أساسيات اقتصاديات تصنيع أشباه الموصلات

ذات مرة - في بداية القرن - اشتريت هاتفًا محمولًا عاديًا ، أرخص هاتف ، يكلف حوالي 15 أو 20 يورو. وغطاء لها. والتي تكلف أيضا حوالي 15-20 يورو. أدهشتني هذه الحقيقة - هاتف يوجد فيه رقاقة أشباه الموصلات ، وهي قمة تطور التكنولوجيا البشرية ، التي يتطلب إنتاجها معدات بقيمة مليارات الدولارات ، ومتخصصين مؤهلين تأهيلاً عالياً درسوا في الجامعات ودافعوا عن أطروحات ، ونتائج البحث العلمي لآلاف العلماء - وكل هذا يكلف نفسه كم هي الحالة العادية التي لم تتغير فيها تكنولوجيا الإنتاج على مدى آلاف السنين الماضية. كيف ذلك؟ دعونا نحاول أن نفهم.

مقدمة

قم بإجراء حجز على الفور بأن الأرقام الواردة في المقالة ليست حسابًا دقيقًا لتكلفة منتج معين. ومع ذلك ، لم يتم أخذ الأرقام من السقف ، ولكن من الخبرة في العمل في مصنع أشباه الموصلات الكبير (GlobalFoundries ، وهو مصنع AMD سابقًا) وقيادة مصنع MEMS صغير. وبالتالي ، سننظر في إنشاء مصنع أشباه موصلات كروية معين في فراغ ، والذي ، من جهة ، ليس نسخة من المصنع الحقيقي ، من ناحية أخرى ، فهو يساعد على فهم الاتجاهات في تشكيل تكلفة منتجات أشباه الموصلات. كما أود التأكيد على أننا سنتحدث عن تكلفة منتجات أشباه الموصلات. سيتم تحديد السعر بعوامل أخرى: الضمير والعرض والطلب والتسويق وما إلى ذلك. ولن نتطرق إلى هذه المشكلات ، سنقول فقط الشيء الواضح أن السعر لا يمكن أن يكون أقل من سعر التكلفة (وهذا هو سبب حرق Qimonda - كانت تكلفة ذاكرتهم ( DRAM ) أعلى من سعر وحدات الذاكرة لدى الشركات المصنعة في جنوب شرق البلاد).

ما هي تكلفة منتجات أشباه الموصلات؟

دعونا نقارن تكلفة الإنتاج في المصنع بأحجام مختلفة من الألواح (بأقطار من 100 مم إلى 300 مم) ، وتحميل مختلف للإنتاج وعائد مختلف. للقيام بذلك ، سنحتاج إلى فهم التكاليف اللازمة للإنتاج ، وكيف تعتمد على حجم الإنتاج ، وعدد الرقائق التي تناسب اللوحات ذات الأحجام المختلفة وما هي النسبة المئوية للرفض (الجانب العكسي للعائد).

دع مصنعنا ينتج منطق CMOS ، مع إنتاج أقصى يبلغ 600،000 رقاقة في السنة. لقد أنفقنا مليار دولار على المعدات.

المصروفات

تنقسم تكاليف الإنتاج إلى نوعين - ثابت ، لا يعتمد على حجم الإنتاج والمباشر (المتغيرات) - التي تعتمد بشكل مباشر على حجم الإنتاج. بالإضافة إلى ذلك ، ستزداد بعض التكاليف (غير المباشرة) مع حجم الإنتاج ، ولكن ليس بما يتناسب معها.

مصاريف مباشرة

• رقائق السيليكون. العنصر الأكثر وضوحًا لشريحة أشباه الموصلات ، لكن مساهمتها في التكلفة صغيرة جدًا. تبلغ تكلفة اللوحة 100 مم حوالي 30 إلى 40 دولارًا ، 300 مم - 70 دولارًا - 80 دولارًا. كما سنرى لاحقًا ، تساهم اللوحة في تكلفة حوالي 1 ٪. لن نفكر في حالات استخدام لوحات SOI (تكلفتها أكبر من حيث الحجم).
• الكيماويات والغازات. تحتوي تقنية المعالجة الحديثة على حوالي 300 خطوة. يحتاج بعضها إلى مواد كيميائية باهظة الثمن (على سبيل المثال ، مقاومة الطباعة الحجرية أو هدف لرش المعادن) ، وبعضها لا يتطلب مواد كيميائية على الإطلاق (على سبيل المثال ، علم القياس) أو أنها رخيصة جدًا (على سبيل المثال ، أكسدة السيليكون في الأكسجين). من الصعب جدًا حساب الكمية الدقيقة من المواد الكيميائية وتكلفتها لكل عملية ، ولكن إذا كنت تأخذ فقط التكاليف الإجمالية للمواد الكيميائية وتقسمها على عدد العمليات والألواح ، يتم تبسيط العمليات الحسابية بشكل كبير. في هذه الحالة ، سيتم إنفاق حوالي 10 دولارات من المواد الكيميائية لكل عملية على لوحة واحدة. وبالتالي ، إذا كان لدينا 300 عملية في عملية التصنيع ، فسوف ننفق 3000 دولار على تصنيع لوحة واحدة.
• أقنعة (أقنعة). إذا أنتجنا العديد من المنتجات وقمنا بتغييرها باستمرار ، فستكون تكلفة أقنعة الصورة كبيرة. إذا أنتجنا منتجًا واحدًا ، فلن تعتمد تكلفة الأقنعة على حجم الإنتاج. من أجل بساطة التحليل ، افترض أننا ننتج منتجًا واحدًا فقط وأن نضمن تكاليف عمل أقنعة الصور في التكاليف الثابتة.

التكاليف غير المباشرة

• الكهرباء للوهلة الأولى ، هذه تكاليف مباشرة ، ولكن في الواقع ، استهلاك الكهرباء لا يتناسب طرديا مع حجم الإنتاج. الحقيقة هي أن معدات أشباه الموصلات تعمل باستمرار ، حتى لو كانت معطلة. يتم ذلك لأن الخروج إلى وضع التشغيل يمكن أن يستغرق الكثير من الوقت. على سبيل المثال ، في معدات التفريغ المستخدمة على نطاق واسع في تصنيع أشباه الموصلات ، يتم استهلاك معظم الكهرباء بواسطة المضخات التي تعمل بشكل مستمر ؛ تحافظ الأفران على درجة حرارة التشغيل ، وتبريد المياه ، وأنظمة التهوية وتكييف الهواء للغرف النظيفة ، إلخ. وبالتالي ، مع زيادة حجم الإنتاج ، سيزداد استهلاك الكهرباء بشكل غير ملحوظ ، وبما أن حصته في التكلفة الأولية ليست كبيرة ، كتقريب أول ، يمكننا أن نفترض أن هذه تكاليف ثابتة لا تعتمد على أحجام الإنتاج.
• صندوق الرواتب. مع زيادة الإنتاج ، قد تحتاج إلى المزيد من الموظفين ، ولكن الاتصال ليس متناسبًا بشكل مباشر. أولاً ، لن يتغير عدد الموظفين الإداريين. ثانيًا ، قد يزيد عدد المهندسين ، ولكن قليلاً فقط. عندما يعمل المصنع على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع ، يعمل المهندسون 8/5 ولا يغطي سوى بعض الحاضرين عطلة نهاية الأسبوع. مع زيادة عدد التحولات ، سيزداد عدد المشغلين نسبيًا ، ولكن ، أولاً ، مع درجة عالية من التشغيل الآلي للإنتاج ، لا توجد حاجة إلى العديد من المشغلين ، وثانيًا ، هذه فئة ذات أجور منخفضة نسبيًا من الموظفين. وهكذا ، مع إدخال 4 نوبات في الإنتاج ، بدلاً من واحدة ، ستزداد تكاليف العمالة بنسبة 20-30 في المائة.
• صيانة وإصلاح المعدات. أنها تشكل حوالي 5٪ من تكلفة المعدات في السنة. الكثير من أعمال الصيانة المستمرة ، والتي تعتمد في بعض الأحيان ، لا تعتمد في بعض الأحيان على حجم الإنتاج. التكلفة الإجمالية لا تتناسب طرديا مع حجم الإنتاج.

تكاليف ثابتة

وهذا يشمل كل شيء آخر لا يعتمد على حجم الإنتاج - استهلاك المعدات ، تأجير الأراضي ، إصلاح المباني ، صيانة المكتب ، إلخ. الخ. دعونا نتحدث بشكل منفصل عن الاستهلاك. يتم استهلاك معدات المسار على مدى 5 سنوات. بعد ذلك ، بتكلفة إجمالية للمعدات تبلغ مليار دولار ، يجب أن ندرج 200 مليون دولار سنويًا في النفقات.

عند وضع كل ذلك معًا ، سنرى أن تكاليفنا الثابتة تبلغ حوالي 1.5 مليار دولار أمريكي سنويًا ونسمح لها بالنمو بنسبة 10٪ مع إدخال نقلة إضافية واحدة. وبالتالي ، ستتكون تكلفة لوحة واحدة من التكاليف المباشرة لإنتاج لوحة واحدة + تكاليف ثابتة للمصنع بأكمله مقسومًا على عدد اللوحات = 3100 دولار + 1.5 مليار دولار / حجم الإنتاج. دعونا نجري الحسابات الأولى:

عدد التحولات	حجم الإنتاج ، لوحات في السنة	التكاليف الثابتة ، مليار دولار	تكلفة اللوحة ، $
1	150،000	1.5	13100
2	300000	1.65	8600
3	450،000	1.82	7 130
4	600000	1.99	6425

الاستنتاج الأول الذي يمكننا القيام به: من المفيد بالنسبة لنا تحميل مصنعنا إلى أقصى حد - وهذا يقلل بشكل كبير من تكلفة لوحة واحدة (مرتين عند التبديل من نوبة واحدة إلى أربعة). الآن دعونا نتحدث عن الرقائق - بالنسبة للمستهلك النهائي ، فإن تكلفة الرقاقة ، وليس رقاقة أشباه الموصلات بأكملها ، مهمة.

حجم اللوحة

رقائق أشباه الموصلات من 51 مم إلى 200 مم. المصدر: ويكيبيديا ، بواسطة German Wikipediabiatch ، التحميل الأصلي 7. Okt 2004 بواسطة Stahlkocher de: Bild: Wafer 2 Zoll bis 8 Zoll.jpg ، CC BY-SA 3.0 ، Link

لمعرفة عدد الرقائق الموجودة على اللوحة ، تحتاج إلى معرفة حجم الشريحة وحجم اللوحات. هناك آلة حاسبة ملائمة على الإنترنت تسمح لك بسرعة معرفة عدد الرقائق التي تناسب الرقاقات ذات الأحجام المختلفة. على سبيل المثال ، لنأخذ رقائق ذات أحجام مختلفة ، وهي Intel "Sandy Bridge E 6C" الكبيرة (435 مم 2) و Qualcomm Snapdragon 835 "الصغيرة" (72.3 مم 2) ونرى كم تناسبها على الرقاقات ذات الأحجام المختلفة. إخلاء المسؤولية: تؤخذ الرقائق ببساطة كمثال على الأحجام ، ولا علاقة للحساب اللاحق لسعر التكلفة بسعر التكلفة الحقيقي لهذه المنتجات. بالإضافة إلى ذلك ، من الواضح أنه لا يمكن صنع نفس الشريحة على لوحة 100 مم و 300 مم ، ولكننا نفكر في مصنع كروي في فراغ ، لذلك دعونا فقط نحسب.

حجم اللوحة مم	عدد الرقائق 435 مم 2	عدد الرقائق 72.3 مم 2
100	9	69
150	24	180
200	52	345
300	127	836

بالنظر إلى أن تكلفة تصنيع لوحة واحدة هي نفسها تقريبًا ، من هذا الجدول ، نصل إلى استنتاجين مهمين للغاية:

• كلما كانت الشريحة أصغر ، كلما كانت أكثر على لوحة واحدة ، كلما كانت أرخص . لذلك ، من خلال تقليل حجم الترانزستورات ، يمكننا إما تقليل التكلفة بنفس الوظيفة (بدون تغيير عدد الترانزستورات ستكون الشريحة أقل) ، أو زيادة عدد الترانزستورات دون تغيير حجم الشريحة سنحصل على زيادة في الأداء / الوظيفة بنفس التكلفة (نفس حجم الشريحة). يصبح من الواضح السباق لتقليل حجم الترانزستورات ( قانون مور ): إما أداء أرخص أو أعلى بنفس التكلفة.
• أكبر لوحة ، أرخص شريحة واحدة. من الجدير بالذكر أن معدات أحجام الألواح من 100 مم إلى 200 مم هي نفسها تقريبًا ، لذا فإن تكلفة معالجة لوحة واحدة من 100 مم و 150 مم و 200 مم ستكون هي نفسها. بالنسبة للمعدات مقاس 300 مم ، تكون أكثر تكلفة ، لذلك يجب علينا زيادة التكاليف الثابتة (الاستهلاك والصيانة) للحسابات اللاحقة. نحن نقبل هذه الزيادة بما يعادل 50٪ من تكلفة التكاليف الثابتة.

العائد

مثال على بطاقة إخراج الرقاقة. يتم تمييز الرقائق المعيبة باللون الأحمر. المصدر: DOI: 10.1155/2015/707358

لأنه يحب تكرار قيادة مصانع أشباه الموصلات لدينا ثلاثة أهداف رئيسية: العائد ، العائد والمحصول (لدينا ثلاثة أهداف رئيسية - هذا جيد ، جيد وجيد). يؤثر العائد على سعر التكلفة مباشرة - كلما زاد العائد على اللوحة ، كلما كانت الشريحة أرخص ، لأن تكلفة اللوحة لا تتغير (من وجهة نظر الاقتصاد ، فإن الزيادة في الزواج تعادل انخفاضًا في حجم اللوحة). للوهلة الأولى ، يعتبر مفهوم العائد بسيطًا للغاية - فنحن ببساطة نعتبر النسبة المئوية لرقائق العمل ، ولكن هناك بعض الفروق الدقيقة.

إذا كانت الشريحة بسيطة ، على سبيل المثال ، الوحدة اللاسلكية للهاتف ، فإنها إما تعمل أم لا ، فكل شيء بسيط. إذا كانت الرقاقة معقدة ، على سبيل المثال ، تحتوي على عدة نوى ومعالج رسومي على شريحة واحدة ، فإن كل شيء يكون أكثر صعوبة. إذا كنت محظوظًا ، فكل شيء يعمل. إذا لم يكن كذلك ، على سبيل المثال ، من أصل أربعة نوى ، عملان فقط. أو لا يعمل المعالج الرسومي. ماذا تفعل في هذه الحالة؟ بسيط للغاية - نصنع خطًا للمنتج: معالج رباعي النواة مع رسومات ، ومعالج ثنائي النواة مع رسومات ، ومعالج ثنائي النواة بدون رسومات ، وما إلى ذلك. بالإضافة إلى ذلك ، يمكنها العمل بترددات مختلفة (حسنًا ، حدث ذلك بسبب التشتت في حجم الأجهزة على اللوحة). أي إذا رأيت خطًا من المعالجات ، فهذا لا يعني أن هناك العديد من العمليات الفنية وقوالب الصور. على الأرجح ، تكون العملية الفنية واحدة ، وبعد انتهاء معالجات التصنيع يتم فرزها حسب نتائج القياسات النهائية.

جانب آخر هو كما يلي: ينخفض ​​العائد بشكل رئيسي بسبب العيوب التي لها احتمال معين للحدوث لكل وحدة مساحة من رقاقة أشباه الموصلات. من الواضح أن الشريحة الأكبر من المرجح أن تلتقط عيبًا وتفشل أكثر من الشريحة الصغيرة. وبالتالي ، سيكون ناتج الرقائق الصغيرة المناسبة أكبر من إنتاج الرقائق الكبيرة المناسبة بنفس عدد العيوب على اللوحة.

تكلف

لذلك ، اكتشفنا أن لدينا العديد من العوامل الرئيسية التي تؤثر على تكلفة الرقاقة:

• حجم الإنتاج
• حجم اللوحة
• حجم الشريحة
• العائد

من الصعب إلى حد ما إنشاء جدول موجز رباعي الأبعاد ، لذلك دعونا نحسب بعض الأمثلة:

تبلغ تكلفة الشريحة (بالدولار) 72.3 مم 2 مع عائد 80 ٪ لمصنع يعمل بأحمال مختلفة وأحجام مختلفة من الألواح:

عدد التحولات	100 ملم	150 ملم	200 ملم	300 ملم
1	237	90	47	27
2	155	59	41	16
3	129	49	36	13
4	146	44	33	12

بالانتقال من رقائق 100 مم إلى 300 مم ومن نوبة واحدة إلى أربع ، قللنا تكلفة الشريحة بمقدار 20 مرة!

تكلفة الرقائق (بالدولار) بأحجام مختلفة اعتمادًا على العائد على لوحة 300 مم مع حمولة كاملة للمصنع:

العائد	رقاقة 435 مم 2	رقاقة 72.3 مم 2
60٪	106	16
70٪	91	14
80٪	79	12
90٪	71	10
100٪	64	9

حسنًا ، حصلنا على الإجابة على السؤال الأصلي - كيف يمكن أن يكلف الهاتف المحمول عدة عشرات من الدولارات على الرغم من حقيقة وجود منتجات ذات تقنية عالية. بدأنا بمليارات الدولارات من الاستثمارات ومليارات الدولارات ، وتوصلنا إلى استنتاج مفاده أن تكلفة شريحة واحدة صغيرة (من غير المرجح أن تكون كبيرة جدًا في هاتف بسيط بضغطة زر) يتم إنتاجها في مصنع محمّل بالكامل يعمل على ألواح مقاس 300 مم تُقاس بوحدات من الدولارات.

الآن ، بدافع الفضول ، دعنا نرى ما يحدث إذا أردنا تنظيم إنتاج الرقائق في روسيا.

إنتاج الرقائق للسوق الروسية

إخلاء المسؤولية: يتم اختراع جميع الأرقام والأسماء ، وأي تطابقات عشوائية.
لنفترض أننا نظمنا شركة معينة "نانومتر" ونريد إنتاج معالج معين "سايان" بحجم 256 مم 2. للقيام بذلك ، اشترينا معدات بقيمة حوالي 1 مليار دولار ، تعمل على رقائق 200 مم وقادرة على إنتاج 600000 رقاقة في السنة. على لوحة واحدة ، نحصل على 91 شريحة ونحقق عائدًا بنسبة 70٪ ، أي من لوحة واحدة سنحصل على 63 شريحة. باستخدام الحسابات المذكورة أعلاه ، فإننا نقدر تكلفة إنتاج هذه الرقائق:

التحولات	عدد الرقائق	التكلفة ، $
1	9،450،000	207
2	18900000	136
3	2835000	113
4	3780000	102

أي أن التكلفة الإجمالية لجميع الرقائق المنتجة ستكون 3.5-3.8 مليار دولار ، والسؤال الرئيسي هو ما إذا كان هناك سوق في روسيا لبيع عشرات الملايين من المعالجات (أو أي رقائق أخرى)؟ بلغ حجم سوق أشباه الموصلات العالمية حوالي 463 مليار دولار في عام 2016 ، وتتراوح السوق الروسية ، وفقًا لتقديرات مختلفة ، من 0.3 إلى 1 ٪ من العالم ، أي. في مكان ما حول 2-4 مليار دولار ، وهو ما يعادل تقريبًا تكلفة جميع منتجاتنا ، لكننا نريد أيضًا ربحًا ، ولسنا وحدنا في السوق. اتضح أنه إذا أردنا إنتاج رقائق للسوق المحلية ، فعلينا إما الدخول إلى الأسواق العالمية (وبيع حصة كبيرة من منتجاتنا هناك) ، أو عدم تحميل المصنع بالكامل مع زيادة مقابلة في التكلفة (حسنًا ، أسعار المستهلك النهائي).

الخلاصة

حتى إذا كنت قد استثمرت مليارات الدولارات في معدات وتشغيل مصنع أشباه الموصلات ، يمكنك إنتاج رقائق معقدة للغاية ، ستبلغ تكلفتها عشرات الدولارات (وللوحدات الصغيرة). للقيام بذلك ، تحتاج إلى تحميل المصنع الخاص بك بالكامل (العمل على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع) ، واستخدام لوحات 300 مم ، حاول جعل الشريحة صغيرة قدر الإمكان وتحقيق عائد مرتفع. ولا تنس أن تجد أولئك الذين ستبيع لهم هذه الرقائق - وإلا لن تكون رخيصة.