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过去多年里，我们谈论了有关18英寸晶圆的一些东西。这种直径为450mm 晶圆的面积是 300mm 晶圆的 2.25 倍。如果您建造 450mm 晶圆厂，如果使其 wpm 输出与 300mm 晶圆厂相同，则您须要的晶圆厂数量减少大约 2.25 倍（由于较低的边缘芯片丢失乃至更少），25 个内存晶圆厂变成 11 个内存晶圆厂，100 个逻辑或其他晶圆厂变成 44 个晶圆厂。这些是要建造的更易于管理的晶圆厂数量。如果您查看运行晶圆厂所需的职员，所需的人数紧张取决于晶圆的数量，通过运行更少的大晶圆，所需的人数会减少。当 450 毫米正在积极事情时，目标是相同的晶圆产量（可能无法实现）、相同的化学品和气体以及每个晶圆的公用奇迹利用量相同的工具占地面积，单位面积的利用量减少 2.25 倍。人们认识到，诸如曝光、注入和一些扫描晶圆表面的计量工具之类的光束工具的吞吐量会较低，但纵然考虑到这一点，我的仿照也估量每片 450 毫米芯片的净本钱将降落 20% 到 25%。不幸的是，开拓 450mm 的努力已经结束，唯一的 450mm 晶圆厂已经退役。450 毫米的事情与过去的晶圆尺寸转换不同，在 150 毫米时，英特尔是领导转型并支付大量事情用度的公司，而在 200 毫米时则是 IBM。在 300mm 时，设备公司承担了很多本钱，他们须要很永劫光才能收回投资。450mm 的本钱再次被推到设备公司身上，他们非常不愿意接管这种情形。2014 年，英特尔（450mm 的紧张驱动力之一）利用率低，42 号晶圆厂空壳，他们将资源从 450mm 撤下，台积电妥协，设备公司停息开拓事情，450mm 去世亡。在这一点上，重振 450mm 可能为时已晚，ASML 只是试图生产足够的 EUV 系统并将High NA 设备投入生产。300mm 的High NA EUV 系统已经非常弘大——难以运输系统，制造更大的 450mm 版本将是前所未有的工程寻衅。我确实认为这对半导体行业来说是主要的一课。半导体公司长期以来一贯在短视地压榨供应商的价格，这每每对自己的长期不利。起始晶圆便是一个很好的例子，价格已经被压低到晶圆制造商投资新产能不经济，现在该行业面临短缺。现在，只出缺乏驱动的价格上涨才能终极使新的投资变得经济。在接下来的十年中，由于我们在努力减少环境足迹的同时可能使我们的行业翻倍，利用 450 毫米晶圆我们的任务会随意马虎得多，但不幸的是，我们无法互助并且不愿意放眼长远。半导体行业一贯以来都是一个成本密集型的繁芜行业，在摩尔定律的推动下，生产本钱不断低落，也带来了技能改造。实际上，技能进步和多样化的运用扩展是坚持行业增长和技能演进的两大轴心，如图 1 所示。只管如此，随着本钱低落和技能进步的速率放缓，摩尔定律仍旧顶着本钱持续低落进而降落均匀发卖价格的压力。只管大多数已有事情都集中在 450mm 晶圆尺寸迁移的技能问题上，但也有一些为了决策合理而进行的小型经济剖析研究，这些研究能在 450mm 迁移的得当机遇上给出一些意见。本研究的目的是供应一个初步的经济剖析，以澄清一些疑神疑鬼的说法并促进设备供应商、客户和芯片制造商等利益干系者之间为进一步互助进行有效谈论。遵照摩尔定律的半导体行业已经实现了无与伦比的增长，在相等或更低本钱的根本上带来更强大的打算能力。为了坚持所需的本钱CADR（复合均匀减少率），既有通过技能进步的小型化之路，也有增大晶圆尺寸的做法。常日，半导体行业每十年升级fab架构来增加晶圆直径，而同时技能进步则是每两年一个节点。随着纳米尺度逼近物理极限，技能进步已经放缓，晶圆尺寸的增加变得越来越主要。新的晶圆尺寸平台许可设备供应商和 IC 制造商采取前辈的工艺技能和工具设计，以提高生产率（例如 300mm 的单晶圆工艺）。事实上，从 150mm 到 200mm 只花了大约 6 年，而从 200mm 到 300mm 则花了近 10 年韶光。如图 2 所示，当前一代晶圆变成主流，支持了大约 40% 的总产能时（从而可以坚持康健的产能组合，本钱足以支持不同的运用），新一代晶圆就会开始。因此，现在研发 450mm 晶圆平台并不是太早。但是，对更大晶圆尺寸的成本投入正在大幅增长，这为更弱小的玩家设置了进入壁垒。从 IC 制造商方面看，大约有 130 家公司拥有 150mm 晶圆厂，而拥有 200mm 晶圆厂的公司不到 90 家，拥有 300mm 晶圆厂的公司只有 24 家。类似地，设备市场也越来越集中，前 10 家供应商所霸占的市场份额已经从 90 年代的 60% 增长到了 2000 年代的 75% 以上。只管为了坚持本钱低落和行业增长，晶圆尺寸增大是不可避免的，但利益干系者之间的垂直互助也是至关主要的。在进一步谈论 450mm 之前，有一些流言须要澄清。流言 1：从 200mm 迁移到 300mm 立马就能降落 30% 的本钱。澄清：增大晶圆尺寸平台也让设备供应商和IC 制造商可以整合前辈的工艺技能和工具设计，以提升生产率，从而降落本钱。只管客户期望有这样的减少 ASP 的好处，但实际上纵然领先的晶圆厂也须要大约两年才能实现本钱效益。同时，设备供应商也在贬价压力之下，不断投入以提高工具性能。只管如此，在过去几年中，相对低价的充足产能，一贯都在为行业增长做贡献。流言 2：300mm 的研发投入很难赚回来。此外，更大的晶圆尺寸将减少总体成本投入并导致设备市场紧缩。澄清：据 VLSI research，设备行业在300mm 平台开拓上投入了 116 亿美元，险些是开拓 200mm 平台的 9 倍。根据图 3 给出的设备市场收入和均匀利润，可以估算得出行业整体在 2007 年就能赚回研发本钱。由于这样的迁移会产生进入壁垒，将弱小玩家拒之门外，以是领先的设备供应商的古迹会远远优于行业均匀水平。事实上，更大的晶圆尺寸将减少工具需求是基于在300mm迁移之前也提到的饱和产能需求的假设。这个行业发展的驱动力是技能进步和晶圆尺寸增加的多样化新运用和本钱降落，而这又给 IC 制造商和设备供应商带来了更多需求。流言 3：行业该当最大化技能进步速率，专注 300mm，推迟或永久不要实现 450mm。澄清：面对纳米技能的物理极限和技能进步放缓，增加晶圆尺寸是降落本钱的一定选择。。如图 4 所示，新的晶圆厂架构常日支持大约 4 个技能节点。提出300毫米晶圆作为一个折中的办理方案，以在短期内坚持本钱降落，延迟决定可能会造成更多的丢失。 事实上，不断提高生产率是现有技能和平台的一个主要方面，而在新的晶圆架构架构中实现新的生产理念和工具更具本钱效益。 由于450mm迁移对付坚持本钱降落是不可避免的，以是推迟450mm迁移的决定可能会导致往后更难以收回450mm迁移的投资。因此，及时为未来的 450mm 生产制造支配新的晶圆厂架构是会有本钱效益的，这能让 450mm 平台上有足够多的技能节点，从而推动市场增长，让领先的 IC 制造商和设备供应商都能收回研发投入。迁移到新的晶圆尺寸平台须要供应链的高下游互助——从上游的设备、硅晶圆、晶舟盒和工厂自动化供应商到下贱的芯片制造商、测试厂和 IC 设计公司。我们利用了Michael Porter 的五力模型作为剖析框架。
工具本钱占全体晶圆制造本钱的 70％。比如晶圆传送过程等工具内部的韶光开销可以分摊到每片晶圆更大的面积上，这样整体的工具生产率就比前一代更高了。首先，外部威胁将得到缓解。由于 450mm晶圆厂的高成本需求和这个知识密集型行业的学习曲线上风将会成为供应商和制造商的进入壁垒，让新入场者望而生畏。通过450mm 晶圆迁移在制造效率和本钱上风上给行业带来的持续提升，长期来看替代硅基IC 制造的价格也将增长。此外，由于现有 IC 市场的竞争者多样化更小、行业增长放缓和由于市场颠簸导致的间歇性产能过剩，市场竞争现在正变得非常激烈。对付纯粹的代工厂而言，市场构造已经在过去 10 年中从垄断型市场变成了竞争型市场。引入 450mm 这一代晶圆将会增加转换本钱，同时又能创造另一个差异化成分，从而帮助行业更好地划分领地，缓解行业的竞争强度。在横向的“供应商-制造商-买家”家当链上，它们是紧密关联的实体，共享共同的行业环境。大多数消费者都对价格敏感。终端市场的价格压力将会向上通报给制造商和供应商。反过来，无效的生产过程和高本钱又会向下通报给买家和终端市场。450mm 完备可以改进家当链的本钱状况。更大的晶圆可以提升晶圆面积利用率，尤其是由于 die 的尺寸变大了。可以利用 OWE 指数来比较 300mm 和 450mm 晶圆上曝光的器件的总体有效性。设计的实验网络了300mm 晶圆厂的实际数据。特殊须要指出，考虑了真实配置中晶圆曝光的相同的光刻哀求，在 300mm 和 450mm 晶圆上曝光了不同大小的 die，这个过程利用了所提出的优化算法来天生 gross die 的最大数量，由此得到了对应的 OWE，如图 4 所示。比较在 300mm 和 450mm 晶圆上曝光的 OWE，可以看到当 die 尺寸随着器件越来越繁芜而越来越大时，在 450mm 晶圆上曝光某个 die 的 OWE 显著优于在300mm 晶圆上曝光同样的 die。除了晶圆空间增大了 2.25 倍，OWE 还能在越来越繁芜的器件的变革的 die 尺寸方面更好地描述晶圆尺寸增大的好处。此外，由于节点缩小所带来的晶圆生产率增益将会有所衰减，由于 SoC 的 I/O 和仿照部分等一些图案宽度不能随技能进步而有效缩小。图 5：300mm 和 450mm 之间的 OWE 比较由于繁芜的光刻哀求，在前辈纳米技能上的掩模本钱将会显著上涨，这会影响到 IC 设计师和全体半导体生态。随着晶圆尺寸增大，IC 设计可以勾留在更老的技能节点上，这样仅需更少的成本投入就能坚持本钱低落。由于 IC 市场竞争日趋激烈，本钱可能就成了现实中坚持或创造新市场的最夹帐段。因此，这种本钱压力常日会向上通报给供应商，从而吃掉它们的利润。供应商可以采取三种策略：差异化、本钱事先和关注重点。450mm 晶圆能让供应商与竞争者不同，还能带来本钱上的领先。差异化的实现办法有：独特的技能能力、系统集成或早期与紧张玩家一起参与新规范和标准。只管你可能须要支付早期的研发本钱，但 450mm 晶圆厂设备不仅可以整合新的工具设计观点实现（比如单晶圆工艺和普通大型机），而且还能整合高度自动化和工艺集成。通过供应商-制造商共同体的密切互助与协作，可以确保迁移的有效和成功，从而为它们带来未来的市场增长和公司成功。不同于300mm，用这种共同体运作的办法开拓450mm 工具会更有经济代价。从之前的 300mm 迁移履历看，要让全体设备行业都进入 450mm 阶段，至少须要投入 250 亿美元研发资金。这个估计结果的成分包括均匀年度开支是 300mm 一代的 3 倍以及 450mm 有 5 年的开拓时长，直到大约 2012 年。根据这些预测，假设均匀利润率为 8%（只有 450mm 开始前 5 年的一半），设备行业可能会在 9 年内收回450mm 的研发投入。因此，花在 450mm 上的研发投入是可以收回的。总而言之，450mm 不仅能降落本钱，还能催生新的制造平台。为了理解每个晶体管的本钱，从而理解行业生产力，我们利用了 IEM 来实行剖析，如图 5 所示。在 IEM v10.1 [5] 中对两种情形进行了研究。
基准条件是始于 2012 年的 65nm 和450mm 之后的三年技能世代间隔。从1993 年到 2000 年，每个晶体管本钱的CADR 是 29%，从 1993 年到 2018 年是27.36%。为什么后面 CADR 更低了？这可能是由行业增长放缓和市场成熟导致的。根据基准，我们进行了两次仿照，结果如下：
如果技能世代间隔从 3 年延展到 4 年，CADR 就会增长 0.26%。
与基准比较，如果没有 450mm，CADR 会低落 0.34%；如果 450mm 在 2014 年涌现，CADR 会低落 0.21%。
总而言之，450mm 一代对整体行业本钱低落而言是积极的，而且可以有效地补偿由于技能发展减速所导致的本钱增长。对全体行业而言，450mm 晶圆尺寸迁移是一个计策决策。但是，晶圆尺寸迁移的有效性会受到供应链上多种行业的动态和交互影响。这个计策活动系统可能会被用于描述实现该目标的繁芜成分和干系活动。在多元化新半导体运用方面有有代价的买家，也有采购买家追求低本钱的办理方案。商品化的市场和更短的产品生命周期让ASP 和收入增长在成熟的半导体行业更慢。高稠浊和低产量的需求在消费产品和代价产品上都越来越普遍。在行业内部，已有的竞争和新进入公司的威胁都不会停息。更大的晶圆尺寸和技能迁移都可以让公司生存下去并得到成功。更大的晶圆尺寸须要研发投入和供应商的互助，而技能则须要开拓本钱和买家/客户的互助。终极的目标是通过缩减 die 大小或提升 OWE 让 die 或芯片更加便宜。要成功实现 450mm 迁移，须要考虑三大关键成分：硅晶圆450mm 直径是 300mm 的 1.5 倍。450mm 的直径为 300mm 的 1.5 倍。所需的晶圆厚度不会增加太多。然而由于热和毛病问题，晶体成长速率（每单位韶光的量）可能是 300mm 晶圆的五分之一。一旦 IC 制造商须要承担的硅晶圆价格增长了 5倍，那么这样的晶圆制造本钱就不经济了。目标价格该当低于 300mm 晶圆的 2.5 倍。设备IC 制造商和设备制造商须要共同努力实现技能进步，这样才能应对前辈的小型化和晶圆尺寸增长所带来的更大难题。如果联合开拓共同平台，而不是由于竞争而重复投资，那么就可以降落研发本钱和投资。大家在这方面的演进上并不冲突，而且这既可能推动小型化的技能迁移，也可能随着新制造技能和设备推动晶圆尺寸增长。估量 450mm 迁移会有 300mm 一样的本钱上风，而且学习周期更短。本钱构造改变。后段工艺的本钱占到了整体 IC 制造工艺本钱的 20%。晶圆尺寸的增长只会改进前段晶圆基板的制造本钱，但芯片方面却没有改进。后段（测试和组装）供应商和制造商还应同步各自的本钱降落效果，以改进全体行业，比如晶圆级封装技能。本研究供应了对 450mm 迁移的初步经济剖析，可为行业谈论供应一个基准，从而确保下一次晶圆尺寸演进能得到良好的方案和有效的折衷。如果不能坚持所需的本钱低落，可能就会涌现终极会影响全体半导体行业的颠覆式创新。★ 点击文末【阅读原文】，可查看本篇原文链接！
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