Het is niet van voorbijgaande aard
Er is een stille omwenteling gaande in de halfgeleiderindustrie. De regels die de industrie altijd hebben geregeerd, zijn rafelig en maken veronderstellingen ongedaan die we als vanzelfsprekend beschouwden en die ons op school waren ingeslikt. De onberispelijke wet van Moore, dat exponentiële vooruitgang dingen in de loop van de tijd goedkoper, beter en sneller zal maken, is dood.
Mensen beginnen in te zien dat het maken van een chip niet eenvoudig is. Tekorten en de geopolitieke concentratie van TSMC en ASML hebben de populaire verbeelding wakker geschud en hebben het sciencefictionachtige proces van het maken van chips aan het licht gebracht. De weg die voor ons ligt, heeft obstakels die niet algemeen worden gewaardeerd. Het maken van een halfgeleider wordt nog moeilijker, duurder en technischer. Met andere woorden, de uitdagingen gaan versnellen.
Om in de toekomst te kunnen opereren, hebben chipmakers meer schaal en meer talent nodig, en meer geld. Ik heb hier al eerder over geschreven, maar ik wil dieper ingaan op de oorzaak van de stijgende kosten van het maken van een halfgeleider. Het is van invloed op het hele scala aan chips, van de meest geavanceerde chips tot de meest basale. De trend is niet nieuw, het is al aan de gang, maar ik geloof dat het nu sneller zal gaan. En de prijsstijgingen zullen waarschijnlijk van invloed zijn op elke persoon op aarde. Deze inflatoire kosten zijn niet van voorbijgaande aard.
Om te begrijpen hoe we hier zijn gekomen, Ik wil u eerst opfrissen over de dood van de wet van Moore. We hebben de groei in schaling van transistorenergie en frequentieschaling overtroffen en we beginnen het einde te bereiken van multi-core schaling in toename van de transistordichtheid. Maar belangrijker dan het einde van die trends is dat de kostenschaal is geëindigd. Hoewel we de transistordichtheid blijven verbeteren door middel van nieuwe technieken, brengt elk extra kosten met zich mee.
ASML heeft op zijn investeerdersdag een gedurfde verklaring afgelegd dat de wet van Moore zal doorgaan met schaling op systeemniveau. Een andere naam hiervoor is geavanceerde verpakkingen. Maar deze kosten komen bovenop de al stijgende kosten van het maken van een kleinere transistor.
Hoewel ik geloof dat Advanced Packaging het probleem van de transistordichtheid zal oplossen, geloof ik niet dat het chips goedkoper zal maken. In feite zijn transistors per dollar sinds het begin van de jaren 2010 duurder geworden.
Ik wil me niet alleen richten op de technologische tegenwind, maar ook op de kosten-tegenwind. Een van de belangrijkste historische aannames van de wet van Moore is dat niet alleen uw transistors elke twee jaar zouden verdubbelen, maar dat de kosten van de transistors ook zouden dalen. Niet langer. De onderstaande grafiek is van Marvell's beleggersdag in 2020. De maat voor 28nm was ongeveer 2011-2012.
Wat interessant is, is dat er een kwalitatieve verandering plaatsvond rond 28nm, aangezien het een van de laatste vlakke knooppunten was. Vlak in gewone taal is een tweedimensionaal oppervlak (vlak), terwijl FinFET - de technologie die planar verving - een "vin" in de transistor introduceerde om naar boven te steken, waardoor een 3D-structuur ontstond in plaats van een 2D-structuur. We staan nu aan de vooravond van weer een nieuwe gate-overgang – gate-all-around (GAA), wat een nog 3D-intensievere structuur is. Als we overschakelen naar GAA of de volgende iteratie van poorttechnologie, denk ik dat de kostenstijgingen per 100m poorten zullen blijven stijgen, net zoals ze deden voor FinFET over planair. Dit wordt veroorzaakt door de toegenomen complexiteit van het maken van deze chips, namelijk het extra aantal productiestappen.
Het is niet alleen deze transitie die de kosten opdrijft. De achterblijvende rand - oudere chips - begint ook duurder te worden. Het verhaal hier is niet technologisch, maar eerder economisch, en wat ooit een ruime capaciteit was met een op grondstoffen gelijkend rendement, begint steeds meer gevraagd te worden. Bedrijven zijn niet bereid om capaciteit toe te voegen, tenzij er prijsverhogingen volgen. Dit is een andere belangrijke drijfveer, niet alleen voor de meest geavanceerde, maar ook voor de oudere chips.
Ten slotte worden niet alleen oude chips en nieuwe chips, maar ook de bedrijven die de chips maken (halfgeleiderfabrieken) meer geconsolideerd en strategischer. Er is echt niet veel ruimte aan de voorkant, waar de meest geavanceerde chips worden gemaakt. Dit is de derde drijvende kracht achter de kosten van halfgeleiders, dat fab's die een uniek product aanbieden hun stijgende kosten doorberekenen aan klanten. TSMC is geen prijsnemer en de wereld is afhankelijk van zijn producten. Ondanks de stijgende kosten beginnen ze steeds grotere winsten te maken. Fabless-bedrijven hebben geen andere keuze dan meer te betalen.
Elk van deze thema's verdient een diepere duik. Ik begin eerst met mijn favoriete onderwerp: Semicap – ofwel de tools die nodig zijn om een chip te maken.
Een van de universele thema's dit resultatenseizoen waren de hogere kosten van gereedschappen om halfgeleiders te maken. Het echte waarschuwingsschot was deze dia die Tokyo Electron op zijn investeerdersdag presenteerde.
De drastische prijsstijging is breed gedragen en geldt voor DRAM, NAND en Logic. Aangezien 5nm vandaag in productie is, is dit geen voorspelling, maar een trend die zich zal voortzetten. De belangrijkste drijfveer zijn niet alleen de stijgende kosten van tools zoals EUV, maar ook het stijgende aantal stappen om een chip te maken. Hieronder ziet u een grafiek die de toename van stappen in de loop van de tijd laat zien.
Het is alleen niet Tokyo Electron die alleen voor hogere intensiteit pleit. Dit meest recente resultatenseizoen riepen TSMC, Lam Research, KLAC en andere Semicap-bedrijven de stijgende intensiteit op. Ik denk dat als al het andere gelijk is, de kosten van 100K-waferstarts zouden moeten beginnen te stijgen met lage tot gemiddelde enkele cijfers per chip aan de voorkant. Een andere manier om dit te bekijken is vanuit het top-down perspectief. Ik vergeleek de totale capaciteit die werd verzonden in Million Square Inches (MSI) en vergeleek dit met de groei van wafer-fab-apparatuur. Zie dit als het totale volume versus de uitgaven om meer wafels te maken.
Excuseer de 5-jaarsgemiddelden, de cijfers van jaar tot jaar zijn veel hobbeliger. Het werkboek is trouwens aan het einde van dit bericht bijgevoegd.
Vroeger was de relatie dat de uitgaven aan nieuwe fabuleuze apparatuur de uitbreiding van MSI ondermaats maakten, omdat elk gekocht gereedschap meer capaciteit zou opleveren. Ik wil benadrukken dat als je tuurt, je kunt zien dat de relatie tussen WFE en MSI ergens rond 2012 leek te zijn omgedraaid. Dit valt samen met het 28nm-knooppunt of het cruciale knooppunt waar de kostenstijgingen begonnen. In de toekomst denk ik dat we mogen verwachten dat WFE sneller zal stijgen dan de historische gemiddelden.
Van 2012 tot 2020 steeg MSI met een samengesteld jaarlijks groeipercentage van 3.6%, en WFE steeg met een samengesteld jaarlijks groeipercentage van 8.0%. Dit zijn ongeveer dubbele capaciteitstoevoegingen. Als de vraag naar halfgeleiderapparaten blijft toenemen, zou MSI sneller moeten groeien, en dus WFE met een hogere multiplier. Ik weet niet zeker of de relatie van WFE 2x de MSI-groei bedraagt, maar het zou een multiplier hoger moeten zijn, bijvoorbeeld 1.5x-2x MSI. Dat is een versnelling in vergelijking met het historische tempo, en wat de vraag naar halfgeleiders en de technologische tegenwind waarmee we worden geconfronteerd, drijft.
Ik wil nu overgaan op een andere trend die het afgelopen winstseizoen herhaaldelijk werd genoemd en die me eerlijk gezegd verbaasde maar verrassend logisch is: oude chips zijn duurder.
Het zijn niet alleen de nieuwste, snelste en duurste chips die door technologische problemen duurder worden. De meest interessante trend van de laatste tijd is dat oude chips de prijsstijgingen beginnen te stimuleren. De recente verbuiging in halfgeleiders in de automobielindustrie stimuleert de vraag, niet naar de nieuwste en beste, maar naar oudere en meer volwassen technologieën. Het probleem is dat er nooit zinvolle capaciteit is toegevoegd voor oudere technologieën, en meestal zouden fabs gewoon "hand-me-downs" worden als de voorhoede naar voren schoof en de fab-apparatuur zou blijven worden gebruikt en afgeschreven. Het gebruik van volledig afgeschreven fab-apparatuur verlaagde de kosten voor het maken van een halfgeleider aanzienlijk, vooral na 10+ jaar.
Dat was een belangrijk aspect van de prijsstelling. Een fab die wordt onderhouden zonder veel incrementeel kapitaal, maar toch chips produceert, is wat de prijs van oudere chips in de loop van de tijd zo sterk heeft doen dalen. Vaak zou er zelfs sprake zijn van rendementsverbetering, waardoor de kosten verder daalden. De gedachte was dat een geavanceerde chip die in 2000 honderden dollars kostte, in 2021 centen zou kosten omdat de fab volledig zou worden afgeschreven.
Maar daar is een probleem mee. We hebben een situatie die nog nooit eerder is voorgekomen. Historisch gezien was de vraag geclusterd in de richting van de voorhoede. Vandaag hebben we ook aan de achterblijvende rand geëist. Sterker nog, de vraag naar oudere chips begint sterk te stijgen. Dit wordt aangedreven door auto- en IoT-productie, aangezien de meeste van deze toepassingen oudere, meer volwassen technologieën zijn, die een betere opbrengst, kosten en, belangrijker nog, betrouwbaarheid. En hoewel de vraag sterk is gestegen, is er geen capaciteit toegevoegd. Het is zeer zeldzaam om toe te voegen aan achterblijvende productie.
Tot voor kort was er voldoende capaciteit aan de achterblijvende rand. Het zou ongehoord zijn geweest om capaciteit aan de achterblijvende rand toe te voegen. Een fab werd als "vol" beschouwd als deze op 80% draaide. Nu draaien de trailing-edge fabs op bijna 100%. Er moet iets veranderen.
Dit is een van de oorzaken van het tekort aan halfgeleiders in de automobielsector: een hogere vraag en geen aanbod of prikkels om meer aanbod toe te voegen. De meeste halfgeleiderbedrijven en fabs zijn geobsedeerd door de voorhoede omdat ze hogere winsten kunnen maken. Nu worden bedrijven wakker om de achterblijvende voorsprong te behouden. De "oude" chips worden net zo belangrijk als nieuwe chips, en om capaciteit toe te voegen, moesten bedrijven opnieuw grote kapitaaltoevoegingen doen.
Er zijn duidelijke prijsproblemen in dit scenario. Met een nieuwe fab kan een bedrijf geen winst maken door een lagging-edge chip te verkopen tegen de prijs die voorheen werd bepaald door een volledig afgeschreven fab. De prijzen moeten omhoog. Deze dynamiek werd afgelopen kwartaal besproken door de CEO van Silicon Lab:
alleen al in termen van de kostenstijgingen en de duurzaamheid daarvan, denk ik dat we een soort nieuwe fase van de halfgeleiderindustrie ingaan, waar we de wet van Moore hebben en geavanceerde knooppunten die steeds duurder worden en je hebt mainstream technologie nu vol. En het was zo dat de digitale jongens zouden verhuizen en de N min 1, N min 2, N min 3 knooppunten volledig afgeschreven fabrieken zouden zijn waar je naartoe zou verhuizen. We hebben nu een punt bereikt waarop de mix, de verhouding tussen geavanceerd en mainstream ervoor zorgt dat fabs TSMC en anderen nieuwe mainstream-technologie bouwen, en dat betekent dat die fabs niet volledig worden afgeschreven. Een groot deel van de kostenstijgingen die de industrie nu ziet, is dus het gevolg van de extra CapEx die moet worden ingezet om nieuwe capaciteit over de knooppunten te bouwen, niet alleen bij de geavanceerde knooppunten, maar over.
Dus als je kijkt naar de kostenstijgingen die we zien in andere... het is in de hele industrie, er is een bepaald element dat duurzaam is in de tijd. En dus is dit een stapfunctie in termen van de kostenstructuur van de industrie om te voldoen aan de vraag die we zien en de toenemende inhoud van elektronica in de hele economie en de versnelling van de vraag die we door de pandemie hebben gezien, heeft echt geduwd die ons vooruitbrachten en ons in de leveringsbeperkingen dreven. We zullen dat verwerken, maar om dat te verwerken, is veel CapEx nodig, en dat moet worden terugverdiend. En dat moet stroomopwaarts stromen van onze leveranciers naar ons, naar onze klanten en dat is wat je nu ziet.
Wat geweldig is, is dat dit geen enkel bedrijf was dat dit in een vacuüm zei. On Semi bevestigden NXP Semiconductors, Microchip en andere "mainstream" of achterblijvende halfgeleiderbedrijven dat dit zal doorgaan omdat de vraag aan de achterblijvende rand groter is dan het aanbod. Dit is volledig nieuw terrein voor de industrie, en niet alleen een bevestiging van het strategische belang van halfgeleiders, maar ook een bevestiging van de brede vraag. Er is eigenlijk maar één oplossing: capaciteit toevoegen, maar fabrieken weten niet of ze winst kunnen maken door achterblijvende greenfields toe te voegen zonder de prijzen te verhogen. Op hun beurt maken ze zich zorgen over de vraag naar deze 'nieuwe' lagging-edge chips.
Het is een impasse. Fabs en halfgeleiderbedrijven weten niet zeker of dit zo zal blijven, maar auto-OEM's en dergelijke lijken een onverzadigbare vraag te hebben. Voor een fab is het moeilijk om je gedrag in één jaar te veranderen tegen een trend die decennia heeft geduurd. Nog moeilijker is om door die moeilijke veranderingen te gaan en te verwachten dat klanten hogere prijzen accepteren. UMC heeft het goed verwoord in zijn Q2 2021-oproep:
Maar voor elke nieuwe capaciteitsuitbreiding, voor het volwassen knooppunt, concurreert u met een volledig — hoogstwaarschijnlijk zult u concurreren met een volledig afgeschreven capaciteit. Tenzij de vraag van aanzienlijk belang is voor de klant, maar de economie - als de economie hetzelfde blijft, zal het erg moeilijk zijn om een gerechtvaardigde ROI te hebben. Maar als de klant die uitdagingen samen met ons wil aangaan, gaan we die kansen zeker verkennen.
Anders gezegd, betaal of zet het tekort voort. En aangezien de doorlooptijden niet echt verbeteren, denk ik dat marginaal betalen de uitkomst zal zijn. Er moet hier een soort compromis zijn, en op dit moment komt het in de vorm van niet-annuleerbare, niet-retourneerbare bestellingen (NCNR). Fabs zullen de geavanceerde capaciteit niet uitbreiden, tenzij hun klanten zich echt committeren aan bestellingen die niet kunnen worden geannuleerd of geretourneerd. Het is onzeker hoeveel dubbele bestellingen er gaande zijn, maar NCNR's zijn een vrij sterke inzet voor het toevoegen van een langlevende vraag.
Hoewel de toevoeging van capaciteit uiteindelijk de prijsstijgingen in de loop van de tijd zou moeten afvlakken, zal dit meerdere jaren duren, vooral als de vraag van auto- en IoT-apparaten aanhoudt. Ik denk niet dat de prijzen voor altijd achterblijvend zullen stijgen, maar ik denk dat we moeten verwachten dat de relatie tussen historische prijsdalingen niet zo groot zal zijn als vroeger. Ten slotte houd ik me over aan de gorilla van 800 pond - Taiwan Semiconductor Manufacturing Company.
De gereedschapsprijzen voor toonaangevende producten stijgen, en dit zou de marges van TSMC en andere toonaangevende fabrikanten moeten schaden. Hoewel we bij Intel de brutomarge kunnen inkrimpen, is dit meer een functie van bedrijfsspecifieke investeringen om TSMC in te halen. Maar bij TSMC gebeurt precies het tegenovergestelde. TSMC is ervan overtuigd dat het zijn marge kan verbeteren met kleinere nodes. Het bedrijf herhaalde dit meerdere keren tijdens zijn telefoontjes, en gezien het unieke product van TSMC, is de hogere brutomarge zeer gerechtvaardigd. De realiteit is dat TSMC geen prijsnemer is, maar een prijszetter. De belangrijkste reden: het heeft een wurggreep op alle toonaangevende productie.
100% van de sub-10nm-logica ter wereld is gemaakt bij TSMC in 2019. Het is waarschijnlijk dat Samsung de achterstand heeft ingehaald, maar in termen van de voorsprong leidt TSMC gewoon het peloton. Gezien de concentratie van fabricagekracht bij TSMC, hebben klanten echt geen andere optie. Als een fabelachtig bedrijf zijn nieuwste en beste chips tegen een hogere marge wil verkopen, moeten ze naar TSMC gaan. Ondertussen is de brutomarge van TSMC in de loop der jaren langzaam hoger geworden.
Ondanks intense CapEx-verhogingen die doorvloeien in de kostprijs van verkochte goederen als afschrijvingen, is hun brutomarge nog steeds hoog en het bedrijf gelooft dat dit zo zal blijven.
TSMC zei het op deze manier tijdens zijn meest recente oproep en gezien de absoluut duizelingwekkende kapitaaluitgaven, geloof ik dat het gerechtvaardigd is:
Ook al dragen we een grotere last van de investering voor de industrie, door dergelijke acties te ondernemen, geloven we dat we een behoorlijk rendement kunnen behalen dat ons in staat stelt te investeren om de groei van onze klanten te ondersteunen en winstgevende groei op lange termijn te realiseren met 50% en hoger brutomarge voor onze aandeelhouders.
Op dit moment, om de hogere CapEx-last te dragen, geeft het bedrijf prijzen zinvol door. Het recentelijk verhoogde chipprijzen met 20%, en het kan en zal de prijzen meer verhogen als de aanhoudende kosten voor het maken van een geavanceerde halfgeleider blijven bestaan. Totdat de situatie verandert, is er geen andere betekenisvolle concurrentie in de stad. Als Samsung en Intel hun krachten bundelen in de gieterij, zullen ze misschien bereid zijn om lagere brutomarges te nemen, maar tot die tijd is het de wereld van TSMC waarin we leven. Het zal de prijzen verhogen als gevolg van hogere kapitaalkosten.
Elk van deze factoren op zich zou een tegenwind zijn voor stijgende prijzen. Samen is het een zekerheid dat de prijzen vanaf hier gaan stijgen. Tussen meer stappen die leiden tot hogere gereedschapskosten, het afnemende economische voordeel van de wet van Moore en capaciteitsproblemen met achterblijvende capaciteit, geloof ik dat de historische kostendalingen die we bij halfgeleiders hebben gezien, zullen beginnen te vertragen. Op sommige plaatsen denk ik dat de prijsstijgingen in de trailing edge zullen blijven. Voordat je wild gaat met inflatiespeculatie, wil ik herhalen dat halfgeleiders slechts een industrie van ~ 530 miljard dollar zijn of een half procent van het wereldwijde bbp. Dit zal niet overal een ongebreidelde inflatie veroorzaken.
De vraagzijde van de vergelijking lijkt niet in het minst te vertragen. De grotere vraag komt van het grootste aantal verticale markten, met pc, mobiel, datacenter, automotive en IoT elk als een geloofwaardige en grote groeiende eindmarkt. Bepaalde toepassingen zijn in de toekomst meer rekenintensief, zoals machine learning. Omdat software alles in ons leven opslokte, maakte silicium de maaltijd mogelijk. Dit alles gebeurt terwijl de wet van Moore tot stilstand komt. In eenvoudige bewoordingen: hogere vraag + lagere aanbodverbeteringen = prijs gaat omhoog.
Ik ga in op wie ik denk dat voordelen heeft in het gedeelte met alleen betaalde bedragen. Bedankt voor het lezen tot hier.
Word een betalende abonnee van Fabricated Knowledge om toegang te krijgen tot dit bericht en andere content die alleen voor abonnees is. Inschrijven
Lees ook:
Deel dit bericht via:
