半导体设计和制造：实现尖端技术的能力

整理自——mckinsey

芯片微缩之争愈演愈烈，半导体公司需要一个新的战略，从芯片的大小到供应链问题都要考虑。

半导体是科技界的无名英雄，在幕后为从玩具、智能手机到汽车和恒温器的一切事物提供动力。近年来，它们促成了人工智能和机器学习等突破性技术的出现，这些技术改变了我们的生活和工作方式。要把数字革命提升到下一个水平，就需要拥有更强计算能力和存储能力的更先进的芯片。

随着COVID-19危机对供应链的破坏和地缘政治紧张局势的加剧，半导体公司对实现尖端技术的端对端设计和制造能力越来越感兴趣。许多政府都有同样的兴趣，并试图支持本国的半导体市场。但是新的晶圆厂和广泛的研发计划需要数十亿美元的投资，这对生产前沿技术至关重要。在这些方面的失误，松懈的成本控制，或者低于预期的需求，都可能严重降低，甚至会使公司的投资回报率消失。领先的芯片设计和制造还需要在研究、供应链、人才和知识产权保护方面的强大支撑，以及驾驭政府政策的能力。尽管半导体公司可能在其中一些任务上表现出色，但很少有公司具备全面的顶级能力。

考虑到建立工厂基础设施和提高员工技能需要延长时间，半导体公司需要一个实现设计和制造卓越的长期战略，这需要将制造问题、设备成本和增强内部能力等因素纳入考虑范围。

半导体设计和制造的复杂性和成本逐步增加

在过去的十年里，对尖端技术领导能力的需求已经从一个模糊的目标转变为半导体公司的绝对需要。摩尔定律速度有所放缓。随着复杂性的增加，芯片上的结构尺寸缩小了。

只有少数公司有能力设计和制造节点尺寸为14纳米及以下的先进芯片，因为在设计、研发、缩放和其他工艺中需要大量的技术和投资。与此同时，对这些芯片的需求正在飙升。在包括人工智能和机器学习在内的一些主要细分市场中，由于它们结合了强大的性能和较低的功耗，所以14nm以下的芯片至关重要。

除了少数人之外，所有人都面临着一个艰难的市场

半导体行业稳定的技术改进记录创造了赢家通吃的格局，如果你能在在几个领域一枝独秀那将变得很了不起。如果一家公司的产品或服务比竞争对手的稍好一点，它通常就会占据行业收入的很大一部分，甚至是绝大部分。这种现象在从设备生产到芯片制造的整个价值链上都很明显。想要挑战巨头可能很难赶上，因为那些先进的企业往往在技术发展方面领先好几年。

我们对2015年至2019年的254家半导体公司产生的经济利润进行分析，赢家通吃的影响变得显而易见(表1)。我们的分析涵盖了所有类型的行业参与者，从设备和材料供应商到为不同终端市场制造专门芯片公司。我们发现，在从2008年金融危机中复苏之际，许多公司的经济利润都出现了强劲增长，尽管它们的利润率与过去的水平相似。

在调查案例中，有几个厂商因其极高的经济利润而显得格外亮眼。这些顶级公司大多专注于前沿技术，并继续努力追求更小、更高效的半导体。一般来说，顶级公司专注于一个产品部门或价值链中的一个步骤，因为实现和保持研发和制造的领导地位需要付出巨大的努力。

一项特定的业务——或者一个地区内的一组企业——可能会成为专业知识的中心。

英特尔——在台式机和笔记本电脑cpu市场上占据主导地位。

高通——智能手机系统芯片市场的强者。

台积电——芯片制程的领先者。

ASML——光刻机一家独大。

三星——内存市场处于领先地位。

NVIDIA——在美国主导着显卡市场。

此外，几乎所有用于半导体制造的特殊化学品都来自日本。日本和韩国公司生产了大部分的硅片。

虽然专业化带来了竞争优势，但它也意味着半导体公司和相关业务高度相互依赖。如今，没有一家本地市场或公司具备端到端半导体设计和制造所需的全部能力。如果供应链出现类似今年因疫情危机而发生的严重中断，就可能出现生产瓶颈，某些芯片可能出现供应短缺。

投资过高，回报滞后

在制造和研发领域的领导地位不仅仅是赢得市场的主要武器;也是成本控制的关键。在过去的十年里，这个武器比以往任何时候都更加重要。

首先，考虑工厂建设。目前，建造和装备5nm生产线的成本约为54亿美元，是10nm生产线成本(17亿美元)的三倍多。大部分紧密架构需要更高的精度。例如，光刻现在使用极端紫外线，就增加了工具的成本。

研发方面。随着芯片变得越来越小，研发工作变得越来越具有挑战性，因为研究人员要处理量子效应、微小的结构变化和其他可能使研发复杂化的因素。设计一个5纳米制程芯片的成本，从验证到IP认证的各个环节约为5.4亿美元。这远远高于设计10纳米制程芯片所需的1.75亿美元和7纳米芯片所需的3亿美元。我们预计研发成本将继续上升，特别是对于尖端产品。

尽管半导体公司必须为新晶圆厂投入数十亿美元，但它们的投资不会立即看到回报。建造一个Fab和安装所需的工具大约需要12到24个月，再加上另外12到18个月才能达到满负荷生产。如果需求超出预期，或者成本超出预期，那么预期回报可能会远低于预期。

如何建立尖端晶圆厂同时控制成本

为了使风险和潜在回报更加清晰，我们创建了一个简化的模型来预测半导体公司何时能从新晶圆厂获得利润。该模型并没有提供精确的成本洞察，而是被设计为对获得投资回报的时间线给出一些一般性的估计。该模型侧重于以下因素:

经折旧时间、资本成本和其他因素调整后投入的资本支出(capex)

按工厂生产的产品的平均售价计算的年平均营收

运营支出，包括公用事业、劳动力和材料，因为这将影响公司偿还初始资本支出的速度

政府支持的数量——这是决定公司何时实现盈利的最关键因素之一

模型表明,在高利用率的情况下, 半导体公司可以期望在大约五年内，即使没有政府的支持，从他们的新晶圆厂也会获得正现金流。然而，如果晶圆厂的利用率低于产能，这个时间框架可能会显著增加。在极端情况下，产能利用率低于约55% - 65%，并维持在这一水平，企业可能处于可怕的境地。即使在最好的情况下，也就是获得政府高额补贴的情况下，以55%的产能运营，也需要近十年的时间才能看到投资回报。

在如此大的风险下，半导体公司必须在开始建厂之前彻底调查产品需求，包括可能的长期变化。如果他们决定继续下去，他们还应该尝试通过两种策略来降低每片晶圆的成本:工厂规模和产业集群。如前所述，它们还应考虑任何政府补贴的影响，因为这可以大大缩短达到收支平衡点的时间范围，使投资更具吸引力。

工厂规模

如今，半导体制造商通常会建造拥有大量生产线的大型晶圆厂。就在几年前，一个每周启动20,000片晶圆的工厂(wafer starts per week —wspw)还是一件大事。现在，领先的晶圆厂常规规模化生产，达到10万wspw规模。

除了增加产量，大型晶圆厂还带来了许多其他优势。在建造阶段，每平方米的成本较低。A厂的空壳在总投资中所占比例相对较小;在新晶圆厂，真正的成本驱动因素是洁净室技术和制造设备。

在建设阶段之后，大规模的运营可以降低成本，提高劳动生产率，降低每片晶圆的成本。例如，企业可以集中一些生产职能，如工业工程，以及一些支持职能，如人力资源和会计。运营两家较小晶圆厂将在每个厂址拥有重复功能，成本也会更高。劳动生产率也将提高，因为直接制造的员工，如维修和工程团队，将有更少的停机时间。如果一个地区或生产线运行缓慢，他们很可能需要其他地方的服务。这些较低的管理成本，加上更大的产量带来的更大利润，将增加半导体的利润。

规模的扩大还将帮助半导体公司提高整体设备效率(OEE)，即生产时间的总量。需求高峰和下降将会趋于平稳，因为一个工厂将会为多个客户服务，并且高吞吐量工具的利用率将会提高。更重要的是，半导体公司将能够生产更多的产品，并向捆绑订单或需要大量订单的客户提供批量折扣。

如果公司不能扩大现有的工厂或不想建立一个大型工厂，他们可以在一个地区设立多个工厂以获得规模效益。他们仍将能够将许多职能集中起来，并根据需求在工厂和生产线之间调动员工。

扩展可以帮助半导体厂商标准化流程，并减少与时区或语言差异相关的问题。大型晶圆厂在与当地供应商谈判时，也将拥有更大的影响力，因为它们将购买更多的量。规模化将帮助企业识别和分享从大量生产经验中获得的最佳实践。

工厂聚集效应

在建厂时，位置是最重要的考虑因素之一。在可能的情况下，半导体公司应该在产业集群中建立新的设备，即几个半导体公司或相关企业已经在一个相对较小的区域内建立了强大的存在。这些集群创造了一个互利环境，鼓励合作，促进企业之间的协同作用。集群参与者可以获得比独立运营的单个公司更高的性能水平和更大的国际知名度。

产业集群发展的地方，例如，在美国境内，在硅谷、凤凰城、纽约北部和奥斯汀都有芯片制造和设备集群。其他集群包括中国、德国、日本、新加坡、韩国和台湾。集群通常由一个或多个世界级的制造商和附近的研究机构领导——这个集群吸引了中小型企业，并最终创建了一个支持研究和制造的生态系统。拥有合适技能的潜在员工会被吸引到该地区，位于产业集群中的半导体公司也将有机会获得更大的人才库，而当地学术机构可能与当地公司有联系，从而为学生招聘提供便利。如果企业从附近的供应商那里接收零部件或其他投入，供应链中断的风险也会降低。

产业集群可以帮助参与者降低成本，因为它们创造了共享公用事业和物流成本的潜力。例如，几个公司可能能够使用相同的仓库，或者将它们的交付合并到单个货物中，企业间亦可互帮互助。

当地方政府看到产业集群的增长，并且对区域经济变得越来越重要，他们可能更有可能补贴工厂建设，投资于前沿研发，或者提供税收优惠来降低运营成本。最重要的是，这种支持可能会激励半导体领导者成为产业集群的一部分。

为有潜力的半导体设计和制造创造环境

除了要有一个稳固的战略来扩大和聚集晶圆厂，半导体公司必须发展长期的计划来改善他们的研究、供应链和人才功能。同时，他们必须学会如何驾驭不断变化的政府政策，确保知识产权得到保护。

促进前沿研究

半导体公司明白他们的成功取决于他们的研发项目的实力，特别是在缩小结构尺寸的同时提高芯片性能的能力。但COVID-19危机带来的全球经济不确定性可能严重打击行业收入，减少用于创新的内部资金。鉴于许多尖端半导体创新的发展时间很长，外部投资者也可能会退却。以极端紫外线技术为例，该技术在1995年前后获得了第一笔研究资金。25年后，终于投入生产。半导体研究也有很高的风险，因为公司经常调查未经验证的技术和流程。例如，半导体公司可能会将他们的业务扩展到量子计算，但是很难预测这种技术的需求何时会加速。

在这种环境下，政府对研究的支持

可能会成为成功的关键。企业可能不得不加紧努力，以确保公共资金，并在选择工厂地点时有所考虑。如前所述，考虑到它们对当地经济的重要性，属于某个行业或特定公司集群的公司可能更容易获得公共资金。

通过密切跟踪学术界和初创企业的研究活动，包括关于新材料和新技术的发表，企业还可能获得更多的研发优势。这有助于确保半导体公司不会忽视潜在的市场动向。

最后，半导体公司应该通过对其活动采取全面的、跨投资组合的观点来加强研发。他们应该对研发项目的优先顺序有一个清晰的逻辑。如果半导体公司持续监控研发支出，重新安排资源的优先次序，并确保资金投入到未来可能有高需求的领域，它们将实现收益最大化。

增加供应链弹性

半导体公司从世界各地的供应商那里获得零部件和设备，少数供应商在某些产品和服务市场上占据主导地位。这些因素使得半导体公司很容易受到供应链中断的影响。如果一个主要供应商不能交付产品或在最后期限前交货，生产线可能会陷入停顿。如为应对COVID-19大流行而实施的全球封锁，会产生更大的影响。

此外，半导体需求的不稳定加剧了供应链风险。为了应对意外的短缺，企业需要能够迅速调整的灵活而有弹性的供应链。从多个供应商采购关键部件可能会增强供应链的弹性; semicos可以储存必要的组件和材料，以防范未来的破坏。

虽然这些措施可能会保持生产，但也会提高成本。目前，在新冠肺炎危机造成大规模动荡之际，这样的支出或许是合理的。然而，从长期来看，semicos必须通过密切监控供应链、识别弱点并建立解决战略来提高弹性。例如，他们可以识别并提高当地供应商的技能，作为关键资源的第二个供应来源。确切的解决方案因业务而异，因为每个公司都有不同的需求和供应商网络。

获得全球人才

不属于产业集群的半导体公司可能难以招聘到员工，因为当地的人才库可能无法提供足够的具有正确专业知识和专业知识的人才。如果企业不能加入一个集群，他们可以招募更多的外国人才。一些政府可能会在这方面提供帮助，例如放宽签证要求，以刺激本地半导体市场。或者，企业可以考虑在东欧或印度等新地点建立研发中心。尽管一些地区可能缺乏芯片设计人才，但它们提供了丰富的软件开发人员。随着软件在半导体工业中越来越重要，半导体公司可能会通过将他们现有的芯片设计专业知识与新的软件能力相结合而获得竞争优势。

引导政府政策，保护知识产权

政府以多种方式支持本国半导体产业:制定有利于增长的法规，为创新提供资金支持，为吸引人才创造有利环境。理想情况下，政府应该始终如一地维持这种支持，但过去几年，许多地方的政策发生了频繁变化。其中一些措施对该行业不利，比如限制熟练工人进入的移民规定。但各国政府最近也表达了对支持本国半导体行业的愿望，一些国家还提供了新的补贴。时刻关注政策变化并迅速调整的半导体公司可以帮助其业务保持健康增长并捕捉新机会。

为保护自己的知识产权，半导体公司同样应该对专利环境保持关注。这种保护的必要性比以往任何时候都更大，因为其他行业的许多新参与者，包括汽车公司、超大型企业、智能手机公司和初创企业，已经开始开发自己的芯片并为其申请专利。如果没有可靠的知识产权政策，半导体公司可能难以维持创新，因为回报期太长。

制造前沿芯片是一个具有挑战性和成本密集型的过程，需要在研发方面进行巨额投资，在工厂建设方面的支出甚至更多。为了在半导体设计和制造方面达到卓越，同时又能控制成本，公司需要一个战略计划来进行研发投资，并有可能建立新的晶圆厂。它们还必须考虑与政府奖励和补贴有关的机会，以及它们作为一个半导体集群的成员可以获得的有利的网络效应。这些措施，结合供应链、知识产权和其他关键领域的改进措施，将有助于半导体公司在竞争日益激烈的环境中实现卓越的制造能力。