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「晶体管」芯片行业的困境( 二 )


而后 ， 晶体管又进行了更剧烈的结构变化 。 从20世纪60年代到2011年 ， 晶体管都是一层一层叠放在一起制造的 。 然而 ， 即使是更绝缘的材料也不能防止漏电 。 因此 ， 工程师将更复杂的三维结构代替了这种平面布置 。 从2011年发布的22nm节点到当前的5 nm节点 ， 这种新结构一直占据主导地位 。 但是 ， 由5nm继续向下发展时 ， 即使这种结构也会出现漏电的情况 。 因此 ， 工程师为未来的3nm节点开发了一种全新的结构 。 它是由几个原子组成的 ， 进一步减小了晶体管的厚度 ， 使得先进工艺向3nm发展成为了可能 。
今天 ， CPU的不断进步和领先于专用芯片的趋势正在走向终结 。 技术难题正在以比半导体市场增长更快的速度增加摩尔定律改进的成本 。 最终 ， 这些经济和技术因素表明 ， 实际晶体管密度将进一步落后于摩尔定律所预测的水平 ， 并且我们可能会面临晶体管密度没有进一步得到显着改善的挑战 。
晶体管开关速度的不断提高和晶体管功耗的降低使CPU优于专用芯片 。 在通用芯片占主导地位的时代 ， 专用芯片无法产生足够的销售量来弥补高昂的设计成本 。 专用芯片的成本高昂 ， 是因为专用芯片从设计上就是在针对CPU的特定任务进行改进 。 当快速的频率缩放仍可带来巨大的速度和效率优势时 ， 专用CPU的运算能力很快就被下一代CPU所抵消 ， 下一代CPU的成本分散在数百万个芯片的销售中 。 如今 ， 摩尔定律的放慢意味着CPU不能再像以前那样进行迅速迭代 。 在这种情况下 ， 专用芯片的使用寿命得以延长 ， 使其更具经济效益 。
成本的增长速度快于半导体市场
在细节上的技术困难不断增加 ， 推高了整个供应链的高端半导体研发成本 。 半导体行业的不同行业基于各自的优势 ， 在不同的地区进行实现了本地化 。
价值最高的行业 ， 尤其是SEM、晶圆厂和芯片设计行业 ， 其成本增长和整合的速度特别快 。 半导体制造设备成本(11%)和每个芯片的设计成本(24%)的年增长率都高于半导体市场(7%) 。 而半导体研发人员的数量则又以每年7%的速度增长 。
自本世纪初以来 ， 半导体制造成本(包括晶圆厂和SEM)的年增长率一直保持在11% 。 固定成本的增长速度快于可变成本 ， 这造成了更高的壁垒 ， 挤压了晶圆厂的利润 ， 并导致致力于先进节点的晶圆厂代工厂数量的正在减少 。 图2显示台积电(TSMC)在晶圆厂的建造上投入的成本增加最大 。 目前 ， 在5纳米节点上只有两家芯片制造商:台湾的台积电(TSMC)和韩国的三星(Samsung) 。 英特尔紧随其后 ， 计划推出7和5纳米节点;GlobalFoundries和中芯国际(SMIC)则推出了14纳米(见表1) 。
「晶体管」芯片行业的困境
本文插图

图2：台积电先进节点的晶圆厂成本
光刻机是众多半导体设备当中最昂贵和最复杂的部分 ， 其成本已从1979年的45万美元/件上升到2019年的1.23亿美元/件 。 目前只有荷兰的ASML光刻公司能够制造最小5纳米晶体管的光刻设备 。 除此之外 ， 尼康在日本是唯一可生产大量的光刻机的企业 ， 其出售的设备使用于≤90纳米的制程工艺上(见表1) 。 最终 ， 在先进节点上增加光刻设备和晶圆厂的研发成本的企业 ， 可以从缓慢增长的全球半导体市场收回成本 。
「晶体管」芯片行业的困境
本文插图

同时 ， 如图3所示 ， 多项估计表明芯片设计成本呈指数级上升 。 当与台积电的节点引入日期相匹配时 ， 根据国际商业策略（IBS） ， 每个节点的设计成本每年增加24% 。 由于它们的通用用途 ， CPU具有规模经济优势 ， 使美国公司Intel和AMD能够在服务器和台式机和笔记本电脑等个人电脑（PC）的CPU设计方面保持长达数十年的双寡头垄断地位 。


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