重估摩尔定律的经济学意义

摩尔定律使业界期望新节点每隔几年就能将功率、性能、面积和成本 (PPAC) 提高 15-20%。几十年来，PPAC 的这种改进证明了建造新制造厂的成本是合理的——在证明新工厂的合理性时，业界将 15-20% 的 PPAC 改进作为经验法则。

然而，随着摩尔定律的放缓，这个经济学并不那么清晰。最新的制造节点的开发成本变得如此之高，频率降低（节点之间长达四年），并且构建成本很高（150亿到200亿美元），只有最大或最高容量的芯片才能证明开发和制造成本是合理的.

对于使用较旧或“成熟”产品节点的汽车、移动和工业设备等行业，通常无法建立新的晶圆厂，因此必须在其他地方找到 PPAC 改进。因此，旧的 15-20% 经济经验法则对于这些增强功能来说只是糟糕的数学计算。现在是半导体行业重新思考后摩尔定律时代经济学的时候了。

虽然成熟节点中 PPAC 的改进可以来自建造更先进的晶圆厂，但这是例外而不是规则。取而代之的是，与建造新晶圆厂相比，还有其他可用的技术可以以更低的成本提供更好的改进。

PPAC 的增量改进可能来自升级设备、在旧节点中使用先进的制造技术，或者只是通过制造工艺工程师发起的小型技术调整来实现。但即使是那些也只提供了适度的改进。为了获得更显着的 PPAC 收益，该行业转向新的先进材料技术，以最小的资本支出和开发成本提高盈利能力。

产品经理仍然认为他们需要实现 15-20% PPAC 改进以增强其成熟节点，但这其实是被错误的数学误导，因为增强现有节点所需的投资远小于创建新节点所需的投资。相反，他们应该着眼于提高产品的盈利能力，而不是简单地通过新技术实现die微缩。他们可以通过多种方式提高盈利能力，包括由于更高的性能、更小的芯片面积/更多的芯片每片晶圆以及更多的销售额和每片晶圆的利润而导致的市场份额增长或 ASP 增加。

众所周知，由于更高的性能而带来的销售收益难以预测，因为没有人能确定市场将如何对改进做出反应。反而，工程师和产品经理倾向于关注die尺寸的减小，因为它与盈利能力直接相关。然而，仅靠缩小die尺寸过于简单，无法理解降低成本的全部潜力。通过查看毛利率，而不是固定在传统的 15-20% 的芯片缩小目标上，公司可以决定哪种流程重新设计最具有财务意义。

由于边缘损失，单单die收缩百分比是对成本降低的不完美估计——因为矩形芯片是在圆形晶圆上制造的，如果整个die不能容纳在晶圆边缘附近的区域，则不会使用它。因此，当一个die微缩时，边缘损失会更少，因此比die尺寸缩小所预测的die良率更高（图 1）。

为了证明裸片缩小非线性地增加了每片晶圆的裸片，让我们看一下在传统节点上制造的典型 36mm² 电源管理芯片。

缩小 5% 会使每片晶圆的裸片增加 5.5%，而缩小 10% 和 20% 将分别带来裸片增加 12% 和 26%。假设晶圆成本固定，在die缩小 20% 的情况下，die成本将至少下降 26%（基于好芯片/晶圆的数量），而不是最初估计的 20%。（注意，好的die数量会增加26%以上，因为随着die变小，良品率会提高。）由于die成本大约是产品总成本的一半，降低die成本26%可以减少成品产品成本大幅降低 13% 或更多——显著提高产品毛利率和盈利能力。

此外，这种工艺改进使晶圆厂能够将其有效芯片产量提高 26%，而无需显着额外的资本支出变化——为传统晶圆厂提供了一种增加产能和盈利能力的直接方法。

根据上面的等式，即使是每月 有10K 晶圆缩小 5% 的die尺寸，也能产生 330 万美元的额外月收入，以及 260 万美元的增量毛利率或利润，仅在短短几个月内就支付了制造资本支出成本（图2）。使用先进材料来减小芯片尺寸为这种新的经济模式提供了动力，并实现了可以显着提高半导体公司盈利能力的创新。因此，在当今晶圆价格上涨和传统晶圆厂寻求产能扩张选择的环境下，了解这些新经济非常重要。

鉴于拜登总统将 CHIPS 法案签署为法律，半导体行业将看到一大笔资金专门用于成熟节点的扩展。评估未来盈利能力的新材料技术将为实现美国传统的晶圆厂扩张目标提供一条重要的、可实现的途径。

摩尔定律在一个世纪的大部分时间里为我们提供了很好的服务，但现在是行业重新思考它所依赖的数学概念的时候了。在摩尔定律放缓的情况下，一种评估生产改进的经济影响的新方法对于做出正确的决策至关重要。半导体公司需要开始根据毛利率和利润做出决策，而不是仅仅根据芯片尺寸进行决策，而在成熟工艺节点内进行创新的最佳方式是采用新材料技术。现在是利用新材料的时候了。