美國掀起瘋狂的建晶圓廠熱潮

激石Pepperstone(http://hskilr.com/)報道：

根據(jù) SEMI 報告，由于多家芯片制造商開始為其在美國的新晶圓廠支付設備費用，北美在第一季度的晶圓廠設備 (WFE) 支出增長居世界首位，同比增長 50%。與此同時，隨著臺積電繼續(xù)為其在臺灣的晶圓廠采購尖端工具，臺灣在 WFE 支出方面仍處于全球領先地位。

SEMI 本周宣布，2023 年第一季度全球半導體設備支出已增至 268 億美元，同比增長 9%。中國臺灣以 69.3 億美元居首，同比增長 42 % ；中國大陸以58.6億美元緊隨其后，同比下降23%；韓國以 56.2 億美元排名第三，比 2022 年第一季度增長 9%；美國以 39.3 億美元位居第四，但仍同比增長 50%。

目前，包括英特爾、三星代工廠、臺積電和德州儀器在內(nèi)的多家公司正在美國建設和裝備新的晶圓廠。在美國建立新晶圓廠的興趣在很大程度上受到了CHIPS 和科學法案的催化。

SEMI 總裁兼首席執(zhí)行官 Ajit Manocha 表示：“盡管存在宏觀經(jīng)濟逆風和充滿挑戰(zhàn)的行業(yè)環(huán)境，但第一季度的半導體設備收入依然強勁?！爸С秩斯ぶ悄堋⑵嚭推渌鲩L應用的重大技術進步所需的長期戰(zhàn)略投資的基本面仍然健康?！?/p>

SEMI 的數(shù)據(jù)得到了美國人口普查局的美國制造業(yè)建筑支出數(shù)據(jù)的證實，該數(shù)據(jù)由 Apricitas Economics 的 Joey Politano 發(fā)布 ?， 他將快速增長歸因于 CHIPS 和基礎設施法案。

Politano在 Twitter 上寫道：“美國制造業(yè)的建設熱潮是巨大的，我一直不得不提高這張圖表上的 Y 軸?！?“由于 CHIPS 法案，計算機/電子制造業(yè)的歷史性增長，以及由于愛爾蘭共和軍而導致運輸設備（讀作：汽車/電動汽車）的大量增加?！?/p>

至于具體的州，得克薩斯州和亞利桑那州處于領先地位。

“美國新制造業(yè)建設的激增實際上集中在德克薩斯地區(qū)（去年為 320億 美元）、西部山區(qū)（尤其是亞利桑那州，去年為 300億 美元）和Rust Belt（去年為 220億美元） ），”波利塔諾在另一條推文中寫道。

美國大舉興建晶圓廠，十年投資2000億美元

根據(jù)半導體工業(yè)協(xié)會 (SIA) 的數(shù)據(jù)，美國在全球半導體制造能力中的份額從 1990 年的 37% 下降到 2021 年的 12%，但全球銷售的芯片中約有47%是在美國設計的，這種差距對美國國家安全和經(jīng)濟帶來了重大風險，這就是為什么業(yè)內(nèi)人士和政界人士最近都開始呼吁在美國建立半導體工廠。

他們的呼聲已被聽到，今天五家主要芯片制造商——格芯、英特爾、三星代工、臺積電和德州儀器正在美國建立新的半導體生產(chǎn)設施。這些努力將受到新一輪融資的支持，因為美國通過了一份法案，計劃為新的美國芯片廠注入 520 億美元，并提供新的稅收優(yōu)惠。這些資金將在未來幾年刺激一波新的投資，這是急需的。

中國臺灣、韓國和新加坡等國家和地區(qū)在 1990 年代和 2000 年代成為邏輯和存儲芯片的主要生產(chǎn)商有很多原因。除了這些地方的勞動力成本較低外，當?shù)卣捌涞胤疆斁诌€為芯片制造商提供了各種激勵措施，這就是為什么在亞洲建造晶圓廠比在美國和歐洲便宜得多的原因。

紐約和Saratoga County很早就意識到了這一點，并在 2006 年為 AMD 制定了現(xiàn)在被稱為 GlobalFoundries Fab 8 的計劃時，向 AMD 提供了重大激勵措施。然而，其他州和聯(lián)邦政府并沒有那么靈活，這就是部署全新的晶圓廠在美國變得罕見的原因。事實上，英特爾甚至調(diào)整了產(chǎn)能戰(zhàn)略，最終將 Fab 42 設備的搬入推遲了 5 年，將其上線推遲了 6 年。

雖然我們不能說美國的半導體生產(chǎn)行業(yè)近年來沒有增加產(chǎn)能——英特爾和 GlobalFoundries 都在 2010 年代后期逐漸擴大了產(chǎn)能——但全新的領先晶圓廠尚未部署在美國。但這即將改變。以下是這些變化發(fā)生的方式和地點。

英特爾：在美國的芯片設施上花費超過 400 億美元

英特爾無疑是美國最古老的芯片制造商之一，也是世界上最大的芯片制造商之一。它也恰好是唯一一家在美國投資超過 400 億美元新建半導體晶圓廠的公司，與一些制定長期計劃并選擇新晶圓廠的行業(yè)同行不同，英特爾正在向四家美國晶圓廠投資數(shù)百億美元，當中的一些長三年后上線。

目前，英特爾正在建設四個芯片生產(chǎn)工廠，兩個在亞利桑那州，兩個在俄亥俄州，以及一個在新墨西哥州的先進封裝工廠。

• 亞利桑那

英特爾于 2021 年 9 月下旬宣布，公司在亞利桑那州錢德勒附近的 Ocotillo 園區(qū)的Fab 52 和 Fab 62 破土動工，這些大樓的建設工作正在順利進行。根據(jù)計劃，這些晶圓廠旨在為英特爾及其英特爾代工服務客戶使用英特爾的Intel 20A 制造技術生產(chǎn)芯片。

英特爾的 20A 生產(chǎn)節(jié)點將是該公司第一個采用 RibbonFET 柵極環(huán)繞場效應晶體管 (GAAFET) 和 PowerVia 背面供電的工藝。這些根本性的改進有望帶來顯著的功率、性能和面積 (PPA) 改進。

英特爾的 Fab 52 和 Fab 62 將于 2024 年上線，耗資約 200 億美元。這些晶圓廠將有助于英特爾的 IDM 2.0 戰(zhàn)略，該戰(zhàn)略將找到該公司為其他公司制造芯片的首創(chuàng)。

• 俄亥俄州

英特爾正在俄亥俄州建造兩座尚未命名的晶圓廠，但它們對英特爾和美國芯片行業(yè)的意義不容小覷。多年來，英特爾逐漸擴大了其在亞利桑那州、新墨西哥州和俄勒岡州的大型站點。由于半導體供應鏈非常復雜，因此擴大現(xiàn)有園區(qū)非常有意義。英特爾需要當?shù)睾献骰锇椋ɡ缭牧瞎?、零件等）的支持?/p>

在俄亥俄州，英特爾希望建立另一個大型站點，該站點將容納多達 8 個半導體制造工商（我們認為也將包括一個先進的封裝設施，但英特爾尚未證實這一點）。該站點將需要約 1000 億美元的投資才能在未來十年內(nèi)全面建成。此外，新園區(qū)將要求英特爾的合作伙伴在當?shù)亟I(yè)務，這實質(zhì)上意味著美國半導體供應鏈的重大擴張。實際上，在所有在美國新建工廠的芯片制造商中，只有英特爾愿意從零開始建設一個新的巨型站點。

前兩個新晶圓廠位于俄亥俄州哥倫布附近，預計將在 2025 年某個時候能在英特爾的 Intel 18A/20A 節(jié)點上生產(chǎn)芯片。英特爾的 18A 制造技術旨在成為第一個利用 ASML 的 Twinscan EXE 0.55 High-NA 極紫外 (EUV) 光刻掃描儀的制造工藝。然而，今年早些時候，英特爾表示，通過采用multi-patterning的模式，它可以繼續(xù)使用當前的 Twinscan NXE 0.33 NA EUV 工具來實現(xiàn) 18A。但即使沒有High NA 工具，新技術也有望帶來各種功率、性能和面積 (PPA) 優(yōu)勢，因為它將依賴英特爾的第二代 GAA RibbonFET。

英特爾的大型晶圓廠項目最初將耗資超過 200 億美元，這將成為俄亥俄州歷史上最大的經(jīng)濟發(fā)展項目。為了將英特爾吸引到俄亥俄州，該州不得不向英特爾提供約 21 億美元的各種激勵措施。此外，英特爾正在向聯(lián)邦政府申請資金，但目前尚不清楚它將獲得多少資金。

事實上，政府資金對于英特爾的俄亥俄州大型站點項目至關重要。Fab 建筑物并不昂貴（但交貨時間最長），但半導體生產(chǎn)工具卻很昂貴（例如，一臺 EUV 光刻機的成本約為 1.6 億美元）。英特爾可以構建外殼，但它需要及時為它們配備工具以滿足其生產(chǎn)計劃。為前沿節(jié)點配備晶圓廠意味著購買各種光刻機（包括浸沒式和 EUV 掃描儀）、涂層、蝕刻、沉積、抗蝕劑去除、檢查和其他工具，成本高達數(shù)十億美元。

如果由于缺乏財政資源而需要太長時間來裝備一個全新的芯片工廠，英特爾可以在現(xiàn)有設施中添加額外的工具，以便在某個新節(jié)點上生產(chǎn)芯片。但這意味著英特爾將不得不擱置其新大樓并等待另一個機會來裝備它，這意味著它將產(chǎn)生成本而不會產(chǎn)生任何收益。

盡管英特爾官方將備用晶圓廠外殼（ spare fab shells）視為一種“智能資本戰(zhàn)略”，使其在如何以及何時在線提供額外容量和工具方面具有靈活性，但最好在建筑物建成后為其配備設備。這就是為什么英特爾 CEO Pat Gelsinger 警告美國當局和立法者，如果公司沒有得到政府的財政激勵和支持，他可能會將公司的下一個大型站點項目轉移到歐洲。

• 新墨西哥

英特爾在新墨西哥州的先進封裝工廠，這將使該公司及其客戶有能力構建復雜的多芯片設計（a-la Meteor Lake），這些設計將在未來幾年在美國普及。

由于嵌入式多芯片互連橋 (EMIB) 和 Foveros等復雜的封裝技術需要潔凈室，因此將新墨西哥州的封裝操作稱為晶圓廠是安全的。事實上，封裝工商的設備將花費英特爾 35 億美元，這是幾十年前新工廠的價格。

先進的封裝業(yè)務將有助于在 2023 年至 2024 年投入運營時在美國生產(chǎn)復雜的設計，因此這是英特爾的又一個項目，其對美國半導體行業(yè)的重要性不容小覷。

臺積電：5nm 來到美國

臺積電于 2020 年年中宣布在亞利桑那州鳳凰城附近建造具備 5nm 能力的晶圓廠計劃時引起了轟動?？v觀其歷史，該公司僅在中國臺灣以外建立了兩家晶圓廠——位于華盛頓州卡馬斯的 WaferTech 工廠（仍使用成熟節(jié)點處理 200 毫米晶圓）和位于中國江蘇省南京市的 Fab 16（使用臺積電成熟工藝生產(chǎn)芯片）。因此，在亞利桑那州建立一個相當先進的晶圓廠的意圖被認為是戰(zhàn)略上的重大轉變。

作為全球最大的代工芯片制造商，臺積電在美國肯定有數(shù)百家客戶，因此將晶圓廠靠近他們可能是有益的。然而，該晶圓廠的第一階段將在 2024 年初投入運營時擁有約 20,000 WSPM（每月晶圓啟動）的產(chǎn)能，這大大低于臺積電在臺灣運營的晶圓廠。因此，許多觀察家認為，該項目是解決為美國政府一些非常具體的客戶的一種方法，也是一種取悅美國政府的一種方式，美國政府希望在與中國的緊張關系中實現(xiàn)芯片供應鏈的多元化。

后來， 臺積電將其 Fab 21 項目視為另一個多階段晶圓廠，盡管它由亞利桑那州和美國政府共同資助。臺積電將在未來許多年分六個階段建設其 Fab 21。第一階段將于 2024 年初上線，并使用臺積電的 N5（N5、N5P、N4、N4P、N4X）系列工藝技術生產(chǎn)芯片，但預計后續(xù)階段將采用更先進的節(jié)點是合乎邏輯的。

無論如何， 來到亞利桑那州的臺積電晶圓廠 將加強美國半導體產(chǎn)業(yè)。同時，需要注意的是，世界第一代工廠之所以選擇亞利桑那州，是因為該州已經(jīng)擁有英特爾大型站點，這意味著可以接觸到經(jīng)驗豐富的人才和各種相關供應商。

GlobalFoundries：專用芯片的新設施

自 2012 年 GlobalFoundries 完成其 Fab 8 以來，該公司一直在通過擴大其潔凈室空間或安裝更先進的設備以提高生產(chǎn)力來逐步提高工廠的生產(chǎn)能力。

去年，該公司宣布計劃投資 10 億美元將 Fab 8 的產(chǎn)能從每月 47,500 片晶圓啟動 (WSPM) 提高到 60,000 片 WSPM。有趣的是， 2021 年 GlobalFoundries 僅從 Fab 8 出貨了 35,700 片晶圓。

GlobalFoundries 的 Fab 8 使用多種制造技術處理晶圓，包括各種基于 FinFET 的節(jié)點（14LPP、14HP、12LP、12LP+）以及 NVM、RFSOI 和 Silicon Photonics，這些節(jié)點不僅是 GloFo 的美國客戶的重要節(jié)點而且為了國家的國家安全，軍方也使用了很多格芯的芯片。

此外，格芯表示將在紐約馬耳他建立一個全新的晶圓廠，以公私合作的方式支持不斷增長的需求。該公司尚未透露有關此即將建成的生產(chǎn)設施的任何信息，但鑒于 GlobalFoundries 專注于專用節(jié)點，預計新的芯片工廠將針對各種先進的專用制造技術。

最近，GlobalFoundries 的首席執(zhí)行官 Thomas Caulfield 表示，GloFo 將需要美國政府提供財政支持，以快速在紐約建造和裝備新工廠。

三星代工：前沿節(jié)點重返美國

三星代工部門于 2005 年在美國悄然成立（總部位于美國的高通公司是第一個客戶）。自 2009 年以來，它一直在為德克薩斯州奧斯汀的三星和第三方客戶生產(chǎn)芯片。

由于三星是 IBM 共同平臺聯(lián)盟（與 AMD/GlobalFoundries、特許、飛思卡爾和英飛凌一起）的一部分，因此在某些時候，三星代工廠使用其位于德克薩斯州奧斯汀的 S2 工廠與其合作伙伴共同開發(fā)的領先技術生產(chǎn)芯片是有意義的。因此，三星在德克薩斯州制造了先進的 32nm、28nm 和 14nm SoC。事實上，S2、S1（韓國 Giheung）和 GF 的 Fab 8 之間的跨晶圓廠兼容性（以及因此的靈活性）為三星提供了許多優(yōu)勢，并憑借其 14nm 節(jié)點使德克薩斯生產(chǎn)設施處于獨特的地位。

由于 IBM 的晶圓廠俱樂部基本上不復存在，而三星的 DRAM 和 SoC 都需要 EUV 光刻技術，因此它最后將其領先的節(jié)點生產(chǎn)轉移到了韓國，將其位于德克薩斯州的 S2 晶圓廠留下了較舊的節(jié)點（14nm/11nm ~ 65nm） . 但三星在美國仍有許多需要尖端節(jié)點的客戶，因此該公司在 2021 年底宣布計劃在德克薩斯州泰勒附近建造一座全新的晶圓廠。該項目將耗資 170 億美元，新設施將于 2024 年下半年上線。

三星尚未正式披露它將在德克薩斯州的新工廠中使用哪些工藝技術。同時，但該公司表示，將從 2024 年下半年開始使用該設施制造用于 5G、移動、高性能計算 (HPC) 和人工智能 (AI) 應用的芯片。時間和目標應用明確表明，我們正在與一家先進的晶圓廠打交道。

雖然這純粹是猜測，但我們預計三星將使用其泰勒工廠在各種依賴 GAA 晶體管的 3nm 級制造節(jié)點上生產(chǎn)芯片。因此，三星將把其領先的節(jié)點帶回德克薩斯州，這對于該公司在美國的客戶和該國的半導體行業(yè)來說是個好消息。

但三星代工顯然對德克薩斯州有跨越 2042 年的宏偉計劃。這家合同芯片制造商最近提交了 11 份申請，尋求在奧斯汀和泰勒的稅收減免 ，以在馬諾和泰勒學區(qū)建立新的芯片工廠。晶圓廠的總成本為 1920 億美元（即每個晶圓廠 175 億美元）。最初的設施將于 2034 年上線，其余設施將于 2042 年開始運營。

目前，這些程序看起來像是在今年到期的第 313 章激勵計劃下獲得激勵的一種手段。此外，這也是向各當局展示投資美國半導體行業(yè)意圖的好方法。然而，這些程序很難被視為可選的晶圓廠，因為在即將到來的 High-NA EUV 時代，半導體制造設施的成本將大大增加。

德州儀器：300 億美元用于特殊工藝和傳統(tǒng)工藝

盡管德州儀器通常被認為與英特爾幾乎同時發(fā)明了微處理器，但該公司從未成為通用大眾市場 CPU 的供應商。它甚至在 2012 年結束了其 OMAP 移動 SoC 業(yè)務。但德州儀器是全球最大的模擬芯片制造商。例如，Apple 閃亮的新款 MacBook Pro 配備了 TI 的音頻放大器和 USB-C 電源傳輸控制器（這些電源控制器如今已被廣泛使用）。德州儀器擁有超過 45,000 種產(chǎn)品組合，可服務于幾乎所有可以想象到的需要模擬芯片的應用。

德州儀器公司經(jīng)營自己的工廠，并將其供應的一些組件外包出去。與其他芯片制造商一樣，TI 在大流行期間面臨對其設備的前所未有的需求，并面臨著當代行業(yè)大趨勢（5G、人工智能、高性能計算、邊緣計算、自動駕駛汽車）推動的強勁需求。為了滿足對其產(chǎn)品不斷增長的需求，德州儀器于今年 5 月開始在德克薩斯州謝爾曼附近建造其新的大型工廠。

新的芯片工廠將分四個階段建設，第一座晶圓廠將于 2025 年投產(chǎn)。這將是德克薩斯州有史以來最大的經(jīng)濟項目；它將花費 TI 約 300 億美元并跨越十年。地方當局批準了一項激勵計劃，該計劃在工廠的前 30 年中減免 TI 90% 的財產(chǎn)稅，以鼓勵 TI 投資于 Sherman 和 Grayson 縣。

不過，TI 更喜歡德克薩斯州而不是其他地方還有其他原因。該公司已經(jīng)在該州擁有三個 300 毫米半導體生產(chǎn)設施（包括達拉斯的 DMOS6、理查森的 RFab Phase 1 和即將完工的理查森的 RFab Phase 2），因此它可以在各州之間共享工程人才。此外，該公司的供應商也位于當?shù)?，因此新芯片工廠的材料和其他貨物將更容易獲得。

總結

經(jīng)過多年的停滯，美國終于有了全新的芯片工廠。到 2025 年，英特爾、格芯、臺積電和三星代工廠將在美國晶圓廠投入超過 700 億美元。如果德州儀器 (TI) 的大型晶圓廠項目（將于 2025 年上線，隨著新階段的建成將持續(xù)數(shù)年）以及隨后的臺積電添加 Fab 21 階段后，我們正在尋找可能在未來十年內(nèi)達到 2000 億美元（甚至超過）的投資。

在很大程度上，如此大規(guī)模的投資是由幾個因素促成的：地方當局的激勵措施、CHIPS 法案支持的政府補貼、工程人才的可用性以及現(xiàn)有的半導體生產(chǎn)供應鏈。其他原因包括地緣政治緊張局勢和制造基地多元化的必要性。

最大的問題是，新的美國晶圓廠是否足以與即將在韓國和中國臺灣進行的大規(guī)模 Gigafab 項目競爭。答案尚不清楚——美國的新芯片工廠將生產(chǎn)主要在美國開發(fā)的芯片，而這種集中化可能會帶來一些我們尚未認識到的有趣回報。

小芯片開始影響芯片設計，盡管它們還不是主流，而且這種強化 IP 不存在商業(yè)市場。

關于硅生命周期管理、表征和連接這些設備的最佳方式，以及如何處理不均勻老化和熱失配等問題的討論正在進行中。此外，隨著時間的推移，正在努力提高小芯片的可觀察性，這一點尤為重要，因為這些設備用于安全關鍵和任務關鍵型應用程序。

所有這些問題都需要解決才能實現(xiàn)廣泛采用，芯片行業(yè)已經(jīng)認識到，摩爾定律的放慢與固定標線片尺寸的結合將需要改變芯片的設計、制造和封裝方式。將許多應用程序所需的所有功能裝入單個 SoC 實際上是不可能的，現(xiàn)在的目標是采用有序、可預測和可重復的方法來分解其中的許多組件。從理論上講，這將使設備更容易定制，加快上市時間，并避免對不需要它的組件進行昂貴的擴展，例如模擬功能。

然而，實現(xiàn)這一目標需要解決一些復雜而棘手的問題。一方面，它需要更好地觀察、監(jiān)控和分析包中的內(nèi)容。雖然將多個芯片放入一個封裝中的概念可以追溯到 1990 年代的多芯片模塊，但對于小芯片，芯片通常更小更薄，并且如何表征、測試和觀察它們的動態(tài)已經(jīng)發(fā)生了顯著變化。

是德科技射頻/微波產(chǎn)品組合負責人 Nilesh Kamdar 表示：“過去，我們將這些模塊稱為多芯片模塊，它們在當今的無線世界中非常流行?！?“你拿起任何智能手機，智能手機的無線部分是一個前端模塊，由 20 到 30 個芯片擠在一個比指甲蓋還小的空間內(nèi)。這種情況在該行業(yè)至少已經(jīng)發(fā)生了十年，甚至更久。此外，一些航空航天和其他高頻問題需要這種集成，所以我們過去也這樣做過?！?????????