台積電晶圓代工的成本,價碼,研發成本

晶圓代工的成本

本文要討論的是半導體業,以及大部份台股投資人都很關心的晶圓代工成本,包括客戶端,以及晶圓代工廠商的各項主要的成本。

客戶開始出現遲疑

進入3奈米製程後,很明顯地,客戶對3奈米製程的採用裹足不前,不再像以往一樣地搶破頭。

2023年1月時傳出,2022年底剛量產的台積電3奈米製程可能只有蘋果一家採用,原因當然是對客戶而言太過昂貴。3奈米製程使用高達25層極紫外光 (EUV) 微影曝光流程,現在每台EUV設備造價高達1.5億到2億美元之間,台積電為了攤平採購設備的採購成本,3奈米與後續製程不得不收取高昂費用。

另一個原因是2022年股市暴跌,全球經濟衰退,企業前景不明,半導體進入每4年一次衰退的周期,所有半導體企業的存貨都增加,獲利下降。企業為了渡過景氣寒冬,都始進行裁員,節省營運成本,大砍資本支出;這當然會影響到台積電3奈米製程的採用率。

晶圓客戶的成本

流片(試生產)的成本

流片的意思就是客戶把設計好的晶片,實際拿給晶圓代工廠商,按照晶圓代工廠商的實際完整的晶圓生產流程走過一遍,並實際生產幾片出來。這樣就可以在大量生產之前,驗證是否和當初設計的功能是否完成相符。

按不同的製程工藝技術,流片的費用估計如下:

  • 12奈米製程的流片費用約300萬美元到500萬美元的範圍。
  • 6奈米製程的流片費用是12奈米費用的二至三倍,大約在千萬美元量級。
  • 5納米製程的流片一次需要4000萬美元到5000萬美元。
  • 2納米製程時,流一次片大概需要1億美元。

晶圓代工的價碼

台積電執行長魏哲家上個月表示過:「台積電的接單規模多是以 2.5 萬片起跳。」

目前先進製程晶圓代工價格介於7,000~20,000美元,成熟製程晶圓代工平均價格則為3,200美元左右。視工藝製程不同,綜合Center for Security and Emerging Technologies,集微網,和Digitimes的估計,每片晶圓代工的平均價格如下:

工藝製程平均價格區間(美金)每片晶圓
3奈米20000+
4奈米18000-20000
5奈米16000
7奈米10000
16奈米和12奈米5000
28奈米3000

代工商方面

晶圓代工的成本

下面這張圖是The Information Network所提供,視工藝製程不同,每片晶圓製造的毛利比較圖。

晶元製造的毛利比較圖

晶圓代工研發成本

從先進工藝設計成本來看,根據第三方半導體研究機構Semi engineering計算,28奈米米製程的開發費用大約為5130萬美元,到16奈米製程需要投入1億美元,到5奈米製程節點,這個費用達到5.42億美元。如果按照接近兩倍漲幅測算,在2奈米製程上,開發費用可能會將近20億美元。這個費用包括了IP授權、軟體、確認、驗證、架構等環節。

晶圓代工研發成本

圖片來源:Semi engineering

晶片工廠的建廠成本

第三方分析機構IBS測算過晶圓廠在先進工藝的研發投入,3奈米製程的工藝研發投入達到40億美元-50億美元,建一座3奈米製程、每月生產4萬片的生產線,成本約為150億美元-200億美元。

因此美國今年所通過的晶片法案所編列的540億美,聽起來是很大的天文數字。但一間先進製程的晶片製造廠需要上百億美金。讀者就可以知道,這對美國已落後亞洲廿年的晶片製造,基本上根本起不了大作用,象徵性意義大於實質作用。

供應鏈相關廠商的投入

研發所需的時程

晶片製造工藝的技術從研發到實驗室,通常是一個非常漫長和耗費各項資源(包括人力,資本,設備,軟體,材料各個環節缺一不可)的過程,往往需要7年-10年的時間。以2奈米製程的技術路線為例;在半導體業界,2016年的時候就已經很明確了,而在2014年左右,已經有研究論文發表。

到今年,三大半導體製造商台積電,三星,英特爾才初步能估計試產的推出時程,可見需要多大的資源持續的投入。這就是摩爾定律的殘酷所在,一旦跟不上某一個晶片製造工藝的技術的節點,就很可能就永遠被甩在後面,往後再想追上所要花的力氣,會遠超出所有人能想像的。

供應商扮演的角色

晶片供應鏈最關鍵的有三類廠商;包括設備,軟體(主要是IP和EDA),材料。

先進製程越往下走,光罩張數及工藝複雜度都顯著升高,良率的提升就越難。這不僅考驗設計企業、考驗代工廠,也考驗設備廠商。基於良率,IP及對應完備工藝設計生態的考慮,在選擇工藝架構時,廠商都非常慎重,非必要不會更換。

全新的工藝架構,背後是龐大的工程。涉及到設備的更換,機台的更換又涉及到成本、良率以及與新工藝架構生態的建立。台積電在進行新工藝架構的製程開發,機台的更換的比率盡可能不會超過10%,這樣能夠保證生產的良率。另一個巨大的工程是,IP需要重新搭建,重新驗證,這對代工廠和設計公司而言重新搭建新的工藝生態無疑的存在諸多不確定性。

關鍵環節

光刻機

請參考我之前寫的另一篇部落格文章《真正掐住台積電脖子的企業艾司摩爾(ASML)

EDA

主要的EDA廠商新思科技(美股代碼:SNPS)的主流工具是以9個月為固定週期進行版本的更新。EDA工具的更新和迭代分為兩種,一種是演進式,這是最主要的發展方式,主要是根據工藝、應用等新的特點和需求對現有工具進行功能增強,這種迭代是持續進行中的。

另一種EDA工具的發展是革命性的,通過推出革命性的工具和方法學,引領業界發展方向的創新。

幾年前,新思科技就和代工廠一起研發2奈米工藝的EDA工具,在代工廠接下新客戶之前,他們會拿著新思科技的EDA工具不斷進行驗證,直到最後通過。很多研究都是並行的,不是說研發出了3奈米之後,才開始研發2奈米。

先進製程晶片的成本迅速暴增,7奈米晶片設計成本為3.49億美元,而5奈米晶片設計成本將增至4.76億美元,企業都在設計開發先進製程晶片,使得購買EDA工具以及支付授權費直線增加。

晶圓代工的成本
Credit: waferworld.com

結論

2奈米製程才剛開始,關於1.5奈米製程的討論已經在半導體的技術討論會上開始,2025年之後,將會出現一個新的架構,業界稱之為FortSheet,到了2030年,又有新的結構被討論出來,並可能成為現實。摩爾定律會放緩,但可能會一直延續。

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