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台积电在美国建厂,我们的先进工厂在哪?



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导读



最近一段时间朋友圈当中充斥着关于台积电在美国设立5nm晶圆工厂的新闻,今天笔者和大家聊聊这个事情。

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最近一段时间朋友圈当中充斥着关于台积电在美国设立5nm晶圆工厂的新闻,今天笔者和大家聊聊这个事情。



非主流的晶圆厂

台积电的主要工厂有四座,全部设在中国台湾地区,分别为新竹总部12厂,台中15厂,台南14,18厂。此外在中国大陆的南京浦口运营他们的南京16厂,另在中国台湾地区有4座8寸工厂,在中国大陆(上海10厂),美国(华盛顿州camas 11厂),各有一座历史悠久的8寸工厂,在台湾新竹总部至今还维持着一座 中古的6寸工厂。以上这些工厂每年为全球的几百家客户生产上万种芯片,总量等效于上千万片12寸晶圆,如果这些晶圆全部拿去用来生产华为麒麟990或者苹果A13这样面积的芯片的话,能让全世界每一个人分摊1颗。

以上列举的工厂当中参与主流12寸晶圆代工生产的是12,14,15,16,18五个厂,其中除了16厂是独立单体建设之外,其他四座巨型工厂的运营模式是建设一套巨型的水电气运维系统,同时供应多个的厂房(最多可多达7座),通过在一套系统里配置较大数量的原材料供应来降低维护成本,压缩生产支出费用。

台南还是亚利桑那

而美国工厂是否具备这个条件呢?我们不妨拿它与台南18厂以及南京16厂做个对比。

2018年初破土动工的台积电台南18厂,建筑面积超过了95万平米,中央超净室的总面积到了16万多平米。目前,台积电的5纳米工艺便是在这里进行生产,这座工厂目前的设计产能是每月9-12万片晶圆,而它的投资是大约170亿美元。

PPT上的台积电美国亚利桑那工厂(目前还没有正式的厂房序号),设计产能只有2万片晶圆,但是台积电却给出了120亿美元的投资计划,为期接近10年,从2021年初一直到2029年,计划2024年投产,届时5纳米已经不再是先进制程了。

与它产能相当的南京16厂,则只用了大约30亿美元,建立了一座2万片产能的工厂加上一座工程中心,而且截至2019年第三季度,该厂已经进入盈利期。不过台积电南京厂生产的是在今天看来并不先进的16纳米制程,因此在成本核算上只具有参考价值。


表1-1 台南,亚利桑那,南京 三厂对比


设备运用的讲究

台积电惯常采用的策略是把折旧完的设备放到新厂继续用,腾旧迎新。例如南京16厂的设备就有一部分来自于台湾,在台积电内部的会计报表上,这批设备的成本只有维护费和修理费,而不是和全新设备那样动辄需要上千万到数亿美元为计,但是前文所述台南18厂的设备规模相比亚利桑那厂的规划更为庞大,即使2023年进入折旧程序也并不能直接运到亚利桑那厂立刻投产,需要专门的工业工程团队对厂房,产能,水电气,人工等各个因素进行整合,这些人用“秒表和尺子”精确规划全厂所有员工的所有生产动作和运行计划。

也就是说,亚利桑那工厂这个鞋子相比于台积电的旧有5纳米生产线,面临大脚穿小鞋的问题,不得不削足适履。而由于产能规划和利用率的差异,更大的工厂在物料和水电气上拥有更灵活的议价权。建设较小规模的工厂对于半导体晶圆代工这种行业来说是存在一定利润风险的,再考虑到美国本土更高的人工成本,同样一片晶圆在亚利桑那出产的成本价大概是在台南18厂的107%-110%。而如果采用全新的设备,设备成本就有可能高达数十亿美元。



同样面临的问题甚至还包括技术团队的利用效率,技术维护部门从新竹到台南或者台中坐高铁只需要1个小时左右,但是从新竹飞到亚利桑那,即使是乘坐湾流公务机,单程也需要超过11小时的时间,可能很多单日任务就要强行分摊到2天或者3天才能完成。不过,考虑到英特尔在亚利桑那已经成功的运营了2座大型的12英寸晶圆厂,当地的人才资源,还是有所保证的,利用本地工程师也许是台积电的实操策略。

总的来说,台积电亚利桑那的这座工厂,在其发展史上将会是一座“非主流”的工厂。

到底是为了什么

比照2024年的时间节点和未来的投资规模,我更愿意认为这是一座3纳米工厂,就像2014年前后台积电搞定了16纳米,随后为了更接近于中国大陆的客户端在南京开了16厂一样,但还有诸多疑点需要考证。

而三星电子则最终还是选择了在其本国的平泽园区跟投一座3万片产量的5纳米制程工厂以应对台积电在美国的投资。

那么,为了美国的半导体设计巨头们做一个5纳米的代工厂,有什么意义吗?我认为还是可以的,首先,北美市场对先进制程产品的需求还是非常的旺盛,单单手机一个品类,一年就有超过2亿台的销量,足以吃满这座工厂的全部产能,当然我们也要看到,不是所有厂商都是台积电的客户,但苹果也好,高通也好,AMD也好,英伟达也好,仍然将会是制程大战的最有力推动者。面向客户也是晶圆代工行业的生存方式嘛。

目前为止。整个美国共有约70座半导体工厂,大多数建立于1980-2005年,进行主流12英寸晶圆生产的只有不到20座。英特尔,美光,德州仪器掌握了其中大多数,真正提供代工的工厂只有GF旗下的纽约工厂和三星在德州奥斯汀的S2代工厂,最高可以提供14纳米制程的代工业务,而美国本土目前最先进的制程也只是英特尔手中的的10纳米,台积电新厂对于美国的芯片制造产业来说也将是历史性的。

我们的先进工厂在哪里

这两天,一篇写于本世纪初的文章在网上火了起来,文章预言了到现在,人类主流的半导体制程工艺将会达到14纳米,而那位作者1995年的决定间接的改变了国内半导体行业,在财政紧张的背景下,他还是从国库里挤出了24亿人民币的拨款和1亿美元的外汇现金,加上上海市财政配套的16亿元资金,加上合资方NEC的投入,总投资12亿美元,于1997年建设了中国大陆第一座8英寸工厂,并在1999年初建成投产,而且只用了不到一年就实现了盈利。尽管这是一条不甚先进的次微米级生产线,制程范围0.5-0.35微米,且2000年开始NEC的DRAM业务线趋于停滞,但是这条生产线的设立,以及对整个半导体设计行业的投入,奠定了我们今天数字生活的基础。

1996年,手机sim卡在中国的报价是89元,而华虹的出现,直接将价格压低到个位数。之后,他们还解决了二代身份证,公交卡等一系列芯片的设计制造。加上2000年由张汝京先生创办的中芯国际和2003年由王文洋先生创办的宏力半导体(2012年并入华虹集团)。而这几家公司奠定了中国大陆地区近纳米级半导体制造的基础。


大陆地区主要先进制程工厂对比


2010年开始,两巨头开始了他们冲击先进制程的道路,华虹成立了华力微电子,建立了华虹五厂,中芯国际完成了第一次制程迭代。而从2014年起,新一轮的半导体热潮更加剧了整个国内舆论场对半导体自给自足的问题的担忧。

中国每年需要花费1000多亿美元的外汇购买集成电路元件,半导体自产率常年维持在15%上下,自给率更是只有不到7%,全国各地在狂飙突进上马了40多座12寸晶圆厂,但是其中大部分归属于国际巨头,譬如三星西安,英特尔大连,格芯成都(虽然他散伙了),海力士无锡,而且以高利润的存储类项目为主,尽管国内也有了武汉长江存储和合肥长鑫这样的挑战者,但总体格局仍然不太乐观。

两巨头则在这一时期同时启动了新一轮扩产计划,华虹斥资500多亿上马六厂和七厂,其中冲击先进制程的六厂初期投资387亿,而中芯国际更是启动了总投入102.4亿美元的中芯南方项目,都打算在2020年这个时间节点上解决14纳米量产问题,并在中期提供至少13万片每月的产能,相当于年产主流手机SOC 10亿颗。

尽管中芯国际目前14纳米的产能只有5-6千片每月,仅相当于目标计划的6%,华虹的14纳米制程还在研发中,预计2020年年底完成,而且两家公司都在不同场合表示,我们要进攻更精密的制程,但是我们发现,在2020这个时间节点上,我们距离攒一台纯国产的PC或者手机的时刻已经越来越近了。虽然我们的光刻机只能做28纳米的工艺,光刻胶只能做40-28纳米工艺的应用,还有大量的设备和原料依赖进口,工厂的产能还有多多少少的问题。

但这已经是我们与各个巨头之间距离最近的时代,特别是在格芯和台联电这样的第二梯队放弃了7纳米制程研发,台积电和三星的工艺进展越来越慢也越来越贵的背景下,以上海为中心的先进代工,会直接带动整个长三角地区半导体产业的进一步发展。没有哪个巨头的行业地位是从天上掉下来的。也许我们不是单项最强的那个,但是我们的目标终究是做综合最强的那个。

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参考文献:
[1]谢志峰,陈大明.芯事[M].上海科学技术出版社:上海,2018:161.
[2]IC Knowledge LLC.Cost Analysis of the Proposed TSMC US Fab[EB/OL].https://semiwiki.com/semiconductor-manufacturers/tsmc/285846-cost-analysis-of-the-proposed-tsmc-us-fab/,2020-05-19.
另外还参考了台积电,华虹集团,中芯国际的部分公开数据。
背景简介:本文2020年5月23日发表于微信公众号 新潮沉思录(台积电在美国建厂,我们的先进工厂在哪?),风云之声获授权转载。
责任编辑孙远



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