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)體代工巨頭臺積電(TSMC)宣布，將追加1,000億美元投資美國市場，用于在亞利桑那州鳳凰城新建三座先進制程晶圓廠、兩座先進封裝廠及一座研發(fā)中心，形成從制造到封測的完整鏈條，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。

　　進入到AI時代，疊加汽車電動化以及數(shù)字化等產(chǎn)業(yè)趨勢下，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)增長的邏輯仍在強化，2030年半導(dǎo)體市場規(guī)模有望突破1萬億美元。與之相對應(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)測季度報告，預(yù)計半導(dǎo)體行業(yè)將在2025年啟動18個新晶圓廠建設(shè)項目。新項目包括：3座200毫米和15座300毫米晶圓設(shè)施，其中大部分預(yù)計將于2026年至2027年開始運營。2025年，美洲和日本是領(lǐng)先地區(qū)，各計劃建設(shè)4個項目。中國大陸、歐洲及中東地區(qū)并列第三，各計劃建設(shè)3個項目。中國臺灣計劃建設(shè)2個項目，而韓國和東南亞各計劃建設(shè)1個項目。

　　眾所周知，半導(dǎo)體公司由于資本開支巨大，形成了較強的技術(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)點的突破，資本支出則進一步高企。

　　那么建設(shè)一座未來的晶圓廠，錢究竟都花在哪了?本文就以一座先進工藝7nm的晶圓廠為例，從設(shè)計到開工建設(shè)到運營量產(chǎn)，來一一拆解分析。

　　建設(shè)成本

　　晶圓廠的核心是潔凈室層(Clean room level)。實際進行制造過程的工廠車間潔凈室下方是次級晶圓廠(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間隙空間(Interstitial and fan deck)，配有風(fēng)扇和過濾器，用于將空氣再循環(huán)到下面的潔凈室(Utility level)，其中設(shè)計成本5%，土建成本35%，機電系統(tǒng)成本30%，潔凈室成本35%。一般7nm先進工藝以下的晶圓廠總成本超過200億美元，其中建筑結(jié)構(gòu)本身需要花費40億至60億美元，占總成本的10~20%,從成本角度來看，未來新晶圓廠的破土動工在前期和持續(xù)支出方面都將比幾年前更加昂貴。根據(jù)統(tǒng)計，中國臺灣建設(shè)晶圓廠大約需要19個月，新加坡和馬來西亞需要23個月，歐洲約34個月，而美國最長，可達38個月。

　　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，光刻機在設(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%，這三者合計占比約 53%-63%，為前道制程中主要的設(shè)備投資。每個新的工藝節(jié)點都會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份額占比最高，在如今高度自動化的晶圓制造工廠中，勞動力成本在總成本中占比不到2%。

　　運營成本

　　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期運營中占據(jù)5%到10%的比例。投產(chǎn)后的持續(xù)優(yōu)化階段雖然運營成本(OpEx)較低，但折舊仍然是持續(xù)的負擔(dān)，尤其是設(shè)備的折舊，每年都需要進行規(guī)劃和預(yù)算，一般廠房折舊10~20年，費用0.25億~0.5億美元/年，設(shè)備折舊在5~10年，折舊費用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年開始盈利，在運行良好的情況下(如良率的穩(wěn)定產(chǎn)能利用率85%以上)，第5年進入盈利的高峰期。

　　AI升級成本

　　隨著工藝節(jié)點持續(xù)微縮，傳統(tǒng)的制造過程問題檢測技術(shù)已經(jīng)過時。在晶圓制造中，人工缺陷分類的培訓(xùn)至少需要6到9個月的時間，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%的準確率。而在引入大規(guī)模機器學(xué)習(xí)和高級分析后，工程師在幾分鐘內(nèi)就能找到潛在的根本原因，而此前則要花費幾個小時甚至幾天。在智能制造、工業(yè)4.0等新興概念的驅(qū)動下，制造業(yè)能夠從人工智能和機器學(xué)習(xí)中獲得最多的收益，麥肯錫預(yù)計這將使制造成本降低17%。

　　不過相應(yīng)的，晶圓廠建設(shè)升級的成本從65nm時代的4億美元增加到5nm時代的54億美元。

　　總結(jié)

　　先進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)。在運營階段，折舊費用會逐年增加，設(shè)備折舊費用是最大的支出項，尤其在前期，廠房和基礎(chǔ)設(shè)施折舊的負擔(dān)較輕。盈虧平衡點預(yù)計在第2至第3年內(nèi)，隨著產(chǎn)量提升和市場訂單的增加，預(yù)計開始進入盈虧平衡點，在第4至第5年進入穩(wěn)定盈利期。而研發(fā)的投資貫穿整個晶圓廠的生命周期，從早期的工藝研發(fā)到后期的技術(shù)更新和工藝迭代，每個階段的研發(fā)投資金額是根據(jù)實際需要逐步增加的。在人工智能的普及下，晶圓廠需要對廠房和生產(chǎn)系統(tǒng)進行持續(xù)升級，這個過程的投資金額也是持續(xù)增加的。

　　隨著工藝制程節(jié)點的持續(xù)推進，晶圓廠的各項資本支出會越來越高，折合到單片晶圓的成本同樣升高。例如臺積電每片2nm晶圓的報價高達3萬美元，折合人民幣約22萬元。這還不算完，預(yù)計到2028年量產(chǎn)的1.4nm晶圓，其成本將再上漲50%，達到驚人的4.5萬美元，折合人民幣約32.3萬元。