半導體行業正在悄然發生劇變。一直統治著這個行業的規則正在瓦解，這打破了我們認為理所當然的假設，這些假設是在學校里灌輸給我們的。例如無可指責的摩爾定律，即隨著時間的推移，指數級的進步將使芯片變得更便宜、更好、更快。但摩爾定律事實上已經死了。
人們開始意識到制造芯片并不容易。芯片短缺與臺積電和ASML受到地緣政治的影響，喚醒了大眾的想象力，凸顯了芯片制造的科幻般的過程。前面的道路有很多障礙，但并未得到廣泛認可。制造半導體將變得更加困難、昂貴和技術含量更高。換句話說，挑戰將加速。
要在未來運營，芯片制造商將需要更大的規模、更多的人才和更多的資金。這影響了整個芯片范圍——從最先進的芯片到最基本的芯片。這種趨勢并不新鮮，因為它已經在發生了，但我相信現在它會開始加速。價格上漲可能會影響地球上的每個人。這種通貨膨脹成本不是暫時的。
要了解我們是如何走到這里的，我想首先讓您了解摩爾定律的消亡。我們過去幾年的發展已經超過了晶體管性能縮放和頻率縮放的增長，并且我們開始在晶體管密度增加方面達到了多核縮放的終點。但比這些趨勢的終結更重要的是，成本縮放已經結束。雖然我們通過新技術不斷提高晶體管密度，但每一層都會增加額外的成本。
ASML 在其投資者日大膽聲明，摩爾定律將繼續進行系統級擴展。這種說法的另一個名稱是高級封裝。但是，這些成本與制造更小晶體管的成本已經不斷上升是相加的。
ASML 投資者日 - 技術評論 - 幻燈片 13
雖然我相信先進封裝將解決晶體管密度問題，但我不相信它會使芯片更便宜。事實上，自 2010 年代初以來，每美元的晶體管變得更加昂貴。
我不僅要關注技術逆風，還要關注成本逆風。
摩爾定律的主要歷史假設之一是，不僅你的晶體管每兩年翻一番，而且晶體管的成本會下降。不再。下圖來自 Marvell 的 2020 年投資者日。28nm 的標準大約是 2011-2012 年。
Marvell 2020 年投資者日 - 幻燈片 43
有趣的是，在 28nm 附近發生了質的變化，因為它是最后的平面節點之一。Planar 通俗地說就是二維表面（平面），而 FinFET——取代平面的技術——在晶體管中引入了一個“鰭”向上突出，創造了一個 3D 結構而不是 2D 結構。我們現在正處于向另一個柵極（GAA）過渡的邊緣，這是一種更加 3D 密集型的結構。我們轉向 GAA 或柵極技術的下一次迭代，我相信每 100m 柵極的成本增加將繼續增加，就像它們在平面上的 FinFET 一樣。這是由制造這些芯片的復雜性增加所驅動的——即制造步驟的增加。
推高成本的不僅僅是這種轉變。落后的芯片——舊芯片——也開始變得更加昂貴。這里的故事不是技術上的，而是經濟上的，曾經有充足的產能和類似商品的回報的東西開始變得搶手。除非隨后的價格上漲，否則企業不愿意增加產能。這是另一個關鍵驅動因素，不僅在最先進的芯片上，而且在較舊的芯片上也是如此。
最后，不僅是舊芯片和新芯片，制造芯片的公司（半導體工廠）也變得更加整合和更具戰略性。在制造最先進芯片的前沿確實沒有太多空間。這是半導體成本的第三個驅動因素，即提供獨一無二的產品的晶圓廠將其不斷上漲的成本轉嫁給客戶。臺積電不是價格接受者，全世界都依賴它的產品。盡管成本增加，但他們開始獲取更大的利潤。無晶圓廠公司別無選擇，只能支付更多。
這些主題中的每一個都值得深入探討。我將首先從我最喜歡的主題開始：Semicap – 或制造芯片所需的工具。
行業共識：半導體成本強度將上升
本財報季的普遍主題之一是制造半導體的工具成本較高。真正的警告是東京電子在其投資者日展示的這張幻燈片。
Tokyo Electron 2021 年 10 月投資者日 - Slide 101
價格的大幅上漲是廣泛的，這涉及 DRAM、NAND 和邏輯生產。鑒于今天 5nm 已投入生產，這不是預測，而是一種將繼續的趨勢。主要驅動因素不僅是 EUV 等工具的成本上升，而且制造芯片的步驟數量也在增加。下圖顯示了芯片生產step隨時間增加的情況。
CCMP 2020 年 12 月投資者介紹
不僅僅是東京電子公司單獨呼吁更高的強度。在最近的財報季，臺積電、Lam Research、KLAC 和其他 Semicap 公司都呼吁強度不斷上升。我認為在其他條件相同的情況下，10 萬片晶圓的成本應該開始上升，處于領先地位的每個芯片的中低個位數。另一種看待這個問題的方法是從自上而下的角度。我比較了百萬平方英寸 （MSI） 的總出貨量，并將其與晶圓廠設備的增長進行了比較。將此視為總產量與制造更多晶圓的支出。
過去的情況是新晶圓廠設備上的支出跟不上 MSI 的擴張速度，因為購買的每個工具都會提供更多的產能。我想強調的是，如果你瞇著眼睛，你會發現 WFE 和 MSI 的關系似乎在 2012 年左右發生了翻轉。這與 28nm 節點或成本開始增加的關鍵節點不謀而合。展望未來，我認為我們應該期望 WFE 的增長速度快于歷史平均水平。
2012年至2020年，MSI以3.6%的復合年增長率增長，WFE以8.0%的復合年增長率增長。這大約是產能增加的兩倍。如果對半導體器件的需求繼續增加，那么 MSI 應該增長得更快，因此 WFE 的乘數應該更高。我不確定 WFE 的關系是否保持 MSI 增長的 2 倍，但它應該是一個更高的乘數——比如 1.5x-2x MSI。與其歷史速度相比，這是加速，而推動半導體需求的則是我們面臨的技術逆風。
我現在想轉向另一個在上個財報季反復提及的趨勢，坦率地說，這讓我感到驚訝，但又出人意料地合乎邏輯：舊芯片更貴。
舊芯片成本更高
不僅僅是最新、最快、最昂貴的芯片因為技術問題而成本更高。最近最有趣的趨勢是，舊芯片開始推動價格上漲。汽車半導體最近的變化正在推動需求，不是對最新和最偉大的技術，而是對更老和更成熟的技術。問題在于，舊技術從來沒有增加過有意義的產能，而且大多數時候，隨著前沿技術的推進，晶圓廠只會成為“二手設備”，而晶圓廠設備將繼續使用和折舊。使用完全折舊的晶圓廠設備顯著降低了制造半導體的成本，尤其是在 10 多年之后。
這是定價的一個重要方面。晶圓廠在沒有太多增量資金的情況下維持，但仍在生產芯片，這是隨著時間的推移大幅降低舊芯片價格的原因。通常甚至會提高產量，從而進一步降低成本。一種想法是，2000 年成本數百美元的領先芯片到 2021 年將花費幾美分，因為晶圓廠將完全折舊。
但是這有一個問題。我們遇到了以前從未發生過的情況。從歷史上看，需求集中在前沿。今天，我們也要求處于落后的邊緣。事實上，對舊芯片的需求開始急劇上升。這是由汽車和物聯網生產驅動的，因為這些應用程序中的大多數是更老、更成熟的技術，它們具有更好的產量、成本和重要的可靠性。即使需求激增，也沒有增加容量。添加到落后生產中的情況非常罕見。
直到最近，落后的技術仍有充足的產能需求。在落后的產能增加產能更是聞所未聞的。如果晶圓廠以 80% 的速度運行，則它被視為“已滿”。現在，落后技術的晶圓廠運行率接近 100%。有些事情必須改變。
SIA 公眾意見 114
這是汽車半導體短缺的驅動因素之一：更高的需求和沒有供應或沒有增加供應的動機。大多數半導體公司和晶圓廠都癡迷于領先優勢，因為它們可以獲得更高的利潤。現在，公司正在覺醒以保持落后的優勢。“舊”芯片正變得與新芯片一樣重要，為了增加產能，公司不得不再次開始大量增資。
在這種情況下存在明顯的定價問題。對于新的晶圓廠，公司無法以之前完全折舊的晶圓廠規定的價格銷售落后芯片來獲利。價格必須上漲。Silicon Lab 的首席執行官上個季度討論了這種動態：
“
就成本增加和耐用性而言，我認為我們正在進入半導體行業的一個新階段，我們已經有了摩爾定律和先進的節點變得越來越昂貴，你已經有了現在主流技術全面。過去，數字技術人員會搬出，而 N 減 1、N 減 2、N 減 3 節點將是完全折舊的晶圓廠，您將搬入。我們現在已經到了這樣一個階段，即先進與主流之間的混合、比例正在導致臺積電和其他晶圓廠建立新的主流技術，這意味著這些晶圓廠并沒有完全折舊。因此，行業目前看到的成本增加的很大一部分是因為必須投入額外的資本支出來跨節點擴建新產能，不僅僅是在高級節點，而且是跨。
所以，如果你看看我們在其他方面看到的成本增加——它在整個行業中，有一個特定的元素，隨著時間的推移是持久的。因此，就行業的成本結構而言，這是一個階梯函數，以匹配我們所看到的需求以及整個經濟中電子產品不斷增加的內容以及我們在大流行中看到的需求加速。這推動我們進入供應限制。我們會解決這個問題，但是解決這個問題需要大量的資本支出，而這必須得到補償。這必須從我們的供應商上游流向我們，流向我們的客戶，這就是您現在所看到的。
”
其實上，不僅一家公司說了這件事。這種說法獲得了On Semi，恩智浦半導體、Microchip 和其他“主流”或落后半導體公司肯定，這種情況將繼續下去，因為落后工藝的需求高于供應。這對行業來說是全新的領域，不僅是對半導體戰略重要性的肯定，也是對廣泛需求的肯定。實際上只有一種解決方案——增加產能——但晶圓廠不確定他們能否在不提高價格的情況下增加未開發的落后優勢來獲利。反過來，他們擔心對這些“新”落后芯片的需求。
這是一個僵局。晶圓廠和半導體公司不確定這種情況會持續多久，但汽車原始設備制造商等似乎有永不滿足的需求。對于晶圓廠來說，很難在一年之內改變自己的行為來對抗持續了幾十年的趨勢。更難的是經歷這些艱難的變化并期望客戶接受更高的價格。聯電在其 2021 年第二季度的電話會議中說得很好：
“
但是對于任何新建產能擴展，對于成熟節點，您都在與完全折舊的產能競爭——最有可能的是，您將與完全折舊的產能競爭。除非需求對客戶非常重要，但經濟性 - 如果經濟性保持不變，則很難獲得合理的投資回報率。但是，如果客戶愿意與我們一起面對這些挑戰，我們一定會去探索這些機會。
”
換句話說，支付或繼續短缺。考慮到交貨時間并沒有真正改善，我認為結果是略微支付。這里必須有某種妥協，現在它以不可取消、不可退貨的訂單 （NCNR） 的形式出現。除非他們的客戶真正承諾無法取消或退回的訂單，否則晶圓廠不會擴大產能。因為他們不確定發生了多少雙重訂購，但 NCNR 是增加長期需求的非常堅定的承諾。？
雖然隨著時間的推移，產能的增加最終會平息價格上漲，但這將需要數年時間，尤其是在汽車和物聯網設備的需求持續增長的情況下。我不認為價格會永遠處于滯后狀態，但我認為我們應該預期歷史價格下跌的關系不會像過去那樣大。最后，留給我的是 800 磅重的大猩猩——臺積電。
臺積電不降價
領先產品的工具價格正在上漲，這應該會損害臺積電和其他領先晶圓廠的利潤率。雖然我們可以讓英特爾的毛利率收縮，但這更多是為了趕上臺積電的公司特定投資。但在臺積電，情況恰恰相反。臺積電堅信它可以通過更小的節點來提高利潤率。該公司在電話會議上多次重申這一點，鑒于臺積電的獨一無二的產品，更高的毛利率是非常合理的。現實情況是，臺積電不是價格接受者，而是價格制定者。主要原因：它對所有領先的制造業都有控制權。
2021 年 SIA 行業狀況報告 - 第 19 頁
2019，年全球100%的10納米以下邏輯產品是在臺積電制造的。三星很有可能已經趕上了，但就領先優勢而言，只有臺積電處于領先地位。鑒于臺積電的制造能力集中，客戶確實別無選擇。如果一家無晶圓廠公司想以更高的利潤出售其最新最好的芯片，他們必須去臺積電。與此同時，臺積電的毛利率多年來一直在緩慢上升。
盡管資本支出大幅增加并流向作為折舊出售的商品成本，但它們的毛利率仍然很高，公司相信它將保持這種狀態。
臺積電在最近的電話會議上是這樣說的，鑒于其絕對驚人的直接資本支出，我認為這是合理的：
“
即使我們為行業承擔了更大的投資負擔，通過采取這樣的行動，我們相信我們可以獲得適當的回報，使我們能夠投資以支持客戶的增長并實現 50% 或更高的長期盈利增長我們股東的毛利率。
”
目前，為了承擔更高的資本支出負擔，該公司正在有意義地傳遞價格。它最近將芯片價格提高了 20%，如果制造先進半導體的持續成本繼續增加下去，它可以而且將會提高價格。在情況真正改變之前，市場上沒有其他任何有意義的競爭。如果三星和英特爾在代工領域聯合起來，也許他們會愿意接受更低的毛利率，但在那之前，這是我們生活的臺積電世界。它會在更高的資本成本的支持下提高價格。
半導體的價格正在上漲，而且不是暫時的
這些因素中的每一個本身都會成為價格上漲的順風。總之，價格肯定會從這里上漲。在導致更高工具成本的更多步驟、摩爾定律的經濟效益下降以及落后產能問題之間，我相信我們在半導體中看到的歷史成本下降將開始放緩。在某些地方，我相信價格上漲將持續下去。在你對通貨膨脹投機感到瘋狂之前，我想重申一下，半導體只是一個價值約 5300 億美元的產業，占全球 GDP 的 0.5%。這不會導致到處都是猖獗的通貨膨脹。
等式的需求方面似乎沒有絲毫放緩。更高的需求來自數量最多的垂直行業，個人電腦、移動設備、數據中心、汽車和物聯網都是一個可靠且不斷增長的終端市場。某些應用未來的計算密集度更高，例如機器學習。隨著軟件吞噬了我們生活中的一切，芯片使這成為可能。所有這一切都發生在摩爾定律戛然而止的時候。
簡單來說：需求增加+供應改善減少=價格上漲。