一座 2nm 晶圓廠，280 億美元

據咨詢公司 IBS 稱，一座 2 納米半導體制造工廠每月可生產 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)轉向下一代芯片，企業(yè)預計成本將呈指數(shù)級增長的一個例證。

IBS 表示，準確地說，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，將不得不花費 3 萬美元來處理單個 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期高成本。

事實上，半導體公司可以采取多種方法，并在預建、施工和運營階段做出一系列設計決策，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)據顯示，僅軟件開發(fā)一項就占 3.14 億美元，驗證又占 1.54 億美元。此外，2nm 節(jié)點的芯片設計需要專門人才，而這種人才供不應求。此外，光刻技術的使用也有所增加，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備和材料的成本。那座 2 納米晶圓廠的投資額將達到 280 億美元？造成 80 億美元成本差異的原因是維持 50,000 片晶圓產能所需的 EUV 光刻工具數(shù)量的增加。

就連 IBS 也承認，這些數(shù)字和芯片設計不斷發(fā)展的格局背后存在細微差別。據估計，一家公司從頭開始構建大型 2 納米芯片可能需要花費 7.25 億美元。但這是由一家沒有預先存在知識產權的公司進行的，而現(xiàn)實情況是許多半導體公司，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 工具在芯片設計、通過自動化復雜設計流程和優(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，半導體工廠變得越來越復雜，建設成本也越來越高。但激勵和支持的正確結合可以幫助公司降低成本。

一方面，晶圓廠的建設和運營成本大幅上升。另一方面，雖然世界多個地區(qū)的政府激勵政策仍在不斷演變，但新的、更積極的財政支持計劃對于使這些大規(guī)模資本密集型項目的經濟可行性至關重要。

衡量晶圓廠的成本

為了分析今天的晶圓廠經濟性，我們探索了一個先進邏輯的前端制造工廠——一個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。初始生產計劃于 2026 年進行。到那時，我們預計大多數(shù)公司將經歷兩項重大的工藝技術進步：首先，芯片上單個功能和晶體管的制造方式發(fā)生轉變；從鰭式場效應晶體管（FinFET）到環(huán)柵（GAA）器件結構，改進工作已經在進行中，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重要節(jié)點。

從成本角度來看，未來新建晶圓廠的破土動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，由于生產下一代節(jié)點需要更先進的工具，設備支出將會激增。建設支出也會增加，因為需要更多的空間和更大的建筑物來容納額外的設備并維持更多和更復雜的晶圓層的必要生產量。

在設備類別中，新型 EUVL 機器將是實現(xiàn)亞 2nm 節(jié)點的關鍵，并計劃在 2025 年左右進行規(guī)模化生產，預計成本約為今天 1.5 億美元以上機器的兩倍。節(jié)點的進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，以滿足較小特征尺寸的性能需求。

從歷史上看，我們已經看到了 5% 至 15% 的掩模層的總數(shù)增加，因此在從一個主要節(jié)點推進到下一個所涉及的工藝步驟的數(shù)量上升。我們預計，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，額外和更嚴格的建筑和施工標準，以支撐更大的晶圓廠規(guī)模，以及更多的子晶圓廠和相關的基礎設施，以支持他們。

隨著監(jiān)管機構和芯片制造商致力于提高可持續(xù)性，預計會出現(xiàn)額外的成本驅動因素。為了滿足更高的可持續(xù)發(fā)展基準，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，美國建筑價格的復合年增長率（CAGR）上漲了 6%，材料成本的復合年增長率（CAGR）飆升了 25%。建設新的和改進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?shù)馁|量規(guī)格水平提供這些服務。

我們估計，與更廣泛的通貨膨脹水平相比，晶圓廠建設成本的通貨膨脹將繼續(xù)保持高位，主要是因為近年來在許多地區(qū)，如美國和歐洲部分地區(qū)，沒有持續(xù)的新晶圓廠建設量，有一個有限的人才和專業(yè)知識，以支持這種高度專業(yè)化的建設計劃。

一旦晶圓廠投入運營，某些領域的成本增加將會明顯感受到。例如，晶圓生產中的附加層和工藝步驟將需要更多的材料。這些材料必須比當今的材料具有更高的質量和更先進，以支持技術上更復雜的制造。一個例子是能夠實現(xiàn)高數(shù)值孔徑 EUVL 所需的超薄膜的光刻膠材料。

運營勞動力成本預計將相對穩(wěn)定。領先的晶圓廠實現(xiàn)了廣泛的自動化，因為與人工干預相比，這種方法不太可能在生產過程中引入污染物或缺陷。因此，員工規(guī)模和職責（主要是工程、技術和運營職能）不需要大幅改變。

然而，維護成本預計將繼續(xù)上升，因為先進晶圓廠中更復雜、更昂貴的設備將需要越來越熟練的維護和昂貴的維修零部件。

公用事業(yè)支出也將受到重大影響。我們預計水、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展，但他們的首要任務仍然是晶圓廠的生產性能，即吞吐量、關鍵尺寸、產量和可靠性。

根據晶圓廠的建設地點，當?shù)匾蛩匾部赡苡绊懽罱K成本。其中包括附近的供應商集群和來自設備提供商的技術人員，所有這些都可能改變物流和晶圓廠維護成本。此外，特定地區(qū)可能提供的員工便利設施，例如娛樂設施、自助餐廳和食品補貼，可能會影響運營預算。此外，當?shù)貏趧臃ㄒ?guī)（例如限制輪班時間）可能會增加員工的管理費用。世界各地和某些地方的電價也存在很大差異，這可以對晶圓廠的經濟產生重大影響。

稅收也是當?shù)氐囊粋€考慮因素。例如，美國已經有一定程度半導體產業(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)的地方稅收結構可能有很大不同，這可能會影響項目的總體成本估算。

每個晶圓廠都是獨一無二的

這些成本類別是衡量晶圓廠經濟效益的起點，但它們是可以替代的。沒有兩個晶圓廠是相同的。事實上，半導體公司可以采取多種方法，并在預建、施工和運營階段做出一系列設計決策，這些決策將極大地改變晶圓廠的最終成本。

半導體公司可以采取多種方法，并做出一系列設計決策，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)略重點和經驗將顯著影響半導體工廠的預算。一些公司的商業(yè)模式以高晶圓廠利用率和大批量產能為目標；有些人可能會專注于按時交貨，還有一些人可能會尋求更高利潤率的產品，甚至不惜犧牲產能利用率。這些選項中的每一個都具有明顯不同的尺寸、設備、工具和技術成本。此外，對于晶圓廠設計和開發(fā)并不陌生的公司可能會受益于他們隨著時間的推移獲得的專業(yè)知識和現(xiàn)有資源（包括專業(yè)勞動力和供應鏈合作伙伴）。

雖然所有這些決策都至關重要，并且可能對晶圓廠成本和性能產生重大影響，但我們研究中的另一件事很突出：由擁有經驗豐富的專業(yè)勞動力和合作伙伴的成熟半導體制造公司建造的晶圓廠可能會產生最好的產品結果。從過去的晶圓廠建設中獲得的經驗，無論是通過內部能力還是強大的合作伙伴關系，都可以加快建設速度并降低成本。相比之下，由新玩家或被獨特或不熟悉的環(huán)境包圍的項目（例如，在世界另一個地區(qū)建造第一個主要設施）缺乏同樣的優(yōu)勢。

有時，公司可能會發(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，因此必須承擔額外費用來支持這些專家從其他地區(qū)的重新安置。

假設晶圓廠的成本

考慮到主要成本驅動因素和基本假設，我們得出的結論是，2026 年建成的晶圓廠的 10 年總擁有成本將達到 350 億美元至 430 億美元，比當今的成本高出 33% 至 66%。

正如所討論的，推動這種增長的最關鍵因素是，首先，工藝復雜性不斷升級，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（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到 2.6% 而不是 4%，那么 2026 年建造晶圓廠的成本可能會降至 370 億美元。