Сейчас на полупроводники стоят очереди в месяцы, но нет гарантий, что столько же понадобится в будущем, пишет разобравшийся в проблеме Wired.
31 041 просмотров
Кризис полупроводников начался из-за пандемии коронавируса и затронул множество направлений: медицинского оборудования, игровых консолей, компьютеров и автомобилей. Последние, например, приостанавливали производство и продавали упрощённые комплектации машин. В России так делал «АвтоВАЗ».
Пока сложно предугадать, когда именно цепи поставок смогут восстановиться, пишет Wired. Гендиректор Intel Патрик Пол Гелсингер считает, что дефицит чипов продлится как минимум до 2023 года.
Завод по производству чипов Samsung
В 2019 году продажи чипов упали на 12%, и к декабрю того же года Ассоциация производителей полупроводников (SIA) прогнозировала, что в 2020-м они вырастут на 5,9%, а в 2021-м — на 6,3%.
Но, по данным SIA, с августа 2020-го по август 2021-го продажи увеличились на 29,7%. Хоть компании рады возросшему спросу, нарастить производство не могут из-за трудоёмкого процесса. По словам бывшего члена совета директоров Intel Дэвида Йоффи, каждая новая фабрика стоит миллиарды долларов, на строительство идут годы.
По данным Semiconductor Industry Association
В ноября 2021 года Sony вместе с производителем чипов Taiwan Semiconductor Manufacturing Company заявили, что инвестируют $7 млрд на создание фабрики, но первые партии чипов могут сойти с неё только в конце 2024 года. Intel также анонсировала строительство нескольких заводов — но и они откроются не раньше 2024-го.
Исследовательская компания Gartner отмечает: фабрики по производству полупроводников использовали примерно 95,6% своих мощностей во втором квартале 2021-го, тогда как во втором квартале 2019-го этот показатель составлял 76,5%.
Оценки подтверждают заявление гендиректора производителя чипов GlobalFoundries Тома Колфилда о том, что на октябрь 2021-го заказы его компании расписаны до 2023-го.
Йоффи отмечает, в мире существует всего одна компания, способная выпускать оборудование, работающее по технологии фотолитографии в глубоком ультрафиолете, которое необходимо для создания самых маленьких и современных чипов, — это нидерландская ASML. Стоимость одной её машины может достигать $150 млн, но фирма не успевает с заказами.
Самая глобальная проблема кризиса полупроводников, пишет издание, — это дефицит не столько сложных компонентов вроде процессоров и видеочипов, сколько базовых деталей: интегральных схем, микроконтроллеров и различных сенсоров.
Простой модуль управления электропитанием пару лет назад стоил $1, говорит вице-президент компании по подбору поставщиков Sourceability Джош Пуччи. Теперь же его цена может достигать $150. Согласно отчётам исследовательской фирмы IC Insights, очереди по закупкам на такие компоненты растянулись с 4-8 до 24-52 недель
По мнению аналитиков, компании-производители чипов не спешат вливать инвестиции в расширение производства из-за низкой доходности в некризисное время и цикличности рынка.
Если вы посмотрите на историю индустрии, за резким ростом спроса обычно следует столь же резкое падение. Мы просто не знаем, временное ли явление текущий спрос.
Дэвид Йоффи, профессор Гарвардской школы бизнеса, бывший член совета директоров Intel
Другая проблема — покупатели заказывают больше, чем им нужно, и когда они вдоволь запасутся комплектующими, рынок будет перенасыщен, а потенциальные новые мощности не найдут встречного спроса, пишет издание.
Так, например, делали китайские компании после того, как США наложила санкции, запрещающие продажу американских чипов некоторым фирмам из страны, например Huawei. Они закупили крупные партии компонентов, на случай если с ними поступят так же.
Из-за этого оценки реального спроса могут быть искажены, и сложно делать долгосрочные предположения.
Усугубляют проблему точечный дефицит отдельных компонентов и покупатели, заказывающие с запасом.
Вилли Ши, профессор Гарварда, изучающий глобальные цепи поставок
Но даже те компании, которые решили наращивать производственные мощности, планируют направлять их на изготовление передовых чипов.
Согласно отчету Gartner, за 2021 год инвестиции в этом направлении составят $146 млрд, что на 50% больше, чем в 2019 году. Но они практически не затрагивают производство тех самых чипов общего применения, которых так не хватает на рынке.
В теории новые фабрики должны уменьшить нагрузку на существующие и помочь заполнить бреши в производстве, говорит Пуччи. Но из-за рыночного дисбаланса производители согласились расширить производство простых чипов только после того, как их клиенты дали гарантии, что стабильно будут заказывать их в течение как минимум двух лет.
Мы говорим о пандемии в прошедшем времени, но она всё ещё является реальностью для индустрии полупроводников.
Гэд Аллон, профессор Уортонской школы бизнеса Пенсильванского университета
«Невозможно создавать микросхемы без машин ASML»: голландская компания, от которой зависят Apple, Samsung и Intel Статьи редакции
Она – монополист в области фотолитографии в глубоком ультрафиолете, от которой зависит мощность микросхем. Чем занимается ASML – в пересказе Wired.
Каждая фотолитографическая установка размером с автобус. Для транспортировки нужны 40 грузовых контейнеров, 3 грузовых самолета и 20 фургонов ASML
Показать ещё
53 комментария
Написать комментарий.
я вот так и не получил ответ на вопрос в заголовке
«в мире существует всего одна компания, способная выпускать оборудование, работающее по технологии фотолитографии в глубоком ультрафиолете, которое необходимо для создания самых маленьких и современных чипов, — это нидерландская ASML»
почему эта компания только одна? Почему не появляются другие на таком диком спросе?
Развернуть ветку
Чтобы зайти на этот рынок, помимо постройки самого завода, нужно еще много миллиардов долларов на подготовку кадров, исследования, покупку патентов, организацию поставок специфичных компонентов. На Хабре писали, что у ASML более 5000 поставщиков комплектующих, часть из них дочерние и/или поглощённые предприятия, часть крупные технологические гиганты. Помимо огромных финансовых вложений на всё это нужны годы, а то и десятилетия.
Развернуть ветку
6 комментариев
Аккаунт удален
Развернуть ветку
ASML технологический лидер в сложнейшей наукоёмкой области. Отставание конкурентов около пяти лет.
Деньгами этот разрыв не зальешь, нужно многолетнее Rhttps://vc.ru/tech/332143-pochemu-deficit-chipov-nelzya-reshit-prosto-stroitelstvom-novyh-zavodov» target=»_blank»]vc.ru[/mask_link]
Полупроводники — что это: типы, суть, промышленность и инвестиции
Здравствуйте, уважаемые читатели проекта Тюлягин! В сегодняшней статье поговорим о полупроводниках. Вы узнаете что такое полупроводники в чем их основное значение и суть в современной промышленности, технологиях и экономике. Разберем основные типы полупроводников и их особенности. Также поговорим о нюансах при инвестировании в полупроводники и полупроводниковую промышленность, включая риски полупроводников, такие как высокий и низкий спрос на полупроводники и их дефицит.
- Что такое полупроводник?
- Суть полупроводников
- Типы полупроводников
- Полупроводниковая промышленность
- Инвестиции в промышленность
- Особенности полпроводников
- Риски цикличности
- Популярные вопросы о полупроводниках
- Резюме
Что такое полупроводник?
Полупроводник — это материальный продукт, обычно состоящий из кремния, который проводит электричество больше, чем изолятор, такой как стекло, но меньше, чем чистый проводник, такой как медь или алюминий. Их проводимость и другие свойства могут быть изменены путем введения примесей, называемых легированием, для удовлетворения конкретных потребностей электронного компонента, в котором он находится.
Полупроводники, также известные как чипы, можно найти в тысячах продуктов, таких как компьютеры, смартфоны, бытовая техника, игровое оборудование и медицинское оборудование.
Суть полупроводников
Полупроводниковые устройства могут демонстрировать ряд полезных свойств, таких как показывать переменное сопротивление, легче пропускать ток в одном направлении, чем в другом, и реагировать на свет и тепло. Их фактическая функция включает усиление сигналов, переключение и преобразование энергии. Таким образом, они находят широкое применение почти во всех отраслях промышленности, а компании, производящие и тестирующие их, считаются отличными индикаторами состояния экономики в целом.
Типы полупроводников
Вообще говоря, полупроводники делятся на четыре основные категории продукции:
Память
Микросхемы памяти служат временным хранилищем данных и передают информацию в мозг компьютерных устройств и из него. Консолидация рынка памяти продолжается, в результате чего цены на память настолько низки, что лишь несколько гигантов, таких как Toshiba, Samsung и NEC, могут позволить себе остаться в игре.
Микропроцессоры
Это центральные процессоры, которые содержат базовую логику для выполнения задач. Доминирование Intel в сегменте микропроцессоров вытеснило почти всех конкурентов (за исключением Advanced Micro Devices — AMD) с основного рынка в более мелкие ниши или разные сегменты в целом.
Товарная интегральная схема
Иногда их называют «стандартными чипами», они производятся огромными партиями для повседневной обработки. Этот сегмент, в котором доминируют очень крупные азиатские производители микросхем, предлагает мизерную прибыль, с которой могут конкурировать только крупнейшие полупроводниковые компании.
Комплекс SOC
«Система на кристалле» («System on a Chip» — SOC) — это, по сути, создание микросхемы интегральной схемы с возможностью использования всей системы. Рынок вращается вокруг растущего спроса на потребительские товары, сочетающие в себе новые функции и более низкие цены. Поскольку двери на рынки памяти, микропроцессоров и товарных интегральных схем плотно закрыты, сегмент SOC, пожалуй, единственный, у кого осталось достаточно возможностей для привлечения широкого круга компаний.
Полупроводниковая промышленность
Успех в полупроводниковой промышленности зависит от создания более компактных, быстрых и дешевых продуктов. Преимущество малого размера заключается в том, что на один и тот же чип можно поместить больше энергии. Чем больше транзисторов на микросхеме, тем быстрее она выполняет свою работу. Это создает жесткую конкуренцию в отрасли, а новые технологии снижают стоимость производства одного чипа, так что в течение нескольких месяцев цена нового чипа может упасть на 50%.
Это привело к закономерности, названной законом Мура, который гласит, что количество транзисторов в плотной интегральной схеме удваивается примерно каждые два года. Это наблюдение названо в честь Гордона Мура, соучредителя Fairchild Semiconductor и Intel, который написал статью с описанием этого в 1965 году. В настоящее время период удвоения часто составляет 18 месяцев — цифру, которую приводит исполнительный директор Intel Дэвид Хаус.
В результате на производителей микросхем постоянно оказывается давление, чтобы они изобрели что-то лучше и даже дешевле, чем то, что определяло современное состояние всего несколько месяцев назад. Поэтому полупроводниковым компаниям необходимо поддерживать большие бюджеты на исследования и разработки. Ассоциация исследования рынка полупроводников IC Insights сообщила, что 10 крупнейших полупроводниковых компаний потратили в среднем 13,0% продаж на НИОКР в 2017 году, в диапазоне от 5,2% до 24,0% для отдельных компаний.
Традиционно полупроводниковые компании контролировали весь производственный процесс, от проектирования до производства. Тем не менее, многие производители микросхем теперь делегируют все больше и больше продукции другим представителям отрасли.
Литейные компании, единственной сферой деятельности которых является производство, в последнее время вышли на передний план, предлагая привлекательные варианты аутсорсинга. Помимо литейных заводов, ряды дизайнеров, специализирующихся на производстве, и тестировщиков микросхем начинают пополняться. Компании по производству микросхем становятся все более экономичными и эффективными. Производство чипов теперь напоминает кухню ресторана изысканной кухни, где повара выстраиваются в очередь, чтобы добавить в смесь нужные специи.
В 1980-е производители микросхем жили с доходностью (количество работающих устройств от всего произведенного) 10-30%. Сегодня некоторые производители микросхем стремятся к доходности 80–90%. Это требует очень дорогих производственных процессов. В результате многие компании, производящие полупроводники, занимаются проектированием и маркетингом, но предпочитают отдать часть или все производство на аутсорсинг. Известные как производители микросхем без фабрики, эти компании имеют высокий потенциал роста, поскольку они не обременены накладными расходами, связанными с производством или «изготовлением».
Инвестиции в полупроводниковую промышленность
Помимо инвестирования в отдельные компании, есть несколько способов контролировать инвестиционные показатели всего сектора. К ним относятся эталонный индекс PHLX Semiconductor Index, известный как SOX, а также его производные формы в биржевых фондах. Есть также индексы, которые делят сектор на производителей микросхем и производителей оборудования для микросхем. Последний разрабатывает и продает оборудование и другую продукцию, используемую для разработки и тестирования полупроводников.
Кроме того, некоторые зарубежные рынки, такие как Тайвань, Южная Корея и в меньшей степени Япония, сильно зависят от полупроводников, и поэтому их индексы также дают представление о состоянии мировой промышленности.
Особенности инвестирования в полупроводники
Если инвесторы в полупроводники должны помнить одну вещь, это должно быть то, что полупроводниковая промышленность очень циклична. Производители полупроводников часто сталкиваются с циклами «подъема и спада», основанными на базовом спросе на продукты на основе микросхем. В хорошие времена прибыль производителей микросхем может быть очень высокой, из-за высокого спроса и дефицита полупродников на рынке. Однако когда спрос падает, цены на микросхемы могут резко упасть и оказать серьезное влияние на цепочки поставок во многих отраслях.
Спрос обычно отслеживает спрос со стороны конечного рынка на персональные компьютеры, сотовые телефоны и другое электронное оборудование. В хорошие времена такие компании, как Intel и Toshiba, не могут производить микрочипы достаточно быстро, чтобы удовлетворить спрос, возникает дефицит полупроводников на рынке. Когда наступают тяжелые времена, они могут быть совершенно жестокими. Например, низкие продажи ПК могут поставить отрасль — и цены на ее акции — в штопор.
В то же время нет смысла говорить о «цикле чипа», как если бы это было событием особого характера. В то время как полупроводники по-прежнему являются сырьевым бизнесом, их конечные рынки настолько многочисленны — ПК, коммуникационная инфраструктура, автомобили, потребительские товары и т. д. — что маловероятно, что избыток производственных мощностей в одной области приведет к падению всей отрасли.
Риски цикличности
Удивительно, но цикличность отрасли может в определенной степени утешить инвесторов. В некоторых других технологических секторах, таких как телекоммуникационное оборудование, никогда нельзя быть полностью уверенным в том, является ли состояние циклическим или постоянным. Напротив, инвесторы могут быть почти уверены, что рынок в какой-то момент в не столь отдаленном будущем развернется.
Цикличность дает некоторое утешение, но также создает риск для инвесторов. Производители чипов должны регулярно участвовать в азартных играх с высокими ставками. Большой риск связан с тем, что после крупного проекта разработки компаниям может потребоваться много месяцев или даже лет, чтобы выяснить, сорвали ли они джекпот или все сорвали. Одной из причин задержки является переплетенная, но фрагментированная структура отрасли: различные секторы достигают пика и минимума в разное время.
Например, нижняя точка для литейных производств часто наступает намного раньше, чем для разработчиков микросхем. Другой причиной является длительное время выполнения заказа в отрасли: на разработку микросхемы или создание литейного цеха уходят годы, и еще больше времени, прежде чем продукты приносят прибыль.
Компании, производящие полупроводники, сталкиваются с классической загадкой: двигает ли рынок технология, или рынок движет технологией. Инвесторы должны признать, что оба случая применимы для полупроводниковой промышленности.
Поскольку компании тратят значительную часть доходов на исследования и разработки, окупаемость которых может занять несколько месяцев или даже лет — а иногда и никогда, если технология неисправна, — инвесторам следует с осторожностью относиться к заявлениям компаний, которые утверждают, что владеют новейшими и лучшими технологиями в полупроводниковой промышленности.
Популярные вопросы о полупроводниках
Чем полупроводник отличается от проводника или изолятора?
Полупроводник, по сути, функционирует как гибрид проводника и изолятора. В то время как проводники представляют собой материалы с высокой проводимостью, которые позволяют течь заряду при приложении напряжения, а изоляторы не допускают протекания тока, полупроводники поочередно действуют как изолятор и проводник там, где это необходимо.
Что такое полупроводник N-типа?
Полупроводник n-типа представляет собой полупроводник со смешанными примесями, в котором используются пятивалентные примесные атомы, такие как фосфор, мышьяк, сурьма, висмут.
Что такое полупроводник P-типа?
Полупроводник p-типа — это тип примесного полупроводника, который содержит трехвалентные примеси, такие как бор и алюминий, которые увеличивают уровень проводимости обычного полупроводника, сделанного исключительно из кремния.
Что такое собственный полупроводник?
Собственный или чистый (нелегированный) полупроводник — это полупроводник, в который не добавлены какие-либо примеси или легирующие примеси, как в случае полупроводников p-типа и n-типа. В собственных полупроводниках количество возбужденных электронов и количество дырок равны: n = p.
Резюме
- Полупроводник, который содержится в тысячах электронных продуктов, — это материал, который проводит электричество больше, чем изолятор, но меньше, чем чистый проводник.
- Есть четыре основных типа полупроводников.
- Полупроводниковая промышленность живет и умирает по простому кредо: меньше, быстрее и дешевле.
- Инвесторы должны помнить, что полупроводниковая промышленность очень циклична и подвержена периодическим подъемам и спадам.
- Помимо инвестиций в конкретные компании, производящие полупроводники, существуют также ETF, индексные фонды и индексы, которые разбивают сектор на производителей микросхем и производителей оборудования для микросхем.
А на этом сегодня все про полупроводники. Надеюсь статья оказалась для вас полезной. Делитесь статьей в социальных сетях и мессенджерах и добавляйте сайт в закладки. Успехов и до новых встреч на страницах проекта Тюлягин!
Источник: tyulyagin.ru
Основы экономики полупроводникового производства
Как-то давным-давно – в начале века — я покупал обычный мобильный телефон, самый дешевый, стоил он что-то около 15 или 20 евро. И к нему чехол. Который тоже стоил около 15-20 евро.
Данный факт меня поразил – телефон, в котором стоит полупроводниковый чип, являющийся вершиной развития человеческих технологий, для производства которого требуются оборудование на миллиарды долларов, высококвалифицированные специалисты, обучавшиеся в университетах и защитившие диссертации, результаты научных исследований тысяч ученых – и все это стоит столько же, сколько обычный чехол, технология производства которого за последние несколько тысяч лет сильно не поменялась. Как так? Давайте попробуем понять.
Введение
Сразу оговорюсь, что приведенные в статье цифры не являются точным расчетом себестоимости конкретного продукта. Тем не менее, цифры взяты не с потолка, а из опыта работы на крупной полупроводниковой фабрике (GlobalFoundries, бывший завод AMD) и руководства небольшой МЭМС -фабрикой. Таким образом, мы рассмотрим некую сферическую полупроводниковую фабрику в вакууме, которая, с одной стороны, не является копией реальной, с другой стороны, помогает понять тенденции формирования себестоимости полупроводниковой продукции. Также хочу подчеркнуть, что говорить мы будем о себестоимости полупроводниковой продукции. Цена будет определяться другими факторами: совестью спросом и предложением, маркетингом и т.д. и эти вопросы мы затрагивать не будем, скажем лишь очевидную вещь, что цена не может быть ниже себестоимости (это та причина, по которой прогорела Qimonda – себестоимость их памяти ( DRAM ) была выше цены модулей памяти юго-восточных производителей).
Из чего складывается себестоимость полупроводниковой продукции?
Давайте сравним себестоимость выпуска продукции на фабрике с разным размером пластин (диаметром от 100 мм до 300 мм), разной загрузкой производства и разным выходом годных. Для этого нам надо будет понять, какие расходы необходимы для производства, как они зависят от объемов производства, сколько чипов поместится на пластинах разного размера и какой будет процент брака (обратная сторона выхода годных).
Пусть наша фабрика производит КМОП логику, с максимальным объемом выпуска 600 000 пластин в год. На оборудование мы истратили $1 млрд.
Расходы
Расходы на производстве делятся на два типа – постоянные, которые не зависят от объема производства и прямые (переменные) – которые напрямую зависят от объемов производства. Кроме того, некоторые (непрямые) затраты будут увеличиваться с объемом производства, но не пропорционально ему.
Прямые расходы
- Кремниевые пластины. Самый очевидный компонент полупроводникового чипа, но его вклад в себестоимость довольно небольшой. 100 мм пластина стоит около $30-$40, 300 мм – $70-$80. Как мы увидим в дальнейшем, пластина вносит вклад в себестоимость около 1%. Мы не будем рассматривать случаи использования пластин КНИ (их стоимость на порядок больше).
- Химикаты и газы. В современном техпроцессе содержится порядка 300 шагов. Некоторые из них требуют дорогостоящих химикатов (например резист для литографии или мишень для напыления металла), некоторые вообще не требуют химикатов (например, метрология) или они очень дешевы (например, окисление кремния в кислороде). Рассчитать точное количество химикатов и их стоимость на каждую операцию довольно сложно, но если просто взять общие затраты на химикаты и разделить на количество операций и пластин, то расчеты существенно упрощаются. В таком случае на одну операцию над одной пластиной уйдет примерно $10 химикатов. Таким образом, если у нас в техпроцессе 300 операций, то мы истратим $3000 на изготовление одной пластины.
- Маски (фотошаблоны). Если мы производим много продуктов и постоянно их меняем, то затраты на фотошаблоны будут существенными. Если же мы производим один продукт, то расходы на фотошаблоны не будут зависеть от объемов производства. Для простоты анализа предположим, что мы производим только один продукт и включим затраты на изготовление фотошаблонов в постоянные расходы.
Непрямые расходы
- Электричество. На первый взгляд, это прямые затраты, но на самом деле потребление электричества не прямо пропорционально объему производства. Дело в том, что полупроводниковое оборудование находится постоянно во включенном состоянии, даже если простаивает. Делается это потому, что выход в рабочий режим может занимать довольно много времени. Например, в вакуумном оборудовании, широко используемом в полупроводниковом производстве, большая часть электроэнергии потребляется насосами, которые постоянно работают; печи поддерживают рабочую температуру, работают системы водяного охлаждения, вентиляции и кондиционирования чистых помещений и т.д. Таким образом, при увеличении объемов производства потребление электричества вырастет несущественно и так как его доля в себестоимости не такая большая, в первом приближении мы можем считать, что это постоянные расходы, которые не зависят от объемов производства.
- Фонд оплаты труда. С увеличением объемов производства вам может потребоваться больше сотрудников, но связь не прямо пропорциональная. Во-первых, количество административных работников практически не изменится. Во-вторых, количество инженеров может возрасти, но незначительно. При работе фабрики 24/7 инженеры работают 8/5 и только некоторые дежурные покрывают выходные. При увеличении количества смен пропорционально вырастет количество операторов, но, во-первых, при высокой степени автоматизации производства много операторов не нужно, во-вторых, это относительно низкооплачиваемая категория сотрудников. Таким образом, при введении 4 смен на производстве вместо одной затраты на оплату труда вырастут процентов на 20 – 30.
- Обслуживание и ремонт оборудования. Составляют в год где-то 5% от стоимости оборудования. Очень много постоянных регламентных работ, которые иногда зависят, иногда не зависят от объемов производства. Общая сумма затрат не прямо пропорциональна объему производства.
Постоянные расходы
Сюда входит все остальное, что не зависит от объемов производства – амортизация оборудования, аренда земли, ремонт зданий, поддержание работоспособности офиса и т.д. и т.п. Отдельно остановимся на амортизации. Путь оборудование амортизируется за 5 лет. Тогда при общей стоимости оборудования в $1 млрд мы должны включить в расходы $200 млн в год.
Сложив все в кучу, увидим, что наши постоянные расходы составляют примерно $1.5 млрд в год и пусть они растут на 10% при введении одной дополнительной смены. Таким образом стоимость одной пластины будет складываться из прямых затрат на производство одной пластины + постоянные затраты на всю фабрику разделенные на количество пластин = $3100 + $1.5 млрд/объем производства. Произведем первые подсчёты:
| 1 | 150 000 | 1.5 | 13 100 |
| 2 | 300 000 | 1.65 | 8 600 |
| 3 | 450 000 | 1.82 | 7 130 |
| 4 | 600 000 | 1.99 | 6 425 |
Первый вывод который мы можем сделать: нам выгодно загружать нашу фабрику по максимуму – это существенно снижает себестоимость одной пластины (в два раза при переходе от одной смены к четырем). Теперь давайте поговорим о чипах – ведь для конечного потребителя важна стоимость именно чипа, а не всей полупроводниковой пластины.
Размер пластин
Полупроводниковые пластины от 51 мм до 200 мм. Источник: Википедия, By German Wikipediabiatch, original upload 7. Okt 2004 by Stahlkocher de:Bild:Wafer 2 Zoll bis 8 Zoll.jpg, CC BY-SA 3.0, Link
Чтобы узнать, сколько чипов будет на пластине нужно знать размер чипа и размер пластин. В интернете есть удобный калькулятор, который позволит быстро прикинуть, сколько чипов поместится на пластины разного размера. Для примера возьмем чипы разных размеров, «большой» Intel Sandy Bridge E 6C (435 мм2) и «маленький» Qualcomm Snapdragon 835 (72.3 мм2) и посмотрим, сколько их поместится на пластины разных размеров. Disclaimer: чипы взяты просто для примера размеров, последующий расчет себестоимости не имеет ничего общего с реальной себестоимостью данных продуктов. Кроме того, понятно, что один и тот же чип нельзя сделать на 100 мм и 300 мм пластине, но мы же рассматриваем сферическую фабрику в вакууме, поэтому давайте просто посчитаем.
| 100 | 9 | 69 |
| 150 | 24 | 180 |
| 200 | 52 | 345 |
| 300 | 127 | 836 |
Учитывая, что себестоимость изготовления одной пластины практически одинакова, из данной таблицы делаем два очень важных вывода:
- Чем меньше чип, тем больше их на одной пластине, тем он дешевле. Следовательно, уменьшая размеры транзисторов мы можем либо уменьшить стоимость при той же функциональности (не меняя количество транзисторов чип будет меньше), либо увеличив количество транзисторов не меняя размер чипа мы получим увеличение производительности/функциональности при той же стоимости (тот же размер чипа). Становится понятной гонка за уменьшение размеров транзисторов (закон Мура): либо дешевле, либо выше производительность при той же стоимости.
- Чем больше пластина, тем дешевле один чип. Стоит отметить, что оборудование для размеров пластин от 100 мм до 200 мм практически одно и то же, так что стоимость обработки одной пластины 100 мм, 150 мм и 200 мм будет одинаковой. Для 300 мм оборудование дороже, так что мы должны увеличить постоянные расходы (амортизация и обслуживание) для последующих расчетов. Примем это увеличение равным 50% от стоимости постоянных расходов.
Выход годных (yield)
Пример карты выхода годных чипов пластины. Красным обозначены дефектные чипы. Источник: DOI: 10.1155/2015/707358
Как любит повторять руководство полупроводниковых фабрик We have three major goals: yield, yield and yield (У нас есть три основных цели – это выход годных, выход годных и выход годных). Выход годных влияет на себестоимость напрямую – чем больше выход годных на пластине, тем дешевле чип, так как стоимость пластины не меняется (с точки зрения экономики, увеличение брака эквивалентно уменьшению размера пластины). На первый взгляд, концепция выхода годных довольно проста – просто считаем процент рабочих чипов, но там есть свои нюансы.
Если чип простой, например, модуль беспроводной связи телефона, то он либо работает, либо нет, тут все просто. Если же чип сложный, например, имеет несколько ядер и графический сопроцессор на одном кристалле, то тут все несколько хитрее. Если вам повезло, то работает все. Если нет, то, например, из четырех ядер работает только два. Или не работает графический сопроцессор.
Что делать в таком случае? Очень просто – делаем линейку продуктов: четырехядерный процессор с графикой, двухядерный процессор с графикой, двухядерный процессор без графики и т.д. Кроме того, они могут работать на разной частоте (ну, так получилось из-за разброса размеров приборов на пластине). То есть, если вы видите линейку процессоров, это не значит что там несколько техпроцессов и фотошаблонов. Скорее всего техпроцесс один, а после окончания изготовления процессоры сортируются по результатам финальных измерений.
Еще один аспект состоит в следующем: выход годных падает в основном из-за дефектов, у которых есть определенная вероятность возникновения на единицу площади полупроводниковой пластины. Очевидно, что у чипа большего размера вероятность поймать дефект и выйти из строя больше, чем у чипа меньшего размера. Таким образом, выход годных мелких чипов будет больше выхода годных крупных чипов при одинаковом количетсве дефектов на пластине.
Расчет себестоимости
Итак, мы выяснили, что у нас есть несколько главных факторов, влияющих на себестоимость чипа:
- Объем производства
- Размер пластин
- Размер чипа
- Выход годных
Себестоимость чипа (в $) размером 72.3 мм2 с выходом годных 80% для фабрики работающей с разной загрузкой и разным размером пластин:
| 1 | 237 | 90 | 47 | 27 |
| 2 | 155 | 59 | 41 | 16 |
| 3 | 129 | 49 | 36 | 13 |
| 4 | 146 | 44 | 33 | 12 |
Прейдя от 100 мм пластин к 300 мм и от одной смены к четырем мы уменьшили себестоимость чипа в 20 раз!
Себестоимость чипов (в $) разного размера в зависимости от выхода годных на пластине 300 мм при полной загрузке фабрики:
| 60% | 106 | 16 |
| 70% | 91 | 14 |
| 80% | 79 | 12 |
| 90% | 71 | 10 |
| 100% | 64 | 9 |
Ну вот мы и получили ответ на исходный вопрос – как мобильный телефон может стоить несколько десятков долларов при том, что там стоит высокотехнологичная продукция. Мы с вами начали с миллиардных инвестиций и миллиардных бюджетов и пришли к тому, что себестоимость одного небольшого чипа (вряд ли он сильно большой в простом кнопочном телефоне), произведенного на полностью загруженной фабрике работающей на 300 мм пластинах измеряется единицами долларов.
Теперь, просто из любопытства, давайте посмотрим, что получится, если мы захотим организовать производство чипов в России.
Производство чипов для российского рынка
Disclaimer: все цифры и названия выдуманы, любые совпадения случайны.
Допустим, мы организовали некую компанию «Нанометр» и хотим производить некий процессор «Саяны» размером 256 мм2. Для этого мы закупили оборудования на примерно $1 млрд, которое работает на 200 мм пластинах и способно выпускать 600 000 пластин в год. На одной пластине у нас получится 91 чип и пусть мы добились выхода годных в 70%, то есть с одной пластины мы будем получать 63 чипа. Используя вышеприведенные расчёты, оценим себестоимость производства таких чипов:
| 1 | 9 450 000 | 207 |
| 2 | 18 900 000 | 136 |
| 3 | 28 350 000 | 113 |
| 4 | 37 800 000 | 102 |
То есть, общая себестоимость всех произведенных чипов будет составлять $3.5-3.8 млрд. Главный вопрос – а есть ли в России рынок для сбыта десятков миллионов процессоров (ну или любых других чипов)? Мировой рынок полупроводников составлял около $463 млрд в 2016, российский рынок, по разным оценкам, составляет от 0.3 до 1% от мирового, т.е. где-то $2-4 млрд, что примерно равно себестоимости всей нашей продукции, а нам же хочется еще и прибыль, да и на рынке мы не одни. Получается, что если мы хотим производить чипы для внутреннего рынка, нам нужно либо выходить на мировые рынки (и сбывать там существенную долю нашей продукции), либо загружать фабрику не полностью с соответствующим увеличением себестоимости (ну и цены для конечного потребителя).
Заключение
Даже если вы вложили миллиарды долларов в оборудование и функционирование полупроводникового завода, вы можете производить довольно сложные чипы, себестоимость которых будет исчисляться десятками долларов (а для мелких единицами). Для этого вам нужно полностью загрузить вашу фабрику (работать 24/7), использовать 300 мм пластины, постараться сделать чип как можно меньше и добиться высокого выхода годных. И не забудьте найти тех, кому вы собираетесь эти чипы продавать – иначе дешевыми они не будут.
- полупроводниковое производство
- себестоимость
Источник: habr.com
