半导体制造成本探索

  

  半导体制造成本的上升速度很快，以至于主要挑战不在于制造更好的芯片，而在于拥有足够的资金来实现这一点。

  半导体行业的一个基本经济力量是制造成本的上升，这反映了新的工艺技术，使得可以以更低的每晶体管成本设计更复杂的芯片。然而，这些工艺现在发生在价格标签让大多数芯片公司都负担不起的晶圆厂中。

  制造成本上升的问题与光刻技术（photolithography）这一关键制造步骤有关，同时也影响着国家优势的转变，因为愿意直接或间接补贴新晶圆厂成本的国家，如20世纪80年代的日本和2000年代的中国，已经能够抢占市场份额。

  应对这一危机的一种可能方式是合并，这使得公司足够大，能够证明投资新晶圆厂是合理的。虽然在2000年代发生了一些重组（见危机7），但行业范围内的合并由于1980年代末出现的独立合同制造商（foundries）的激进商业模式创新而被推迟。这种意外的回应允许仅从事设计的初创公司蒸蒸日上，并且也预示着制造向亚洲的更快转移，台湾拥有顶级的两家代工厂（台积电和联电），它们在2007年几乎占据了全球代工收入的一半。

  半导体制造创造硅晶圆上的电子电路，通过将一组可重复使用的模板（称为掩模）上的图案转移到晶圆表面。光通过掩模传递到处理过的晶圆表面，这样的一个过程步骤称为光刻，然后晶圆通过其他工具处理，创建芯片的一层。一个集成电路的制造需要数百个不同的步骤，使用十几种不一样的设备（通常称为“工具”）。复杂的芯片在大多数情况下要多达30个掩模层，并且从开始到完成在大多数情况下要几周的时间。所有过程都在一个严控的“洁净室”中进行，该洁净室按照每立方英尺空气中的一个尘埃颗粒的标准做分类（一级）。

  制造设施固定成本的一个主要驱动因素是光刻设备，通常占先进制造设施固定成本的20%。

  半导体经济学中的另一个主要的因素是晶圆尺寸。在晶圆上制造集成电路的硅晶圆是圆形的，一个晶圆可以容纳从几十到几千个裸芯片（称为“晶粒”），这取决于晶粒的大小。制造完成后，晶圆上的晶粒被分离，并且在大多数情况下，被封装在保护壳中，包括用于连接其他组件的线。

  更大的晶圆允许在给定的晶圆吞吐量和晶粒大小下制造更多的芯片，这降低了每片芯片的成本。例如，从4英寸到6英寸晶圆（晶圆直径增加了1.5倍）的移动，使得晶圆面积增加了2.25倍。从8英寸（200毫米）到12英寸（300毫米）晶圆的昂贵移动（再次增加了1.5倍的晶圆直径）提供了2.5倍的晶圆面积增加。进一步的移动到18英寸（450毫米）晶圆，这将对行业领导者和设备制造商施加巨大的开发成本，在2008年进入了早期评估阶段，并将提供类似的增加。

  半导体制造的特点是规模经济和通过经验学习，这有利于使用最先进的工艺技术生产产品的大型设施，特别是在高容量数字芯片（如DRAM）的情况下。

  光刻和其他制造设备成本的上升导致了扩大产出以获取规模经济的推动。一个典型的8英寸晶圆厂在1990年代的规模是每月20,000到30,000片晶圆。新一代的巨型晶圆厂，如英特尔在阿尔伯克基的“闪存”晶圆厂和韩国的海力士DRAM晶圆厂，每月产能为50,000片晶圆。2005年，台湾的台积电宣布计划分阶段建造一个每月最终处理100,000片晶圆的巨型晶圆厂，最终投资成本为100亿美元。

  1983年建造一个尖端晶圆厂的成本约为2亿美元，但到了2007年，一个先进晶圆厂的最低效率规模的成本已经攀升至高达50亿美元。东芝及其合资伙伴SanDisk在日本建造的一个闪存晶圆厂，月产能超过100,000片300毫米晶圆，估计资本成本为70亿美元。

  半导体制造的经济学和开发450毫米晶圆厂的适当时间表正在被讨论，尽管行业领导者英特尔、三星和台积电已经承诺在2012年之前开发出试验线。设备制造商特别关心处理大型、脆弱晶圆的设备开发成本，以及他们预期需要贡献多少。成本模拟表明，晶圆需求和产量最终将为拥有450毫米晶圆厂的企业来提供竞争优势。这个精英俱乐部可能仅限于英特尔、台积电和三星，以及少数合资晶圆厂。

  除了基础设施成本的上升外，还需要加上每一代工艺开发成本的上升，这也是以惊人的速度增加。一个300毫米晶圆厂的基本工艺流程开发费用对于0.065微米代的报告称每家公司约为15亿美元，而后续的0.045微米代的费用跃升至24亿美元。

  并非所有拥有晶圆厂的集成电路公司都运行尖端的巨型晶圆厂。拥有特殊产品或工艺的公司，如模拟芯片公司，能够最终靠使用落后一代的工艺和较小的晶圆，在较小规模上保持可行。这一些企业拥有较旧的晶圆厂和设备，不再承受行业领导者的沉重折旧费用，并且避免了尖端工艺开发的痛苦研发费用。

  上表显示了2007年第四季度各工艺代在行业产出中的份额。大约三分之一的晶圆处于领先边缘，0.065微米，另外三分之一处于前两代（0.090和0.130微米）。这些较新代的芯片将占据更大的收入份额，因为它们的性能和尺寸优势能够命令更高的价格。另一半的晶圆用于芯片，其中尺寸或速度不如低成本重要，这是许多消费产品（如DVD播放器或微波炉）的情况。

  半导体行业的八个危机是相互关联且反复出现的，因此理解任何一个危机都依赖于理解相关危机的持续动态。例如，危机8（新的全球竞争）是危机1（失去竞争优势）的新版本，并且由于全球工程师劳动力供应的竞争而加剧。

  解决一个危机可以缓解或加剧其他危机。例如，利用低成本地区的新技能劳动力池（危机4）能够在一定程度上帮助降低新芯片设计的成本（危机3），同时它提高了美国对工程劳动力市场的担忧（危机6）以及对失去行业领导地位的担忧（危机8）。新的光刻解决方案（危机5）可能带来高昂的价格标签，进一步推高尖端晶圆厂的成本（危机2）。

  这些挑战导致了芯片行业在消费的人市场的竞争加剧，以及对新技术和创新解决方案的需求增加。

  全球人才流动对多个国家和公司都有利。首先，对于像美国这样的国家，吸引外国学生到美国接受高等教育并随后在美国工作，有助于美国经济获得人才贡献。例如，美国的半导体公司使用H-1B签证系统招聘工程专业的毕业生，这些毕业生通常来自美国大学，这表明美国公司从全球人才流动中受益。此外，许多在美国受教育的外国工程师回国后，可能会在本国或跨国公司中担任高级职位，甚至创办自己的公司，这有助于美国与这些国家建立良好的关系网络。

  对于公司而言，全球人才流动意味着他们能够更容易地接触到全世界内的工程人才。例如，半导体公司通过全球人才流动，能够在全世界内开展活动，这为公司和工人提供了新的机会。同时，全球人才流动也使得公司能够在全世界内管理工程人才，例如，美国公司派遣外国出生的员工回国管理外包项目。

  然而，全球人才流动也带来了挑战，例如，一些大型美国公司中，由于玻璃天花板现象，一些少数族裔员工被迫返回自己的国家，他们在那里有机会创办新公司或为跨国公司工作，这为他们提供了比在美国停滞不前更好的职业机会。此外，全球人才流动还意味着工程师可以在美国和他们的祖国之间轻松移动，这有几率会使美国公司面临人才流失的问题。

  综上所述，全球人才流动对美国、美国公司以及外国工程师的祖国都有潜在的益处，但同时也带来了人才竞争和管理上的挑战。

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