一座 2nm 晶圆厂，280 亿美元

据咨询公司 IBS 称，一座 2 纳米半导体制造工厂每月可生产 50,000 片晶圆（WSPM），成本约为 280 亿美元。这比 3nm 晶圆厂的成本高出 80 亿美元，这只是随着行业转向下一代芯片，企业预计成本将呈指数级增长的一个例证。

IBS 表示，准确地说，与 3nm 处理器相比，2nm 芯片成本将上涨约 50%，这意味着苹果等公司在未来几年推出台积电 N2 制造工艺时，将不得不花费 3 万美元来处理单个 300mm 晶圆。不过，这些数字可能还有一些回旋余地，有可能降低这些芯片的预期高成本。

事实上，半导体公司可以采取多种方法，并在预建、施工和运营阶段做出一系列设计决策，这些决策将极大地改变晶圆厂的最终成本。

可以肯定的是，芯片开发的成本是不容小觑的。IBS 数据显示，仅软件开发一项就占 3.14 亿美元，验证又占 1.54 亿美元。此外，2nm 节点的芯片设计需要专门人才，而这种人才供不应求。此外，光刻技术的使用也有所增加，这是一种在芯片表面创建图案的工艺。

芯片上的特征越小，光刻工艺需要越精确，从而提高了工艺中使用的设备和材料的成本。那座 2 纳米晶圆厂的投资额将达到 280 亿美元？造成 80 亿美元成本差异的原因是维持 50,000 片晶圆产能所需的 EUV 光刻工具数量的增加。

就连 IBS 也承认，这些数字和芯片设计不断发展的格局背后存在细微差别。据估计，一家公司从头开始构建大型 2 纳米芯片可能需要花费 7.25 亿美元。但这是由一家没有预先存在知识产权的公司进行的，而现实情况是许多半导体公司，尤其是初创公司，都追求更有效的战略。

IBS 还指出，支持 AI 的 EDA 工具在芯片设计、通过自动化复杂设计流程和优化芯片性能来简化流程和降低成本方面的作用变得越来越重要

建造一座晶圆厂需要多少钱？

近年来，半导体工厂变得越来越复杂，建设成本也越来越高。但激励和支持的正确结合可以帮助公司降低成本。

一方面，晶圆厂的建设和运营成本大幅上升。另一方面，虽然世界多个地区的政府激励政策仍在不断演变，但新的、更积极的财政支持计划对于使这些大规模资本密集型项目的经济可行性至关重要。

衡量晶圆厂的成本

为了分析今天的晶圆厂经济性，我们探索了一个先进逻辑的前端制造工厂——一个新建的下一代晶圆厂，可以在 300 毫米晶圆尺寸上制造 2nm 到亚 2nm 节点。初始生产计划于 2026 年进行。到那时，我们预计大多数公司将经历两项重大的工艺技术进步：首先，芯片上单个功能和晶体管的制造方式发生转变；从鳍式场效应晶体管（FinFET）到环栅（GAA）器件结构，改进工作已经在进行中，以提高效率和速度。其次，引入高数值孔径（high-NA）极紫外光刻（EUVL），这对于继续减小工艺特征尺寸至关重要节点。

从成本角度来看，未来新建晶圆厂的破土动工无论是前期支出还是持续支出都将比几年前更加昂贵。

从前期成本来看，由于生产下一代节点需要更先进的工具，设备支出将会激增。建设支出也会增加，因为需要更多的空间和更大的建筑物来容纳额外的设备并维持更多和更复杂的晶圆层的必要生产量。

在设备类别中，新型 EUVL 机器将是实现亚 2nm 节点的关键，并计划在 2025 年左右进行规模化生产，预计成本约为今天 1.5 亿美元以上机器的两倍。节点的进步将影响晶圆厂中的其他工艺工具，如用于蚀刻、沉积和平坦化的工具，这些工具都需要改进，以满足较小特征尺寸的性能需求。

从历史上看，我们已经看到了 5% 至 15% 的掩模层的总数增加，因此在从一个主要节点推进到下一个所涉及的工艺步骤的数量上升。我们预计，这种成本增长趋势将在未来几年继续下去，并有助于需要更多的工具，更大的洁净室，以容纳额外的工具，额外和更严格的建筑和施工标准，以支撑更大的晶圆厂规模，以及更多的子晶圆厂和相关的基础设施，以支持他们。

随着监管机构和芯片制造商致力于提高可持续性，预计会出现额外的成本驱动因素。为了满足更高的可持续发展基准，新工厂将需要更多地使用可再生能源、水回收和工艺气体减排系统。

此外，近年来通货膨胀全面上升，特别是在建筑业。例如，自 2021 年以来，美国建筑价格的复合年增长率（CAGR）上涨了 6%，材料成本的复合年增长率（CAGR）飙升了 25%。建设新的和改进的晶圆厂需要许多高度专业化的能力，例如满足微污染规范的复杂气体输送系统。世界上任何地方都很少有公司有能力以适当的质量规格水平提供这些服务。

我们估计，与更广泛的通货膨胀水平相比，晶圆厂建设成本的通货膨胀将继续保持高位，主要是因为近年来在许多地区，如美国和欧洲部分地区，没有持续的新晶圆厂建设量，有一个有限的人才和专业知识，以支持这种高度专业化的建设计划。

一旦晶圆厂投入运营，某些领域的成本增加将会明显感受到。例如，晶圆生产中的附加层和工艺步骤将需要更多的材料。这些材料必须比当今的材料具有更高的质量和更先进，以支持技术上更复杂的制造。一个例子是能够实现高数值孔径 EUVL 所需的超薄膜的光刻胶材料。

运营劳动力成本预计将相对稳定。领先的晶圆厂实现了广泛的自动化，因为与人工干预相比，这种方法不太可能在生产过程中引入污染物或缺陷。因此，员工规模和职责（主要是工程、技术和运营职能）不需要大幅改变。

然而，维护成本预计将继续上升，因为先进晶圆厂中更复杂、更昂贵的设备将需要越来越熟练的维护和昂贵的维修零部件。

公用事业支出也将受到重大影响。我们预计水、电和天然气的增长将超出通货膨胀，这与更多的流程步骤和层次相一致：更多的步骤，更多的消耗。尽管我们看到设备制造商在开发资源效率更高的芯片制造工具方面不断取得进展，但他们的首要任务仍然是晶圆厂的生产性能，即吞吐量、关键尺寸、产量和可靠性。

根据晶圆厂的建设地点，当地因素也可能影响最终成本。其中包括附近的供应商集群和来自设备提供商的技术人员，所有这些都可能改变物流和晶圆厂维护成本。此外，特定地区可能提供的员工便利设施，例如娱乐设施、自助餐厅和食品补贴，可能会影响运营预算。此外，当地劳动法规（例如限制轮班时间）可能会增加员工的管理费用。世界各地和某些地方的电价也存在很大差异，这可以对晶圆厂的经济产生重大影响。

税收也是当地的一个考虑因素。例如，美国已经有一定程度半导体产业存在的州（如纽约州、得克萨斯州、亚利桑那州、俄亥俄州和加利福尼亚州）的州税和地方税在 4% 到 7% 之间，占比在 1% 到 3% 之间。世界其他地区的地方税收结构可能有很大不同，这可能会影响项目的总体成本估算。

每个晶圆厂都是独一无二的

这些成本类别是衡量晶圆厂经济效益的起点，但它们是可以替代的。没有两个晶圆厂是相同的。事实上，半导体公司可以采取多种方法，并在预建、施工和运营阶段做出一系列设计决策，这些决策将极大地改变晶圆厂的最终成本。

半导体公司可以采取多种方法，并做出一系列设计决策，这些决策将极大地改变晶圆厂的最终成本。

一般来说，公司的战略重点和经验将显著影响半导体工厂的预算。一些公司的商业模式以高晶圆厂利用率和大批量产能为目标；有些人可能会专注于按时交货，还有一些人可能会寻求更高利润率的产品，甚至不惜牺牲产能利用率。这些选项中的每一个都具有明显不同的尺寸、设备、工具和技术成本。此外，对于晶圆厂设计和开发并不陌生的公司可能会受益于他们随着时间的推移获得的专业知识和现有资源（包括专业劳动力和供应链合作伙伴）。

虽然所有这些决策都至关重要，并且可能对晶圆厂成本和性能产生重大影响，但我们研究中的另一件事很突出：由拥有经验丰富的专业劳动力和合作伙伴的成熟半导体制造公司建造的晶圆厂可能会产生最好的产品结果。从过去的晶圆厂建设中获得的经验，无论是通过内部能力还是强大的合作伙伴关系，都可以加快建设速度并降低成本。相比之下，由新玩家或被独特或不熟悉的环境包围的项目（例如，在世界另一个地区建造第一个主要设施）缺乏同样的优势。

有时，公司可能会发现他们还需要考虑意外成本。例如，如上所述，晶圆厂建设所需的工人和专业人员都是高度专业化的。公司可能会发现，在其晶圆厂附近区域没有足够数量的工人，因此必须承担额外费用来支持这些专家从其他地区的重新安置。

假设晶圆厂的成本

考虑到主要成本驱动因素和基本假设，我们得出的结论是，2026 年建成的晶圆厂的 10 年总拥有成本将达到 350 亿美元至 430 亿美元，比当今的成本高出 33% 至 66%。

正如所讨论的，推动这种增长的最关键因素是，首先，工艺复杂性不断升级，例如掩模层的增加和制造步骤的增加，其次是下一代晶圆厂技术（主要是高数值孔径）的采用率加快 EUVL。通货膨胀还将推高建筑及相关成本。值得注意的是，我们得出的广泛 TCO 范围对任何这些成本因素的变化都极其敏感；例如，如果通货膨胀率最终达到 2.6% 而不是 4%，那么 2026 年建造晶圆厂的成本可能会降至 370 亿美元。