em 2020, Exploramos a economia de vários tipos de semicondutor Fabs. Nosso objetivo era examinar as categorias de capital e custos envolvidos na construção e operação de lógica avançada típica, memória avançada e chips analógicos avançados. Também investigamos o papel que os incentivos do governo desempenham no custo total da propriedade (TCO) - e, portanto, a competitividade fabulosa - abrange várias regiões do mundo. Por um lado, uma lógica avançada de ponta do futuro será de pelo menos duas a três gerações de nós além das que avaliamos em nosso relatório anterior. E os avanços da tecnologia não são tudo o que mudou desde então. Também existem novas cadeias de suprimentos e desafios geopolíticos e políticas e incentivos governamentais. Tudo isso deixou claro que a Fab Economics merece uma nova avaliação. Nossa análise nos levou a duas conclusões fundamentais. Primeiro, o custo de construção e operação desses Fabs aumentou significativamente. Segundo, enquanto o cenário dos incentivos do governo ainda está evoluindo em várias partes do mundo, novos programas de apoio financeiro mais agressivos serão críticos para tornar viáveis a economia desses grandes projetos intensos de capital.
Since that analysis, fab economics have materially shifted. For one thing, a leading-edge advanced logic fab of the future will be at least two to three node generations beyond the ones we assessed in our earlier report. And technology advances are not all that has changed since then. There are also new supply chain and geopolitical challenges and shifting government policies and incentives. All of this has made it clear that fab economics merits a new evaluation.
This article focuses on advanced logic fabs primarily because we believe they will continue to garner the biggest investments in the coming years as the need to power all flavors of next-generation devices and equipment becomes more acute. Our analysis has led us to two fundamental conclusions. First, the cost of building and operating these fabs has risen significantly. Second, while the government incentives landscape is still evolving across multiple parts of the world, new, more aggressive financial support programs will be critical to make the economics of these massive capital-intense projects viable.
While the government incentives landscape is still evolving, more aggressive financial support programs will be critical to make the economics of today’s massive, capital-intense fab projects viable.
Esta pesquisa não tem como objetivo fornecer um número definitivo para quanto esses Fabs devem custar, nem o que os incentivos devem ser. Como discutiremos com mais detalhes, vários fatores exclusivos da tecnologia de processo de uma empresa, opções de localização, design e opções de especificação, entre outras coisas, podem influenciar significativamente o custo total. Consequentemente, este artigo tem como objetivo fornecer uma estrutura das considerações que devem ser consideradas para entender e quantificar a economia desses mega projetos. tamanho. A produção inicial seria agendada para 2026. Até então, esperamos que a maioria das empresas tenha sofrido dois principais avanços em tecnologia de processo: primeiro, uma mudança na maneira como os recursos e transistores individuais são fabricados em um chip; Já estão em andamento melhorias que amplificarão a eficiência e a velocidade, desde os transistores de efeito de campo da FIN (FINFET) até a estrutura do dispositivo Gate-All-Around (GAA). Segundo, a introdução de alta abertura numérica (High-NA) extrema litografia ultravioleta (EUVL), crítica para continuar a reduzir as dimensões do recurso do processo
Measuring the Costs of a Fab
To analyze fab economics today, we explored an advanced-logic, front-end manufacturing facility—a greenfield next-gen fab that would manufacture 2nm to sub-2nm nodes at 300-millimeter wafer size. Initial production would be scheduled for 2026. By then, we expect most companies will have undergone two major process technology advancements: First, a shift in the way individual features and transistors are fabricated on a chip; improvements are already underway that will amplify efficiency and speed, from Fin Field Effect Transistors (FinFET) to the Gate-All-Around (GAA) device structure. Second, the introduction of high numerical aperture (high-NA) extreme ultraviolet lithography (EUVL), critical for continuing to reduce the feature dimensions of the process
Custos iniciais
De uma perspectiva de custo, o abrigo de um novo Fab seria mais caro no futuro do que há alguns anos atrás, tanto nas despesas anteriores quanto em andamento. (Consulte o Anexo 1.)
Looking at upfront costs, equipment outlays will balloon as more-advanced tools will be needed to produce next-gen nodes. (See Exhibit 2.) And construction expenditures will rise as well because more space and larger buildings will be required to house additional equipment and to maintain the necessary production volume of more numerous and complex wafer layers.
In the equipment category, the new class of EUVL machines, which will be pivotal in achieving sub-2nm nodes and are slated for scaled production around 2025, are expected to cost about twice that of today’s $150-million-plus machines. Node advancements will affect the rest of the process tools in the fab, such as those used for etching, deposition, and planarization, which will all need to be improved to meet the performance needs of the smaller feature sizes.
Historically, we have seen a 5% to 15% increase in the total number of mask layers and consequently a rise in the number of process steps involved in advancing from one major node to the next. We anticipate this cost increase trend to continue in coming years and to contribute to the need for more tools, larger cleanrooms to accommodate the extra tools, additional and more stringent building and construction standards to brace the larger fab sizes, and more sub-fab and related infrastructure to support them.
Additional cost drivers are expected to emerge as regulators and chip makers target improvements in sustainability. To meet higher sustainability benchmarks, greater use of renewable energy, water reclamation, and abatement systems for process gases will be required in new fabs.
Moreover, inflation has been elevated across the board in recent years, notably in the construction sector. For example, construction prices in the US have risen by a 6% compound annual growth rate (CAGR) since 2021, and materials costs have ballooned by 25% CAGR. (See Exhibit 3.) Building new and improved fabs requires many highly specialized capabilities, such as complex and gas delivery systems that meet micro-contamination specifications. There are very few companies in any part of the world that have the capabilities to provide these services at the right level of quality specifications.
We estimate that inflation in fab construction costs will continue to remain elevated compared with broader inflation levels, primarily because without a sustained volume of new fab buildouts in recent years in many geographies—such as the US and parts of Europe—there is a limited amount of talent and expertise to support such highly specialized building programs.
Ongoing Expenses
Once the fab is in operation, there are some areas where cost increases will be keenly felt. For instance, greater amounts of materials will be needed for the additional layers and process steps in wafer production. These materials will have to be of higher quality and be more advanced than those of today to support more technologically complex manufacturing. An example of this are photoresist materials that are capable of achieving the ultra-thin films necessary for high-NA EUVL.
Perhaps surprisingly, operating labor costs are expected to be relatively stable. Leading-edge fabs are extensively automated because that approach is less likely to introduce contaminants or defects in the production process than with human intervention. As a result, staff size and responsibilities—mostly in engineering, technical, and operations functions—won’t need to change substantially.
However, maintenance costs are expected to continue to rise because more-complex and more-expensive equipment in the advanced fab will require increasingly skilled upkeep and expensive parts and components for repairs.
Utilities outlays will also be substantially affected. We expect increases beyond inflation for water, electricity, and natural gas that are in line with more process steps and layers: more steps, more consumption. Although we see continued progress among equipment manufacturers to develop more resource-efficient chip making tools, their priority remains on fab production performance—namely, throughput, critical dimensions, yields, and reliability.
Depending on where the fab is being built, local factors could impact ultimate costs, too. Among these are the availability of nearby clusters of suppliers and technicians from equipment providers, all of which could alter logistics and fab maintenance costs. Also, employee amenities that may be expected in a given region, such as recreational facilities, cafeterias, and food subsidies, could impact operating budgets. What’s more, local labor regulations, such as limits on the number of hours in a shift, may increase employee overhead expenses. The price of electricity also varies widely around the world and in some places that can make a meaningful difference in fab economics.
Os impostos também são uma consideração local. Por exemplo, os impostos estaduais e locais nos estados dos EUA que já tiveram algum grau de presença da indústria de semicondutores (como Nova York, Texas, Arizona, Ohio e Califórnia) variam de 4% a 7% e representam 1% a 3% do TCO de dez anos. As estruturas tributárias locais em outras partes do mundo podem ser substancialmente diferentes, e isso pode afetar as estimativas gerais de custo para o projeto. Não há dois fabulos são iguais. De fato, existem inúmeras abordagens que as empresas de semicondutores podem tomar e uma variedade de decisões de design que eles podem tomar durante as fases de pré-construção, construção e operações que alterarão materialmente o custo final do Fab. (Consulte Anexo 4.) Algumas dessas abordagens e decisões incluem o seguinte:
Every Fab Is Unique
These cost categories are the starting point for measuring fab economics, but they are fungible. No two fabs are the same. In fact, there are numerous approaches that semiconductor companies can take and an array of design decisions they can make during the pre-construction, construction, and operations phases that will materially alter the final cost of the fab. (See Exhibit 4.) Some of these approaches and decisions include the following:
Existem numerosas abordagens que as empresas de semicondutores podem tomar e uma matriz de decisões de design que eles podem tomar materiais ao mesmo tempo. Fase:
During the Pre-Construction Phase:
- Efeito de adjacência ou agrupamento. Instalação. Fabs built next to or clustered with other chip-making facilities can deliver scale efficiencies.
- Greenfield Versus Brownfield. Brownfield projects can result in a notable advantage, saving one to two years of development simply by retrofitting or expanding an existing facility.
Durante a fase de construção:
- Layout flexível ou fixo. No entanto, abordagens rígidas obviamente têm a desvantagem de não antecipar futuras mudanças que podem afetar a posição do mercado. Segmentação. Designing for future configuration and use changes—for instance, outfitting 10% to 25% of the fab to support equipment with high mechanical and energy loads, such as EUVL devices—may require more-stringent specifications, such as structural steel reinforcement trusses. However, rigid approaches obviously have the downside of failing to anticipate future changes that could impact market position.
- Capacity Buffer. Decisions must be made about whether to slightly undersize the fab building with the expectation that efficiency will improve over time to enable full capacity in a smaller space, or build beyond near-term projected capacity, leaving room for growth.
- Cleanroom Design and Segmentation. Designs de “salão de baile” para salas de limpeza requerem mais treliças e engenharia do que as salas modulares de mini-ambiente, que estão ganhando popularidade. No entanto, a construção de um número substancial de salas limpas modulares de maior padrão, que protegeriam contra contaminantes, pode gerar custos até um nível inaceitável.
- Requisitos específicos da região. Por exemplo, podem ser necessários controles adicionais de isolamento e engenharia sísmicos em certas regiões com base na geologia local para atenuar possíveis vibrações de tremores que podem interromper o processamento da bolas. Para a disposição do EUVL e da camada atômica (ALD), depende dos tipos de tecnologias que serão usadas no FAB e na complexidade da produção do edifício. Os requisitos de processo e ferramenta afetarão significativamente as especificações do projeto e os custos fabulosos. Local conditions can impact design, planning, engineering, and execution. For example, additional seismic isolation and engineering controls may be needed in certain regions based on local geology to dampen possible vibrations from tremors that can disrupt wafer processing.
During the Operations Phase:
- Process Technology, Recipes, and Process Tool Chain Mix. The number of process steps, particularly those that require higher-cost, more resource-intensive equipment, such as for EUVL and atomic layer disposition (ALD), depends on the types of technologies that will be used in the fab and the building’s production complexity. Process and tool requirements will significantly impact design specifications and fab costs.
- Custos e contratos de manutenção. Os custos de manutenção associados ao equipamento Fab cobrem uma paisagem complexa que se estende por todos os aspectos das operações. Essas são ferramentas altamente especializadas que exigem experiência para possuir, manter em boas condições de funcionamento e executar. A maioria das empresas deve ter técnicos experientes (dos fornecedores de equipamentos ou de terceiros) localizados no local para lidar com as necessidades de manutenção planejadas e não planejadas. A natureza desses contratos pode criar variações substanciais no custo final da propriedade.
There are numerous approaches that semiconductor companies can take and an array of design decisions they can make that will materially alter the final cost of a fab.
Speaking, em geral, as prioridades e a experiência estratégicas de uma empresa afetarão significativamente o orçamento de um semicondutor FAB. Os modelos de negócios de algumas empresas têm como altura alta utilização fabulosa e capacidade de alto volume; Outros podem estar focados na entrega pontual, e outros ainda podem buscar produtos de margem de lucro mais altos, mesmo às custas da utilização da capacidade. Cada uma dessas opções possui tamanho, equipamento, ferramentas e custos de tecnologia distintamente diferentes. Além disso, as empresas que não são novas no design e desenvolvimento fabuloso podem se beneficiar da experiência e dos recursos estabelecidos (incluindo parceiros especializados em mão-de-obra e cadeia de suprimentos) que ganharam ao longo do tempo.
Embora todas essas decisões sejam cruciais e possam ter um grande efeito nos custos e desempenho fabulosos, outra coisa se destaca em nossa pesquisa: Fabs construídos por empresas de manufatura de semicondutores estabelecidas que têm acesso a trabalhistas especializados e especializados provavelmente gerarão os melhores resultados. A experiência adquirida com as construções Fab do passado, garantidas por meio de capacidades internas ou parcerias fortes, acelera a construção e diminui os custos. Por outro lado, as compilações por jogadores mais novos ou projetos cercados por circunstâncias únicas ou desconhecidas - construindo uma primeira grande instalação em outra região do mundo, por exemplo - as mesmas vantagens. Por exemplo, como mencionado, os trabalhadores e profissionais necessários para a Fab Construction são altamente especializados. As empresas podem achar que esses trabalhadores não estão disponíveis em números suficientes na área imediata de sua FAB e terão que suportar custos adicionais para apoiar a realocação desses especialistas de outras regiões. Bilhão - 33% a 66% maior que os custos de hoje. (Consulte o Anexo 5.)
At times, companies may find that they also need to account for unexpected costs. For example, as mentioned, the workers and professionals needed for fab construction are highly specialized. Companies may find that those workers are not available in sufficient numbers in the immediate area of their fab and will have to bear additional costs to support relocation of these experts from other regions.
Cost of a Hypothetical Fab
Taking the major cost drivers and underlying assumptions into consideration, we concluded that a fab completed in 2026 would carry a ten-year TCO of $35 billion to $43 billion—33% to 66% higher than today’s costs. (See Exhibit 5.)
Como discutido, os fatores mais críticos que impulsionam esse aumento são, primeiro, a escalada de complexidade, como o aumento da taxa de máscara e um número maior de fabricação de fabricação e segundo, uma base de acumulação, como um pouco de atendimento, como um número de máscara e um número de fabricação de fabricação e, segundo, um pouco de acumulação, como um número de máscara e um número de fabricação e um número de fabricação, e um segundo, um pouco de acumulação, como um número de máscara e um número de fabricação, e um segundo, um número de gente de fabricação e um número de fabricação e o segundo, um número de gente de fabricação, um número de fabricação e o segundo, um pouco de acumulação, como um número de máscara e um número de fabricação e um número. A inflação também aumentará a construção e os custos relacionados. É importante observar que a ampla gama de TCO que chegamos é extremamente sensível a mudanças em qualquer um desses fatores de custo; Por exemplo, se a taxa de inflação terminar em 2,6% em vez de 4%, o custo de construção de um fabuloso em 2026 pode cair para US $ 37 bilhões. Isso ocorre principalmente porque os líderes políticos em todo o mundo veem cada vez mais uma próspera indústria doméstica de semicondutores e o acesso a chips críticos como componentes essenciais da política de segurança econômica e nacional.
Government Incentives Could Materially Impact Cost Outcomes
Since our analysis of fab construction three years ago, the government incentives landscape for building and operating leading-edge fab facilities has been extremely active. This is chiefly because political leaders around the world increasingly view a thriving domestic semiconductor industry and access to critical chips as essential components of economic and national security policy.
To that end, the US recently passed the CHIPS AND CIÊNCIA Lei , que fornece aproximadamente US $ 52 bilhões em novo financiamento para aumentar a pesquisa doméstica e a fabricação de semicondutores. Isso inclui um crédito fiscal de investimento de até 25% das despesas de capital elegíveis (CAPEX), uma ampla dedução avançada de impostos de fabricação elegível para depreciação que cobre tudo, desde a construção até o equipamento. Além disso, alguns estados oferecem subsídios para apoiar a construção fabulosa e o desenvolvimento econômico e de empregos. Algum grau de redução de impostos sobre a propriedade a longo prazo também está disponível também. Taiwan é o novo
Taiwan, too, is moving to solidify its global leadership position. Taiwan’s new Lei de chips , que foi aprovado em janeiro de 2023 e está sendo lançado, oferece créditos fiscais de investimento de 25% em P&D e 5% em equipamentos. Além disso, a Política Industrial de Taiwan concede benefícios especiais a organizações de pesquisa e fabricação localizadas em parques científicos e industriais, incluindo acesso relativamente de baixo custo a terras, água, eletricidade e infraestrutura, bem como a possibilidade de aprovações aceleradas e a eliminação de impostos de importação e exportação.
South Korea is offering chip makers Créditos tributários Para cobrir até 25% dos custos da instalação e 30% a 40% das despesas de P&D. Após o lançamento deste programa, a Samsung anunciou um investimento de US $ 228 bilhões em 20 anos em um cluster de semicondutores fora de Seul.
Outras iniciativas incluem o
Lei dos Chips Europeus
, que está dirigindo 22 bilhões de euros (US $ 24 bilhões) em investimentos no ecossistema de semicondutores da região;
US $ 6,8 bilhões do Japão em financiamento
Para o desenvolvimento doméstico de semicondutores, incluindo um subsídio de US $ 3,5 bilhões para um novo fabuloso Fab de 10 nm na prefeitura de Kumamoto (uma joint venture da TSMC e da Sony); Consideração contínua da China continental de novos incentivos fiscais e subsídios para a indústria de chips; e
US $ 10 bilhões da Índia
Com a expansão do setor de chips, que em alguns casos pode chegar a até 50% dos custos do projeto (desde a estréia do programa em 2022, o líder de tecnologia de Taiwan Foxconn e os US Memories Memories Micron indicaram uma intenção de investir no setor na Índia). ambiente semicondutor. Tanta coisa está mudando tecnologicamente, a demanda está se expandindo rapidamente e a geopolítica está interrompendo as cadeias de suprimentos de chips, e tudo isso tornou o desenvolvimento da capacidade de fabricação de semicondutores suficientes uma prioridade urgente em quase todas as regiões do mundo. Compreender a economia subjacente da criação de instalações de fabricação de chips é fundamental para todas as partes interessadas. Muitos fatores continuarão a aumentar os custos dessas instalações altamente avançadas no futuro, embora cada projeto tenha seus próprios requisitos e considerações de custo. A pesquisa apresentada aqui tem como objetivo fornecer a todas as partes interessadas uma perspectiva informada sobre os fatores que mais afetam a economia fabulosa e as opções disponíveis para melhor gerenciar o TCO de um FAB.
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Conclusion
Examining the TCO of a new fab remains a complex undertaking in today’s fast-evolving semiconductor environment. So much is changing technologically, demand is expanding rapidly, and geopolitics is disrupting chip supply chains, and all of that has made developing sufficient semiconductor manufacturing capacity an urgent priority in almost every region of the world. Understanding the underlying economics of building out chip-making facilities is critical for all stakeholders.
The right balance of incentives and support combined with R&D, innovation, and access to capital will be needed for the semiconductor industry to grow successfully. Many factors will continue to drive up the costs of these highly advanced facilities in the future, although each project will have its own unique requirements and cost considerations. The research presented here is intended to provide all interested parties with an informed perspective about the factors that most affect fab economics and the options that are available to best manage a fab’s TCO.
