AI 时代，建设一座未来晶圆厂要多少钱？
在当前的AI浪潮下，新建一座晶圆厂到底需要多少钱？
今年3月，全球半导体代工巨头台积电（TSMC）宣布，将追加1,000亿美元投资美国市场，用于在亚利桑那州凤凰城新建三座先进制程晶圆厂、两座先进封装厂及一座研发中心，形成从制造到封测的完整链条，加上已在当地投资650亿美元建设两座晶圆厂使其在美总投资额攀升至1,650亿美元。
进入到AI时代，叠加汽车电动化以及数字化等产业趋势下，半导体产业增长的逻辑仍在强化，2030年半导体市场规模有望突破1万亿美元。与之相对应的，也推高了全球范围内晶圆厂的建设投资。
根据SEMI最新的全球晶圆厂（Fab）预测季度报告，预计半导体行业将在2025年启动18个新晶圆厂建设项目。新项目包括：3座200毫米和15座300毫米晶圆设施，其中大部分预计将于2026年至2027年开始运营。2025年，美洲和日本是领先地区，各计划建设4个项目。中国大陆、欧洲及中东地区并列第三，各计划建设3个项目。中国台湾计划建设2个项目，而韩国和东南亚各计划建设1个项目。
众所周知，半导体公司由于资本开支巨大，形成了较强的技术壁垒和资金壁垒，其中半导体研发投入和晶圆厂建设成本是两大重头。而随着工艺节点的突破，资本支出则进一步高企。
那么建设一座未来的晶圆厂，钱究竟都花在哪了？本文就以一座先进工艺7nm的晶圆厂为例，从设计到开工建设到运营量产，来一一拆解分析。
建设成本
晶圆厂的核心是洁净室层（Clean room level）。实际进行制造过程的工厂车间洁净室下方是次级晶圆厂（Sub-fab），一层或多层（通常为两层），其中包含支持洁净室操作所需的管道、管道、布线和设备。洁净室层上方是一个间隙空间（Interstitial and fan deck），配有风扇和过滤器，用于将空气再循环到下面的洁净室（Utility level），其中设计成本5%，土建成本35%，机电系统成本30%，洁净室成本35%。一般7nm先进工艺以下的晶圆厂总成本超过200亿美元，其中建筑结构本身需要花费40亿至60亿美元，占总成本的10~20%,从成本角度来看，未来新晶圆厂的破土动工在前期和持续支出方面都将比几年前更加昂贵。根据统计，中国台湾建设晶圆厂大约需要19个月，新加坡和马来西亚需要23个月，欧洲约34个月，而美国最长，可达38个月。
设备成本
晶圆厂的设备成本占到70~80%。就设备成本而言，最大的支出通常是光刻机，光刻机在设备支出中占比约30%，占新晶圆厂总成本的20%，这意味着光刻工具的成本可能与整个晶圆厂设施本身的成本一样高。另外，刻蚀设备占比约20%-25%，薄膜设备占比约 15%-17%，这三者合计占比约 53%-63%，为前道制程中主要的设备投资。每个新的工艺节点都会使晶圆厂成本增加约 30%。
生产成本
晶圆厂的生产耗材成本占到总成本的5%，其中主要包括晶圆原材料、气体、化学试剂、零部件等耗材以及人工等成本 。其中，硅片、光掩膜版、电子特种气体、光刻胶及附属产品、CMP抛光材料、湿法电子化学品、靶材等，在晶圆制造材料成本占比中分别为：33%、14%、13%、 13%、7%、4%、3%。硅片作为晶圆基本载体市场份额占比最高，在如今高度自动化的晶圆制造工厂中，劳动力成本在总成本中占比不到2%。
运营成本
研发投资占总支出的比例较高。研发投入的资金可能在长期运营中占据5%到10%的比例。投产后的持续优化阶段虽然运营成本（OpEx）较低，但折旧仍然是持续的负担，尤其是设备的折旧，每年都需要进行规划和预算，一般厂房折旧10~20年，费用0.25亿~0.5亿美元/年，设备折旧在5~10年，折旧费用8~10亿美金/年，平均到单片晶圆占比近一半成本。晶圆厂在量产后的2~3年开始盈利，在运行良好的情况下（如良率的稳定产能利用率85%以上），第5年进入盈利的高峰期。
AI升级成本
随着工艺节点持续微缩，传统的制造过程问题检测技术已经过时。在晶圆制造中，人工缺陷分类的培训至少需要6到9个月的时间，即使在培训完成后，专业的操作员通常也只能保持70-85%的准确率。而在引入大规模机器学习和高级分析后，工程师在几分钟内就能找到潜在的根本原因，而此前则要花费几个小时甚至几天。在智能制造、工业4.0等新兴概念的驱动下，制造业能够从人工智能和机器学习中获得最多的收益，麦肯锡预计这将使制造成本降低17%。
不过相应的，晶圆厂建设升级的成本从65nm时代的4亿美元增加到5nm时代的54亿美元。
总结
先进制程晶圆厂的总投资在100-200亿美金。初期投资主要集中在建设厂房、购买设备和提供基本设施，这一阶段的资金需求大部分用于资本支出（CapEx）。在运营阶段，折旧费用会逐年增加，设备折旧费用是最大的支出项，尤其在前期，厂房和基础设施折旧的负担较轻。盈亏平衡点预计在第2至第3年内，随着产量提升和市场订单的增加，预计开始进入盈亏平衡点，在第4至第5年进入稳定盈利期。而研发的投资贯穿整个晶圆厂的生命周期，从早期的工艺研发到后期的技术更新和工艺迭代，每个阶段的研发投资金额是根据实际需要逐步增加的。在人工智能的普及下，晶圆厂需要对厂房和生产系统进行持续升级，这个过程的投资金额也是持续增加的。
随着工艺制程节点的持续推进，晶圆厂的各项资本支出会越来越高，折合到单片晶圆的成本同样升高。例如台积电每片2nm晶圆的报价高达3万美元，折合人民币约22万元。这还不算完，预计到2028年量产的1.4nm晶圆，其成本将再上涨50%，达到惊人的4.5万美元，折合人民币约32.3万元。
