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摩爾定律使業(yè)界期望新節(jié)點(diǎn)每隔幾年就能將功率、性能、面積和成本 (PPAC) 提高 15-20%。幾十年來，PPAC 的這種改進(jìn)證明了建造新制造廠的成本是合理的——在證明新工廠的合理性時(shí)，業(yè)界將 15-20% 的 PPAC 改進(jìn)作為經(jīng)驗(yàn)法則。   

然而，隨著摩爾定律的放緩，這個(gè)經(jīng)濟(jì)學(xué)并不那么清晰。最新的制造節(jié)點(diǎn)的開發(fā)成本變得如此之高，頻率降低（節(jié)點(diǎn)之間長(zhǎng)達(dá)四年），并且構(gòu)建成本很高（150億到200億美元），只有最大或最高容量的芯片才能證明開發(fā)和制造成本是合理的.    

對(duì)于使用較舊或“成熟”產(chǎn)品節(jié)點(diǎn)的汽車、移動(dòng)和工業(yè)設(shè)備等行業(yè)，通常無法建立新的晶圓廠，因此必須在其他地方找到 PPAC 改進(jìn)。因此，舊的 15-20% 經(jīng)濟(jì)經(jīng)驗(yàn)法則對(duì)于這些增強(qiáng)功能來說只是糟糕的數(shù)學(xué)計(jì)算。現(xiàn)在是半導(dǎo)體行業(yè)重新思考后摩爾定律時(shí)代經(jīng)濟(jì)學(xué)的時(shí)候了。    

增強(qiáng)成熟節(jié)點(diǎn)    

雖然成熟節(jié)點(diǎn)中 PPAC 的改進(jìn)可以來自建造更先進(jìn)的晶圓廠，但這是例外而不是規(guī)則。取而代之的是，與建造新晶圓廠相比，還有其他可用的技術(shù)可以以更低的成本提供更好的改進(jìn)。    

PPAC 的增量改進(jìn)可能來自升級(jí)設(shè)備、在舊節(jié)點(diǎn)中使用先進(jìn)的制造技術(shù)，或者只是通過制造工藝工程師發(fā)起的小型技術(shù)調(diào)整來實(shí)現(xiàn)。但即使是那些也只提供了適度的改進(jìn)。為了獲得更顯著的 PPAC 收益，該行業(yè)轉(zhuǎn)向新的先進(jìn)材料技術(shù)，以最小的資本支出和開發(fā)成本提高盈利能力。    

是時(shí)候采用新方法了    

產(chǎn)品經(jīng)理仍然認(rèn)為他們需要實(shí)現(xiàn) 15-20% PPAC 改進(jìn)以增強(qiáng)其成熟節(jié)點(diǎn)，但這其實(shí)是被錯(cuò)誤的數(shù)學(xué)誤導(dǎo)，因?yàn)樵鰪?qiáng)現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)所需的投資遠(yuǎn)小于創(chuàng)建新節(jié)點(diǎn)所需的投資。相反，他們應(yīng)該著眼于提高產(chǎn)品的盈利能力，而不是簡(jiǎn)單地通過新技術(shù)實(shí)現(xiàn)die微縮。他們可以通過多種方式提高盈利能力，包括由于更高的性能、更小的芯片面積/更多的芯片每片晶圓以及更多的銷售額和每片晶圓的利潤(rùn)而導(dǎo)致的市場(chǎng)份額增長(zhǎng)或 ASP 增加。    

眾所周知，由于更高的性能而帶來的銷售收益難以預(yù)測(cè)，因?yàn)闆]有人能確定市場(chǎng)將如何對(duì)改進(jìn)做出反應(yīng)。反而，工程師和產(chǎn)品經(jīng)理傾向于關(guān)注die尺寸的減小，因?yàn)樗c盈利能力直接相關(guān)。然而，僅靠縮小die尺寸過于簡(jiǎn)單，無法理解降低成本的全部潛力。通過查看毛利率，而不是固定在傳統(tǒng)的 15-20% 的芯片縮小目標(biāo)上，公司可以決定哪種流程重新設(shè)計(jì)最具有財(cái)務(wù)意義。    

微縮die以提高利潤(rùn)    

由于邊緣損失，單單die收縮百分比是對(duì)成本降低的不完美估計(jì)——因?yàn)榫匦涡酒窃趫A形晶圓上制造的，如果整個(gè)die不能容納在晶圓邊緣附近的區(qū)域，則不會(huì)使用它。因此，當(dāng)一個(gè)die微縮時(shí)，邊緣損失會(huì)更少，因此比die尺寸縮小所預(yù)測(cè)的die良率更高（圖 1）。  

為了證明裸片縮小非線性地增加了每片晶圓的裸片，讓我們看一下在傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)上制造的典型 36mm2 電源管理芯片。    

縮小 5% 會(huì)使每片晶圓的裸片增加 5.5%，而縮小 10% 和 20% 將分別帶來裸片增加 12% 和 26%。假設(shè)晶圓成本固定，在die縮小 20% 的情況下，die成本將至少下降 26%（基于好芯片/晶圓的數(shù)量），而不是最初估計(jì)的 20%。（注意，好的die數(shù)量會(huì)增加26%以上，因?yàn)殡S著die變小，良品率會(huì)提高。）由于die成本大約是產(chǎn)品總成本的一半，降低die成本26%可以減少成品產(chǎn)品成本大幅降低 13% 或更多——顯著提高產(chǎn)品毛利率和盈利能力。    

此外，這種工藝改進(jìn)使晶圓廠能夠?qū)⑵溆行酒a(chǎn)量提高 26%，而無需顯著額外的資本支出變化——為傳統(tǒng)晶圓廠提供了一種增加產(chǎn)能和盈利能力的直接方法。    

根據(jù)上面的等式，即使是每月 有10K 晶圓縮小 5% 的die尺寸，也能產(chǎn)生 330 萬美元的額外月收入，以及 260 萬美元的增量毛利率或利潤(rùn)，僅在短短幾個(gè)月內(nèi)就支付了制造資本支出成本（圖2）。使用先進(jìn)材料來減小芯片尺寸為這種新的經(jīng)濟(jì)模式提供了動(dòng)力，并實(shí)現(xiàn)了可以顯著提高半導(dǎo)體公司盈利能力的創(chuàng)新。因此，在當(dāng)今晶圓價(jià)格上漲和傳統(tǒng)晶圓廠尋求產(chǎn)能擴(kuò)張選擇的環(huán)境下，了解這些新經(jīng)濟(jì)非常重要。

鑒于拜登總統(tǒng)將 CHIPS 法案簽署為法律，半導(dǎo)體行業(yè)將看到一大筆資金專門用于成熟節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)展。評(píng)估未來盈利能力的新材料技術(shù)將為實(shí)現(xiàn)美國(guó)傳統(tǒng)的晶圓廠擴(kuò)張目標(biāo)提供一條重要的、可實(shí)現(xiàn)的途徑。    

結(jié)論    

摩爾定律在一個(gè)世紀(jì)的大部分時(shí)間里為我們提供了很好的服務(wù)，但現(xiàn)在是行業(yè)重新思考它所依賴的數(shù)學(xué)概念的時(shí)候了。在摩爾定律放緩的情況下，一種評(píng)估生產(chǎn)改進(jìn)的經(jīng)濟(jì)影響的新方法對(duì)于做出正確的決策至關(guān)重要。半導(dǎo)體公司需要開始根據(jù)毛利率和利潤(rùn)做出決策，而不是僅僅根據(jù)芯片尺寸進(jìn)行決策，而在成熟工藝節(jié)點(diǎn)內(nèi)進(jìn)行創(chuàng)新的最佳方式是采用新材料技術(shù)。現(xiàn)在是利用新材料的時(shí)候了。

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