漸行漸遠的18寸晶圓，已經不是5-10年能解決的問題

來自DigiTimes最近的消息，台積電從明年1月開始又會有一輪工藝漲價，價格漲幅大約在6%左右。其實去年台積電N7、N5這樣的先進工藝技術已經有過10%的漲價了，而像N16及更早的工藝價格漲幅甚至達到了20%。

當前台積電晶圓廠的利用率已經遠超過我們日常所說的「滿負荷」運轉率，似乎在短期內也沒有緩和的跡象。如我們此前撰文所述，半導體產業鏈較長，即便下游已經有部分行業出現市場飽和的狀況，上游的響應速度還是要慢一點。而且台積電現如今也有了新增長點，供不應求局面的延續也並不奇怪。

說起提升產能，我們的思路似乎普遍局限在現有工藝的CapEx投入上，包括建新廠等舉措。真正推動人類發展，在有市場需求時，率先考慮的難道不應該是技術革新嗎？比如說更大的晶圓。450mm/18寸晶圓，好像是個每年都可以一更的話題，但這種晶圓始終也沒有真正出現過。趁着這波缺芯大環境接近收尾時刻，再來談談450mm晶圓的未來。

把晶圓做大是需要時間的

我們知道200mm（8寸）、300mm（12寸）晶圓當下仍在廣泛應用。而實際上200mm和300mm晶圓也不是與生俱來的，時代跨入21世紀之際，300mm晶圓隨之誕生——實際上行業先進制造工藝從200mm轉向300mm，前後至少經歷了10年時間。

150mm晶圓時期的過渡牽頭者是Intel；200mm時期則是IBM；300mm晶圓的大量成本是由設備廠分擔的——先期海量成本投入的回本周期據說相當長。此前研究機構的數據顯示，當年150mm→200mm晶圓，歷時6年，過渡的資金投入大約是15億美元。而200mm→300mm，成本投入增長9倍，時間也變得更長了。理所當然的，行業認為300mm以後應當還會有450mm、675mm晶圓。

芯片die是從晶圓上切割下來的，芯片製造又涉及到良率、產量問題。把晶圓做大的價值在於每片晶圓可切割的die數量增多，能夠提升芯片的總體良率；與此同時每次處理的die數量增多，也極大降低了時間成本，增大了產能——更利於快速實現芯片的成本攤薄。從各方面來看，這都是很划算的生意。

摩爾定律的一部分內容是說，隨着工藝進步，製造成本也對應降低。將其量化，即表示製造每個晶體管的成本，隨着技術的發展在不斷下降。前不久我們在《半導體製造成本之謎：舊工藝罕見漲價的原因竟是...》一文中曾提到，實際從20nm工藝開始，單位數量晶體管的造價就已經不再下降了。這與技術迭代越來越不給力有很大的關係。

這種時候更要求行業尋求突破之道，做大晶圓似乎是個不錯的方向。很多年前，Intel有過研究，顯示從長遠來看，做大晶圓是能夠幫助加速單個晶體管製造成本的下降的。但行業為何始終未能從300mm走向450mm晶圓？

行業的預期總是很美好

我們此前一直在說foundry/fab廠普遍在尖端製造工藝的時間規划上熱衷於放衛星，這樣的傳統好像從來都沒有變過。Intel官網到現在還留有這樣一則新聞稿：2008年5月，Intel、三星電子、台積電宣布達成協議，準備合作共同過渡到450mm晶圓。這篇新聞稿還介紹了此前200mm→300mm晶圓的過渡歷史。

其中特別提到「為保持與歷史成長步調的一致性，Intel、三星和台積電都認為2012年是開始轉向450mm晶圓的合理目標時間」。現在看來，這個說法實在是太過樂觀了——即便在2022年，也就是其設定目標的10年之後的今天來看，450mm晶圓都還十分遙遠。

似乎後來，行業還曾調整過一次450mm晶圓開始應用的時間預期，調整為2015年……只能說技術的發展從不以人們的意志為轉移。畢竟如前所述，從150mm→200mm，以及200mm→300mm的歷史經驗來看，指數級的成本和時間增投入這一判定，可能都低估了450mm晶圓實現的難度。

就好像2年前，行業都在低估3nm工藝的CapEx成本投入，450mm晶圓的過渡前期費用或許比300mm時期投入的10倍都不止。要將現有半導體製造工藝全面遷往更大尺寸的晶圓，可不是一兩家foundry廠說了算的。上下游的各環節市場參與者，尤其是硅片供應商、不同的製造設備與材料供應商、芯片設計、封裝測試都面臨一次技術革新。涉及設計、製造、封測的各種工具都需要重新研發和投產。

這其中還有個更現實的問題，尖端製造工藝的建廠成本投入呈指數級增長，以及半導體市場發展速度還比不上成本增長率，當前從事尖端製造工藝的市場參與者就只剩下3個。這可比當年200mm→300mm轉向時的局面糟糕多了。基於450mm晶圓過渡的投入成本之巨大，前期可以牽頭的也沒剩幾家企業了；且海量成本需要由更上游的設備供應商承擔。

在尖端製造工藝的市場參與者持續減少，行業對450mm的前期巨額成本投入，預期收回成本的時間將是無法估算的。商業企業在這樣的事實面前，必然更不願意將注意力投入其中，致使450mm晶圓技術發展進程進入惡性循環。

5年多以前，國際電子商情刊文談到了18寸晶圓廠無人問津，或將繼續沉寂5-10年。這則語言的時間線好像又快到了。

偏離軌道越來越遠

當年由Intel、台積電、GlobalFoundries、IBM和三星合作組建的G450C可謂萬眾矚目。當年的這場合作準備了48億美金開發450mm晶圓相關工具與基礎設施、與供應商合作配套生態開發。當然現在看來，48億這個數目連一家尖端工藝foundry廠現在的年度CapEx投入都比不了。

2013年，在季度財報電話會議上，Intel當時的CEO還表示計劃不變，仍然堅持450mm晶圓的價值。次年3月有消息傳出Intel將450mm晶圓量產計劃延遲到2023年，同期光刻機供應商ASML決定暫停開發能夠處理450mm晶圓的新一代設備；下半年的媒體報道就提到，除了Intel以外，所有的主要工具製造商、晶圓廠都要重新評估計劃可行性。

有關G450C的消息此後偶爾見諸報端。2017年有消息提到G450C中的兩家企業已經在5年計劃後轉身離開。不過似乎在2014年之際，最早的這一波450mm晶圓計劃就已經被宣判了死刑。

幾個月前Gartner在SEMI ISS研討會上做過一個主題演講，題為2030年半導體行業能否達到1萬億美元營收。其中談到未來這段時間，會新開25個存儲器fab廠（產能100k片晶圓/月）、100個邏輯或其他fab廠（300mm晶圓產能50k晶圓/月）。

當時 IC Knowledge評論提及，半導體製造廠對資源的需求是巨量的。而450mm晶圓的面積是300mm晶圓的2.25倍。也就是說要達成相同的產能，則450mm晶圓所需的工廠數量將比300mm晶圓少2.25倍。換句話說預期要新建25個存儲器fab廠，若轉往450mm晶圓，也就只需要新建11個fab廠了；同理，100個邏輯或其他fab廠可以縮減為44個fab廠。

雖說應當無法達成2.25倍的資源節約，但各部分資源投入應當都會有所減少，包括人力成本、可管理性等。IC Knowledge預計450mm晶圓投入使用的話，每片die的凈成本縮減可以達到20-25%。

但現如今，450mm計劃漸行漸遠——已經不光是此前450mm製造計劃不再被人提起，還在於當前尖端製造工藝的技術發展路徑，讓行業進一步偏離了450mm晶圓發展軌道。ASML如今的EUV系統正嘗試更高high-NA數值孔徑。僅這一項就將未來數年的光刻技術釘死在了300mm軌道上，若轉向，則沉沒成本將相當巨大。

當前ASML的high-NA EUV系統是無法承載450mm晶圓的。IC Knowledge評論說，應用於300mm晶圓的這一系統如果要轉往450mm，則面臨巨大的工程挑戰。2017年預言的5-10年，大概率是無法兌現的。

Scotten Jones表示，半導體行業原本就有着短視的特點，這種短視通常以犧牲長遠利益為代價。原本450mm晶圓生產製造長期能夠帶來更好的成本效益，但短期卻必然面臨陣痛。到這兩年特殊時期面對的缺芯潮，以及單晶體管製造成本不再下降，暴露了行業的問題。更有甚者，基於當前技術發展需求，未來建那麼多新廠，要付出的資源代價會是巨量的。450mm晶圓有機會讓我們付出的代價更小，但目前行業已經沒有了這樣的機會。

責編：Elaine