科技与狠活爆表的半导体，到底有多挣钱？

　　被制裁的美国存储芯片厂商美光科技（Micron），早前公布了2023财年第二季报告，当季在计提超14亿美元的库存损失后，总亏损金额23.1亿美元，这是美光过去二十年来最严重的季度亏损。无独有偶，SK海力士2023年Q1的净亏损约合32亿美元，三星电子存储芯片部门在2023年Q1也亏损了约30亿美元，而且半导体部门一直以来都是三星电子的主要利润来源，高峰期贡献了公司80%的利润，那半导体产业还能挣钱吗？
　　图1：存储芯片价格指数
　　三大存储厂商2023年Q1亏损，主要原因还在于DRAM和NandFlash价格持续走低，从上图的价格指数走势看，存储芯片平均价格在一年多来已经跌去了约57.8%，再叠加当前市场需求惨淡，库存高企的短周期影响，出现严重亏损在意料之中，属于特例。
　　半导体产业到底挣不挣钱？我们统计了15家全球主要半导体设计公司在2022年的营收数据，总销售额3,521.3亿美元，平均净利率为20.8%。8家主要晶圆代工厂，营收总额1304.6亿美元，平均净利润率高达33.8%，这些数据都远高于世界500强企业6.57%的平均利润率。点石成金的半导体产业
　　半导体是一个技术密集、资本密集、人才密集型产业，经过半个多世纪的发展，它已成长为一个年销售额超过5,735亿美元的重要支柱型产业。根据半导体芯片的制造流程，我们可以将产业链分为主产业链和支撑产业链。主产业链包括芯片设计、芯片制造和封测核心流程，支撑产业链包括EDA、IP、材料和设备。
　　图2：半导体产业链要素
　　当我们认真分析一下，会发现无论是主产业链还是支撑产业链，每个流程和环节都充斥着满满的黑科技。以目前最新的3nm芯片生产工艺为例，3nm尺度仅相当于十几个硅原子排列的长度，因此基于这种控制精度来批量生产芯片，是一件非常具有挑战性的工作，需要用到大量的精密设备和高纯度材料。
　　国际半导体产业协会（SEMI）的统计数据显示，2022年全球半导体材料的市场规模692亿美元，其中用于晶圆制造的材料451亿美元，用于封测的材料约241亿美元。也就是说基于这692亿美元的原材料，半导体产业创造出了5,735亿美元的市场规模，实现了超过8倍的增值，下面我们一起来捋一捋这个重科技行业里＂点石成金＂的秘密。
　　图3：半导体材料和半导体市场规模对比
　　芯片设计价值链
　　任何芯片在生产前都需要经过设计环节，是设计赋予了芯片的应用价值，因此它在产业链中的价值输出占比最高。芯片设计是一项庞大而复杂的工作，包括数字电路、模拟电路、物理后端、封装、测试等方面的设计等，它高度依赖于EDA（电子自动化设计）软件和IP（验证可重复使用的功能组块）来完成。
　　IC Insights统计的数据显示，2022年全球半导体企业的研发支出增至805亿美元。ESD Alliance和Ipnest的统计数据显示，2022年全球EDA软件市场规模将达到133.83亿美元，半导体IP市场规模将达到60亿美元。目前，美国企业在芯片设计环节仍占据主导地位，欧美芯片公司毛利率通常在50%~80%，国内的芯片公司也可做到35%~60%。
　　图4：芯片设计公司毛利率
　　在收集了包括intel、高通、SK海力士、博通等15家主要半导体设计厂商近期发布的数据，我们预估芯片设计环节2022年度的平均毛利率在49.5%，平均净利润率在20.8%。晶圆制造价值链
　　根据SEMI统计的数据，用于晶圆制造的材料主要包括硅片、光刻胶及配套试剂、光掩膜、电子特气、湿电子化学品、溅射靶材、CMP研磨垫及研磨液等。其中，硅片的占比最大，份额约为35%，电子特气、光掩膜、光刻胶试剂、及湿电子化学品的份额占比分别为13%、12%、8%和7%。
　　图5：2022年晶圆制造材料的构成
　　除了半导体材料外，晶圆制造的主要成本还来自各类昂贵生产设备的折旧。根据IC Insights统计的数据，2022年，厂商为扩充产能的资本支出额增加到1817亿美元。半导体设备的折旧年限通常是5-7年，以平均值6年来计算，可以估算出2022年度设备折旧费用预计在1064亿美元左右。
　　图6：历年半导体资本支出状况
　　因此晶圆代工制造环节，是一个高技术、高投入、高能耗的＂三高＂产业，根据台积电、联电、格芯、中芯国际等主要厂商公布的2022年营收和毛利率数据看，晶圆代工环节在2022年度的平均毛利率大约在53.1%，平均净利率达到33.8%左右，不负众望取得了＂高回报＂。
　　图7：晶圆代工厂毛利率数据未来之星-先进封装
　　封测是集成电路制造的最后一道工序，通常分为封装与测试两个环节，传统的封测行业属于资本密集和劳动密集型产业，技术含量并不太大。根据日月光、安靠、长电等厂商公布的2022年营收和毛利率数据看，封测环节的平均毛利率大约在17.6%，平均净利率约为9.3%左右。
　　随着3D、SiP、MEMS、FC、TSV、Bumping、Fan-Out、WLP等先进封装技术的出现，封测环节的技术附加值越来越高，先进封装的均价通常是传统封装均价10倍以上，而且占比正在不断提升。
　　图8：先进封装技术Roadmap
　　后摩尔时代，芯片性能提升遇到瓶颈，Chiplet应运而生，它采用同构扩展提升处理单元数量，或异构集成不同功能芯片两大方案，助力芯片算力提升，可以应对各种AI应用对大算力的需求。采用Chiplet系统级架构设计的芯片，可以让10nm工艺的芯片达到7nm芯片的等效集成度，而且综合的研发费用还更低，先进封装技术是Chiplet实施的基础和前提。
　　据Frost & Sullivan数据预测，中国大陆先进封装市场增长迅速，2021-2025的年复合增长率约为29.9%，预计2025年中国先进封装市场规模为1137亿元，占中国大陆整体封装市场的比例约为32.0%。制造良率决定盈利水平
　　半导体制造企业能否赚钱，有一个很重要的因素就是＂良率＂指标，半导体芯片生产的良率细分为Wafer良率、Die良率和封测良率，总良率就是这三种良率的乘积。一般情况下要求总良率在85%以上才具备量产条件，行业普遍的要求都在90%以上。
　　图9：提升良率是产业盈利的关键
　　更高的良率，意味着投入相同的资源可以产出更多的合格芯片，单颗芯片的成本自然就越低。因此对于3D NAND存储晶圆厂而言，1%的良率提升可能意味着每年增加1.1亿美元的净利润。而对于高端逻辑晶圆厂而言，1%的良率提升意味着1.5亿美元的净利润增长。
　　在晶圆的制造过程中，影响良率的因素很多，主要包括技术成熟度、Wafer尺寸、Die尺寸和环境因素。新工艺刚推出时良率通常会比较低，随着技术改良成熟度会不断提升。对于成熟制程而言，更大的Wafer和更小的Die尺寸有助于提升晶圆的良率和利用率。另外就是制造过程中材料纯度、尘埃、温湿度、光照度等环境因素对良率会产生较大的影响，因此芯片制造和封测对环境和材料的要求很高，通常都需要在超净的恒温、恒湿环境里进行。成本惊人的先进制程
　　台湾电子时报统计的数据显示，2004年台积电发布90nm工艺时，晶圆代工的报价还不到2000美元。随着制程不断进步，2022年最新推出的3nm制程晶圆代工价格将超过2万美元，有机构认为会超过3万美元。考虑到12吋硅片的材料成本约110美元，3nm晶圆制造过程中的价值增长超过180倍，台积电的毛利率约为60%，因此＂科技与狠活＂带来的成本上涨惊人。
　　图10：晶圆代工价格与制程的关系
　　调研机构IBS的统计数据显示，从成本的角度出发，晶圆厂在3nm制程的工艺研发投入需要40-50亿美元，建造一座月产4万片3纳米制程的晶圆生产线，成本需要150-200亿美元。如果按照5年平均分摊，制造每片3nm晶圆就需要分摊约1万美元的成本。
　　昂贵的不仅仅是代工费用，芯片设计公司在研发先进制程芯片的费用也同样价格不菲。芯片的研发费用主要包括芯片设计、IP、EDA、设备等费用。Semi Engineering的统计数据显示，28纳米制程的芯片开发费用大约为5130万美元，而最新的3nm工艺芯片，研发费用预计需要接近10亿美元。
　　图11：先进制程芯片研发费用
　　因此台积电2023年投产最新的第二代3nm制程N3E，目前也只有苹果最新的A17和M3处理器采用，高通和MTK的最新处理器预计还将使用较为便宜的4nm工艺。高纯度材料=高附加值
　　在晶圆制造环节需要用到大量的高纯度材料，例如用于芯片生产的超高纯度硅片，纯度要求达到99.999999999%以上，业内称之为11个9，工艺制程等级越高对硅片的要求就越高。同样，用于芯片制造过程中清洗和蚀刻的UP-SSS级（G5级）氢氟酸，其对金属杂质要求为 0.01ppb（ppb，十亿分之一，比ppm提升了一千倍），这些高纯度材料都具备制备难度大且价格昂贵的特点。
　　图12：湿电子化学品质标准
　　随着芯片工艺制程提升，对晶圆表面污染物的控制要求也越来越高。为了提升芯片制造良率，清洗成了重要工艺环节，工序数量约占所有芯片制造工序步骤的30%以上。在60 80nm制程里有约100个清洗步骤，20nm以下制程里的清洗步骤增加到200个以上。清洗工艺用到大量的超纯水，超纯水需要将水中的导电介质、杂质、气体和有机物几乎完全去除，电阻率要大于18.2MΩ*cm，避免在清洗时损害到复杂精密的晶圆表面。据悉，生产一个2g重的芯片大概需要32公斤的水资源，台积电3nm工厂一天的用水量高达13万吨。一尘不染的环境要求
　　环境因素对晶圆良率、Die良率和封测良率都会产生影响，因此它的重要性不言而喻。大家常见的用于半导体生产的＂黄光＂车间，空气净化通常要求达到百级（等同于ISO Class 5），也就是每立方英尺的空间中， 0.5μm之灰尘粒子不能超过100颗（3,520颗/立方米）。而在半导体生产的关键局部区域，需要达到ISO Class 2级和ISO Class1级水准。
　　图13：洁净室等级的国际标准
　　作为简单的数据对比，我们日常生活中，质量较好的空气中的粉尘粒子颗粒物数量一般每立方英尺有28.5万个左右，而在普通污染程度的城市空气中甚至多达2850万个。科技之光-光刻机
　　光刻机被誉为是半导体工业皇冠上的明珠，是半导体芯片生产的核心设备。自20世纪50年代以来，光刻技术经历了g-Line（波长436nm）、i-Line（波长365nm）、KrF（波长248nm）、ArFi（波长193nm，采用浸没式工艺等效134nm）和EUV（波长13.5nm）五个发展阶段。
　　图14：光刻机技术发展史
　　以目前最先进的EUV光刻机为例，它是由超过10万个精密零部件组成，设备重达180吨，根据型号不同单价在1.2-1.5亿美元，价值远超同等重量的白银。新一代的EXE：5000光刻机，将NA孔径从之前的0.33提升到0.55，是制造3nm以下制程的关键设备，这种光刻机价格约为3.2亿美元。
　　图15：EUV光刻机Roadmap
　　EUV光刻机之所以如此昂贵，是因为它所使用的技术都是最先进的，而且这些技术几乎都是逼近物理学、材料学以及精密制造的极限。包括德国的光学镜头、英国的真空设备、美国的EUV光源、日本的光刻胶等都全球最尖端的技术，汇聚组成了EUV光刻机的豪华版供应链。小结
　　在半导体芯片的主产业价值链上，芯片设计贡献了49.5%的毛利率，晶圆制造环节贡献了53.1%的毛利率，封测环节贡献了17.6%的毛利率，主产业链合计实现了2.7倍的价值提升。
　　但是从原材料到半导体整体市场规模之间有8倍的增值，这个差值落在支撑产业链上，不论是高纯度材料制备、各式设备制造还是EDA和IP服务，都通过各自领域的科技与狠活，为半导体产业的成长贡献了力量。
　　半导体芯片是现代信息社会的基石，是引领新一轮科技革命和产业变革的关键。因此半导体产业是当前的科技制高点，是全球各主要经济体的竞争焦点，不论是当前还是未来，发展前景都值得期待。