一座 2nm 晶圓廠，280 億美元

據(jù)咨詢公司 IBS 稱，一座 2 納米半導(dǎo)體制造工廠每月可生產(chǎn) 50,000 片晶圓（WSPM），成本約為 280 億美元。這比 3nm 晶圓廠的成本高出 80 億美元，這只是隨著行業(yè)轉(zhuǎn)向下一代芯片，企業(yè)預(yù)計(jì)成本將呈指數(shù)級增長的一個(gè)例證。

IBS 表示，準(zhǔn)確地說，與 3nm 處理器相比，2nm 芯片成本將上漲約 50%，這意味著蘋果等公司在未來幾年推出臺積電 N2 制造工藝時(shí)，將不得不花費(fèi) 3 萬美元來處理單個(gè) 300mm 晶圓。不過，這些數(shù)字可能還有一些回旋余地，有可能降低這些芯片的預(yù)期高成本。

事實(shí)上，半導(dǎo)體公司可以采取多種方法，并在預(yù)建、施工和運(yùn)營階段做出一系列設(shè)計(jì)決策，這些決策將極大地改變晶圓廠的最終成本。

可以肯定的是，芯片開發(fā)的成本是不容小覷的。IBS 數(shù)據(jù)顯示，僅軟件開發(fā)一項(xiàng)就占 3.14 億美元，驗(yàn)證又占 1.54 億美元。此外，2nm 節(jié)點(diǎn)的芯片設(shè)計(jì)需要專門人才，而這種人才供不應(yīng)求。此外，光刻技術(shù)的使用也有所增加，這是一種在芯片表面創(chuàng)建圖案的工藝。

芯片上的特征越小，光刻工藝需要越精確，從而提高了工藝中使用的設(shè)備和材料的成本。那座 2 納米晶圓廠的投資額將達(dá)到 280 億美元？造成 80 億美元成本差異的原因是維持 50,000 片晶圓產(chǎn)能所需的 EUV 光刻工具數(shù)量的增加。

就連 IBS 也承認(rèn)，這些數(shù)字和芯片設(shè)計(jì)不斷發(fā)展的格局背后存在細(xì)微差別。據(jù)估計(jì)，一家公司從頭開始構(gòu)建大型 2 納米芯片可能需要花費(fèi) 7.25 億美元。但這是由一家沒有預(yù)先存在知識產(chǎn)權(quán)的公司進(jìn)行的，而現(xiàn)實(shí)情況是許多半導(dǎo)體公司，尤其是初創(chuàng)公司，都追求更有效的戰(zhàn)略。

IBS 還指出，支持 AI 的 EDA 工具在芯片設(shè)計(jì)、通過自動(dòng)化復(fù)雜設(shè)計(jì)流程和優(yōu)化芯片性能來簡化流程和降低成本方面的作用變得越來越重要

建造一座晶圓廠需要多少錢？

近年來，半導(dǎo)體工廠變得越來越復(fù)雜，建設(shè)成本也越來越高。但激勵(lì)和支持的正確結(jié)合可以幫助公司降低成本。

一方面，晶圓廠的建設(shè)和運(yùn)營成本大幅上升。另一方面，雖然世界多個(gè)地區(qū)的政府激勵(lì)政策仍在不斷演變，但新的、更積極的財(cái)政支持計(jì)劃對于使這些大規(guī)模資本密集型項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)可行性至關(guān)重要。

衡量晶圓廠的成本

為了分析今天的晶圓廠經(jīng)濟(jì)性，我們探索了一個(gè)先進(jìn)邏輯的前端制造工廠——一個(gè)新建的下一代晶圓廠，可以在 300 毫米晶圓尺寸上制造 2nm 到亞 2nm 節(jié)點(diǎn)。初始生產(chǎn)計(jì)劃于 2026 年進(jìn)行。到那時(shí)，我們預(yù)計(jì)大多數(shù)公司將經(jīng)歷兩項(xiàng)重大的工藝技術(shù)進(jìn)步：首先，芯片上單個(gè)功能和晶體管的制造方式發(fā)生轉(zhuǎn)變；從鰭式場效應(yīng)晶體管（FinFET）到環(huán)柵（GAA）器件結(jié)構(gòu)，改進(jìn)工作已經(jīng)在進(jìn)行中，以提高效率和速度。其次，引入高數(shù)值孔徑（high-NA）極紫外光刻（EUVL），這對于繼續(xù)減小工藝特征尺寸至關(guān)重要節(jié)點(diǎn)。

從成本角度來看，未來新建晶圓廠的破土動(dòng)工無論是前期支出還是持續(xù)支出都將比幾年前更加昂貴。

從前期成本來看，由于生產(chǎn)下一代節(jié)點(diǎn)需要更先進(jìn)的工具，設(shè)備支出將會(huì)激增。建設(shè)支出也會(huì)增加，因?yàn)樾枰嗟目臻g和更大的建筑物來容納額外的設(shè)備并維持更多和更復(fù)雜的晶圓層的必要生產(chǎn)量。

在設(shè)備類別中，新型 EUVL 機(jī)器將是實(shí)現(xiàn)亞 2nm 節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵，并計(jì)劃在 2025 年左右進(jìn)行規(guī)?；a(chǎn)，預(yù)計(jì)成本約為今天 1.5 億美元以上機(jī)器的兩倍。節(jié)點(diǎn)的進(jìn)步將影響晶圓廠中的其他工藝工具，如用于蝕刻、沉積和平坦化的工具，這些工具都需要改進(jìn)，以滿足較小特征尺寸的性能需求。

從歷史上看，我們已經(jīng)看到了 5% 至 15% 的掩模層的總數(shù)增加，因此在從一個(gè)主要節(jié)點(diǎn)推進(jìn)到下一個(gè)所涉及的工藝步驟的數(shù)量上升。我們預(yù)計(jì)，這種成本增長趨勢將在未來幾年繼續(xù)下去，并有助于需要更多的工具，更大的潔凈室，以容納額外的工具，額外和更嚴(yán)格的建筑和施工標(biāo)準(zhǔn)，以支撐更大的晶圓廠規(guī)模，以及更多的子晶圓廠和相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施，以支持他們。

隨著監(jiān)管機(jī)構(gòu)和芯片制造商致力于提高可持續(xù)性，預(yù)計(jì)會(huì)出現(xiàn)額外的成本驅(qū)動(dòng)因素。為了滿足更高的可持續(xù)發(fā)展基準(zhǔn)，新工廠將需要更多地使用可再生能源、水回收和工藝氣體減排系統(tǒng)。

此外，近年來通貨膨脹全面上升，特別是在建筑業(yè)。例如，自 2021 年以來，美國建筑價(jià)格的復(fù)合年增長率（CAGR）上漲了 6%，材料成本的復(fù)合年增長率（CAGR）飆升了 25%。建設(shè)新的和改進(jìn)的晶圓廠需要許多高度專業(yè)化的能力，例如滿足微污染規(guī)范的復(fù)雜氣體輸送系統(tǒng)。世界上任何地方都很少有公司有能力以適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量規(guī)格水平提供這些服務(wù)。

我們估計(jì)，與更廣泛的通貨膨脹水平相比，晶圓廠建設(shè)成本的通貨膨脹將繼續(xù)保持高位，主要是因?yàn)榻陙碓谠S多地區(qū)，如美國和歐洲部分地區(qū)，沒有持續(xù)的新晶圓廠建設(shè)量，有一個(gè)有限的人才和專業(yè)知識，以支持這種高度專業(yè)化的建設(shè)計(jì)劃。

一旦晶圓廠投入運(yùn)營，某些領(lǐng)域的成本增加將會(huì)明顯感受到。例如，晶圓生產(chǎn)中的附加層和工藝步驟將需要更多的材料。這些材料必須比當(dāng)今的材料具有更高的質(zhì)量和更先進(jìn)，以支持技術(shù)上更復(fù)雜的制造。一個(gè)例子是能夠?qū)崿F(xiàn)高數(shù)值孔徑 EUVL 所需的超薄膜的光刻膠材料。

運(yùn)營勞動(dòng)力成本預(yù)計(jì)將相對穩(wěn)定。領(lǐng)先的晶圓廠實(shí)現(xiàn)了廣泛的自動(dòng)化，因?yàn)榕c人工干預(yù)相比，這種方法不太可能在生產(chǎn)過程中引入污染物或缺陷。因此，員工規(guī)模和職責(zé)（主要是工程、技術(shù)和運(yùn)營職能）不需要大幅改變。

然而，維護(hù)成本預(yù)計(jì)將繼續(xù)上升，因?yàn)橄冗M(jìn)晶圓廠中更復(fù)雜、更昂貴的設(shè)備將需要越來越熟練的維護(hù)和昂貴的維修零部件。

公用事業(yè)支出也將受到重大影響。我們預(yù)計(jì)水、電和天然氣的增長將超出通貨膨脹，這與更多的流程步驟和層次相一致：更多的步驟，更多的消耗。盡管我們看到設(shè)備制造商在開發(fā)資源效率更高的芯片制造工具方面不斷取得進(jìn)展，但他們的首要任務(wù)仍然是晶圓廠的生產(chǎn)性能，即吞吐量、關(guān)鍵尺寸、產(chǎn)量和可靠性。

根據(jù)晶圓廠的建設(shè)地點(diǎn)，當(dāng)?shù)匾蛩匾部赡苡绊懽罱K成本。其中包括附近的供應(yīng)商集群和來自設(shè)備提供商的技術(shù)人員，所有這些都可能改變物流和晶圓廠維護(hù)成本。此外，特定地區(qū)可能提供的員工便利設(shè)施，例如娛樂設(shè)施、自助餐廳和食品補(bǔ)貼，可能會(huì)影響運(yùn)營預(yù)算。此外，當(dāng)?shù)貏趧?dòng)法規(guī)（例如限制輪班時(shí)間）可能會(huì)增加員工的管理費(fèi)用。世界各地和某些地方的電價(jià)也存在很大差異，這可以對晶圓廠的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生重大影響。

稅收也是當(dāng)?shù)氐囊粋€(gè)考慮因素。例如，美國已經(jīng)有一定程度半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)存在的州（如紐約州、得克薩斯州、亞利桑那州、俄亥俄州和加利福尼亞州）的州稅和地方稅在 4% 到 7% 之間，占比在 1% 到 3% 之間。世界其他地區(qū)的地方稅收結(jié)構(gòu)可能有很大不同，這可能會(huì)影響項(xiàng)目的總體成本估算。

每個(gè)晶圓廠都是獨(dú)一無二的

這些成本類別是衡量晶圓廠經(jīng)濟(jì)效益的起點(diǎn)，但它們是可以替代的。沒有兩個(gè)晶圓廠是相同的。事實(shí)上，半導(dǎo)體公司可以采取多種方法，并在預(yù)建、施工和運(yùn)營階段做出一系列設(shè)計(jì)決策，這些決策將極大地改變晶圓廠的最終成本。

半導(dǎo)體公司可以采取多種方法，并做出一系列設(shè)計(jì)決策，這些決策將極大地改變晶圓廠的最終成本。

一般來說，公司的戰(zhàn)略重點(diǎn)和經(jīng)驗(yàn)將顯著影響半導(dǎo)體工廠的預(yù)算。一些公司的商業(yè)模式以高晶圓廠利用率和大批量產(chǎn)能為目標(biāo)；有些人可能會(huì)專注于按時(shí)交貨，還有一些人可能會(huì)尋求更高利潤率的產(chǎn)品，甚至不惜犧牲產(chǎn)能利用率。這些選項(xiàng)中的每一個(gè)都具有明顯不同的尺寸、設(shè)備、工具和技術(shù)成本。此外，對于晶圓廠設(shè)計(jì)和開發(fā)并不陌生的公司可能會(huì)受益于他們隨著時(shí)間的推移獲得的專業(yè)知識和現(xiàn)有資源（包括專業(yè)勞動(dòng)力和供應(yīng)鏈合作伙伴）。

雖然所有這些決策都至關(guān)重要，并且可能對晶圓廠成本和性能產(chǎn)生重大影響，但我們研究中的另一件事很突出：由擁有經(jīng)驗(yàn)豐富的專業(yè)勞動(dòng)力和合作伙伴的成熟半導(dǎo)體制造公司建造的晶圓廠可能會(huì)產(chǎn)生最好的產(chǎn)品結(jié)果。從過去的晶圓廠建設(shè)中獲得的經(jīng)驗(yàn)，無論是通過內(nèi)部能力還是強(qiáng)大的合作伙伴關(guān)系，都可以加快建設(shè)速度并降低成本。相比之下，由新玩家或被獨(dú)特或不熟悉的環(huán)境包圍的項(xiàng)目（例如，在世界另一個(gè)地區(qū)建造第一個(gè)主要設(shè)施）缺乏同樣的優(yōu)勢。

有時(shí)，公司可能會(huì)發(fā)現(xiàn)他們還需要考慮意外成本。例如，如上所述，晶圓廠建設(shè)所需的工人和專業(yè)人員都是高度專業(yè)化的。公司可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，在其晶圓廠附近區(qū)域沒有足夠數(shù)量的工人，因此必須承擔(dān)額外費(fèi)用來支持這些專家從其他地區(qū)的重新安置。

假設(shè)晶圓廠的成本

考慮到主要成本驅(qū)動(dòng)因素和基本假設(shè)，我們得出的結(jié)論是，2026 年建成的晶圓廠的 10 年總擁有成本將達(dá)到 350 億美元至 430 億美元，比當(dāng)今的成本高出 33% 至 66%。

正如所討論的，推動(dòng)這種增長的最關(guān)鍵因素是，首先，工藝復(fù)雜性不斷升級，例如掩模層的增加和制造步驟的增加，其次是下一代晶圓廠技術(shù)（主要是高數(shù)值孔徑）的采用率加快 EUVL。通貨膨脹還將推高建筑及相關(guān)成本。值得注意的是，我們得出的廣泛 TCO 范圍對任何這些成本因素的變化都極其敏感；例如，如果通貨膨脹率最終達(dá)到 2.6% 而不是 4%，那么 2026 年建造晶圓廠的成本可能會(huì)降至 370 億美元。