Es war einmal - zu Beginn des Jahrhunderts -, als ich ein normales Handy kaufte, das billigste, es kostete ungefähr 15 oder 20 Euro. Und ein Cover dafür. Das kostet auch ca. 15-20 Euro. Diese Tatsache ist mir aufgefallen - ein Telefon, in dem sich ein Halbleiterchip befindet, der den Höhepunkt der Entwicklung der menschlichen Technologie darstellt, für deren Herstellung Geräte im Wert von Milliarden von Dollar erforderlich sind, hochqualifizierte Spezialisten, die an Universitäten studiert und Dissertationen verteidigt haben, die Ergebnisse wissenschaftlicher Forschung von Tausenden von Wissenschaftlern - und all dies kostet dasselbe Wie viel ist ein gewöhnlicher Fall, dessen Produktionstechnologie sich in den letzten tausend Jahren nicht wesentlich verändert hat. Wie so? Versuchen wir zu verstehen.
Einführung
Machen Sie sofort einen Vorbehalt, dass die im Artikel angegebenen Zahlen keine genaue Berechnung der Kosten eines bestimmten Produkts darstellen. Die Zahlen stammen jedoch nicht von der Decke, sondern aus der Erfahrung in einer großen Halbleiterfabrik (GlobalFoundries, einer ehemaligen AMD-Fabrik) und der Leitung einer kleinen
MEMS- Fabrik. Wir werden daher eine bestimmte kugelförmige Halbleiterfabrik in einem Vakuum betrachten, das einerseits keine Kopie der realen ist, andererseits hilft es, die Trends bei der Bildung der Kosten von Halbleiterprodukten zu verstehen. Ich möchte auch betonen, dass wir über die
Kosten von Halbleiterprodukten sprechen werden.
Der Preis wird durch andere Faktoren bestimmt:
Gewissen, Angebot und Nachfrage, Marketing usw. und wir werden diese Themen nicht ansprechen, wir werden nur die offensichtliche Sache sagen, dass der Preis nicht niedriger sein kann als der Selbstkostenpreis (dies ist der Grund, warum
Qimonda ausgebrannt ist - die Kosten für ihren Speicher (
DRAM ) waren höher als der Preis für Speichermodule südöstlicher Hersteller).
Was kosten Halbleiterprodukte?
Vergleichen wir die Produktionskosten in einer Fabrik mit unterschiedlichen Plattengrößen (Durchmesser von 100 mm bis 300 mm), unterschiedlicher Produktionsbelastung und unterschiedlicher Ausbeute. Dazu müssen wir verstehen, welche Kosten für die Produktion erforderlich sind, wie sie vom Produktionsvolumen abhängen, wie viele Chips auf Platten unterschiedlicher Größe passen und wie hoch der Prozentsatz der Ausschussprodukte ist (Rückseite der Ausbeute).
Lassen Sie unsere Fabrik
CMOS- Logik mit einer maximalen Leistung von 600.000 Wafern pro Jahr produzieren. Wir haben 1 Milliarde US-Dollar für Ausrüstung ausgegeben.
Ausgaben
Die Produktionskosten werden in zwei Arten unterteilt - fest, die nicht vom Produktionsvolumen abhängen, und direkt (Variablen) - die direkt vom Produktionsvolumen abhängen. Darüber hinaus steigen einige (indirekte) Kosten mit dem Produktionsvolumen, jedoch nicht proportional dazu.
Direkte Ausgaben
- Siliziumwafer. Die offensichtlichste Komponente eines Halbleiterchips, aber sein Beitrag zu den Kosten ist recht gering. Eine 100-mm-Platte kostet etwa 30 bis 40 US-Dollar, 300 mm bis 70 bis 80 US-Dollar. Wie wir später sehen werden, trägt die Platte zu den Kosten von etwa 1% bei. Fälle der Verwendung von SOI- Platten werden nicht berücksichtigt (ihre Kosten sind um eine Größenordnung höher).
- Chemikalien und Gase. Die moderne Prozesstechnik umfasst ca. 300 Schritte. Einige von ihnen erfordern teure Chemikalien (z. B. einen Resist für die Lithographie oder ein Target für das Metallsputtern), andere erfordern überhaupt keine Chemikalien (z. B. Messtechnik) oder sie sind sehr billig (z. B. Oxidation von Silizium in Sauerstoff). Die genaue Menge der Chemikalien und ihre Kosten für jeden Vorgang zu berechnen ist ziemlich schwierig. Wenn Sie jedoch nur die Gesamtkosten der Chemikalien berechnen und durch die Anzahl der Vorgänge und Platten dividieren, werden die Berechnungen erheblich vereinfacht. In diesem Fall werden ungefähr 10 US-Dollar Chemikalien pro Operation für eine Platte ausgegeben. Wenn wir also 300 Vorgänge im Herstellungsprozess haben, werden wir 3.000 USD für die Herstellung einer Platte ausgeben.
- Masken (Masken). Wenn wir viele Produkte produzieren und ständig ändern, sind die Kosten für Fotomasken erheblich. Wenn wir ein Produkt produzieren, hängen die Kosten für Masken nicht vom Produktionsvolumen ab. Nehmen wir zur Vereinfachung der Analyse an, wir produzieren nur ein Produkt und berücksichtigen die Kosten für die Herstellung von Fotomasken in den Fixkosten.
Indirekte Kosten
- Strom Auf den ersten Blick sind dies direkte Kosten, aber tatsächlich ist der Stromverbrauch nicht direkt proportional zum Produktionsvolumen. Tatsache ist, dass Halbleitergeräte ständig eingeschaltet sind, auch wenn sie im Leerlauf sind. Dies geschieht, weil das Verlassen der Betriebsart viel Zeit in Anspruch nehmen kann. Beispielsweise wird in Vakuumgeräten, die in der Halbleiterherstellung weit verbreitet sind, der größte Teil des Stroms von Pumpen verbraucht, die kontinuierlich laufen. Die Öfen halten die Betriebstemperatur, die Wasserkühlung, die Belüftung und die Klimaanlagen für Reinräume usw. aufrecht. Mit einem Anstieg des Produktionsvolumens wird der Stromverbrauch daher unbedeutend ansteigen, und da sein Anteil an den Hauptkosten in erster Näherung nicht so hoch ist, können wir davon ausgehen, dass es sich um Fixkosten handelt, die nicht vom Produktionsvolumen abhängen.
- Gehaltsabrechnungsfonds. Mit der Steigerung der Produktion benötigen Sie möglicherweise mehr Mitarbeiter, aber die Verbindung ist nicht direkt proportional. Erstens wird sich die Anzahl der Verwaltungsmitarbeiter nicht ändern. Zweitens kann sich die Anzahl der Ingenieure erhöhen, jedoch nur geringfügig. Wenn die Fabrik rund um die Uhr in Betrieb ist, arbeiten die Ingenieure 8/5 und nur einige Mitarbeiter decken das Wochenende ab. Mit zunehmender Anzahl von Schichten wird die Anzahl der Bediener proportional zunehmen, aber erstens werden bei einem hohen Automatisierungsgrad der Produktion viele Bediener nicht benötigt, und zweitens handelt es sich um eine relativ schlecht bezahlte Kategorie von Mitarbeitern. Mit der Einführung von vier Produktionsschichten anstelle einer Schicht steigen die Arbeitskosten um 20 bis 30 Prozent.
- Wartung und Reparatur von Geräten. Sie machen etwa 5% der Ausrüstungskosten pro Jahr aus. Viele ständige Wartungsarbeiten, die manchmal abhängen, hängen manchmal nicht vom Produktionsvolumen ab. Die Gesamtkosten sind nicht direkt proportional zum Produktionsvolumen.
Fixkosten
Dies schließt alles andere ein, was nicht vom Produktionsvolumen abhängt - Abschreibung von Ausrüstung, Vermietung von Grundstücken, Reparatur von Gebäuden, Wartung eines Büros usw. usw. Lassen Sie uns getrennt auf die Abschreibung eingehen. Pfadausrüstung wird über 5 Jahre abgeschrieben. Bei Gesamtausrüstungskosten von 1 Milliarde US-Dollar müssen wir dann 200 Millionen US-Dollar pro Jahr in die Ausgaben einbeziehen.
Wenn wir alles zusammenfassen, werden wir sehen, dass unsere Fixkosten ungefähr 1,5 Milliarden US-Dollar pro Jahr betragen und mit der Einführung einer zusätzlichen Schicht um 10% wachsen. Somit bestehen die Kosten für eine Platte aus den direkten Kosten für die Herstellung einer Platte + Fixkosten für die gesamte Fabrik geteilt durch die Anzahl der Platten = 3100 USD + 1,5 Mrd. USD / Produktionsvolumen. Lassen Sie uns die ersten Berechnungen durchführen:
| Anzahl der Schichten | Produktionsvolumen, Platten pro Jahr | Fixkosten: Milliarden US-Dollar | Kosten für Teller, $ |
|---|
| 1 | 150.000 | 1.5 | 13 100 |
| 2 | 300.000 | 1,65 | 8 600 |
| 3 | 450.000 | 1,82 | 7 130 |
| 4 | 600.000 | 1,99 | 6,425 |
Die erste Schlussfolgerung, die wir ziehen können: Es ist für uns von Vorteil, unsere Fabrik maximal zu beladen - dies reduziert die Kosten für eine Platte erheblich (zweimal beim Wechsel von einer Schicht auf vier). Lassen Sie uns nun über Chips sprechen - für den Endverbraucher sind die Kosten des Chips und nicht des gesamten Halbleiterwafers wichtig.
Plattengröße
Halbleiterwafer von 51 mm bis 200 mm. Quelle: Wikipedia, Von German Wikipediabiatch, Original-Upload 7. Okt 2004 von Stahlkocher de: Bild: Wafer 2 Zoll bis 8 Zoll.jpg , CC BY-SA 3.0 , LinkUm herauszufinden, wie viele Chips sich auf der Platte befinden, müssen Sie die Chipgröße und die Größe der Platten kennen.
Im Internet gibt es einen
praktischen Taschenrechner , mit dem Sie schnell herausfinden können, wie viele Chips auf Wafer unterschiedlicher Größe passen. Nehmen wir zum Beispiel Chips unterschiedlicher Größe, den „großen“ Intel Sandy Bridge E 6C (435 mm2) und den „kleinen“ Qualcomm Snapdragon 835 (72,3 mm2), und sehen Sie, wie viele davon auf Wafer unterschiedlicher Größe passen.
Haftungsausschluss: Die Chips dienen lediglich als Beispiel für Größen. Die anschließende Berechnung des Selbstkostenpreises hat nichts mit dem tatsächlichen Selbstkostenpreis dieser Produkte zu tun. Darüber hinaus ist es klar, dass der gleiche Chip nicht auf einer 100-mm- und 300-mm-Platte hergestellt werden kann, aber wir erwägen eine kugelförmige Fabrik im Vakuum. Zählen wir also einfach.
| Plattengröße mm | Anzahl der Späne 435 mm 2 | Anzahl der Späne 72,3 mm 2 |
|---|
| 100 | 9 | 69 |
| 150 | 24 | 180 |
| 200 | 52 | 345 |
| 300 | 127 | 836 |
Da die Kosten für die Herstellung einer Platte nahezu gleich sind, ziehen wir aus dieser Tabelle zwei sehr wichtige Schlussfolgerungen:
- Je kleiner der Chip, desto mehr befinden sie sich auf einer Platte, desto billiger ist er . Wenn wir die Größe der Transistoren reduzieren, können wir entweder die Kosten bei gleicher Funktionalität reduzieren (ohne die Anzahl der Transistoren zu ändern, ist der Chip geringer), oder indem wir die Anzahl der Transistoren erhöhen, ohne die Größe des Chips zu ändern, erhalten wir eine Steigerung der Leistung / Funktionalität bei gleichen Kosten (bei gleicher Chipgröße). Es wird deutlich, dass es darum geht, die Größe von Transistoren zu verringern ( Moores Gesetz ): entweder billigere oder höhere Leistung bei gleichen Kosten.
- Je größer die Platte, desto billiger ein Chip. Es ist anzumerken, dass die Ausrüstung für Plattengrößen von 100 mm bis 200 mm nahezu gleich ist, so dass die Kosten für die Verarbeitung einer Platte von 100 mm, 150 mm und 200 mm gleich sind. Da 300-mm-Geräte teurer sind, müssen wir die Fixkosten (Abschreibungen und Instandhaltung) für spätere Berechnungen erhöhen. Wir akzeptieren diese Erhöhung in Höhe von 50% der Fixkosten.
Ausbeute
Ein Beispiel für eine Chip-Ausgabekarte. Defekte Chips sind rot markiert. Quelle: DOI: 10.1155 / 2015/707358Da er gerne die Führung von Halbleiterfabriken wiederholt Wir haben drei Hauptziele: Ertrag, Ertrag und Ertrag (Wir haben drei Hauptziele - das ist gut, gut und gut). Die Ausbeute wirkt sich direkt auf den Selbstkostenpreis aus - je höher die Ausbeute auf der Platte ist, desto billiger ist der Chip, da sich die Kosten der Platte nicht ändern (aus wirtschaftlicher Sicht entspricht eine Zunahme der Ehe einer Abnahme der Plattengröße). Auf den ersten Blick ist das Konzept der Ausbeute recht einfach - wir betrachten einfach den Prozentsatz der Arbeitschips, aber es gibt einige Nuancen.
Wenn der Chip einfach ist, zum Beispiel das Funkmodul des Telefons, funktioniert er entweder oder nicht, alles ist einfach. Wenn der Chip beispielsweise komplex ist, mehrere Kerne und einen grafischen Coprozessor auf einem Chip hat, ist alles etwas schwieriger. Wenn Sie Glück haben, funktioniert alles. Wenn nicht zum Beispiel von vier Kernen, funktionieren nur zwei. Oder der Grafik-Coprozessor funktioniert nicht. Was ist in diesem Fall zu tun? Sehr einfach - wir stellen eine Produktlinie her: einen Quad-Core-Prozessor mit Grafik, einen Dual-Core-Prozessor mit Grafik, einen Dual-Core-Prozessor ohne Grafik usw. Darüber hinaus können sie mit unterschiedlichen Frequenzen arbeiten (dies geschah aufgrund der Streuung der Größe der Geräte auf der Platte). Das heißt, wenn Sie eine Reihe von Prozessoren sehen, bedeutet dies nicht, dass es mehrere technische Prozesse und Fotovorlagen gibt. Höchstwahrscheinlich handelt es sich um einen technischen Prozess, und nach dem Ende der Herstellung werden die Verarbeiter nach den Ergebnissen der endgültigen Messungen sortiert.
Ein weiterer Aspekt ist wie folgt: Die Ausbeute sinkt hauptsächlich aufgrund von Defekten, die eine bestimmte Wahrscheinlichkeit des Auftretens pro Flächeneinheit des Halbleiterwafers aufweisen. Offensichtlich ist es wahrscheinlicher, dass ein größerer Chip einen Defekt fängt und ausfällt als ein kleinerer Chip. Somit ist die Ausbeute an geeigneten kleinen Spänen größer als die Ausbeute an geeigneten großen Spänen mit der gleichen Anzahl von Defekten auf der Platte.
Kosten
Wir haben also herausgefunden, dass wir mehrere Hauptfaktoren haben, die die Kosten des Chips beeinflussen:
- Produktionsvolumen
- Plattengröße
- Chipgröße
- Ausbeute
Es ist ziemlich schwierig, eine zusammenfassende 4-dimensionale Tabelle zu erstellen. Zählen wir also einige Beispiele:
Die Kosten für den Chip (in US-Dollar) betragen 72,3 mm2 bei einer Ausbeute von 80% für eine Fabrik, die mit unterschiedlichen Lasten und unterschiedlichen Plattengrößen arbeitet:| Anzahl der Schichten | 100 mm | 150 mm | 200 mm | 300 mm |
|---|
| 1 | 237 | 90 | 47 | 27 |
| 2 | 155 | 59 | 41 | 16 |
| 3 | 129 | 49 | 36 | 13 |
| 4 | 146 | 44 | 33 | 12 |
Von 100 mm Wafer auf 300 mm und von einer Schicht auf vier haben wir die Kosten für den Chip um das 20-fache reduziert!
Die Kosten für Chips (in US-Dollar) unterschiedlicher Größe hängen von der Ausbeute auf einer Platte von 300 mm bei voller Auslastung der Fabrik ab:| Ausbeute | Chip 435 mm 2 | Chip 72,3 mm 2 |
|---|
| 60% | 106 | 16 |
| 70% | 91 | 14 |
| 80% | 79 | 12 |
| 90% | 71 | 10 |
| 100% | 64 | 9 |
Nun, wir haben die Antwort auf die ursprüngliche Frage erhalten: Wie kann ein Mobiltelefon trotz der Tatsache, dass es High-Tech-Produkte gibt, mehrere zehn Dollar kosten? Wir begannen mit Investitionen in Milliardenhöhe und Milliarden von Dollar und kamen zu dem Schluss, dass die Kosten für einen kleinen Chip (der bei einem einfachen Drucktastentelefon wahrscheinlich nicht sehr hoch ist), der in einer voll beladenen Fabrik mit 300-mm-Platten hergestellt wird, in Einheiten von Dollar gemessen werden.
Lassen Sie uns nun aus Neugier sehen, was passiert, wenn wir die Produktion von Chips in Russland organisieren wollen.
Chipproduktion für den russischen Markt
Haftungsausschluss: Alle Zahlen und Namen werden erfunden, alle Übereinstimmungen sind zufällig.Angenommen, wir haben eine bestimmte Firma "Nanometer" organisiert und möchten einen bestimmten Prozessor "Sayan" mit einer Größe von 256 mm2 produzieren. Zu diesem Zweck haben wir Geräte im Wert von ca. 1 Milliarde US-Dollar gekauft, die mit 200-mm-Wafern betrieben werden und 600.000 Wafer pro Jahr produzieren können. Auf einer Platte erhalten wir 91 Chips und lassen uns eine Ausbeute von 70% erzielen, dh von einer Platte erhalten wir 63 Chips. Unter Verwendung der obigen Berechnungen schätzen wir die Produktionskosten solcher Chips:
| Schichten | Anzahl der Chips | Kosten, $ |
|---|
| 1 | 9.450.000 | 207 |
| 2 | 18 900 000 | 136 |
| 3 | 28 350 000 | 113 |
| 4 | 37.800.000 | 102 |
Das heißt, die Gesamtkosten aller produzierten Chips werden 3,5 bis 3,8 Milliarden US-Dollar betragen. Die Hauptfrage ist, ob es in Russland einen Markt für den Verkauf von zig Millionen Prozessoren (oder anderen Chips) gibt. Der globale Halbleitermarkt
belief sich 2016 auf rund 463 Milliarden US-Dollar , der russische Markt liegt nach verschiedenen Schätzungen zwischen 0,3 und 1% der Welt, d. H. Etwa 2 bis 4 Milliarden US-Dollar, was ungefähr den Kosten aller unserer Produkte entspricht, aber wir wollen auch Gewinn und sind nicht allein auf dem Markt. Es stellt sich heraus, dass wir, wenn wir Chips für den Inlandsmarkt produzieren wollen, entweder in die globalen Märkte eintreten (und dort einen erheblichen Teil unserer Produkte verkaufen) oder die Fabrik nicht vollständig mit einem entsprechenden Kostenanstieg beladen müssen (also die Preise für den Endverbraucher).
Fazit
Selbst wenn Sie Milliarden von Dollar in die Ausrüstung und den Betrieb einer Halbleiteranlage investiert haben, können Sie recht komplexe Chips herstellen, deren Kosten sich auf mehrere zehn Dollar belaufen (und für kleine Einheiten). Dazu müssen Sie Ihre Fabrik voll beladen (rund um die Uhr arbeiten), 300-mm-Platten verwenden, versuchen, den Chip so klein wie möglich zu machen und eine hohe Ausbeute zu erzielen. Und vergessen Sie nicht, diejenigen zu finden, an die Sie diese Chips verkaufen werden - sonst sind sie nicht billig.