从技术研发到生产制造探寻半导体大涨价背后的技术原因

李实

2020年之后的全球半导体市场，不但在需求端产生了极大增长，还经历了全行业的缺货和涨价风潮。目前来看，2022年的半导体市场依旧会呈现旺盛需求，同时全行业大涨价的趋势也持续加剧。那么，半导体市场的需求到底会增加多少？助推价格上涨的因素又有哪些？今天本文就来和大家一起探寻这些问题的答案。

全球半导体市场规模在这些年—直呈显著扩大的态势。虽然我们经常听到类似PC市场萎缩、移动设备市场增速放缓等论调，但实际上这只是单独市场在成熟后的—种表现。随着半导体使用范围越来越广以及人们对计算的要求越来越高，整个半导体产业依旧处于高速扩张的进程中。根据全球半导体行业协会的统计，2021年全球半导体市场规模约为5559亿美元，相比2020年增长了26.2%，这是自2010年增长31.8%以来的最大年度增幅。

对已经开始的2022年，不同的预测机构给出了自己的答案，比如WSTS预测2022年全球半导体市场将增长g%，IC-Insights预测将增长11%.Future Horizons预测将增長10%，Intelligence预测将增长15%。IC-Insights还预测从2021年到2026年，半导体市场复合增长率将达到7.1%的水平。总的来看，无论哪一个机构，都认为2022年全球半导体市场依旧将维持增长态势。与半导体相关的产品方面，国际货币基金组织预测，2022年全球智能手机市场规模将增加4.4%、PC轻微降低1.1%，汽车将增加9%。不仅如此，业内还预测目前席卷全球的半导体缺货大潮将在2023年得到彻底缓解。

在这些预测之外，伴随着半导体行业价格上涨的趋势。从2020年开始，半导体行业迎来了全面价格上涨，并且目前来看这种上涨是持续的、确定的。从两方面因素来说，一方面是持续的市场需求和市场规模上升，另—方面是半导体成本上涨导致的终端产品价格上涨。越来越贵的半导体和增长的需求也可能重叠起来，导致整个市场规模进一步扩大，当然这并不是可以无限叠加的，但是在最近两三年中，这个情况是可能持续发生的。

那么，究竟是什么导致了半导体成本的大幅度上升呢？这种上升在技术和应用端表现为哪些方面呢？我们接着往下看。半导体价格上涨的根本原因：技术瓶颈的来临

如果你是一个对半导体产业略有了解的读者，那么一定会知道“摩尔定律”。在过去数十年间，摩尔定律—直在指导着半导体行业的发展，推动着单位晶体管体积的缩小和单位面积晶体管密度的提升。不过，目前很多征兆显示，传统的摩尔定律可能正在失去效用并转向一种新的发展模式。失去效用的摩尔定律和转化为新的发展方式的半导体产业，都面临着成本的显著提升。

在下面的一张图片中，可以看到从1970年到2020年半导体行业中有关微处理器发展结果的相对数值。左边的数据从10的0次方也就是1倍性能开始，—直到10的7次方。右侧的数据从上到下是指晶体管数量（干个）、单线程性能（SpecINT x 1000）、频率（MHz）、典型功耗（瓦特）、逻辑核心数量。其中，晶体管数量是一个相对数值，它使用的是下列所有数据相乘后的结果，使用晶体管数量这个相对值，主要是用于分析摩尔定律在发展中的效用。

我们将图片分为2个部分来看。先来看2000年之前。请注意，在2000年之前，单线程性能、频率和功耗数值都是稳定持续上升的，逻辑核心数量一直维持相，我们可以看到橙色的晶体管数量呈现稳定上升的斜率。这样的表现也完美符合摩尔定律的要求。

但是在2000年之后，情况发生了变化。首先是单线程性能在维持了一段时间的稳定斜率后，从2010年开始放缓，频率上升的斜率在更早的时候就逐渐开始显得无力了，功耗的数值则长期保持在相对稳定的区间内没有上升。在这种情况下，作为相对数值的晶体管数量就无法持续上升了，但是人们找到了新的解决办法，就是增加逻辑核心的数量。因此，从2010年开始，逻辑核心的数量开始大幅度提升，在很大程度上抵消了难以继续快速增长的单线程性能、频率和功耗值，维持了晶体管数量的相对提升幅度，并为这个数值带来了一个完美的斜率表现。

实际上，从这里的数据可以看出，单纯的摩尔定律本身在2010年后就遇到了显著的发展瓶颈。业内很多人士开始争论摩尔定律是否已经失效。不过目前很多行业巨头依旧认为摩尔定律有效，只是可能大幅度放缓而已。当然，一些争论还包含了语义上的分歧。但是从传统摩尔定律提高性能的方式来看，摩尔定律效力大幅度降低已经是板上钉钉的事情了。

摩尔定律效力的降低最直接的表现就是芯片制造难度的提升。无论是台积电还是ASML，都在制造更小、更快的晶体管上持续投入了大量的资金和人力。很多科普或者知识类文章都介绍过台积电或者ASML在制造半导体方面的“神奇”技术。但实际上，台积电和ASML取得的每一个进步都是极为困难的，并且由于传统方法在逐渐失效且接近物理极限，因此前方的道路上还广泛存在着未知且无人理解的技术难题。这里的困境在于，解决了越多的难题，就越接近极限，会遇到更多的难题。因此，这些半导体或者基础设备制造商在未来如果要持续运营，需要更大的规模、更多的人才和更多的资金。并且这个“更多”会随着每一代问题的持续解决，螺旋式上升。

AMSL是摩尔定律坚定的支持者。和前文所述类似的是，AMSL也发表了一些自己的见解。他们宣称摩尔定律会继续生存下去，但面向的是系统级扩展，采用的主要方法是高级封装（这和本期介绍英特尔投资者大会中的一些内容不谋而合），但是，高级封装带来的依旧是成本的增加。根据ASML的资料显示，在频率、晶体管能耗、晶体管密度以及光刻密度持续放缓的今天，只有系统级缩放能够维持系统能效比的提升。从ASML的描述来看，诸如高级封装之类的技术在很大程度上的确可以解决半导体密度的问题，但是并不能使芯片价格变得更便宜。实际上，从2010年以来，每美元可以购买到的晶体管已经越来越少了。

来自美满电子的数据显示从90nm工艺到28nm工艺，一百万门控晶体管的价格从4美元下降到大约1.3美元，但是进入后28nm时代，100百万门控晶体管的价格不降反增，目前在7nm工艺下价格为1.52美元左右。考虑到更先进工艺需要集成更多的晶体管，因此7nm工艺的芯片价格变得更贵也在情理之中。

在这里需要注意的是，28nm之后，单位晶体管的价格才发生了变化。在28nm工艺节点上，人们实现了从平面晶体管到立体晶体管的转变，FinFET技术开始大规模应用，避免了传统平面晶体管出现电子泄露等现象。值得注意的是，目前我们正面临一个新的技术转变，5nm工艺之后，将有厂商开始使用GAA环栅极技术来生产晶体管，这将进一步提升单位晶体管的价格。价格提升的原因主要是制造步骤的增加，这将涉及更多的材料、设备、人力、时间以及更低的单位产能。

正如上文所说，现在的半导体制造端开始不再像之前从90nm时代到28nm时代那样容易了-制造上的难题被解决后，带来的并非大规模的成本下降，反而是更高昂的成本，接下来的新一代技术又会如此往复，成本进一步缓慢上升。令人惊讶的是，新的技术成本高昂也就算了，就连一些相对较老的生产技术，由于政治、经济甚至整个市场环境的原因，也开始逐渐提升价格。另外，技术垄断等原因也使得部分企业在业内拥有过高的定价权和话语权，设计类无晶圆厂企业在这种情况下只能选择使用，而沒有太多的议价能力。

接下来，本文将对半导体价格上涨中的几个关键性问题进行探讨。成本上升：半导体产业投资强度一增再增

首先来看有关半导体行业投资强度的问题，引用的资料来自各大半导体或相关企业的年报。东京电子的年报显示，无论是DRAM、3D NAND还是逻辑芯片，在过去一段时间内都迎来了显著的价格上涨。其中DRAM制程从1Y、1Z、la提升至lb阶段，每个阶段都有小幅度提价。新的报价数据显示，在100K片WSPM晶元的价格在1b制程价格大约为90亿美元，3D NAND制程在堆叠至200层后，100K片WSPM晶元的价格同样来到了大约90f乙美元的水平，逻辑芯片的价格更高一些，2nm的100K片WSPM晶元的报价大约需要210亿美元。

在这里，价格上升的原因是由于制造步骤更为复杂。CCMP的数据显示，28nm工艺总计需要大约400个制造步骤，10nm工艺则超过600个步骤，而5nm工艺甚至需要1200个步骤才能完成。尤其值得注意的是，5nm工艺中大约25%～30%的步骤都是用于清洁，也就是各种清洗、去除的步骤会更多一些。这些复杂的步骤进一步降低了产能，并推高了单片芯片的成本。

另一个角度是投资角度。这里的计算方法是采用MSI也就是MillionSquare Inches百万平方英寸作为出货量数据，来统计当年厂商的设备投资金额增加情况。这个数据显示，在2012年后，几乎每年的MSI增量都远小于设备投资支出的增量。这就带来了一个问题，更贵的设备的存在且投入不断增加，但MSI数据没有相应跟上，因此最终的成本也会不断上升。这个数据是从2012年开始逆转的.也正是在这一年，28nm节点开始成熟，后期的节点需要更昂贵的设备。从2012年到2020年，MSI年化复合增长率仅为3.6%，但是同期设备投入年化增长高达8%，这个数据是MSI数据的2倍以上。显然，28nm以后的FinFET以及相应的新技术应用大大提升了设备投资的增长速度。正如前文所说，在摩尔定律逐渐失效、半导体制造不断地触碰物理极限之后，人们在设备投入上陷入了一个怪圈：越是突破现有的技术，就发现有越多的难题在前方等待。行业人士预测，未来设备投资的增长速度大约会维持在MSI增长速度的1.5-2倍左右，这意味着半导体产品只会越来越贵。越“老”越贵：老旧制程反而成为香饽饽

另一个值得关注的问题是，一般人们会认为新的技术和制程比如5nm、3nm会越来越贵，但是令人难以想象的是，老的制程和技术也越来越贵，尤其是应用在汽车、物联网产品上的半导体芯片。受制于成本、稳定性、耐久性以及可靠性等原因，汽车或物联网所使用的半导体相关产品往往不会使用最新、最先进的制程，而是采用更成熟的制程，比如200mm晶元和65nm、90nm工艺等。

从半导体制造企业的角度来看，这些老旧制程在之前漫长的使用周期内，早都己经过了投资回收期，很多设备甚至已经完成了折旧。对晶圆厂来说，这些设备都是“旧物”，理论上这些几乎没有太多投入的设备在生产中是不应该附加太多设备成本的，并且这些设备还在持续不断地生产芯片，这些新生产的芯片对晶圆厂来说都是纯利。一些早期的预测认为，随着设备折旧费用逐渐清零且伴随着技术进步，2000年售价数百美元的尖端芯片，在20年后可能只需要几美分。因此，在这种情况下，这类采用老旧工艺的芯片往往在售价上比较低廉。毕竟多少都是赚，市场份额可能更为重要一些。

但是情况发生了变化。现在的问题是，随着汽车、物联网对半导体产品需求大增，这些相对老旧的制程价格也迎来了上涨。这就使得目前的市场需求不仅仅集中在尖端制程上，老旧制程的市场需求也在大幅度提升。不过，相比新的制程可以不断增加设备来实现扩能而言，老旧制程所对应的设备在产能增加方面是不够积极的。这就使得市场出现了矛盾：一边是需求激增，一边是产能“无动于衷”。

这就是最近汽车半导体产业芯片稀缺的原因之一：需求的增加和平稳的供应。大多数半导体公司和晶圆厂都在积极投资新的工艺，这是因为新工艺采用大量的新技术，可以获得更高的利润。现在的情况却发生了变化，“落后”也成了一种优势，较为老旧的工艺制程开始和新的技术一样重要，为了增加这些较老制程的产能，芯片生产企业开始持续增资。

就芯片制造产业的成本以及芯片工艺的耐用生而言，目前整个行业正在进入一个新阶段。过去，台积电或者其他厂商会根据需求和摩尔定律建立全新的节点工厂，然后销售昂贵价格的新工艺，但是一些相对老旧的工艺节点比如N-1、N-2、N-3等，在折旧完成后会被其他的产能填满，从而降低投资需求。但是现在，整个半导体制造业的先进工艺和成熟工艺的产能都处于紧张状态，哪怕是N-1、N-2、N-3这样的节点，都在积极购买设备进行扩张，这意味着这些工厂在投入生产的时候还需要纳入折旧成本。因此，业内目前看到的成本增加很大一部分是因为必须投入额外的资本支出来跨节点建立新的产能。这个状态将是长期的，并且目前看不到改善的空间。

在对一些行业内的企业比如On Semi、NXP Semiconductors、Microchip的调研中，这些公司基本上都表示产能紧缺的状况还将持续，而且对整个行业来说是这是一个全新的情况，之前从未遇到过类似的叠加了全球大环境变化以及行业增长在内的多方面原因。其实最终的解决方案只有一种，那就是投资并增加产能。不过制造企业担忧的—点是，如何在维持之前价格或者较低涨幅的情况下，通过增加投资的方式来获得利润。反过来说的话，企业们依旧担心对落后产能的投资得不到有效的回报，毕竟技术还是在持续向前发展的。

这就形成了一个僵局，半导体制造企业和设计企业不确定这种情况将持续多久，而汽车半导体厂商却有着持续的需求。对半导体制造企业来说，很难在短期内通过投资，对抗之前已经持续了数十年的行业趋势。其实这里的本质问题是，如何说服客户在使用老旧制程的情况下，接受更高的价格。UMC对此描述道：任何新建的成熟工艺的半导体产能，都要和之前折旧的成熟产能竞争，甚至和完全折旧的成熟半导体产能竞争。这里的关键在于，客户对需求和经济性是如何看待的。如果客户更看重经济性，那么对半导体制造企业来说，投资就是不划算的，因为无法得到合理的投资回报率。唯一的机会就是客户愿意和半导体制造企业一起解决这些问题（意思就是“涨价”）。

现在行业内对这种情况也有一个解决办法，那就是签订不可取消、不可退货的NCNR订单。只有客户对半导体制造企业承诺大量的NCNR订单，半导体制造企业才有信心继续投资并扩大产能——无论是哪种节点。在价格方面，预计这类相对老旧产能的价格并不会暴涨或者显著提升，而是提升得比较和缓，且不会永远维持上涨状态，只是大多数人预计应该出现的下跌曲线不会那么急迫，而是更加平稳。巨头的行为：台积电大幅度提价

对半导体制造企业来说，所有企业加在一起对行业的影响力可能都不如台积电那么明显和巨大。实际上，由于摩尔定律放缓（或者失效），所有半导体制造相关的材料、工具、设备都在上涨（原因如前文所述）。按理来说，这种情况可能会影响英特尔这类企业的毛利率，但是对台积电来说，毛利率不降反增。这里的核心原因是，台积电目前站在制造行业的最顶尖位置，拥有最多的顶级工艺产能。台积电不是规则的接受者，它是规则制定者。一些更为大胆的言论表示：台积电扼杀了所有其他的顶尖半导体制造业。

2019年，全球100%的lOnm以下先进工艺由台积电掌控，它的客户都是行业巨头，包括苹果、高通、英伟达、AMD、特斯拉在内。2021年，这种情况稍有改善，lOnm以下的先进制程台积电占据了92%，剩余的8%是三星。但是，考虑到技术指标和产能，客户其实别无选择。如果一家芯片设计类企业想在市场上以更高的性能和更高的利润出售其芯片，台积电几乎是不二之选。与此相应的是台积电的毛利润在这么多年之间一直缓慢上升。

根据台积电公布的数据，台积电的毛利润从之前的大约49%左右，缓慢上升至超过51%。与此相应的是，其资本支出占到了销售收入的1/3-1/2，这是相当惊人的。考虑其投资支出，台积电维持极高的毛利率也是可以理解的。

最近，台积电宣布芯片代工的价格提高20%。台积电宣称主要原因是成本上涨以及更高的研发支出。实际上这就是台积电对缺乏竞争的市场的一种“操纵”行为，因为三星、英特尔等企业在这个行业中无法和台积电竞争，因此台积电可以用各种理由来提高自己的毛利率，并对整个行业产生影响。材料难买：晶元价格上涨库存大幅度下降

本文的最后部分，我们将通过一些至关重要的半导体材料供应商的消息，來观察有关材料价格对半导体价格上涨的影响。

本段的案例是SUMCO，这是一家日本的半导体材料生产商，是世界第二大晶圆片制造商。SUMCO和世界第一大晶圆片制造商信越化学加起来提供了全球60%的半导体晶圆。SUMCO在近期的会议中宣布，到2024年，每年价格将上涨10%，价格上涨的主要原因是为了抵消产能提升所带来的折旧。同时SUMCO还表示，由于缺乏增加产能的关键性工具，他们要在2023年以后才开始提升产量。

在这里有一个矛盾点，SUMCO想提升产能所使用的方法是提价而不是扩大生产规模。按理来说SUMCO只要简单扩大生产规模就可以应对目前供不应求的晶圆片市场。这里的答案是，由于晶圆片生产需要多道复杂过程，其中任何一个过程的设备短缺都可能影响产能的扩大。因此SUMCO可能真的无法做到及时扩大产能以获取更高的利润。

不仅如此，SUMCO的产能似乎已经被预订到了2026年。也就是说在2026年之前，如果你没有预定，那么可能也买不到SUMCO的晶圆片了。

另外一个令人恼火的事情是，诸如SUMCO这样的企业，都宣布未来将不会增加200mm和150mm的晶元产量。SUMCO直接宣布他们永远不会增加200mm晶圆产能，也没有办法增加200mm晶圆产能，SUMCO的理由是200mm相关的设备已经不再可用，之前闲置的旧设备也已经过期。这就意味着面向较老工艺的诸如汽车半导体、部分可穿戴设备芯片的制造企业将更加难以获得200mm晶元（8英寸）。因此现在仅有的200mm晶圆产能的价格还将持续上涨，直到达到一个极限值。

SUMCO还给出了晶圆库存的数据，现在SUMCO的库存正在大幅度降低，主要是由于产能紧缺，下游客户的库存已经降低至不到1个月。如果客户库存持续降低，将造成市场不稳定。目前数据显示，用于逻辑芯片的300mm晶圆的库存只有0.7个月，用于内存的300mm晶元库存只有1.2个月，短缺已经开始显现。上涨周期来临：可能2026年才会结束

本文分析了整个半导体行业在目前状态下价格上涨、产能短缺的情况。值得注意的是，本文的分析基本上没有涉及经济和政治因素，仅从技术、行业以及市场的角度来进行解读。当然，不否认多个层面的因素最终会互相交缠并互相影响，但从更长远的角度来看，目前半导体制造技术难度提升，面临物理和工程的极限难以突破才是最根本原因，其余的市场、经济等多方面因素可能会在一段时间之后得到缓解，技术原因则很难短时间解决。最新消息显示，AMD和英特尔、英伟达等企业表示供应链紧张的情况将在2023年得到缓解，实际上本文的内容显示，可能直到2026年，整个行业才会逐渐达到一个新的平衡状态。因此，我们的确进入了一个半导体行业的上涨周期，这个行业的市值约5500亿美元，其相关产业加起来更是数万亿美元。虽然和全球GDP 85万亿美元的规模相比还差很远。但是显而易见的是，一旦进入这个持续涨价的周期，相关的产业可能都会受到影响，我们会面临更贵的PC、更贵的手机、更贵的游戏机以及更贵的游戏（毕竟开发成本也一起上升了），希望大家对这种情况有充分的预期。