2020-09-21 268

追求卓越,把握尖端:半导体行业如何以新战略 迎接新时代?

作者:Harald Bauer, Ondrej Burkacky等

半导体作为科技行业的幕后英雄,一直默默支持着玩具、智能手机、汽车和恒温器等行业的发展。半导体还帮助人工智能和机器学习等多项技术取得突破,为人们的生活和工作方式带来翻天覆地的变化。要想进一步推进数字化革命,需要更强大的计算和存储能力,换言之,便是更先进的芯片。

 

 

面对新冠肺炎疫情(扰乱供应链)和地缘政治紧张(局势升温)的双重背景,半导体公司愈发渴望能实现先进工艺制程的端到端能力:从设计到生产。这与众多政府的意愿不谋而合,这些地区的半导体市场也因此获得了政府的支持。但是,要想大规模发展先进工艺制程,必须新建晶圆厂(Fab)并部署广泛的研发项目——这都需要数十亿美元的投入。工厂和研发的任何一个环节出错(如成本控制失策或需求低于预期),都会对企业的投资回报带来沉重打击,甚至导致整个项目血本无归。强大的研发、供应链、人才和知识产权保护,以及相关政策分析能力也是企业决胜芯片先进工艺制程的关键。许多半导体公司都在某几点上有着出众表现,但真正的“全能型选手”却寥寥可数。

 

 

由于半导体相关基建的建造周期长,技术要求高,企业必须制定出一套长期战略来打造卓越的设计和制造能力。这一战略必须将建造问题、设备成本和内部能力升级等各方各面纳入考量。以下路线图可供参考。

 

 

设计和制程日趋复杂,成本高涨

 

 

过去10年,“领跑先进工艺制程”已从一句口号变为半导体公司的切实目标。这10年来,芯片上的晶体管数量基本每两年翻一番,最近速度虽有所放缓,但整个过程基本符合“摩尔定律”。芯片的构造越来越复杂,尺寸结构却在不断缩小。

 

 

受限于技术实力以及设计、研发和规模化等活动的庞大投资需求,只有少数公司能够设计和制造出14纳米及以下工艺制程的芯片。但是,这些芯片的需求却一路飙升。在人工智能和机器学习等重要领域,14纳米是一个重要门槛,因为低于这个尺寸的芯片可以在保持高性能的同时,节省大量功耗(参见侧栏“精密芯片的主要市场”)。

 

 

精密芯片的主要市场

 

3纳米和5纳米作为最小尺寸的芯片,能为数据中心、5G智能手机、边缘计算和机器学习等细分市场及应用领域带来重要益处。为了赢得市场,上述领域的半导体客户不惜下血本,购买具有先进工艺制程的芯片(高性能、低功耗),因为其潜在收益将远超芯片成本。

 

在其他细分市场,大多数公司都对小尺寸芯片缺乏兴趣,毕竟,转而使用小尺寸芯片意味着他们要对自身的设计和生产工艺做出巨大调整。此外,降低功耗并不是这些半导体公司客户的第一需求。以研发汽车安全应用的公司为例,对他们而言,芯片的可靠性一定要比性能更加重要。

 

 

市场逐鹿,赢家寥寥

 

 

半导体行业的技术一直在稳步改进,促使某些细分领域的公司竞相开发先进工艺制程,行业整体充斥着“赢家通吃”的氛围。哪怕某公司的产品或服务仅略好于竞争对手,这一“小点”竞争优势也能拿下“大块”市场,甚至是绝大多数行业收入。无论是设备生产还是芯片制造,这一现象在整个价值链上下游都十分明显。行业领军者在技术研发方面通常已具备多年领先优势,后来居上绝非易事。

 

 

我们分析了254家半导体公司在2015~2019年的经济利润后发现,这种“赢家通吃”的环境会带来深远的影响(见图1)。这254家半导体公司各有千秋,有的是设备和材料提供商,有的是针对不同终端市场的专业芯片生产商。研究结果发现,2008年金融危机之后,很多企业都见证了经济利润的强劲复苏,但利润率水平与之前并无明显差异。

 

 

 

 

在我们的样本中,有几家企业的经济利润独占鳌头。这些领军企业大多专注于先进工艺制程,致力于开发体积更小、效率更高的半导体。鉴于企业需要做出极大的努力才能获取和保持研发及制造优势,这些领军企业通常只会专注于某一产品领域,或是价值链中的某个环节。

 

 

各大细分市场可能会由某家企业——甚至某区域内的一群企业主导(见图2)。以下列举了几家重要的半导体企业或区域主导的细分市场:

 

 

  • 英特尔(Intel)主导台式机和笔记本电脑中央处理器(CPU)市场

  • 高通(Qualcomm)是智能手机片上系统市场的领导者

  • 中国台湾的台积电是10纳米及以下芯片的顶尖制造商

  • 全球多数光刻机都由荷兰的阿斯麦尔(ASML)生产,尤其是具备先进工艺制程的产品

  • 韩国三星是存储芯片市场的领军企业

  • 美国的英伟达(NVIDIA)主导显卡市场

  • 半导体制造过程中使用的专用化学品几乎均来自日本

  • 多数晶圆由日本和韩国公司生产

 

 

 

 

专业化固然可以带来竞争优势,但也会让半导体企业及相关业务之间形成高度依赖。至今,仍没有任何地区或公司具备端到端的自主设计和制造能力。一旦供应链受到扰乱,就会出现生产瓶颈,导致某些芯片供应短缺。今年的新冠疫情就造成了这种局面。

 

 

投入巨大,回报缓慢

 

 

在制造或研发领域取得领先优势不仅有助于赢得市场,更能带来严格的成本管控。考虑到过去 10 年中企业开支出现了大幅飙升,成本管控在当下显得愈发重要。

 

 

先来看看晶圆厂的建造成本。当前,建造和装配一个拥有5纳米生产线的晶圆厂大约需要54亿美元,差不多是10纳米工厂的三倍(见图3)。成本增加的主要原因是尺寸的缩小,因为用于生产的设备也必须相应提升精度。比如,光刻机转而使用极紫外线(EUV)后,设备成本也相应增加。

 

 

 

 

研发成本也是一样。随着芯片尺寸的缩小,研发工作也越来越具有挑战性:量子效应、微小的结构变化,以及其他不可控因素都可能会使整个研发过程变得十分复杂。从验证到IP选型,设计一款5纳米芯片的全过程成本约为5.4亿美元;相比之下,设计一款10纳米芯片仅需1.75亿美元,即便是设计一款7纳米芯片,也只需3亿美元。我们预计,芯片的研发成本还将继续上升,具备先进工艺制程的产品尤其如此。

 

 

具备先进工艺制程的晶圆厂建造成本高昂——通常需要半导体公司数十亿美元的投资,但其投资回报周期却并不理想。建造和装配一座晶圆厂大约需要12~24个月,要想达到满负荷运行还需要额外的12~18个月。如果需求低于预期,或是成本超出预期,回报就会远低于预期。

 

 

控制成本,建造先进工艺制程的晶圆厂的诸多考量因素

 

 

为了更加直观地看到风险和潜在回报,我们设计了一个简化版的模型,用以预测一家新建的晶圆厂需要耗时多久才能开始盈利。该模型仅大致估算了工厂盈利的关键时间线,无法提供精准的成本分析。模型重点关注的因素如下:

 

 

  • 经折旧时间、资本成本及其他因素调整后的资本支出

  • 采用同比口径,基于平均售价(产品)计算的收入

  • 运营支出,包括水、电、劳动力和材料成本,因为这将影响公司收回初始资本支出的速度

  • 政府补贴金额——这一关键因素能够决定公司何时盈利

 

 

我们的模型显示,根据最乐观的估算(高利用率),即便半导体公司的新厂只能获得少量政府补贴或无补贴,其现金流也有望在5年内转正(见图4)。但如果晶圆厂的利用率过低,现金流转正的周期就会大幅拉长。当出现极端情况,即产能利用率持续低于55%~65%时,企业面临的形势可能会颇为严峻。即便工厂能够获得高额的政府补贴,55%的产能利用率也意味着企业需要10年左右才能看到投资回报。

 

 

 

 

考虑到成功之路存在诸多波折,半导体公司必须在开工建造晶圆厂前深入调查产品需求,以及市场上潜在的长期趋势。决定开工后,企业可以尝试采取两大策略来降低单位晶圆的成本:晶圆厂规模化和产业集群化。如前文所述,他们也应将政府补贴的影响纳入考量,因为这可以显著缩短回本周期,提高投资吸引力。

 

 

晶圆厂规模化

 

 

建造拥有大规模生产线的大型晶圆厂是现今行业趋势。几年前,每周两万片的晶圆产量(wspw)就已足够让人惊叹。现在,顶尖的晶圆厂每周能够生产出10万片晶圆。

 

 

大型晶圆厂不仅产量更多,还具备许多其他优势,比如更低的单位面积成本等。其实,建筑成本在晶圆厂的总投资中占比并不高,真正昂贵的,是无尘室技术和生产设备。

 

 

施工阶段完成后,工厂可以通过扩大运营规模来降低日常开支、提升劳动生产力,从而降低单位晶圆的成本(见图5)。比如,企业可以集中提供部分生产职能(如工业工程)和支持职能(如人力资源和会计)。而拥有两家小型晶圆厂的企业难免会出现职能的重复性部署,导致成本上升。直接从事生产的员工(如维护和工程团队)减少空闲时间后,生产力也会相应提升。如果某片区域或是某条生产线的速度放缓,员工可转去其他区域或生产线。日常开支的减少与扩大产出带来的利润提升相结合后,半导体企业的整体利润便可得到提升。

 

 

 

 

半导体企业还能借助规模化提高设备综合效率(OEE),增加高效生产时间。鉴于单个晶圆厂可以服务多个客户,需求波动会在一定程度上得到平抑,高产量设备的利用率也会出现提升。此外,半导体企业还可以借此生产更多产品,并向捆绑订单或大量订货的客户提供批量折扣。

 

 

如果企业无法扩建现有工厂,或不想建造大型工厂,他们也可以将多个晶圆厂搬到同一片区域,从而实现规模效益。这种方式能够帮助他们实现职能的中心化,并根据需求在工厂及生产线之间调配员工。

 

 

规模化可以帮助半导体企业实现流程标准化,减少因时区或语言差异而引发的问题。考虑到大型晶圆厂或晶圆厂集群的采购量较大,他们在与本地供应商进行谈判时,还会积累更多的话语权。从知识的角度来看,规模化还有助于企业从大规模生产中总结经验,从而进行最佳实践的筛选和分享。

 

 

晶圆厂集群化

 

 

晶圆厂的选址也极为重要。半导体公司应尽可能在产业集群设立新工厂,选择已有多家半导体企业或产业链相关企业(已在相对较小的区域内拥有成熟业务)驻扎的集群。产业集群可以促进协作、形成合力,甚至化竞争为合作。与单兵作战相比,加入产业集群集体作战,更能收获业绩,提高企业的国际知名度。

 

 

产业集群一般会在多家半导体或相关企业业务成熟的地点不断发展壮大。例如,美国的芯片制造和设备产业集群位于硅谷、凤凰城、纽约州北部和奥斯汀。中国大陆、德国、日本、新加坡、韩国和中国台湾也都形成了产业集群。产业集群通常由一家或多家世界级制造商及一家附近的研究机构牵头引领,通过产研结合吸引中小企业“入群”,最终形成全面配套研发和生产的生态圈。由于具备合适技能的人才更愿意在顶尖集群就业,企业在产业集群便能接触更多人才资源,当地院校机构通常也会与当地企业建立校企合作,为企业招聘提供便利。如果企业能就近采购部件或物料,供应链风险也会大大降低。

 

 

与此同时,集群内的企业可以分摊水电、共享物流,因此有很大的降本潜力。例如,公司可以共用仓库或“团购”货运单。当一家企业需要帮助时,附近的供应商或许就可以“救急”,比如让供应商快速派技术人员进行现场支持。

 

 

当地方政府看到产业集群不断扩大,并在地方经济中愈发举足轻重,便更有可能补贴晶圆厂、投资先进工艺制程研发,或给予税收优惠,帮助企业降低运营成本。最重要的是,这种支持政策能吸引行业头部企业“入群”。

 

 

创造有利的设计与制造环境

 

 

除了晶圆厂的规模化和集群化,半导体企业必须做好长期发展规划,优化研发、供应链和人才职能,并学会适应不断变化的政策,加强知识产权保护。

 

 

推动先进工艺制程研究

 

 

半导体企业很清楚,成功取决于研发实力,尤其是如何同时缩小尺寸并提高性能。然而新冠疫情带来了全球经济的不确定性,行业收入或将严重受挫,致使内部创新资金受限。外部投资者也可能“退一步观望”,因为半导体的先进工艺制程研发周期都很长。比如,极紫外线技术(EUV)约在1995年就获得了第一笔研发资金,但直到25年后的今天才在生产中实际应用。半导体研发同时伴随高风险,因为企业经常要研究不成熟的技术和工艺。例如,半导体企业可能会涉足量子计算业务,但很难预测对该技术的需求时机(参见侧栏“量子计算与半导体行业”)。

 

 

量子计算与半导体行业

 

 

一些高科技企业领导认为量子计算将是下一波技术进步的主角,业界人士也在密切关注该领域的发展。有人甚至在问,量子计算是否将全面取代传统计算机。基于量子计算的现状,我们认为至少在短中期内,该技术将于作为计算机的补充,而非取代计算机。例如,量子计算将在设备或应用中集成,减少加密和特殊数据的处理时间。考虑到量子计算机的功能范围,传统计算机仍将是人们的首选。

 

 

随着企业对量子计算投入的不断攀升,该技术最终可能在多个功能的处理功率和速度上带来里程碑式的提升。与此同时,量子计算也能带来降本空间。如果企业能持续关注该领域的发展,长线投资,便可抓住机遇,创造价值。

 

 

在这样的大环境中,政府支持(一直很重要)对技术研发愈加重要。企业可能需要大力争取政府经费,在为晶圆厂选址时也要积极考虑政府支持。如前文所述,当企业加入行业或企业集群后,促进了地方经济发展,所以也更容易获批政府资金。

 

 

通过密切追踪学术机构和初创公司的研发活动(包括其在新材料和新技术方面的出版物),企业也可能获得研发优势,避免错过有潜力的市场动向。

 

 

最后,半导体公司还应面向整个产品谱系加强研发力度,按照梳理的研发重点制定计划,并按计划贯彻落实。通过对研发投入的持续监控,及时调整资源分配,确保资金投入到需求前景较高的领域,企业便能实现投资回报最大化。

 

 

提升供应链韧性

 

 

半导体企业一般在全球采购零件和设备,而某些产品服务的市场仅由个别公司主导,供应链安全风险较高。若一家关键供应商无法发运或延迟交付,生产线便可能停产。若企业碰到大规模应急事件,受到的影响将更为剧烈,新冠疫情引发的全球管控便是典型案例。

 

 

除了供应链风险外,芯片需求也常变常新。为了防止意外的供应短缺,企业需要灵活、有韧性的供应链,以便迅速调整,及时应对。企业可开发多个货源,从多家供应商采购关键组件,若难度较高,企业可建立安全库存,储备关键部件和物料,应对可能的断供。

 

 

虽然这些措施可以为供应链提高保障,但也会增加成本。在新冠疫情的当下,行业动荡,如此支出或许合理,但从长期来看,半导体企业必须密切关注供应链,提升韧性,攻克薄弱环节,并制定有针对性的应对策略。例如,企业可以物色并扶持本地供应商作为储备货源。当然,具体解决方案因企业而异,因为每家公司的需求和供应商网络均有所不同。

 

 

延揽全球人才

 

 

独立于产业集群外的半导体公司可能会面临人才挑战,因为本地人才可能不具备合适的技能和专业知识。若企业无法加入集群,也可在法律允许的情况下,延揽更多外籍人才。一些政府可提供相应支持(如放松签证要求),刺激本地半导体市场的发展。此外,企业还可以在东欧或印度等地新建研发中心。尽管某些地区可能缺乏芯片设计人才,但软件开发人才丰富。在半导体行业,软件能力的重要性在不断提高,企业或可结合现有芯片设计能力与新的软件开发能力,以此增加竞争优势。

 

 

熟稔政府政策,保护知识产权

 

 

在扶持当地半导体产业发展上,政府有多个抓手:一是制定有利增长的监管政策;二是为创新提供资金支持;三是创造有利于吸引人才的环境。在理想情况下,政府应该始终维持这些支持政策,但过去几年,多地政策变化频繁,也出现了一些不利于行业发展的新规,例如限制高技能人员入境的移民法规。但也有许多政府最近加大了对当地半导体行业的扶持力度,有些政府还提供了新的补贴。企业需要密切关注政策变化,快速调整,既能维持业务健康增长,也能抓住新机遇。

 

 

半导体企业也应关注专利环境,保护自身知识产权。由于来自其他行业的许多新进者(包括汽车公司、超大规模云服务提供商、智能手机公司和初创企业)都开始自研芯片并申请专利,知识产权保护需求如今空前高涨。半导体行业投资回报周期十分漫长,如果缺乏知识产权相关政策,企业可能难以维持创新。

 

 

 

 

先进工艺制程的芯片开发挑战重重、成本高昂,需要巨额资金投入,若建设晶圆厂,投入将更为巨大。为了全面提升设计与制造能力,同时有效控制成本,企业需要制定专项战略,合理规划研发投资,制定新建晶圆厂的潜在方案(可能是第一家晶圆厂)。企业还需积极探寻政府支持以及产业集群的网络效应,并针对供应链、知识产权和其他关键领域进行战略优化,才能在激烈的竞争中再攀高峰。

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