SNV-欧洲缺乏半导体制造能力，为什么2nm晶圆厂不是好投资（英文）-2021.4-30页

2021年4月·Jan-Peter Kleinhans欧洲缺乏半导体制造为什么2nm晶圆厂是不明智的投资。 技术与社会交汇处的智库 政策摘要2021年3月欧洲缺乏半导体制造2执行摘要作为2030年数字指南针十年计划的一部分，欧洲委员会的目标是在欧盟（EU）建立最先进的半导体制造。目标是到本十年末在欧盟范围内运营拥有2纳米制程节点的半导体制造厂（fabs）。这将需要数百亿欧元的公共和私人投资。为了使这项投资长期具有战略意义，这样的“欧盟铸造厂”必须有坚实的业务基础，要根据市场的大量需求，尤其是在竞争激烈的尖端芯片制造市场中，这几乎是无法克服的障碍。入口。不幸的是，追逐2nm晶圆厂是徒劳的，这实际上有浪费数十亿欧元公共和私人资金的风险。由于以下因素，该想法缺乏商业案例。首先，欧盟代工厂主要为欧洲客户提供服务，但是如今，欧盟中很少有半导体公司在7nm或5nm节点上设计芯片。欧洲领先的半导体公司生产的大多数类型的芯片都无法从尖端制造中受益。因此，公司在近二十年来一直没有投资于先进的晶圆厂。欧盟缺乏先进的芯片设计，直接导致对先进的合同芯片制造的需求微乎其微。因此，在投资供应之前（创建先进的晶圆厂），欧洲需要通过大量投资自己的芯片设计能力来创造需求。其次，希望欧盟代工厂能够吸引美国芯片设计公司的订单充其量不过是过于乐观和天真。位于台湾的台积电和韩国的三星在尖端芯片制造领域处于领先地位的两家公司很有可能在美国建立先进的晶圆厂。尤其是因为美国拥有迄今为止最大的芯片设计产业。因此，为减轻国家安全和业务连续性风险，在未来三到四年内，美国无晶圆厂公司将能够从台积电和三星的美国代工厂订购先进的芯片。这种前景进一步迷惑了欧盟铸造厂的独特卖点。美国无晶圆厂公司从台积电欧盟而不是从台积电台湾或台积电美国订购芯片的理由是什么？第三，在过去的20年中，尖端芯片制造市场基本上没有偶然地巩固：晶圆厂的投资成本飞涨，并且在整个供应链中需要进行广泛的研发合作以推动尖端技术的发展，在保持高利用率的同时，在几年内摊销设备成本，导致大多数公司退出“更多摩尔定标”。只有两家公司在运营先进的晶圆厂：韩国的三星和台湾的台积电。 政策摘要2021年3月欧洲缺乏半导体制造3即使欧洲能够通过共同努力和数百亿欧元的私人和公共资金建立先进的晶圆厂，这些资金和资源也将更好地用于欧洲更加依赖外国技术提供商的其他领域：设计最先进的逻辑芯片（例如数据中心，高性能计算，人工智能和移动应用程序的处理器）。欧洲的致命弱点是缺乏设计芯片的无晶圆厂公司。一旦欧洲的芯片设计能力重新焕发活力，该地区将处于更加强大的位置，以考虑如何最好地投资于其制造能力。 政策摘要2021年3月欧洲缺乏半导体制造4目录执行摘要2简介61.先进晶圆制造的经济学8“更多的摩尔定标”时代如何导致实质性的晶圆厂整合92.为什么欧盟没有先进的晶圆厂113.先进的欧盟铸造厂：寻找商业案例16欧盟缺乏先进的逻辑芯片设计16台积电和三星在美国17欧盟铸造厂会减少汽车芯片短缺吗？ 18岁4.为什么欧盟需要投资芯片设计前20结论22图清单23参考文献26 政策摘要2021年3月欧洲缺乏半导体制造5SNV的技术和地缘政治项目得益于（按字母顺序）荷兰经济事务和气候政策部，芬兰国家紧急供应局，芬兰外交部，德国联邦外交部以及德国的大力支持。瑞典外交部。本文所表达的观点并不一定代表这些部委的官方立场。 政策摘要2021年3月欧洲缺乏半导体制造6介绍近年来，半导体行业受到了政策制定者的极大关注。各国政府越来越将半导体视为战略资产，必须加强技术领导才能加强经济和国家安全。因此，“筹码”是中美之间日益激烈的技术竞争的核心。1美国政府特别担心该行业对外国半导体制造的依赖。尽管在全世界范围内，设计自己的芯片的公司数量正在增加，但是与20年前相比，如今拥有制造尖端芯片的尖端制造工厂（具有≥7nm工艺节点的“工厂”）制造的公司要少得多。2就公司和地理位置而言，最先进的晶圆制造（半导体制造）是一个高度集中的市场。目前，只有台湾的台积电和韩国的三星成功运行7纳米及以下的尖端工艺节点，这对于许多现代逻辑半导体（例如消费类电子产品，笔记本电脑和数据中心的处理器）都是必需的。毫不奇怪，美国政府希望通过各种产业政策来减少对外国技术提供商的依赖，并增强其自己的半导体制造基地。3与此类似，欧盟将半导体确定为其自身“技术主权”的先决条件。尽管此前曾为加强欧盟的半导体产业和赢得市场份额而进行过努力，但它们并未取得巨大成功。在过去的三十年中，欧盟半导体行业的全球市场份额约为10％。4尤其是由于中美之间的技术竞争，由于COVID-19导致的地缘政治紧张局势加剧以及对全球供应链的审查日益严格，有关如何振兴欧盟半导体实力的讨论正在重新浮出水面。 2020年12月，大多数欧盟成员国签署了一项联合声明，题为《欧洲处理器和半导体技术倡议》，5目的是大量投资欧盟的半导体产业。欧盟委员会在2030年的数字指南针中定义了其十年的野心：占有20％的市场份额并建立具有<5nm工艺节点的尖端晶圆厂。62030年数字罗盘，联合声明和更广泛的政策讨论7始终提到缺乏先进的晶圆制造是欧盟在半导体领域的主要弱点。本文认为，在欧洲建立起最先进的晶圆厂的强烈建议是不明智的，这是有意义地加强欧盟半导体行业的第一步。为此，本文分析了晶圆制造在半导体价值链中的作用。然后，本文确定了为什么尖端晶圆厂的市场高度集中，以及为什么欧盟没有尖端晶圆厂。最后，本文认为在先进的晶圆厂中没有商业案例。 政策摘要2021年3月欧洲缺乏半导体制造7欧盟，缺乏先进逻辑芯片设计是欧盟的致命弱点。在考虑先进的逻辑工厂之前，欧盟必须对自己先进的逻辑芯片设计能力进行大量投资。为了充分利用本文，强烈建议您阅读SNV自2020年10月以来的第一份分析报告：“全球半导体价值链：政策制定者的技术入门”。8它提供了半导体生产堆栈的概述，并解释了不同的业务模型，重要区域，相互依存关系以及瓶颈。 政策摘要2021年3月欧洲缺乏半导体制造81.先进晶圆制造的经济学晶圆厂是所有产品融合在一起的地方。无论是由像英特尔这样的集成设备制造商（IDM）运营，还是像台积电这样的代工厂，晶圆厂都依赖于高度专业化和复杂的供应链。建立这样的生态系统很困难，而且很容易耗时十多年。代工厂必须与必须在特定工艺节点上进行芯片设计的无晶圆厂公司紧密合作。晶圆厂与电子设计自动化（EDA）工具供应商紧密合作，以开发新的工艺节点，并确保EDA软件支持晶圆厂的工艺节点。9晶圆厂还与设备，化学制品和晶圆供应商有着密切的联系。例如，几家台湾化学供应商计划与台积电一起搬到美国的亚利桑那州，以支持该公司的新工厂。102020年，ASML在台积电旁边的台湾建立了一个培训中心，为工程师培训18个月的ASML复杂光刻设备，这对于7nm以下的工艺节点是必需的。11除了这些紧密的业务关系外，晶圆厂还与研究和技术组织（RTO），EDA，设备和化学供应商保持大量的研发合作关系，以开发下一代工艺节点。此外，依赖于“节点收缩”的晶圆厂通常同时在多个工艺节点上工作。台积电的5nm工艺节点目前处于“批量生产”中，但该公司计划于2021年在其3nm节点上开始“风险生产”，并且已经在研究2nm及以下的工艺节点。12这种节点收缩或“更大的摩尔定标”（每平方毫米更多的晶体管，更好的性能，更低的功耗和更低的成本）对于消费市场中的逻辑半导体（例如智能手机和笔记本电脑中的处理器）尤为重要。13同时，该细分市场产生了巨大的销量，这使得在芯片设计和制造方面的巨额前期投资在经济上可行14：例如，仅在2020年第四季度，苹果iPhone的销售总额就达到656亿美元。15凭借如此高的季度销售额，苹果公司有能力对自己的芯片设计进行数十亿美元的投资，并与台积电签订制造芯片的合同。由于这些规模经济，在消费电子产品中可以找到“ PPAC”方面最先进的芯片（功率，性能，面积，成本）。就是说，许多类型的半导体，例如模拟和混合信号半导体（电源和射频（RF）芯片，传感器等等），都不依赖于节点的缩小。因此，比较德州仪器（TI），Analog Devices或Infineon的fab16（多家领先的模拟半导体公司）与英特尔，三星或台积电（TSMC）的晶圆厂正在对苹果和梨进行比较。 政策摘要2021年3月欧洲缺乏半导体制造9“更多的摩尔定标”时代如何导致实质性的晶圆厂整合韩国的三星和台湾的台积电在“更多摩尔定标”和掌握节点收缩方面处于最前沿。由于这在很大程度上取决于规模经济，因此，三星和台积电在晶圆产能（每月通过其晶圆厂生产的硅晶圆数量）方面居于领先地位也就不足为奇了。每个公司的晶圆产能都高于美国所有加工厂的晶圆产能。17尽管世界上有10多家代工厂，其工艺节点为40纳米或更高，但只有三星和台积电成功运行7纳米及以下的节点。18这也意味着，目前，任何低于10nm的晶圆容量仅在韩国或台湾可用（见图2）。但是，随着台积电和三星计划在美国建立相对先进的晶圆厂，这种情况可能会在3-5年内改变。19从业务动态来看，不可避免的是，在过去的20年中，大多数公司将退出“更多的摩尔定律”。为了更好地理解这一发展，必须考虑三个因素：尖端晶圆厂的投资成本飞速上涨，整个供应链中研发强度的提高以及较高的晶圆厂利用率以摊销资本支出。•新工厂的飞涨成本：现代（5纳米）晶圆厂的资本支出接近200亿美元，年度运营支出超过10亿美元。20飙升的成本主要来自日益复杂和昂贵的制造设备。21运营支出增长的一部分是电费。例如，分析师估计，台积电在2019年占台湾电力消耗的近5％。22•大批量，高利用率：为了在几年内分摊这么大的投资，晶圆厂需要很高的利用率。联电是台湾第二大铸造厂，到2020年季度利用率为93-99％。23一些分析师预计，三星和台积电的7nm节点到2021年的利用率将达到95-100％。24晶圆制造中基本上没有“备用容量”，尤其是在尖端时。晶圆厂根本负担不起。•日益增加的复杂性和研发密集度：先进的逻辑工厂不仅是巨大的洁净室中昂贵的设备。为确保快速上市，高生产率（制造后晶片上“良”芯片的百分比）和高利用率都需要大量的工艺知识和管理技能。25此外，晶圆厂需要通过大量的研发合作来提高节点缩减能力，以开发未来的工艺节点。26 政策摘要2021年3月欧洲缺乏半导体制造10随着这些经济学的发挥，不足为奇的是，世界上只有少数几家公司拥有成功运营尖端晶圆厂的专业知识，资金和生态系统。低于10nm的合同制造权归三星和台积电所有。英特尔落后了，但即使他们设法赶上了台积电和三星，但作为IDM英特尔，迄今为止已经为自己的生产建造了晶圆厂，因此无法向市场提供晶圆产能。27 该公司宣布将来将提供代工服务28但要成功，还需要很多年。29最后，即使美国政府将来减少对中芯国际的出口限制，中芯国际是中国最大的晶圆代工厂，也是唯一专注于“更多摩尔定标”的竞争者，但尚不清楚中芯国际是否能够在三到五年内成功运营7nm节点。30“更多摩尔定标”很可能还会持续10到15年，31其经济性为进入市场创造了难以逾越的障碍。因此，该行业很可能将继续完全依赖台积电和三星来制造尖端晶圆。 政策摘要2021年3月欧洲缺乏半导体制造112.为什么欧盟没有先进的晶圆厂仅基于制造过程的“纳米级”来评估晶圆厂的技术进步会带来一些问题。首先，多年来，数纳米尚未描述最终集成电路或制造工艺的任何实际物理尺寸：“ 14nm”和“ 7nm”仅是市场术语。它们可以用作一般指标，但不能太多。32其次，过程节点密度与逻辑半导体最相关：在7nm节点上制造的处理器消耗的能量更少，因此比在28nm节点上制造的处理器更复杂，功能更强大。但是，节点密度并不是许多其他类型的半导体（例如模拟半导体和传感器）的相关指标。模拟和混合信号半导体（例如电源芯片或射频应用）的创新是通过使用碳化硅（SiC）或氮化镓（GaN）等新材料而不是节点收缩来推动的。此外，现代模拟工厂的成本比最先进的逻辑或存储芯片工厂低几倍。33就是说，在欧洲（不仅是欧盟）考察晶圆制造时，很明显，严重缺乏先进的逻辑晶圆厂。此外，与中国，日