在當(dāng)前的AI浪潮下，新建一座晶圓廠到底需要多少錢？
今年3月，全球半導(dǎo)體代工巨頭臺(tái)積電（TSMC）宣布，將追加1,000億美元投資美國(guó)市場(chǎng)，用于在亞利桑那州鳳凰城新建三座先進(jìn)制程晶圓廠、兩座先進(jìn)封裝廠及一座研發(fā)中心，形成從制造到封測(cè)的完整鏈條，加上已在當(dāng)?shù)赝顿Y650億美元建設(shè)兩座晶圓廠使其在美總投資額攀升至1,650億美元。
進(jìn)入到AI時(shí)代，疊加汽車電動(dòng)化以及數(shù)字化等產(chǎn)業(yè)趨勢(shì)下，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)的邏輯仍在強(qiáng)化，2030年半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模有望突破1萬(wàn)億美元。與之相對(duì)應(yīng)的，也推高了全球范圍內(nèi)晶圓廠的建設(shè)投資。
根據(jù)SEMI最新的全球晶圓廠（Fab）預(yù)測(cè)季度報(bào)告，預(yù)計(jì)半導(dǎo)體行業(yè)將在2025年啟動(dòng)18個(gè)新晶圓廠建設(shè)項(xiàng)目。新項(xiàng)目包括：3座200毫米和15座300毫米晶圓設(shè)施，其中大部分預(yù)計(jì)將于2026年至2027年開(kāi)始運(yùn)營(yíng)。2025年，美洲和日本是領(lǐng)先地區(qū)，各計(jì)劃建設(shè)4個(gè)項(xiàng)目。中國(guó)大陸、歐洲及中東地區(qū)并列第三，各計(jì)劃建設(shè)3個(gè)項(xiàng)目。中國(guó)臺(tái)灣計(jì)劃建設(shè)2個(gè)項(xiàng)目，而韓國(guó)和東南亞各計(jì)劃建設(shè)1個(gè)項(xiàng)目。
眾所周知，半導(dǎo)體公司由于資本開(kāi)支巨大，形成了較強(qiáng)的技術(shù)壁壘和資金壁壘，其中半導(dǎo)體研發(fā)投入和晶圓廠建設(shè)成本是兩大重頭。而隨著工藝節(jié)點(diǎn)的突破，資本支出則進(jìn)一步高企。
那么建設(shè)一座未來(lái)的晶圓廠，錢究竟都花在哪了？本文就以一座先進(jìn)工藝7nm的晶圓廠為例，從設(shè)計(jì)到開(kāi)工建設(shè)到運(yùn)營(yíng)量產(chǎn)，來(lái)一一拆解分析。
建設(shè)成本
晶圓廠的核心是潔凈室層（Clean room level）。實(shí)際進(jìn)行制造過(guò)程的工廠車間潔凈室下方是次級(jí)晶圓廠（Sub-fab），一層或多層（通常為兩層），其中包含支持潔凈室操作所需的管道、管道、布線和設(shè)備。潔凈室層上方是一個(gè)間隙空間（Interstitial and fan deck），配有風(fēng)扇和過(guò)濾器，用于將空氣再循環(huán)到下面的潔凈室（Utility level），其中設(shè)計(jì)成本5%，土建成本35%，機(jī)電系統(tǒng)成本30%，潔凈室成本35%。一般7nm先進(jìn)工藝以下的晶圓廠總成本超過(guò)200億美元，其中建筑結(jié)構(gòu)本身需要花費(fèi)40億至60億美元，占總成本的10~20%,從成本角度來(lái)看，未來(lái)新晶圓廠的破土動(dòng)工在前期和持續(xù)支出方面都將比幾年前更加昂貴。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)臺(tái)灣建設(shè)晶圓廠大約需要19個(gè)月，新加坡和馬來(lái)西亞需要23個(gè)月，歐洲約34個(gè)月，而美國(guó)最長(zhǎng)，可達(dá)38個(gè)月。
設(shè)備成本
晶圓廠的設(shè)備成本占到70~80%。就設(shè)備成本而言，最大的支出通常是光刻機(jī)，光刻機(jī)在設(shè)備支出中占比約30%，占新晶圓廠總成本的20%，這意味著光刻工具的成本可能與整個(gè)晶圓廠設(shè)施本身的成本一樣高。另外，刻蝕設(shè)備占比約20%-25%，薄膜設(shè)備占比約 15%-17%，這三者合計(jì)占比約 53%-63%，為前道制程中主要的設(shè)備投資。每個(gè)新的工藝節(jié)點(diǎn)都會(huì)使晶圓廠成本增加約 30%。
生產(chǎn)成本
晶圓廠的生產(chǎn)耗材成本占到總成本的5%，其中主要包括晶圓原材料、氣體、化學(xué)試劑、零部件等耗材以及人工等成本 。其中，硅片、光掩膜版、電子特種氣體、光刻膠及附屬產(chǎn)品、CMP拋光材料、濕法電子化學(xué)品、靶材等，在晶圓制造材料成本占比中分別為：33%、14%、13%、 13%、7%、4%、3%。硅片作為晶圓基本載體市場(chǎng)份額占比最高，在如今高度自動(dòng)化的晶圓制造工廠中，勞動(dòng)力成本在總成本中占比不到2%。
運(yùn)營(yíng)成本
研發(fā)投資占總支出的比例較高。研發(fā)投入的資金可能在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)中占據(jù)5%到10%的比例。投產(chǎn)后的持續(xù)優(yōu)化階段雖然運(yùn)營(yíng)成本（OpEx）較低，但折舊仍然是持續(xù)的負(fù)擔(dān)，尤其是設(shè)備的折舊，每年都需要進(jìn)行規(guī)劃和預(yù)算，一般廠房折舊10~20年，費(fèi)用0.25億~0.5億美元/年，設(shè)備折舊在5~10年，折舊費(fèi)用8~10億美金/年，平均到單片晶圓占比近一半成本。晶圓廠在量產(chǎn)后的2~3年開(kāi)始盈利，在運(yùn)行良好的情況下（如良率的穩(wěn)定產(chǎn)能利用率85%以上），第5年進(jìn)入盈利的高峰期。
AI升級(jí)成本
隨著工藝節(jié)點(diǎn)持續(xù)微縮，傳統(tǒng)的制造過(guò)程問(wèn)題檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)過(guò)時(shí)。在晶圓制造中，人工缺陷分類的培訓(xùn)至少需要6到9個(gè)月的時(shí)間，即使在培訓(xùn)完成后，專業(yè)的操作員通常也只能保持70-85%的準(zhǔn)確率。而在引入大規(guī)模機(jī)器學(xué)習(xí)和高級(jí)分析后，工程師在幾分鐘內(nèi)就能找到潛在的根本原因，而此前則要花費(fèi)幾個(gè)小時(shí)甚至幾天。在智能制造、工業(yè)4.0等新興概念的驅(qū)動(dòng)下，制造業(yè)能夠從人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)中獲得最多的收益，麥肯錫預(yù)計(jì)這將使制造成本降低17%。
不過(guò)相應(yīng)的，晶圓廠建設(shè)升級(jí)的成本從65nm時(shí)代的4億美元增加到5nm時(shí)代的54億美元。
總結(jié)
先進(jìn)制程晶圓廠的總投資在100-200億美金。初期投資主要集中在建設(shè)廠房、購(gòu)買設(shè)備和提供基本設(shè)施，這一階段的資金需求大部分用于資本支出（CapEx）。在運(yùn)營(yíng)階段，折舊費(fèi)用會(huì)逐年增加，設(shè)備折舊費(fèi)用是最大的支出項(xiàng)，尤其在前期，廠房和基礎(chǔ)設(shè)施折舊的負(fù)擔(dān)較輕。盈虧平衡點(diǎn)預(yù)計(jì)在第2至第3年內(nèi)，隨著產(chǎn)量提升和市場(chǎng)訂單的增加，預(yù)計(jì)開(kāi)始進(jìn)入盈虧平衡點(diǎn)，在第4至第5年進(jìn)入穩(wěn)定盈利期。而研發(fā)的投資貫穿整個(gè)晶圓廠的生命周期，從早期的工藝研發(fā)到后期的技術(shù)更新和工藝迭代，每個(gè)階段的研發(fā)投資金額是根據(jù)實(shí)際需要逐步增加的。在人工智能的普及下，晶圓廠需要對(duì)廠房和生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行持續(xù)升級(jí)，這個(gè)過(guò)程的投資金額也是持續(xù)增加的。
隨著工藝制程節(jié)點(diǎn)的持續(xù)推進(jìn)，晶圓廠的各項(xiàng)資本支出會(huì)越來(lái)越高，折合到單片晶圓的成本同樣升高。例如臺(tái)積電每片2nm晶圓的報(bào)價(jià)高達(dá)3萬(wàn)美元，折合人民幣約22萬(wàn)元。這還不算完，預(yù)計(jì)到2028年量產(chǎn)的1.4nm晶圓，其成本將再上漲50%，達(dá)到驚人的4.5萬(wàn)美元，折合人民幣約32.3萬(wàn)元。 |
