半导体行业正在悄然发生巨变。

　　一直在推动这个行业的规则正在磨损，撤销我们认为理所当然的假设，这些假设在学校里被灌输给我们，包括无可指责的摩尔定律——即随着时间的推移，指数级的进步将使事情变得更便宜、更好、更快，但它已经死了。

　　人们也开始意识到制造芯片并不容易。

　　芯片的短缺和地缘政治集中唤醒了大家对台积电和ASML的，并突出了科幻小说般的芯片制造过关注。大家也意识到前方的道路存在未被广泛理解的障碍。制造半导体将变得更加困难、更加昂贵和更加技术化。换句话说，挑战将会加速。

　　为了在未来运营，芯片制造商将需要更大的规模、更多的人才和更多的资金。我以前写过这方面的文章，但我想更深入地研究推动半导体制造成本上升的原因。它影响整个芯片范围，从最先进的芯片到最基本的芯片。这种趋势并不新鲜，它已经在发生，但我相信现在它会开始加快速度。价格上涨可能会影响地球上的每个人。这种通货膨胀成本不是暂时的。

　　要了解我们是如何到达这里的，我想先让您了解一下摩尔定律的消亡。我们已经超越了晶体管能量缩放、频率缩放的增长，并且我们开始在晶体管密度增加中达到多核缩放的终点。但比这些趋势的终结更重要的是，成本扩展已经结束。虽然我们继续通过新技术提高晶体管密度，但每一层都增加了成本。

　　ASML 在其投资者日发表了一项大胆的声明，即摩尔定律将继续进行系统级扩展。另一个名称是高级封装。但这些成本增加了制造更小晶体管的成本。

　　ASML 投资者日 – 技术评论 – 幻灯片 13

　　虽然我相信 Advanced Packaging 将解决晶体管密度问题，但我不相信它会使芯片变得更便宜。事实上，自 2010 年代初以来，每美元的晶体管价格变得更加昂贵。

　　我不仅要关注技术逆风，还要关注成本逆风。摩尔定律的主要历史假设之一是，不仅您的晶体管每两年翻一番，而且晶体管的成本也会下降。但这不复存在。下图来自 Marvell 2020 年投资者日。28nm 的标准大约是在 2011-2012 年亮相的。

　　Marvell 2020 年投资者日 – 第 43 张幻灯片

　　有趣的是，在 28nm 附近发生了质的变化，因为它是最后的平面节点之一。Planar 用简单的语言来说是一个二维表面（平面），而 FinFET（取代平面的技术）在晶体管中引入了一个“鳍”以向上突出，从而创建 3D 结构而不是 2D 结构。我们现在正处于向另一个栅极转换的边缘——环栅极 (GAA)，它是一种更加 3D 密集型结构。随着我们转向 GAA 或下一次门技术迭代，我相信每 100m 门的成本增加将继续增加，就像他们对平面 FinFET 所做的那样。这是由于制造这些芯片的复杂性增加 - 即制造中增加的步骤数量。

　　不仅仅是这种转变推高了成本。落后的芯片——旧芯片——也开始变得更加昂贵。这里的故事不是技术，而是经济，我们曾经有充足的产能和类似商品的回报现在开始变得抢手。除非随后价格上涨，否则企业不愿意增加产能。这是另一个关键驱动因素，不仅在最先进的芯片上，而且在较旧的芯片上也是如此。

　　最后，不仅是旧芯片和新芯片，制造芯片的公司（半导体晶圆厂）正在变得更加整合和更具战略性。制造最先进芯片的前沿确实没有太多空间。这是半导体成本的第三个驱动因素，即提供独一无二产品的晶圆厂将不断上涨的成本转嫁给客户。台积电不是价格接受者，全世界都依赖它的产品。尽管成本不断增加，但他们开始获得更大的利润。无晶圆厂公司别无选择，只能付出更多。

　　这些主题中的每一个都值得深入探讨。我将首先从我最喜欢的主题开始：Semicap——或制造芯片所需的工具。

　　行业共识：半导体成本强度将上升

　　本财报季的普遍主题之一是制造半导体的工具成本较高。真正的警告是东京电子在其投资者日展示的这张幻灯片。

　　Tokyo Electron 2021 年 10 月投资者日——幻灯片 101

　　价格的大幅上涨是广泛的，涉及 DRAM、NAND 和 Logic。鉴于今天 5nm 已投入生产，这不是预测，而是将继续下去的趋势。主要驱动因素不仅是 EUV 等工具的成本上涨，而且制造芯片的步骤数量也在增加。下图显示了步数随时间的增加。

　　CCMP 2020年12月投资者介绍

　　不仅仅是东京电子公司单独要求更高的强度。在最近的财报季，台积电、Lam Research、KLAC 和其他 Semicap 公司都表示强度正在上升。我认为在其他条件相同的情况下，100K 晶圆的启动成本应该会开始上升，每块芯片处于低到中个位数的前沿。另一种看待这个问题的方法是从自上而下的角度。我比较了以百万平方英寸 (MSI) 为单位的总出货量，并将其与晶圆厂设备的增长进行了比较。将此视为总产量与制造更多晶圆的支出。

　　5 年的平均值，每年的数字要大得多。

　　过去的关系是，新晶圆厂设备的支出低于 MSI 的扩张速度，因为购买的每台设备都会提供更多产能。我想强调一下，如果你仔细看，你会看到 WFE 和 MSI 的关系似乎在 2012 年左右的某个地方发生了翻转。这与 28nm 节点或成本开始增加的关键节点不谋而合。展望未来，我认为我们应该预期 WFE 的增长速度将超过历史平均水平。

　　2012年至2020年，MSI年复合增长率3.6%，WFE年复合增长率8.0%。这大约是容量增加的两倍。如果对半导体设备的需求继续增加，那么 MSI 应该会增长得更快，因此 WFE 的乘数会更高。我不确定 WFE 的关系是否保持在 MSI 增长的 2 倍，但它应该是一个更高的乘数——比如 1.5x-2x MSI。与历史速度相比，这是一个加速，推动这一趋势的是对半导体的需求和我们面临的技术逆风。

　　我现在想转向另一个在上一个财报季反复提到的趋势，坦率地说，这让我感到惊讶，但又出人意料地合乎逻辑：旧芯片更贵。

　　旧芯片成本更高

　　由于技术问题，不仅仅是最新、最快和最昂贵的芯片成本更高。最近最有趣的趋势是旧芯片开始推动价格上涨。汽车半导体最近的变化正在推动需求，不是对最新最好的技术，而是对更古老和更成熟的技术的需求。问题在于，老技术从未有过有意义的产能增加，而且大多数时候，随着前沿技术的推进，晶圆厂将成为“旧物”，晶圆厂设备将继续使用和折旧。使用完全折旧的晶圆厂设备显着降低了制造半导体的成本，尤其是在 10 多年之后。

　　这是定价的一个重要方面。在没有太多增量资金的情况下维持晶圆厂，但仍在生产芯片，这是随着时间的推移大幅降低旧芯片价格的原因。通常甚至会提高产量，从而进一步降低成本。当时的想法是，2000 年售价数百美元的尖端芯片在 2021 年将花费几美分，因为晶圆厂将完全折旧。

　　但这有一个问题。我们遇到了以前从未发生过的情况。从历史上看，需求集中在前沿。事实上，我们现在对旧芯片的需求开始急剧上升。这是由汽车和物联网生产推动的，因为这些应用中的大多数都是较旧、更成熟的技术，它们具有更好的产量、成本，更重要的是可靠性。即使需求激增，也没有增加产能。加入落后的生产是非常罕见的。

　　直到最近，落后的节点仍有充足的产能。为落后的节点增加产能是闻所未闻的。如果晶圆厂以 80% 的产能利用率运行，则该晶圆厂被认为是“满的”。现在，先进的晶圆厂正在以接近 100% 的利用率运行。有些事情必须改变。

　　这是汽车半导体短缺的驱动因素之一：需求增加而没有供应或增加供应的动机。大多数半导体公司和晶圆厂都痴迷于领先优势，因为它们可以获得更高的利润。现在，企业开始意识到要保持落后优势。“旧”芯片正变得与新芯片一样重要，为了增加产能，公司不得不再次开始大量增资。

　　在这种情况下存在明显的定价问题。有了新的晶圆厂，一家公司就无法以以前完全折旧的晶圆厂所规定的价格出售落后的芯片来获利。价格必须上涨。Silicon Lab 的 CEO 上个季度讨论了这一动态：

　　就成本增加和耐用性而言，我认为我们正在进入半导体行业的一个新阶段，我们已经有了摩尔定律，先进的节点变得越来越昂贵，而你已经有了现在主流技术已经满了。过去，数字人会搬出，N-1、N-2、N-3 节点将是完全折旧的晶圆厂，您将搬入。我们现在已经到了这样一个地步，先进与主流之间的比例导致晶圆厂台积电和其他晶圆厂建立新的主流技术，这意味着这些晶圆厂没有完全折旧。因此，业界目前看到的成本增加的很大一部分是因为必须投入额外的资本支出来跨节点构建新容量，不仅仅是在高级节点，而是跨节点。

　　因此，如果你看看我们在其他方面看到的成本增加——这是整个行业，其中有一定的因素，随着时间的推移是持久的。因此，就行业成本结构而言，这是一个阶梯函数，以匹配我们所看到的需求以及整个经济中电子产品含量的增加以及我们在大流行中看到的需求加速确实推动了这向前推进并驱使我们陷入供应限制。我们会解决这个问题，但要解决这个问题需要大量的资本支出，而且必须得到补偿。这必须从我们的供应商向上游流向我们，流向我们的客户，这就是你现在所看到的。

　　需要注意的是，这并不是一家之言。On Semi、NXP Semiconductors、Microchip 和其他“主流”或落后的半导体公司确认这种情况将持续下去，因为落后的需求高于供应。这对行业来说是一个全新的领域，不仅是对半导体战略重要性的确认，也是对广泛需求的确认。实际上只有一个解决方案——增加产能——但晶圆厂不确定他们能否在不提高价格的情况下通过增加绿地落后优势来获利。反过来，他们担心对这些“新”落后芯片的需求。

　　这是一个僵局。晶圆厂和半导体公司不确定这是否会持续下去，但汽车原始设备制造商等似乎有永不满足的需求。对于晶圆厂来说，很难在一年内改变你的行为，以对抗持续数十年的趋势。更难的是经历那些艰难的变化并期望客户接受更高的价格。UMC 在其 2021 年第二季度的电话会议中说得很好：

　　但是对于任何新建的产能扩展，对于成熟节点，您都在与一个完全折旧的产能竞争——最有可能的是，您将与一个完全折旧的产能竞争。除非需求对客户非常重要，但经济性——如果经济性保持不变，则很难获得合理的投资回报率。但是，如果客户愿意与我们一起面对这些挑战，我们一定会探索这些机会。

　　换句话说，付钱或继续短缺。鉴于交货时间并没有真正改善，我认为结果将是少量支付。这里必须有某种妥协，现在它以不可取消、不可退货的订单 (NCNR) 的形式出现。除非客户真正承诺无法取消或退货的订单，否则晶圆厂不会扩大后缘产能。不确定有多少双重订购，但 NCNR 是对增加长期需求的坚定承诺。

　　虽然随着时间的推移，产能的增加最终应该会缓和价格上涨，但这将需要数年时间，尤其是如果汽车和物联网设备的需求持续存在的话。我不认为价格会在落后的情况下永远上涨，但我认为我们应该预期历史价格下跌的关系不会像以前那么大。最后，剩下的就是 800 磅重的大猩猩——台积电。

　　台积电没有降价

　　领先产品的工具价格正在上涨，这应该会损害台积电和其他领先晶圆厂的利润率。虽然我们可以在英特尔看到收缩的毛利率，但这更多是公司特定投资赶上台积电的后果。但在台积电，情况恰恰相反。台积电相信它可以通过更小的节点来提高利润率。该公司在电话会议上多次重申这一点，鉴于台积电的同类产品，较高的毛利率是非常合理的。现实情况是，台积电不是价格接受者，而是价格制定者。主要原因：它垄断了所有前沿制造业。

　　2019年全球100%的10nm以下逻辑是台积电制造的。三星很可能已经赶上了，但就领先优势而言，台积电遥遥领先。鉴于台积电的制造能力集中，客户真的别无选择。如果一家无晶圆厂公司想以更高的利润销售其最新最好的芯片，他们必须去台积电。与此同时，台积电的毛利率多年来一直在缓慢上升。

　　尽管资本支出大幅增加并流向作为折旧出售的商品成本，但它们的毛利率仍然很高，公司相信它将保持这种状态。

　　台积电在最近一次电话会议上这样说，鉴于其绝对惊人的直接资本支出，我认为这是合理的：

　　尽管我们为行业承担了更大的投资负担，但通过采取这样的行动，我们相信我们可以获得适当的回报，使我们能够投资支持客户的增长并实现 50% 或更高的长期盈利增长我们股东的毛利率。

　　目前，为了承担更高的资本支出负担，该公司正在有意义地传递价格。它最近将芯片价格提高了 20%，如果制造先进半导体的持续成本持续下去，它可以而且将会提高价格。在情况发生变化之前，市场上没有其他有意义的竞争。如果三星和英特尔在代工业务上齐心协力，也许他们会愿意降低毛利率，但在那之前，我们生活的是台积电的世界。在更高的资本成本的背景下，这将提高价格。

　　半导体的价格正在上涨，而且不是暂时的

　　这些因素中的每一个都将成为价格上涨的顺风。总之，可以肯定的是，价格将从这里上涨。在导致更高工具成本的更多步骤、摩尔定律的经济效益下降以及落后的产能问题之间，我相信我们在半导体中看到的历史成本下降将开始放缓。在某些地方，我相信芯片的价格上涨将继续存在。在你对通货膨胀进行疯狂猜测之前，我想重申一下，半导体只是一个价值约 5300 亿美元的产业，占全球 GDP 很小的一部份。这不会在任何地方造成猖獗的通货膨胀。

　　等式的需求方面似乎没有丝毫放缓。更高的需求来自数量最多的垂直市场，PC、移动、数据中心、汽车和物联网都是一个可靠且不断增长的终端市场。某些应用程序未来的计算密集度更高，例如机器学习。随着软件吞噬了我们生活中的一切，芯片使这顿饭成为可能。这一切都在摩尔定律戛然而止之际发生。简单来说：更高的需求 + 更低的供应改善 = 价格上涨。