被制裁的美國(guó)存儲(chǔ)芯片廠(chǎng)商美光科技（Micron），早前公布了2023財(cái)年第二季報(bào)告，當(dāng)季在計(jì)提超14億美元的庫(kù)存損失后，總虧損金額23.1億美元，這是美光過(guò)去二十年來(lái)最嚴(yán)重的季度虧損。無(wú)獨(dú)有偶，SK海力士2023年Q1的凈虧損約合32億美元，三星電子存儲(chǔ)芯片部門(mén)在2023年Q1也虧損了約30億美元，而且半導(dǎo)體部門(mén)一直以來(lái)都是三星電子的主要利潤(rùn)來(lái)源，高峰期貢獻(xiàn)了公司80%的利潤(rùn)，那半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)還能掙錢(qián)嗎？

三大存儲(chǔ)廠(chǎng)商2023年Q1虧損，主要原因還在于DRAM和NandFlash價(jià)格持續(xù)走低，從上圖的價(jià)格指數(shù)走勢(shì)看，存儲(chǔ)芯片平均價(jià)格在一年多來(lái)已經(jīng)跌去了約57.8%，再疊加當(dāng)前市場(chǎng)需求慘淡，庫(kù)存高企的短周期影響，出現(xiàn)嚴(yán)重虧損在意料之中，屬于特例。

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)到底掙不掙錢(qián)？我們統(tǒng)計(jì)了15家全球主要半導(dǎo)體設(shè)計(jì)公司在2022年的營(yíng)收數(shù)據(jù)，總銷(xiāo)售額3,521.3億美元，平均凈利率為20.8%。8家主要晶圓代工廠(chǎng)，營(yíng)收總額1304.6億美元，平均凈利潤(rùn)率高達(dá)33.8%，這些數(shù)據(jù)都遠(yuǎn)高于世界500強(qiáng)企業(yè)6.57%的平均利潤(rùn)率。

點(diǎn)石成金的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)

半導(dǎo)體是一個(gè)技術(shù)密集、資本密集、人才密集型產(chǎn)業(yè)，經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，它已成長(zhǎng)為一個(gè)年銷(xiāo)售額超過(guò)5,735億美元的重要支柱型產(chǎn)業(yè)。根據(jù)半導(dǎo)體芯片的制造流程，我們可以將產(chǎn)業(yè)鏈分為主產(chǎn)業(yè)鏈和支撐產(chǎn)業(yè)鏈。主產(chǎn)業(yè)鏈包括芯片設(shè)計(jì)、芯片制造和封測(cè)核心流程，支撐產(chǎn)業(yè)鏈包括EDA、IP、材料和設(shè)備。

當(dāng)我們認(rèn)真分析一下，會(huì)發(fā)現(xiàn)無(wú)論是主產(chǎn)業(yè)鏈還是支撐產(chǎn)業(yè)鏈，每個(gè)流程和環(huán)節(jié)都充斥著滿(mǎn)滿(mǎn)的黑科技。以目前最新的3nm芯片生產(chǎn)工藝為例，3nm尺度僅相當(dāng)于十幾個(gè)硅原子排列的長(zhǎng)度，因此基于這種控制精度來(lái)批量生產(chǎn)芯片，是一件非常具有挑戰(zhàn)性的工作，需要用到大量的精密設(shè)備和高純度材料。

國(guó)際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)（SEMI）的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2022年全球半導(dǎo)體材料的市場(chǎng)規(guī)模692億美元，其中用于晶圓制造的材料451億美元，用于封測(cè)的材料約241億美元。也就是說(shuō)基于這692億美元的原材料，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造出了5,735億美元的市場(chǎng)規(guī)模，實(shí)現(xiàn)了超過(guò)8倍的增值，下面我們一起來(lái)捋一捋這個(gè)重科技行業(yè)里“點(diǎn)石成金”的秘密。

芯片設(shè)計(jì)價(jià)值鏈

任何芯片在生產(chǎn)前都需要經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，是設(shè)計(jì)賦予了芯片的應(yīng)用價(jià)值，因此它在產(chǎn)業(yè)鏈中的價(jià)值輸出占比最高。芯片設(shè)計(jì)是一項(xiàng)龐大而復(fù)雜的工作，包括數(shù)字電路、模擬電路、物理后端、封裝、測(cè)試等方面的設(shè)計(jì)等，它高度依賴(lài)于EDA（電子自動(dòng)化設(shè)計(jì)）軟件和IP（驗(yàn)證可重復(fù)使用的功能組塊）來(lái)完成。

IC Insights統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)顯示，2022年全球半導(dǎo)體企業(yè)的研發(fā)支出增至805億美元。ESD Alliance和Ipnest的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2022年全球EDA軟件市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到133.83億美元，半導(dǎo)體IP市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到60億美元。目前，美國(guó)企業(yè)在芯片設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)仍占據(jù)主導(dǎo)地位，歐美芯片公司毛利率通常在50%~80%，國(guó)內(nèi)的芯片公司也可做到35%~60%。

在收集了包括intel、高通、SK海力士、博通等15家主要半導(dǎo)體設(shè)計(jì)廠(chǎng)商近期發(fā)布的數(shù)據(jù)，我們預(yù)估芯片設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)2022年度的平均毛利率在49.5%，平均凈利潤(rùn)率在20.8%。

晶圓制造價(jià)值鏈

根據(jù)SEMI統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，用于晶圓制造的材料主要包括硅片、光刻膠及配套試劑、光掩膜、電子特氣、濕電子化學(xué)品、濺射靶材、CMP研磨墊及研磨液等。其中，硅片的占比最大，份額約為35%，電子特氣、光掩膜、光刻膠試劑、及濕電子化學(xué)品的份額占比分別為13%、12%、8%和7%。

除了半導(dǎo)體材料外，晶圓制造的主要成本還來(lái)自各類(lèi)昂貴生產(chǎn)設(shè)備的折舊。根據(jù)IC Insights統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，2022年，廠(chǎng)商為擴(kuò)充產(chǎn)能的資本支出額增加到1817億美元。半導(dǎo)體設(shè)備的折舊年限通常是5-7年，以平均值6年來(lái)計(jì)算，可以估算出2022年度設(shè)備折舊費(fèi)用預(yù)計(jì)在1064億美元左右。

因此晶圓代工制造環(huán)節(jié)，是一個(gè)高技術(shù)、高投入、高能耗的“三高”產(chǎn)業(yè)，根據(jù)臺(tái)積電、聯(lián)電、格芯、中芯國(guó)際等主要廠(chǎng)商公布的2022年?duì)I收和毛利率數(shù)據(jù)看，晶圓代工環(huán)節(jié)在2022年度的平均毛利率大約在53.1%，平均凈利率達(dá)到33.8%左右，不負(fù)眾望取得了“高回報(bào)”。

未來(lái)之星-先進(jìn)封裝

封測(cè)是集成電路制造的最后一道工序，通常分為封裝與測(cè)試兩個(gè)環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的封測(cè)行業(yè)屬于資本密集和勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，技術(shù)含量并不太大。根據(jù)日月光、安靠、長(zhǎng)電等廠(chǎng)商公布的2022年?duì)I收和毛利率數(shù)據(jù)看，封測(cè)環(huán)節(jié)的平均毛利率大約在17.6%，平均凈利率約為9.3%左右。

隨著3D、SiP、MEMS、FC、TSV、Bumping、Fan-Out、WLP等先進(jìn)封裝技術(shù)的出現(xiàn)，封測(cè)環(huán)節(jié)的技術(shù)附加值越來(lái)越高，先進(jìn)封裝的均價(jià)通常是傳統(tǒng)封裝均價(jià)10倍以上，而且占比正在不斷提升。

后摩爾時(shí)代，芯片性能提升遇到瓶頸，Chiplet應(yīng)運(yùn)而生，它采用同構(gòu)擴(kuò)展提升處理單元數(shù)量，或異構(gòu)集成不同功能芯片兩大方案，助力芯片算力提升，可以應(yīng)對(duì)各種AI應(yīng)用對(duì)大算力的需求。采用Chiplet系統(tǒng)級(jí)架構(gòu)設(shè)計(jì)的芯片，可以讓10nm工藝的芯片達(dá)到7nm芯片的等效集成度，而且綜合的研發(fā)費(fèi)用還更低，先進(jìn)封裝技術(shù)是Chiplet實(shí)施的基礎(chǔ)和前提。

據(jù)Frost & Sullivan數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)，中國(guó)大陸先進(jìn)封裝市場(chǎng)增長(zhǎng)迅速，2021-2025的年復(fù)合增長(zhǎng)率約為29.9%，預(yù)計(jì)2025年中國(guó)先進(jìn)封裝市場(chǎng)規(guī)模為1137億元，占中國(guó)大陸整體封裝市場(chǎng)的比例約為32.0%。

制造良率決定盈利水平

半導(dǎo)體制造企業(yè)能否賺錢(qián)，有一個(gè)很重要的因素就是“良率”指標(biāo)，半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)的良率細(xì)分為Wafer良率、Die良率和封測(cè)良率，總良率就是這三種良率的乘積。一般情況下要求總良率在85%以上才具備量產(chǎn)條件，行業(yè)普遍的要求都在90%以上。

更高的良率，意味著投入相同的資源可以產(chǎn)出更多的合格芯片，單顆芯片的成本自然就越低。因此對(duì)于3D NAND存儲(chǔ)晶圓廠(chǎng)而言，1%的良率提升可能意味著每年增加1.1億美元的凈利潤(rùn)。而對(duì)于高端邏輯晶圓廠(chǎng)而言，1%的良率提升意味著1.5億美元的凈利潤(rùn)增長(zhǎng)。

在晶圓的制造過(guò)程中，影響良率的因素很多，主要包括技術(shù)成熟度、Wafer尺寸、Die尺寸和環(huán)境因素。新工藝剛推出時(shí)良率通常會(huì)比較低，隨著技術(shù)改良成熟度會(huì)不斷提升。對(duì)于成熟制程而言，更大的Wafer和更小的Die尺寸有助于提升晶圓的良率和利用率。另外就是制造過(guò)程中材料純度、塵埃、溫濕度、光照度等環(huán)境因素對(duì)良率會(huì)產(chǎn)生較大的影響，因此芯片制造和封測(cè)對(duì)環(huán)境和材料的要求很高，通常都需要在超凈的恒溫、恒濕環(huán)境里進(jìn)行。

成本驚人的先進(jìn)制程

臺(tái)灣電子時(shí)報(bào)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)顯示，2004年臺(tái)積電發(fā)布90nm工藝時(shí)，晶圓代工的報(bào)價(jià)還不到2000美元。隨著制程不斷進(jìn)步，2022年最新推出的3nm制程晶圓代工價(jià)格將超過(guò)2萬(wàn)美元，有機(jī)構(gòu)認(rèn)為會(huì)超過(guò)3萬(wàn)美元?？紤]到12吋硅片的材料成本約110美元，3nm晶圓制造過(guò)程中的價(jià)值增長(zhǎng)超過(guò)180倍，臺(tái)積電的毛利率約為60%，因此“科技與狠活”帶來(lái)的成本上漲驚人。

調(diào)研機(jī)構(gòu)IBS的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，從成本的角度出發(fā)，晶圓廠(chǎng)在3nm制程的工藝研發(fā)投入需要40-50億美元，建造一座月產(chǎn)4萬(wàn)片3納米制程的晶圓生產(chǎn)線(xiàn)，成本需要150-200億美元。如果按照5年平均分?jǐn)?，制造每?nm晶圓就需要分?jǐn)偧s1萬(wàn)美元的成本。

昂貴的不僅僅是代工費(fèi)用，芯片設(shè)計(jì)公司在研發(fā)先進(jìn)制程芯片的費(fèi)用也同樣價(jià)格不菲。芯片的研發(fā)費(fèi)用主要包括芯片設(shè)計(jì)、IP、EDA、設(shè)備等費(fèi)用。Semi Engineering的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，28納米制程的芯片開(kāi)發(fā)費(fèi)用大約為5130萬(wàn)美元，而最新的3nm工藝芯片，研發(fā)費(fèi)用預(yù)計(jì)需要接近10億美元。

因此臺(tái)積電2023年投產(chǎn)最新的第二代3nm制程N(yùn)3E，目前也只有蘋(píng)果最新的A17和M3處理器采用，高通和MTK的最新處理器預(yù)計(jì)還將使用較為便宜的4nm工藝。

高純度材料=高附加值

在晶圓制造環(huán)節(jié)需要用到大量的高純度材料，例如用于芯片生產(chǎn)的超高純度硅片，純度要求達(dá)到99.999999999%以上，業(yè)內(nèi)稱(chēng)之為11個(gè)9，工藝制程等級(jí)越高對(duì)硅片的要求就越高。同樣，用于芯片制造過(guò)程中清洗和蝕刻的UP-SSS級(jí)（G5級(jí)）氫氟酸，其對(duì)金屬雜質(zhì)要求為≤0.01ppb（ppb，十億分之一，比ppm提升了一千倍），這些高純度材料都具備制備難度大且價(jià)格昂貴的特點(diǎn)。

隨著芯片工藝制程提升，對(duì)晶圓表面污染物的控制要求也越來(lái)越高。為了提升芯片制造良率，清洗成了重要工藝環(huán)節(jié)，工序數(shù)量約占所有芯片制造工序步驟的30%以上。在60～80nm制程里有約100個(gè)清洗步驟，20nm以下制程里的清洗步驟增加到200個(gè)以上。清洗工藝用到大量的超純水，超純水需要將水中的導(dǎo)電介質(zhì)、雜質(zhì)、氣體和有機(jī)物幾乎完全去除，電阻率要大于18.2MΩ*cm，避免在清洗時(shí)損害到復(fù)雜精密的晶圓表面。據(jù)悉，生產(chǎn)一個(gè)2g重的芯片大概需要32公斤的水資源，臺(tái)積電3nm工廠(chǎng)一天的用水量高達(dá)13萬(wàn)噸。

一塵不染的環(huán)境要求

環(huán)境因素對(duì)晶圓良率、Die良率和封測(cè)良率都會(huì)產(chǎn)生影響，因此它的重要性不言而喻。大家常見(jiàn)的用于半導(dǎo)體生產(chǎn)的“黃光”車(chē)間，空氣凈化通常要求達(dá)到百級(jí)（等同于ISO Class 5），也就是每立方英尺的空間中，≥0.5μm之灰塵粒子不能超過(guò)100顆（3,520顆/立方米）。而在半導(dǎo)體生產(chǎn)的關(guān)鍵局部區(qū)域，需要達(dá)到ISO Class 2級(jí)和ISO Class1級(jí)水準(zhǔn)。

作為簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)對(duì)比，我們?nèi)粘Ｉ钪?，質(zhì)量較好的空氣中的粉塵粒子顆粒物數(shù)量一般每立方英尺有28.5萬(wàn)個(gè)左右，而在普通污染程度的城市空氣中甚至多達(dá)2850萬(wàn)個(gè)。

科技之光-光刻機(jī)

光刻機(jī)被譽(yù)為是半導(dǎo)體工業(yè)皇冠上的明珠，是半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)的核心設(shè)備。自20世紀(jì)50年代以來(lái)，光刻技術(shù)經(jīng)歷了g-Line（波長(zhǎng)436nm）、i-Line（波長(zhǎng)365nm）、KrF（波長(zhǎng)248nm）、ArFi（波長(zhǎng)193nm，采用浸沒(méi)式工藝等效134nm）和EUV（波長(zhǎng)13.5nm）五個(gè)發(fā)展階段。

以目前最先進(jìn)的EUV光刻機(jī)為例，它是由超過(guò)10萬(wàn)個(gè)精密零部件組成，設(shè)備重達(dá)180噸，根據(jù)型號(hào)不同單價(jià)在1.2-1.5億美元，價(jià)值遠(yuǎn)超同等重量的白銀。新一代的EXE：5000光刻機(jī)，將NA孔徑從之前的0.33提升到0.55，是制造3nm以下制程的關(guān)鍵設(shè)備，這種光刻機(jī)價(jià)格約為3.2億美元。

EUV光刻機(jī)之所以如此昂貴，是因?yàn)樗褂玫募夹g(shù)都是最先進(jìn)的，而且這些技術(shù)幾乎都是逼近物理學(xué)、材料學(xué)以及精密制造的極限。包括德國(guó)的光學(xué)鏡頭、英國(guó)的真空設(shè)備、美國(guó)的EUV光源、日本的光刻膠等都全球最尖端的技術(shù)，匯聚組成了EUV光刻機(jī)的豪華版供應(yīng)鏈。

小結(jié)

在半導(dǎo)體芯片的主產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈上，芯片設(shè)計(jì)貢獻(xiàn)了49.5%的毛利率，晶圓制造環(huán)節(jié)貢獻(xiàn)了53.1%的毛利率，封測(cè)環(huán)節(jié)貢獻(xiàn)了17.6%的毛利率，主產(chǎn)業(yè)鏈合計(jì)實(shí)現(xiàn)了2.7倍的價(jià)值提升。

但是從原材料到半導(dǎo)體整體市場(chǎng)規(guī)模之間有8倍的增值，這個(gè)差值落在支撐產(chǎn)業(yè)鏈上，不論是高純度材料制備、各式設(shè)備制造還是EDA和IP服務(wù)，都通過(guò)各自領(lǐng)域的科技與狠活，為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的成長(zhǎng)貢獻(xiàn)了力量。

半導(dǎo)體芯片是現(xiàn)代信息社會(huì)的基石，是引領(lǐng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的關(guān)鍵。因此半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是當(dāng)前的科技制高點(diǎn)，是全球各主要經(jīng)濟(jì)體的競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)，不論是當(dāng)前還是未來(lái)，發(fā)展前景都值得期待。