還是邏輯芯片，在過去一段時間內都迎來了顯著的價格上漲。其中DRAM制程從1Y、1Z、la提升至lb階段，每個階段都有小幅度提價。新的報價數據顯示，在100K片WSPM晶元的價格在1b制程價格大約為90億美元，3D NAND制程在堆疊至200層后，100K片WSPM晶元的價格同樣來到了大約90f乙美元的水平，邏輯芯片的價格更高一些，2nm的100K片WSPM晶元的報價大約需要210億美元。

在這里，價格上升的原因是由于制造步驟更為復雜。CCMP的數據顯示，28nm工藝總計需要大約400個制造步驟，10nm工藝則超過600個步驟，而5nm工藝甚至需要1200個步驟才能完成。尤其值得注意的是，5nm工藝中大約25%～30%的步驟都是用于清潔，也就是各種清洗、去除的步驟會更多一些。這些復雜的步驟進一步降低了產能，并推高了單片芯片的成本。

另一個角度是投資角度。這里的計算方法是采用MSI也就是MillionSquare Inches百萬平方英寸作為出貨量數據，來統計當年廠商的設備投資金額增加情況。這個數據顯示，在2012年后，幾乎每年的MSI增量都遠小于設備投資支出的增量。這就帶來了一個問題，更貴的設備的存在且投入不斷增加，但MSI數據沒有相應跟上，因此最終的成本也會不斷上升。這個數據是從2012年開始逆轉的.也正是在這一年，28nm節點開始成熟，后期的節點需要更昂貴的設備。從2012年到2020年，MSI年化復合增長率僅為3.6%，但是同期設備投入年化增長高達8%，這個數據是MSI數據的2倍以上。顯然，28nm以后的FinFET以及相應的新技術應用大大提升了設備投資的增長速度。正如前文所說，在摩爾定律逐漸失效、半導體制造不斷地觸碰物理極限之后，人們在設備投入上陷入了一個怪圈：越是突破現有的技術，就發現有越多的難題在前方等待。行業人士預測，未來設備投資的增長速度大約會維持在MSI增長速度的1.5-2倍左右，這意味著半導體產品只會越來越貴。越“老”越貴：老舊制程反而成為香餑餑

另一個值得關注的問題是，一般人們會認為新的技術和制程比如5nm、3nm會越來越貴，但是令人難以想象的是，老的制程和技術也越來越貴，尤其是應用在汽車、物聯網產品上的半導體芯片。受制于成本、穩定性、耐久性以及可靠性等原因，汽車或物聯網所使用的半導體相關產品往往不會使用最新、最先進的制程，而是采用更成熟的制程，比如200mm晶元和65nm、90nm工藝等。

從半導體制造企業的角度來看，這些老舊制程在之前漫長的使用周期內，早都己經過了投資回收期，很多設備甚至已經完成了折舊。對晶圓廠來說，這些設備都是“舊物”，理論上這些幾乎沒有太多投入的設備在生產中是不應該附加太多設備成本的，并且這些設備還在持續不斷地生產芯片，這些新生產的芯片對晶圓廠來說都是純利。一些早期的預測認為，隨著設備折舊費用逐漸清零且伴隨著技術進步，2000年售價數百美元的尖端芯片，在20年后可能只需要幾美分。因此，在這種情況下，這類采用老舊工藝的芯片往往在售價上比較低廉。畢竟多少都是賺，市場份額可能更為重要一些。

但是情況發生了變化?，F在的問題是，隨著汽車、物聯網對半導體產品需求大增，這些相對老舊的制程價格也迎來了上漲。這就使得目前的市場需求不僅僅集中在尖端制程上，老舊制程的市場需求也在大幅度提升。不過，相比新的制程可以不斷增加設備來實現擴能而言，老舊制程所對應的設備在產能增加方面是不夠積極的。這就使得市場出現了矛盾：一邊是需求激增，一邊是產能“無動于衷”。

這就是最近汽車半導體產業芯片稀缺的原因之一：需求的增加和平穩的供應。大多數半導體公司和晶圓廠都在積極投資新的工藝，這是因為新工藝采用大量的新技術，可以獲得更高的利潤?，F在的情況卻發生了變化，“落后”也成了一種優勢，較為老舊的工藝制程開始和新的技術一樣重要，為了增加這些較老制程的產能，芯片生產企業開始持續增資。

就芯片制造產業的成本以及芯片工藝的耐用生而言，目前整個行業正在進入一個新階段。過去，臺積電或者其他廠商會根據需求和摩爾定律建立全新的節點工廠，然后銷售昂貴價格的新工藝，但是一些相對老舊的工藝節點比如N-1、N-2、N-3等，在折舊完成后會被其他的產能填滿，從而降低投資需求。但是現在，整個半導體制造業的先進工藝和成熟工藝的產能都處于緊張狀態，哪怕是N-1、N-2、N-3這樣的節點，都在積極購買設備進行擴張，這意味著這些工廠在投入生產的時候還需要納入折舊成本。因此，業內目前看到的成本增加很大一部分是因為必須投入額外的資本支出來跨節點建立新的產能。這個狀態將是長期的，并且目前看不到改善的空間。

在對一些行業內的企業比如On Semi、NXP Semiconductors、Microchip的調研中，這些公司基本上都表示產能緊缺的狀況還將持續，而且對整個行業來說是這是一個全新的情況，之前從未遇到過類似的疊加了全球大環境變化以及行業增長在內的多方面原因。其實最終的解決方案只有一種，那就是投資并增加產能。不過制造企業擔憂的—點是，如何在維持之前價格或者較低漲幅的情況下，通過增加投資的方式來獲得利潤。反過來說的話，企業們依舊擔心對落后產能的投資得不到有效的回報，畢竟技術還是在持續向前發展的。

這就形成了一個僵局，半導體制造企業和設計企業不確定這種情況將持續多久，而汽車半導體廠商卻有著持續的需求。對半導體制造企業來說，很難在短期內通過投資，對抗之前已經持續了數十年的行業趨勢。其實這里的本質問題是，如何說服客戶在使用老舊制程的情況下，接受更高的價格。UMC對此描述道：任何新建的成熟工藝的半導體產能，都要和之前折舊的成熟產能競爭，甚至和完全折舊的成熟半導體產能競爭。這里的關鍵在于，客戶對需求和經濟性是如何看待的。如果客戶更看重經濟性，那么對半導體制造企業來說，投資就是不劃算的，因為無法得到合理的投資回報率。唯一的機會就是客戶愿意和半導體制造企業一起解決這些問題（意思就是“漲價”）。

現在行業內對這種情況也有一個解決辦法，那就是簽訂不可取消、不可退貨的NCNR訂單。只有客戶對半導體制造企業承諾大量的NCNR訂單，半導體制造企業才有信心繼續投資并擴大產能——無論是哪種節點。在價格方面，預計這類相對老舊產能的價格并不會暴漲或者顯著提升，而是提升得比較和緩，且不會永遠維持上漲狀態，只是大多數人預計應該出現的下跌曲線不會那么急迫，而是更加平穩。巨頭的行為：臺積電大幅度提價

對半導體制造企業來說，所有企業加在一起對行業的影響力可能都不如臺積電那么明顯和巨大。實際上，由于摩爾定律放緩（或者失效），所有半導體制造相關的材料、工具、設備都在上漲（原因如前文所述）。按理來說，這種情況可能會影響英特爾這類企業的毛利率，但是對臺積電來說，毛利率不降反增。這里的核心原因是，臺積電目前站在制造行業的最頂尖位置，擁有最多的頂級工藝產能。臺積電不是規則的接受者，它是規則制定者。一些更為大膽的言論表示：臺積電扼殺了所有其他的頂尖半導體制造業。

2019年，全球100%的lOnm以下先進工藝由臺積電掌控，它的客戶都是行業巨頭，包括蘋果、高通、英偉達、AMD、特斯拉在內。2021年，這種情況稍有改善，lOnm以下的先進制程臺積電占據了92%，剩余的8%是三星。但是，考慮到技術指標和產能，客戶其實別無選擇。如果一家芯片設計類企業想在市場上以更高的性能和更高的利潤出售其芯片，臺積電幾乎是不二之選。與此相應的是臺積電的毛利潤在這么多年之間一直緩慢上升。

根據臺積電公布的數據，臺積電的毛利潤從之前的大約49%左右，緩慢上升至超過51%。與此相應的是，其資本支出占到了銷售收入的1/3-1/2，這是相當驚人的?？紤]其投資支出，臺積電維持極高的毛利率也是可以理解的。

最近，臺積電宣布芯片代工的價格提高20%。臺積電宣稱主要原因是成本上漲以及更高的研發支出。實際上這就是臺積電對缺乏競爭的市場的一種“操縱”行為，因為三星、英特爾等企業在這個行業中無法和臺積電競爭，因此臺積電可以用各種理由來提高自己的毛利率，并對整個行業產生影響。材料難買：晶元價格上漲庫存大幅度下降

本文的最后部分，我們將通過一些至關重要的半導體材料供應商的消息，來觀察有關材料價格對半導體價格上漲的影響。

本段的案例是SUMCO，這是一家日本的半導體材料生產商，是世界第二大晶圓片制造商。SUMCO和世界第一大晶圓片制造商信越化學加起來提供了全球60%的半導體晶圓。SUMCO在近期的會議中宣布，到2024年，每年價格將上漲10%，價格上漲的主要原因是為了抵消產能提升所帶來的折舊。同時SUMCO還表示，由于缺乏增加產能的關鍵性工具，他們要在2023年以后才開始提升產量。

在這里有一個矛盾點，SUMCO想提升產能所使用的方法是提價而不是擴大生產規模。按理來說SUMCO只要簡單擴大生產規模就可以應對目前供不應求的晶圓片市場。這里的答案是，由于晶圓片生產需要多道復雜過程，其中任何一個過程的設備短缺都可能影響產能的擴大。因此SUMCO可能真的無法做到及時擴大產能以獲取更高的利潤。

不僅如此，SUMCO的產能似乎已經被預訂到了2026年。也就是說在2026年之前，如果你沒有預定，那么可能也買不到SUMCO的晶圓片了。

另外一個令人惱火的事情是，諸如SUMCO這樣的企業，都宣布未來將不會增加200mm和150mm的晶元產量。SUMCO直接宣布他們永遠不會增加200mm晶圓產能，也沒有辦法增加200mm晶圓產能，SUMCO的理由是200mm相關的設備已經不再可用，之前閑置的舊設備也已經過期。這就意味著面向較老工藝的諸如汽車半導體、部分可穿戴設備芯片的制造企業將更加難以獲得200mm晶元（8英寸）。因此現在僅有的200mm晶圓產能的價格還將持續上漲，直到達到一個極限值。

SUMCO還給出了晶圓庫存的數據，現在SUMCO的庫存正在大幅度降低，主要是由于產能緊缺，下游客戶的庫存已經降低至不到1個月。如果客戶庫存持續降低，將造成市場不穩定。目前數據顯示，用于邏輯芯片的300mm晶圓的庫存只有0.7個月，用于內存的300mm晶元庫存只有1.2個月，短缺已經開始顯現。上漲周期來臨：可能2026年才會結束

本文分析了整個半導體行業在目前狀態下價格上漲、產能短缺的情況。值得注意的是，本文的分析基本上沒有涉及經濟和政治因素，僅從技術、行業以及市場的角度來進行解讀。當然，不否認多個層面的因素最終會互相交纏并互相影響，但從更長遠的角度來看，目前半導體制造技術難度提升，面臨物理和工程的極限難以突破才是最根本原因，其余的市場、經濟等多方面因素可能會在一段時間之后得到緩解，技術原因則很難短時間解決。最新消息顯示，AMD和英特爾、英偉達等企業表示供應鏈緊張的情況將在2023年得到緩解，實際上本文的內容顯示，可能直到2026年，整個行業才會逐漸達到一個新的平衡狀態。因此，我們的確進入了一個半導體行業的上漲周期，這個行業的市值約5500億美元，其相關產業加起來更是數萬億美元。雖然和全球GDP 85萬億美元的規模相比還差很遠。但是顯而易見的是，一旦進入這個持續漲價的周期，相關的產業可能都會受到影響，我們會面臨更貴的PC、更貴的手機、更貴的游戲機以及更貴的游戲（畢竟開發成本也一起上升了），希望大家對這種情況有充分的預期。