當(dāng)前臺積電晶圓廠的利用率已經(jīng)遠超過我們?nèi)粘Ｋf的“滿負荷”運轉(zhuǎn)率，似乎在短期內(nèi)也沒有緩和的跡象。如我們此前撰文所述，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈較長，即便下游已經(jīng)有部分行業(yè)出現(xiàn)市場飽和的狀況，上游的響應(yīng)速度還是要慢一點。而且臺積電現(xiàn)如今也有了新增長點，供不應(yīng)求局面的延續(xù)也并不奇怪。0YHesmc

說起提升產(chǎn)能，我們的思路似乎普遍局限在現(xiàn)有工藝的CapEx投入上，包括建新廠等舉措。真正推動人類發(fā)展，在有市場需求時，率先考慮的難道不應(yīng)該是技術(shù)革新嗎？比如說更大的晶圓。450mm/18寸晶圓，好像是個每年都可以一更的話題，但這種晶圓始終也沒有真正出現(xiàn)過。趁著這波缺芯大環(huán)境接近收尾時刻，再來談?wù)?50mm晶圓的未來。0YHesmc

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把晶圓做大是需要時間的

我們知道200mm（8寸）、300mm（12寸）晶圓當(dāng)下仍在廣泛應(yīng)用。而實際上200mm和300mm晶圓也不是與生俱來的，時代跨入21世紀(jì)之際，300mm晶圓隨之誕生——實際上行業(yè)先進制造工藝從200mm轉(zhuǎn)向300mm，前后至少經(jīng)歷了10年時間。0YHesmc

150mm晶圓時期的過渡牽頭者是Intel；200mm時期則是IBM；300mm晶圓的大量成本是由設(shè)備廠分擔(dān)的——先期海量成本投入的回本周期據(jù)說相當(dāng)長。此前研究機構(gòu)的數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)年150mm→200mm晶圓，歷時6年，過渡的資金投入大約是15億美元。而200mm→300mm，成本投入增長9倍，時間也變得更長了。理所當(dāng)然的，行業(yè)認(rèn)為300mm以后應(yīng)當(dāng)還會有450mm、675mm晶圓。0YHesmc

芯片die是從晶圓上切割下來的，芯片制造又涉及到良率、產(chǎn)量問題。把晶圓做大的價值在于每片晶圓可切割的die數(shù)量增多，能夠提升芯片的總體良率；與此同時每次處理的die數(shù)量增多，也極大降低了時間成本，增大了產(chǎn)能——更利于快速實現(xiàn)芯片的成本攤薄。從各方面來看，這都是很劃算的生意。0YHesmc

摩爾定律的一部分內(nèi)容是說，隨著工藝進步，制造成本也對應(yīng)降低。將其量化，即表示制造每個晶體管的成本，隨著技術(shù)的發(fā)展在不斷下降。前不久我們在《半導(dǎo)體制造成本之謎：舊工藝罕見漲價的原因竟是...》一文中曾提到，實際從20nm工藝開始，單位數(shù)量晶體管的造價就已經(jīng)不再下降了。這與技術(shù)迭代越來越不給力有很大的關(guān)系。0YHesmc

這種時候更要求行業(yè)尋求突破之道，做大晶圓似乎是個不錯的方向。很多年前，Intel有過研究，顯示從長遠來看，做大晶圓是能夠幫助加速單個晶體管制造成本的下降的。但行業(yè)為何始終未能從300mm走向450mm晶圓？0YHesmc

行業(yè)的預(yù)期總是很美好

我們此前一直在說foundry/fab廠普遍在尖端制造工藝的時間規(guī)劃上熱衷于放衛(wèi)星，這樣的傳統(tǒng)好像從來都沒有變過。Intel官網(wǎng)到現(xiàn)在還留有這樣一則新聞稿：2008年5月，Intel、三星電子、臺積電宣布達成協(xié)議，準(zhǔn)備合作共同過渡到450mm晶圓。這篇新聞稿還介紹了此前200mm→300mm晶圓的過渡歷史。0YHesmc

其中特別提到“為保持與歷史成長步調(diào)的一致性，Intel、三星和臺積電都認(rèn)為2012年是開始轉(zhuǎn)向450mm晶圓的合理目標(biāo)時間”?，F(xiàn)在看來，這個說法實在是太過樂觀了——即便在2022年，也就是其設(shè)定目標(biāo)的10年之后的今天來看，450mm晶圓都還十分遙遠。0YHesmc

似乎后來，行業(yè)還曾調(diào)整過一次450mm晶圓開始應(yīng)用的時間預(yù)期，調(diào)整為2015年……只能說技術(shù)的發(fā)展從不以人們的意志為轉(zhuǎn)移。畢竟如前所述，從150mm→200mm，以及200mm→300mm的歷史經(jīng)驗來看，指數(shù)級的成本和時間增投入這一判定，可能都低估了450mm晶圓實現(xiàn)的難度。0YHesmc

就好像2年前，行業(yè)都在低估3nm工藝的CapEx成本投入，450mm晶圓的過渡前期費用或許比300mm時期投入的10倍都不止。要將現(xiàn)有半導(dǎo)體制造工藝全面遷往更大尺寸的晶圓，可不是一兩家foundry廠說了算的。上下游的各環(huán)節(jié)市場參與者，尤其是硅片供應(yīng)商、不同的制造設(shè)備與材料供應(yīng)商、芯片設(shè)計、封裝測試都面臨一次技術(shù)革新。涉及設(shè)計、制造、封測的各種工具都需要重新研發(fā)和投產(chǎn)。0YHesmc

這其中還有個更現(xiàn)實的問題，尖端制造工藝的建廠成本投入呈指數(shù)級增長，以及半導(dǎo)體市場發(fā)展速度還比不上成本增長率，當(dāng)前從事尖端制造工藝的市場參與者就只剩下3個。這可比當(dāng)年200mm→300mm轉(zhuǎn)向時的局面糟糕多了。基于450mm晶圓過渡的投入成本之巨大，前期可以牽頭的也沒剩幾家企業(yè)了；且海量成本需要由更上游的設(shè)備供應(yīng)商承擔(dān)。0YHesmc

在尖端制造工藝的市場參與者持續(xù)減少，行業(yè)對450mm的前期巨額成本投入，預(yù)期收回成本的時間將是無法估算的。商業(yè)企業(yè)在這樣的事實面前，必然更不愿意將注意力投入其中，致使450mm晶圓技術(shù)發(fā)展進程進入惡性循環(huán)。0YHesmc

5年多以前，國際電子商情刊文談到了18寸晶圓廠無人問津，或?qū)⒗^續(xù)沉寂5-10年。這則語言的時間線好像又快到了。0YHesmc

偏離軌道越來越遠

當(dāng)年由Intel、臺積電、GlobalFoundries、IBM和三星合作組建的G450C可謂萬眾矚目。當(dāng)年的這場合作準(zhǔn)備了48億美金開發(fā)450mm晶圓相關(guān)工具與基礎(chǔ)設(shè)施、與供應(yīng)商合作配套生態(tài)開發(fā)。當(dāng)然現(xiàn)在看來，48億這個數(shù)目連一家尖端工藝foundry廠現(xiàn)在的年度CapEx投入都比不了。0YHesmc

2013年，在季度財報電話會議上，Intel當(dāng)時的CEO還表示計劃不變，仍然堅持450mm晶圓的價值。次年3月有消息傳出Intel將450mm晶圓量產(chǎn)計劃延遲到2023年，同期光刻機供應(yīng)商ASML決定暫停開發(fā)能夠處理450mm晶圓的新一代設(shè)備；下半年的媒體報道就提到，除了Intel以外，所有的主要工具制造商、晶圓廠都要重新評估計劃可行性。0YHesmc

有關(guān)G450C的消息此后偶爾見諸報端。2017年有消息提到G450C中的兩家企業(yè)已經(jīng)在5年計劃后轉(zhuǎn)身離開。不過似乎在2014年之際，最早的這一波450mm晶圓計劃就已經(jīng)被宣判了死刑。0YHesmc

幾個月前Gartner在SEMI ISS研討會上做過一個主題演講，題為2030年半導(dǎo)體行業(yè)能否達到1萬億美元營收。其中談到未來這段時間，會新開25個存儲器fab廠（產(chǎn)能100k片晶圓/月）、100個邏輯或其他fab廠（300mm晶圓產(chǎn)能50k晶圓/月）。0YHesmc

當(dāng)時 IC Knowledge評論提及，半導(dǎo)體制造廠對資源的需求是巨量的。而450mm晶圓的面積是300mm晶圓的2.25倍。也就是說要達成相同的產(chǎn)能，則450mm晶圓所需的工廠數(shù)量將比300mm晶圓少2.25倍。換句話說預(yù)期要新建25個存儲器fab廠，若轉(zhuǎn)往450mm晶圓，也就只需要新建11個fab廠了；同理，100個邏輯或其他fab廠可以縮減為44個fab廠。0YHesmc

雖說應(yīng)當(dāng)無法達成2.25倍的資源節(jié)約，但各部分資源投入應(yīng)當(dāng)都會有所減少，包括人力成本、可管理性等。IC Knowledge預(yù)計450mm晶圓投入使用的話，每片die的凈成本縮減可以達到20-25%。0YHesmc

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但現(xiàn)如今，450mm計劃漸行漸遠——已經(jīng)不光是此前450mm制造計劃不再被人提起，還在于當(dāng)前尖端制造工藝的技術(shù)發(fā)展路徑，讓行業(yè)進一步偏離了450mm晶圓發(fā)展軌道。ASML如今的EUV系統(tǒng)正嘗試更高high-NA數(shù)值孔徑。僅這一項就將未來數(shù)年的光刻技術(shù)釘死在了300mm軌道上，若轉(zhuǎn)向，則沉沒成本將相當(dāng)巨大。0YHesmc

當(dāng)前ASML的high-NA EUV系統(tǒng)是無法承載450mm晶圓的。IC Knowledge評論說，應(yīng)用于300mm晶圓的這一系統(tǒng)如果要轉(zhuǎn)往450mm，則面臨巨大的工程挑戰(zhàn)。2017年預(yù)言的5-10年，大概率是無法兌現(xiàn)的。0YHesmc

Scotten Jones表示，半導(dǎo)體行業(yè)原本就有著短視的特點，這種短視通常以犧牲長遠利益為代價。原本450mm晶圓生產(chǎn)制造長期能夠帶來更好的成本效益，但短期卻必然面臨陣痛。到這兩年特殊時期面對的缺芯潮，以及單晶體管制造成本不再下降，暴露了行業(yè)的問題。更有甚者，基于當(dāng)前技術(shù)發(fā)展需求，未來建那么多新廠，要付出的資源代價會是巨量的。450mm晶圓有機會讓我們付出的代價更小，但目前行業(yè)已經(jīng)沒有了這樣的機會。0YHesmc