Основы экономики полупроводникового производства

Как-то давным-давно – в начале века — я покупал обычный мобильный телефон, самый дешевый, стоил он что-то около 15 или 20 евро. И к нему чехол. Который тоже стоил около 15-20 евро. Данный факт меня поразил – телефон, в котором стоит полупроводниковый чип, являющийся вершиной развития человеческих технологий, для производства которого требуются оборудование на миллиарды долларов, высококвалифицированные специалисты, обучавшиеся в университетах и защитившие диссертации, результаты научных исследований тысяч ученых – и все это стоит столько же, сколько обычный чехол, технология производства которого за последние несколько тысяч лет сильно не поменялась. Как так? Давайте попробуем понять.

Введение

Сразу оговорюсь, что приведенные в статье цифры не являются точным расчетом себестоимости конкретного продукта. Тем не менее, цифры взяты не с потолка, а из опыта работы на крупной полупроводниковой фабрике (GlobalFoundries, бывший завод AMD) и руководства небольшой Qimonda ^[1] – себестоимость их памяти (DRAM) была выше цены модулей памяти юго-восточных производителей).

Из чего складывается себестоимость полупроводниковой продукции?

Давайте сравним себестоимость выпуска продукции на фабрике с разным размером пластин (диаметром от 100 мм до 300 мм), разной загрузкой производства и разным выходом годных. Для этого нам надо будет понять, какие расходы необходимы для производства, как они зависят от объемов производства, сколько чипов поместится на пластинах разного размера и какой будет процент брака (обратная сторона выхода годных).

Пусть наша фабрика производит КМОП логику, с максимальным объемом выпуска 600 000 пластин в год. На оборудование мы истратили $1 млрд.

Расходы

Расходы на производстве делятся на два типа – постоянные, которые не зависят от объема производства и прямые (переменные) – которые напрямую зависят от объемов производства. Кроме того, некоторые (непрямые) затраты будут увеличиваться с объемом производства, но не пропорционально ему.

Прямые расходы

• Кремниевые пластины. Самый очевидный компонент полупроводникового чипа, но его вклад в себестоимость довольно небольшой. 100 мм пластина стоит около $30-$40, 300 мм – $70-$80. Как мы увидим в дальнейшем, пластина вносит вклад в себестоимость около 1%. Мы не будем рассматривать случаи использования пластин КНИ (их стоимость на порядок больше).
• Химикаты и газы. В современном техпроцессе содержится порядка 300 шагов. Некоторые из них требуют дорогостоящих химикатов (например резист для литографии или мишень для напыления металла), некоторые вообще не требуют химикатов (например, метрология) или они очень дешевы (например, окисление кремния в кислороде). Рассчитать точное количество химикатов и их стоимость на каждую операцию довольно сложно, но если просто взять общие затраты на химикаты и разделить на количество операций и пластин, то расчеты существенно упрощаются. В таком случае на одну операцию над одной пластиной уйдет примерно $10 химикатов. Таким образом, если у нас в техпроцессе 300 операций, то мы истратим $3000 на изготовление одной пластины.
• Маски (фотошаблоны). Если мы производим много продуктов и постоянно их меняем, то затраты на фотошаблоны будут существенными. Если же мы производим один продукт, то расходы на фотошаблоны не будут зависеть от объемов производства. Для простоты анализа предположим, что мы производим только один продукт и включим затраты на изготовление фотошаблонов в постоянные расходы.

Непрямые расходы

• Электричество. На первый взгляд, это прямые затраты, но на самом деле потребление электричества не прямо пропорционально объему производства. Дело в том, что полупроводниковое оборудование находится постоянно во включенном состоянии, даже если простаивает. Делается это потому, что выход в рабочий режим может занимать довольно много времени. Например, в вакуумном оборудовании, широко используемом в полупроводниковом производстве, большая часть электроэнергии потребляется насосами, которые постоянно работают; печи поддерживают рабочую температуру, работают системы водяного охлаждения, вентиляции и кондиционирования чистых помещений и т.д. Таким образом, при увеличении объемов производства потребление электричества вырастет несущественно и так как его доля в себестоимости не такая большая, в первом приближении мы можем считать, что это постоянные расходы, которые не зависят от объемов производства.
• Фонд оплаты труда. С увеличением объемов производства вам может потребоваться больше сотрудников, но связь не прямо пропорциональная. Во-первых, количество административных работников практически не изменится. Во-вторых, количество инженеров может возрасти, но незначительно. При работе фабрики 24/7 инженеры работают 8/5 и только некоторые дежурные покрывают выходные. При увеличении количества смен пропорционально вырастет количество операторов, но, во-первых, при высокой степени автоматизации производства много операторов не нужно, во-вторых, это относительно низкооплачиваемая категория сотрудников. Таким образом, при введении 4 смен на производстве вместо одной затраты на оплату труда вырастут процентов на 20 – 30.
• Обслуживание и ремонт оборудования. Составляют в год где-то 5% от стоимости оборудования. Очень много постоянных регламентных работ, которые иногда зависят, иногда не зависят от объемов производства. Общая сумма затрат не прямо пропорциональна объему производства.

Постоянные расходы

Сюда входит все остальное, что не зависит от объемов производства – амортизация оборудования, аренда земли, ремонт зданий, поддержание работоспособности офиса и т.д. и т.п. Отдельно остановимся на амортизации. Путь оборудование амортизируется за 5 лет. Тогда при общей стоимости оборудования в $1 млрд мы должны включить в расходы $200 млн в год.

Сложив все в кучу, увидим, что наши постоянные расходы составляют примерно $1.5 млрд в год и пусть они растут на 10% при введении одной дополнительной смены. Таким образом стоимость одной пластины будет складываться из прямых затрат на производство одной пластины + постоянные затраты на всю фабрику разделенные на количество пластин = $3100 + $1.5 млрд/объем производства. Произведем первые подсчёты:

Первый вывод который мы можем сделать: нам выгодно загружать нашу фабрику по максимуму – это существенно снижает себестоимость одной пластины (в два раза при переходе от одной смены к четырем). Теперь давайте поговорим о чипах – ведь для конечного потребителя важна стоимость именно чипа, а не всей полупроводниковой пластины.

Размер пластин

Полупроводниковые пластины от 51 мм до 200 мм. Источник: Википедия, By German Wikipediabiatch, original upload 7. Okt 2004 by Stahlkocher ^[2] de:Bild:Wafer 2 Zoll bis 8 Zoll.jpg ^[3], CC BY-SA 3.0 ^[4], Link ^[5]

Чтобы узнать, сколько чипов будет на пластине нужно знать размер чипа и размер пластин. В интернете есть удобный калькулятор ^[6], который позволит быстро прикинуть, сколько чипов поместится на пластины разного размера. Для примера возьмем чипы разных размеров, «большой» Intel Sandy Bridge E 6C (435 мм2) и «маленький» Qualcomm Snapdragon 835 (72.3 мм2) и посмотрим, сколько их поместится на пластины разных размеров. Disclaimer: чипы взяты просто для примера размеров, последующий расчет себестоимости не имеет ничего общего с реальной себестоимостью данных продуктов. Кроме того, понятно, что один и тот же чип нельзя сделать на 100 мм и 300 мм пластине, но мы же рассматриваем сферическую фабрику в вакууме, поэтому давайте просто посчитаем.

Учитывая, что себестоимость изготовления одной пластины практически одинакова, из данной таблицы делаем два очень важных вывода:

• Чем меньше чип, тем больше их на одной пластине, тем он дешевле. Следовательно, уменьшая размеры транзисторов мы можем либо уменьшить стоимость при той же функциональности (не меняя количество транзисторов чип будет меньше), либо увеличив количество транзисторов не меняя размер чипа мы получим увеличение производительности/функциональности при той же стоимости (тот же размер чипа). Становится понятной гонка за уменьшение размеров транзисторов (закон Мура ^[7]): либо дешевле, либо выше производительность при той же стоимости.
• Чем больше пластина, тем дешевле один чип. Стоит отметить, что оборудование для размеров пластин от 100 мм до 200 мм практически одно и то же, так что стоимость обработки одной пластины 100 мм, 150 мм и 200 мм будет одинаковой. Для 300 мм оборудование дороже, так что мы должны увеличить постоянные расходы (амортизация и обслуживание) для последующих расчетов. Примем это увеличение равным 50% от стоимости постоянных расходов.

Выход годных (yield)

Пример карты выхода годных чипов пластины. Красным обозначены дефектные чипы. Источник: DOI: 10.1155/2015/707358

Как любит повторять руководство полупроводниковых фабрик We have three major goals: yield, yield and yield (У нас есть три основных цели – это выход годных, выход годных и выход годных). Выход годных влияет на себестоимость напрямую – чем больше выход годных на пластине, тем дешевле чип, так как стоимость пластины не меняется (с точки зрения экономики, увеличение брака эквивалентно уменьшению размера пластины). На первый взгляд, концепция выхода годных довольно проста – просто считаем процент рабочих чипов, но там есть свои нюансы.

Если чип простой, например, модуль беспроводной связи телефона, то он либо работает, либо нет, тут все просто. Если же чип сложный, например, имеет несколько ядер и графический сопроцессор на одном кристалле, то тут все несколько хитрее. Если вам повезло, то работает все. Если нет, то, например, из четырех ядер работает только два. Или не работает графический сопроцессор. Что делать в таком случае? Очень просто – делаем линейку продуктов: четырехядерный процессор с графикой, двухядерный процессор с графикой, двухядерный процессор без графики и т.д. Кроме того, они могут работать на разной частоте (ну, так получилось из-за разброса размеров приборов на пластине). То есть, если вы видите линейку процессоров, это не значит что там несколько техпроцессов и фотошаблонов. Скорее всего техпроцесс один, а после окончания изготовления процессоры сортируются по результатам финальных измерений.

Еще один аспект состоит в следующем: выход годных падает в основном из-за дефектов, у которых есть определенная вероятность возникновения на единицу площади полупроводниковой пластины. Очевидно, что у чипа большего размера вероятность поймать дефект и выйти из строя больше, чем у чипа меньшего размера. Таким образом, выход годных мелких чипов будет больше выхода годных крупных чипов при одинаковом количетсве дефектов на пластине.

Расчет себестоимости

Итак, мы выяснили, что у нас есть несколько главных факторов, влияющих на себестоимость чипа:

• Объем производства
• Размер пластин
• Размер чипа
• Выход годных

Построить сводную 4-х мерную таблицу довольно затруднительно, поэтому посчитаем несколько примеров:

Себестоимость чипа (в $) размером 72.3 мм2 с выходом годных 80% для фабрики работающей с разной загрузкой и разным размером пластин:

Прейдя от 100 мм пластин к 300 мм и от одной смены к четырем мы уменьшили себестоимость чипа в 20 раз!

Себестоимость чипов (в $) разного размера в зависимости от выхода годных на пластине 300 мм при полной загрузке фабрики:

Ну вот мы и получили ответ на исходный вопрос – как мобильный телефон может стоить несколько десятков долларов при том, что там стоит высокотехнологичная продукция. Мы с вами начали с миллиардных инвестиций и миллиардных бюджетов и пришли к тому, что себестоимость одного небольшого чипа (вряд ли он сильно большой в простом кнопочном телефоне), произведенного на полностью загруженной фабрике работающей на 300 мм пластинах измеряется единицами долларов.

Теперь, просто из любопытства, давайте посмотрим, что получится, если мы захотим организовать производство чипов в России.

Производство чипов для российского рынка

Disclaimer: все цифры и названия выдуманы, любые совпадения случайны.
Допустим, мы организовали некую компанию «Нанометр» и хотим производить некий процессор «Саяны» размером 256 мм2. Для этого мы закупили оборудования на примерно $1 млрд, которое работает на 200 мм пластинах и способно выпускать 600 000 пластин в год. На одной пластине у нас получится 91 чип и пусть мы добились выхода годных в 70%, то есть с одной пластины мы будем получать 63 чипа. Используя вышеприведенные расчёты, оценим себестоимость производства таких чипов:

То есть, общая себестоимость всех произведенных чипов будет составлять $3.5-3.8 млрд. Главный вопрос – а есть ли в России рынок для сбыта десятков миллионов процессоров (ну или любых других чипов)? Мировой рынок полупроводников составлял около $463 млрд в 2016 ^[8], российский рынок, по разным оценкам, составляет от 0.3 до 1% от мирового, т.е. где-то $2-4 млрд, что примерно равно себестоимости всей нашей продукции, а нам же хочется еще и прибыль, да и на рынке мы не одни. Получается, что если мы хотим производить чипы для внутреннего рынка, нам нужно либо выходить на мировые рынки (и сбывать там существенную долю нашей продукции), либо загружать фабрику не полностью с соответствующим увеличением себестоимости (ну и цены для конечного потребителя).

Заключение

Даже если вы вложили миллиарды долларов в оборудование и функционирование полупроводникового завода, вы можете производить довольно сложные чипы, себестоимость которых будет исчисляться десятками долларов (а для мелких единицами). Для этого вам нужно полностью загрузить вашу фабрику (работать 24/7), использовать 300 мм пластины, постараться сделать чип как можно меньше и добиться высокого выхода годных. И не забудьте найти тех, кому вы собираетесь эти чипы продавать – иначе дешевыми они не будут.

Автор: Денис Шамирян

Источник ^[9]