自2020年以来，晶圆厂的“账单”发生了重大变化。
一方面，未来领先的先进逻辑工厂将比三年前的先进节点至少多出两到三代。自那时以来，技术进步并不是所有变化的全部。另一方面，新的供应链和地缘政治挑战以及政府政策和激励措施的转变也带来新的不确定性。所有这些都清楚地表明，晶圆厂的经济效益值得重新评估。
在本文中，我们将重点讨论先进逻辑工厂，因为我们相信，随着为各种下一代器件和设备供电的需求变得更加迫切，它们将在未来几年继续获得最大的投资。我们的分析使我们得出两个基本结论。
首先，这些晶圆厂的建设和运营成本大幅上升。其次，虽然世界多个地区的政府激励政策仍在不断演变，但新的、更积极的财政支持计划对于使这些大规模资本密集型项目的经济可行性至关重要。
在这篇分析中，我们的目的并不是提供这些晶圆厂的成本的明确数字，也不是提供激励措施。但我们确信，公司的工艺技术、位置选择、设计和规格选择等特有的几个因素可能会显著影响总成本。因此，本文旨在提供一个应考虑的因素框架，以理解和量化这些大型项目的经济效益。
_01._晶圆厂的成本
为了分析当前的晶圆厂经济性，我们探索了一个先进逻辑的前端制造设施——一个新建的下一代晶圆厂，可以在 300 毫米晶圆尺寸上制造 2 纳米到2 纳米以下节点的芯片。其初始生产计划于 2026 年进行。
到那时，我们预计大多数公司将经历两项重大的工艺技术进步：首先，芯片上单个功能和晶体管的制造方式发生转变；从鳍式场效应晶体管 (FinFET) 到环栅 (GAA) 器件结构，改进工作已经在进行中，以提高效率和速度。其次，引入高数值孔径（high-NA）极紫外光刻（EUVL），这对于继续减小工艺节点特征尺寸至关重要。
从成本角度来看，未来新建晶圆厂的破土动工无论是前期支出还是持续支出都将比几年前更加昂贵。（参见图1）
从前期成本来看，由于生产下一代节点需要更先进的工具，设备支出将会激增。（参见图表 2）建设支出也会增加，因为需要更多的空间和更大的建筑物来容纳额外的设备并维持更多和更复杂的晶圆层的必要生产量。
在设备类别中，新型 EUVL 机器对于实现2 纳米以下节点至关重要，并计划在 2025 年左右进行规模生产，预计其成本约为当今1.5 亿美元以上机器的两倍。节点的进步将影响晶圆厂中的其余工艺工具，例如用于蚀刻、沉积和平坦化的工具，这些工具都需要改进以满足较小特征尺寸的性能需求。
从历史上看，我们看到掩模层总数增加了 5% 到 15%，因此从一个主要节点推进到下一个节点所涉及的工艺步骤数量也随之增加。我们预计这种成本增长趋势将在未来几年持续下去，并导致需要更多的工具、更大的洁净室来容纳额外的工具、额外和更严格的建筑和施工标准以支持更大的晶圆厂规模以及更多的子晶圆厂和建造标准。
随着监管机构和芯片制造商致力于提高可持续性，预计会出现额外的成本驱动因素。为了满足更高的可持续发展基准，新工厂将需要更多地使用可再生能源、水回收和工艺气体减排系统。
此外，近年来通货膨胀全面上升，特别是在建筑业。例如，自 2021 年以来，美国建筑价格的复合年增长率 (CAGR) 上涨了 6%，材料成本的复合年增长率 (CAGR) 飙升了 25%。（参见图表 3。）建设新的和改进的晶圆厂需要许多高度专业化的能力，例如满足微污染规范的复杂气体输送系统。世界上任何地方都很少有公司有能力以适当的质量规格水平提供这些服务。
我们估计，与更广泛的通胀水平相比，晶圆厂建设成本的通胀将继续保持较高水平，这主要是因为近年来许多地区（例如美国和欧洲部分地区）没有持续建设新晶圆厂，也没有足够的人才和专业知识来支持这种高度专业化的建筑项目。
一旦晶圆厂投入运营，某些领域的成本增加将会明显感受到。例如，晶圆生产中的附加层和工艺步骤将需要更多的材料。这些材料必须比当今的材料具有更高的质量和更先进，以支持技术上更复杂的制造。一个例子是能够实现高数值孔径 EUVL 所需的超薄膜的光刻胶材料。
也许令人惊讶的是，运营劳动力成本预计将相对稳定。领先的晶圆厂已实现高度自动化，因为与人工干预相比，这种方法不太可能在生产过程中引入污染物或缺陷。因此，员工规模和职责（主要是工程、技术和运营职能）不需要大幅改变。
然而，维护成本预计将继续上升，因为先进晶圆厂中更复杂、更昂贵的设备将需要越来越熟练的维护和昂贵的维修零部件。
公用事业支出也将受到重大影响。我们预计水、电和天然气的增长将超出通货膨胀，这与更多的流程步骤和层次相一致：更多的步骤，更多的消耗。尽管我们看到设备制造商在开发资源效率更高的芯片制造工具方面不断取得进展，但他们的首要任务仍然是晶圆厂的生产性能，即吞吐量、关键尺寸、良率和可靠性。
根据晶圆厂的建设地点，当地因素也可能影响最终成本。其中包括附近的供应商集群和来自设备提供商的技术人员，所有这些都可能改变物流和晶圆厂维护成本。此外，特定地区可能提供的员工便利设施，例如娱乐设施、自助餐厅和食品补贴，可能会影响运营预算。此外，当地劳动法规（例如限制轮班时间）可能会增加员工的管理费用。世界各地和某些地方的电价也存在很大差异，这可以对晶圆厂的经济产生重大影响。
税收也是当地的一个考虑因素。例如，美国已经有一定程度半导体产业存在的州（如纽约州、得克萨斯州、亚利桑那州、俄亥俄州和加利福尼亚州）的州税和地方税在4%到7%之间，十年 TCO占比在1%到3%之间。世界其他地区的地方税收结构可能有很大不同，这可能会影响项目的总体成本估算。
_02._晶圆厂都是独一无二的
上述谈到的这些成本类别是衡量晶圆厂经济效益的起点，但它们是可以替代的。没有两个晶圆厂是相同的。事实上，半导体公司可以采取多种方法，并在预建、施工和运营阶段做出一系列设计决策，这些决策将极大地改变晶圆厂的最终成本。（参见图表 4）其中一些方法和决策包括以下内容：
半导体公司可以采取多种方法，并做出一系列设计决策，这些决策将极大地改变晶圆厂的最终成本。
一、在施工前阶段：
邻接或聚类效应（Adjacency or Clustering Effect），与其他芯片制造设施相邻或聚集的工厂可以提供规模效率；绿地与棕地（Greenfield Versus Brownfield），棕地项目可以带来显著的优势，只需改造或扩建现有设施即可节省一到两年的开发时间。
二、施工阶段：
灵活或固定布局，针对未来配置和用途变化进行设计（例如，装备 10% 至 25% 的工厂来支持具有高机械和能量负载的设备（例如 EUVL 设备））可能需要更严格的规范，例如结构钢加固桁架。然而，僵化方法显然有一个缺点，即无法预测可能影响市场地位的未来变化；
容量缓冲器，必须决定是稍微缩小晶圆厂建筑规模，期望效率会随着时间的推移而提高，从而在更小的空间内实现全部产能，还是超出近期预计产能，留出增长空间；
洁净室设计和分段，洁净室的开放式“宴会厅”设计比越来越受欢迎的模块化、迷你环境室需要更多的支撑桁架和工程。然而，建造大量更高标准的模块化洁净室来防止污染，可能会将成本提高到不可接受的水平。
地区特定要求，当地条件会影响设计、规划、工程和执行。例如，根据当地地质情况，某些区域可能需要额外的隔震和工程控制，以抑制可能扰乱晶圆加工的震动。
三、在运营阶段：
工艺技术、配方和工艺工具链组合，工艺步骤的数量，特别是那些需要更高成本、更资源密集型设备的工艺步骤，例如 EUVL 和原子层沉积 (ALD)，取决于晶圆厂将使用的技术类型和建筑物的生产复杂性。工艺和工具要求将显着影响设计规范和晶圆厂成本；
维护成本和合同，与晶圆厂设备相关的维护成本涵盖了涵盖运营各个方面的复杂情况。这些是高度专业化的工具，需要专业知识才能拥有、维持和运行最佳工作状态。大多数公司必须在现场配备经验丰富的技术人员（来自设备供应商或第三方）来处理计划内和计划外的维护需求。这些合同的性质可能会导致最终拥有成本发生巨大变化。
一般来说，公司的战略重点和经验将极大地影响半导体工厂的预算。一些公司的商业模式以高晶圆厂利用率和大批量产能为目标；有些人可能会专注于按时交货，还有一些人可能会寻求更高利润率的产品，甚至不惜牺牲产能利用率。这些选项中的每一个都具有明显不同的尺寸、设备、工具和技术成本。此外，对于晶圆厂设计和开发并不陌生的公司可能会受益于他们随着时间的推移获得的专业知识和现有资源（包括专业劳动力和供应链合作伙伴）。
虽然所有这些决策都至关重要，并且可能对晶圆厂成本和性能产生重大影响，但我们研究中的另一件事很突出：由拥有经验丰富的专业劳动力和合作伙伴的成熟半导体制造公司建造的晶圆厂可能会产生最好的产品结果。从过去的晶圆厂建设中获得的经验，无论是通过内部能力还是强大的合作伙伴关系，都可以加快建设速度并降低成本。相比之下，由新玩家或被独特或不熟悉的环境包围的项目（例如，在世界另一个地区建造第一个主要设施）缺乏同样的优势。
有时，公司可能会发现他们还需要考虑意外成本。例如，如上所述，晶圆厂建设所需的工人和专业人员都是高度专业化的。公司可能会发现，在其晶圆厂附近区域没有足够数量的工人，因此必须承担额外费用来支持这些专家从其他地区的重新安置。
考虑到主要成本驱动因素和基本假设，我们得出的结论是，2026 年建成的晶圆厂的 10 年总拥有成本将达到 350 亿美元至 430 亿美元，比当今的成本高出 33% 至 66%。（参见图表 5）
正如所讨论的，推动这种增长的最关键因素是，首先，工艺复杂性不断升级，例如掩模层的增加和制造步骤的增加，其次是下一代晶圆厂技术（主要是高数值孔径）的采用率加快EUVL。通货膨胀还将推高建筑及相关成本。值得注意的是，我们得出的广泛 TCO 范围对任何这些成本因素的变化都极其敏感；例如，如果通货膨胀率最终达到 2.6% 而不是 4%，那么 2026 年建造晶圆厂的成本可能会降至 370 亿美元。
_03._政府激励措施是不确定因素
自2020年以来，政府对建设和运营领先晶圆厂设施的激励政策一直非常活跃。这主要是因为世界各地的政治领导人越来越将蓬勃发展的国内半导体行业和关键芯片的获取视为经济和国家安全政策的重要组成部分。
为此，美国最近通过了《芯片和科学法案》，提供约 520 亿美元的新资金，以促进国内半导体的研究和制造。这包括高达 25% 的合格资本支出 (capex) 的投资税收抵免，以及广泛的符合折旧资格的先进制造业税收减免，涵盖从建筑到设备的一切。此外，一些州还提供赠款来支持晶圆厂建设以及经济和就业发展。通常还可以获得一定程度的长期财产税减免。
中国台湾也在努力巩固其全球领导地位。台湾新的《芯片法案》于 2023 年 1 月通过，目前正在推出，为研发提供 25% 的投资税收抵免，为设备提供 5% 的投资税收抵免。此外，台湾的产业政策还为位于科学和工业园区的研究和制造组织提供特殊优惠，包括以相对较低的成本获得土地、水、电力和基础设施，以及加快审批和消除进口和出口关税的可能性。
韩国为芯片制造商提供税收抵免，以覆盖高达 25% 的设施成本和 30% 至 40% 的研发支出。该计划启动后，三星宣布在 20 年内向首尔郊外的半导体集群投资 2,280 亿美元。
其他举措包括《欧洲芯片法案》，该法案将向该地区的半导体生态系统投资 220 亿欧元（240 亿美元）；日本为国内半导体开发提供68亿美元资金，其中包括为熊本县新建10纳米至20纳米晶圆厂（台积电和索尼的合资企业）提供35亿美元补贴；中国大陆正在考虑对芯片行业实行新的税收减免和补贴；印度专门用于芯片行业扩张的100 亿美元，在某些情况下可能高达项目成本的 50%（自该计划于 2022 年首次推出以来，台湾科技领导者富士康和美国存储芯片制造商美光都表示有意投资印度的行业）。
在当今快速发展的半导体环境中，检查新晶圆厂的 TCO 仍然是一项复杂的任务。技术正在发生巨大变化，需求正在迅速扩大，地缘政治正在扰乱芯片供应链，所有这些使得发展足够的半导体制造能力成为世界几乎每个地区的当务之急。了解建设芯片制造设施的基本经济原理对所有利益相关者都至关重要。
半导体行业的成功发展需要激励和支持与研发、创新和资本获取之间的适当平衡。尽管每个项目都有自己独特的要求和成本考虑因素，但许多因素在未来将继续推高这些高度先进设施的成本。
