Érase una vez, a principios de siglo, compré un teléfono móvil normal, el más barato, costaba unos 15 o 20 euros. Y una tapadera para ello. Que también cuesta unos 15-20 euros. Este hecho me llamó la atención: un teléfono en el que hay un chip semiconductor, que es el pináculo del desarrollo de la tecnología humana, cuya producción requiere equipos por valor de miles de millones de dólares, especialistas altamente calificados que estudiaron en universidades y defendieron disertaciones, los resultados de la investigación científica de miles de científicos, y todo esto cuesta lo mismo. cuánto es un caso ordinario, cuya tecnología de producción en los últimos miles de años no ha cambiado mucho. ¿Cómo es eso? Tratemos de entenderlo.
Introduccion
Inmediatamente haga una reserva de que las cifras que figuran en el artículo no son un cálculo exacto del costo de un producto en particular. Sin embargo, las cifras no se tomaron del techo, sino de la experiencia trabajando en una gran fábrica de semiconductores (GlobalFoundries, una antigua fábrica de AMD) y el liderazgo de una pequeña fábrica de
MEMS . Por lo tanto, consideraremos una determinada fábrica de semiconductores esféricos en el vacío, que, por un lado, no es una copia del real, por otro lado, ayuda a comprender las tendencias en la formación del costo de los productos de semiconductores. También quiero enfatizar que hablaremos sobre el
costo de los productos semiconductores.
El precio estará determinado por otros factores:
conciencia, oferta y demanda, comercialización, etc. y no tocaremos estos temas, solo diremos lo obvio de que el precio no puede ser más bajo que el precio de costo (esta es la razón por la cual
Qimonda se quemó: el costo de su memoria (
DRAM ) fue más alto que el precio de los módulos de memoria de los fabricantes del sureste)
¿Cuál es el costo de los productos semiconductores?
Comparemos el costo de producción en una fábrica con diferentes tamaños de placa (diámetros de 100 mm a 300 mm), diferentes cargas de producción y diferentes rendimientos. Para hacer esto, necesitaremos comprender qué costos se necesitan para la producción, cómo dependen del volumen de producción, cuántas virutas caben en placas de diferentes tamaños y cuál será el porcentaje de rechazos (reverso del rendimiento).
Deje que nuestra fábrica produzca la lógica
CMOS , con una producción máxima de 600,000 obleas por año. Gastamos $ 1 mil millones en equipos.
Gastos
Los costos de producción se dividen en dos tipos: fijos, que no dependen del volumen de producción y directos (variables), que dependen directamente del volumen de producción. Además, algunos costos (indirectos) aumentarán con el volumen de producción, pero no en proporción a él.
Gastos directos
- Obleas de silicio. El componente más obvio de un chip semiconductor, pero su contribución al costo es bastante pequeño. Una placa de 100 mm cuesta alrededor de $ 30- $ 40, 300 mm - $ 70- $ 80. Como veremos más adelante, la placa contribuye al costo de aproximadamente 1%. No consideraremos casos de uso de placas SOI (su costo es un orden de magnitud mayor).
- Productos químicos y gases. La tecnología de proceso moderna contiene alrededor de 300 pasos. Algunos de ellos requieren productos químicos caros (por ejemplo, una resistencia para la litografía o un objetivo para la pulverización catódica de metales), algunos no requieren productos químicos en absoluto (por ejemplo, metrología) o son muy baratos (por ejemplo, oxidación de silicio en oxígeno). Calcular la cantidad exacta de productos químicos y su costo para cada operación es bastante difícil, pero si solo toma los costos totales de los productos químicos y divide por el número de operaciones y placas, los cálculos se simplifican enormemente. En este caso, se gastarán aproximadamente $ 10 productos químicos por operación en una placa. Por lo tanto, si tenemos 300 operaciones en el proceso de fabricación, gastaremos $ 3,000 en la fabricación de una placa.
- Máscaras (máscaras). Si producimos muchos productos y los cambiamos constantemente, el costo de las máscaras fotográficas será significativo. Si producimos un producto, el costo de las máscaras no dependerá del volumen de producción. Para simplificar el análisis, supongamos que producimos un solo producto e incluimos los costos de hacer máscaras fotográficas en costos fijos.
Costos indirectos
- Electricidad A primera vista, estos son costos directos, pero de hecho, el consumo de electricidad no es directamente proporcional al volumen de producción. El hecho es que el equipo semiconductor está constantemente encendido, incluso si está inactivo. Esto se hace porque la salida al modo operativo puede llevar bastante tiempo. Por ejemplo, en los equipos de vacío que se usan ampliamente en la fabricación de semiconductores, la mayor parte de la electricidad se consume en bombas que funcionan continuamente; Los hornos mantienen la temperatura de funcionamiento, refrigeración por agua, ventilación y sistemas de aire acondicionado para salas limpias, etc. Por lo tanto, con un aumento en los volúmenes de producción, el consumo de electricidad aumentará de manera insignificante, y dado que su participación en el costo principal no es tan grande, como primera aproximación, podemos suponer que estos son costos fijos que no dependen de los volúmenes de producción.
- Fondo de nómina. Con el aumento de la producción, es posible que necesite más empleados, pero la conexión no es directamente proporcional. En primer lugar, el número de empleados administrativos no cambiará. En segundo lugar, el número de ingenieros puede aumentar, pero solo ligeramente. Cuando la fábrica opera 24/7, los ingenieros trabajan 8/5 y solo algunos asistentes cubren el fin de semana. Con un aumento en el número de turnos, el número de operadores aumentará proporcionalmente, pero, en primer lugar, con un alto grado de automatización de la producción, no se necesitan muchos operadores, y en segundo lugar, esta es una categoría de empleados con salarios relativamente bajos. Por lo tanto, con la introducción de 4 cambios en la producción, en lugar de uno, los costos laborales aumentarán en un 20-30 por ciento.
- Mantenimiento y reparación de equipos. Representan alrededor del 5% del costo de los equipos por año. Mucho trabajo de mantenimiento constante, que a veces depende, a veces no depende del volumen de producción. El costo total no es directamente proporcional al volumen de producción.
Costos fijos
Esto incluye todo lo demás que no depende de los volúmenes de producción: depreciación de equipos, alquiler de terrenos, reparación de edificios, mantenimiento de una oficina, etc. etc. Detengámonos por separado en la depreciación. El equipamiento del camino se deprecia a lo largo de 5 años. Luego, con un costo total de equipo de $ 1 mil millones, debemos incluir $ 200 millones por año en gastos.
En conjunto, veremos que nuestros costos fijos son de aproximadamente $ 1.5 mil millones por año y les permitimos crecer en un 10% con la introducción de un turno adicional. Por lo tanto, el costo de una placa consistirá en los costos directos de producción de una placa + costos fijos para toda la fábrica dividido por el número de placas = $ 3100 + $ 1.5 mil millones / volumen de producción. Hagamos los primeros cálculos:
| Numero de turnos | Volumen de producción, planchas por año. | Costos fijos, $ mil millones | Costo del plato, $ |
|---|
| 1 | 150,000 | 1,5 | 13 100 |
| 2 | 300,000 | 1,65 | 8 600 |
| 3 | 450,000 | 1,82 | 7 130 |
| 4 4 | 600,000 | 1.99 | 6.425 |
La primera conclusión que podemos hacer: es beneficioso para nosotros cargar nuestra fábrica al máximo; esto reduce significativamente el costo de una placa (dos veces al cambiar de un turno a cuatro). Ahora hablemos de los chips: para el consumidor final, el costo del chip y no toda la oblea de semiconductores es importante.
Tamaño de la placa
Obleas semiconductoras de 51 mm a 200 mm. Fuente: Wikipedia, por Wikipediabiatch alemán, carga original 7. Okt 2004 por Stahlkocher de: Bild: Wafer 2 Zoll bis 8 Zoll.jpg , CC BY-SA 3.0 , LinkPara saber cuántas fichas habrá en la placa, debe conocer el tamaño de la ficha y el tamaño de las placas. Hay una
calculadora conveniente en Internet que le permite calcular rápidamente cuántas fichas caben en obleas de diferentes tamaños. Por ejemplo, tomemos chips de diferentes tamaños, el "gran" Intel Sandy Bridge E 6C (435 mm2) y el "pequeño" Qualcomm Snapdragon 835 (72,3 mm2) y veamos cuántos caben en obleas de diferentes tamaños.
Descargo de responsabilidad: las fichas se toman simplemente como un ejemplo de tamaños, el cálculo posterior del precio de costo no tiene nada que ver con el precio de costo real de estos productos. Además, está claro que no se puede hacer el mismo chip en una placa de 100 mm y 300 mm, pero estamos considerando una fábrica esférica en el vacío, así que vamos a contar.
| Tamaño de placa mm | Número de chips 435 mm 2 | Número de virutas 72.3 mm 2 |
|---|
| 100 | 9 9 | 69 |
| 150 | 24 | 180 |
| 200 | 52 | 345 |
| 300 | 127 | 836 |
Dado que el costo de fabricación de una placa es casi el mismo, de esta tabla sacamos dos conclusiones muy importantes:
- Cuanto más pequeño es el chip, más se encuentran en una placa, más barato es . Por lo tanto, reduciendo el tamaño de los transistores podemos reducir el costo con la misma funcionalidad (sin cambiar el número de transistores, el chip será menor), o aumentar el número de transistores sin cambiar el tamaño del chip, obtendremos un aumento en el rendimiento / funcionalidad al mismo costo (el mismo tamaño de chip). Queda claro la carrera para reducir el tamaño de los transistores ( ley de Moore ): un rendimiento más barato o más alto al mismo costo.
- Cuanto más grande es el plato, más barato es un chip. Vale la pena señalar que el equipo para tamaños de placa de 100 mm a 200 mm es casi el mismo, por lo que el costo de procesamiento de una placa de 100 mm, 150 mm y 200 mm será el mismo. Para equipos de 300 mm es más costoso, por lo que debemos aumentar los costos fijos (depreciación y mantenimiento) para los cálculos posteriores. Aceptamos este aumento igual al 50% del costo de los costos fijos.
Rendimiento
Un ejemplo de una tarjeta de salida de chip. Las virutas defectuosas están marcadas en rojo. Fuente: DOI: 10.1155 / 2015/707358Como le gusta repetir el liderazgo de las fábricas de semiconductores Tenemos tres objetivos principales: rendimiento, rendimiento y rendimiento (Tenemos tres objetivos principales: esto es bueno, bueno y bueno). El rendimiento afecta el precio de costo directamente: cuanto mayor es el rendimiento en la placa, más barato es el chip, ya que el costo de la placa no cambia (desde el punto de vista de la economía, un aumento en el matrimonio es equivalente a una disminución en el tamaño de la placa). A primera vista, el concepto de rendimiento es bastante simple: simplemente consideramos el porcentaje de chips de trabajo, pero hay algunos matices.
Si el chip es simple, por ejemplo, el módulo inalámbrico del teléfono, entonces funciona o no, todo es simple. Si el chip es complejo, por ejemplo, tiene varios núcleos y un coprocesador gráfico en un chip, entonces todo es algo más complicado. Si tienes suerte, entonces todo funciona. Si no, por ejemplo, de cuatro núcleos, solo dos funcionan. O el coprocesador gráfico no funciona. ¿Qué hacer en este caso? Muy simple: creamos una línea de productos: un procesador de cuatro núcleos con gráficos, un procesador de dos núcleos con gráficos, un procesador de dos núcleos sin gráficos, etc. Además, pueden operar a diferentes frecuencias (bueno, sucedió debido a la dispersión en el tamaño de los dispositivos en la placa). Es decir, si ve una línea de procesadores, esto no significa que haya varios procesos técnicos y plantillas fotográficas. Lo más probable es que el proceso técnico sea uno, y después del final de la fabricación, los procesadores se ordenan según los resultados de las mediciones finales.
Otro aspecto es el siguiente: el rendimiento cae principalmente debido a defectos que tienen una cierta probabilidad de ocurrencia por unidad de área de la oblea de semiconductores. Obviamente, un chip más grande tiene más probabilidades de atrapar un defecto y fallar que un chip más pequeño. Por lo tanto, el rendimiento de chips pequeños adecuados será mayor que el rendimiento de chips grandes adecuados con el mismo número de defectos en la placa.
Costo
Entonces, descubrimos que tenemos varios factores principales que afectan el costo del chip:
- Volumen de producción
- Tamaño de la placa
- Tamaño de la viruta
- Rendimiento
Es bastante difícil crear una tabla resumen de 4 dimensiones, así que vamos a contar algunos ejemplos:
El costo del chip (en $) es de 72.3 mm2 de tamaño con un rendimiento del 80% para una fábrica que opera con diferentes cargas y diferentes tamaños de placa:| Numero de turnos | 100 mm | 150 mm | 200 mm | 300 mm |
|---|
| 1 | 237 | 90 | 47 | 27 |
| 2 | 155 | 59 | 41 | 16 |
| 3 | 129 129 | 49 | 36 | 13 |
| 4 4 | 146 | 44 | 33 | 12 |
¡Pasando de obleas de 100 mm a 300 mm y de un turno a cuatro, redujimos el costo del chip en 20 veces!
El costo de las virutas (en $) de diferentes tamaños dependiendo del rendimiento en una placa de 300 mm con una carga completa de la fábrica:| Rendimiento | Chip 435 mm 2 | Chip 72.3 mm 2 |
|---|
| 60% | 106 | 16 |
| 70% | 91 91 | 14 |
| 80% | 79 | 12 |
| 90% | 71 | 10 |
| 100% | 64 | 9 9 |
Bueno, obtuvimos la respuesta a la pregunta original: ¿cómo puede un teléfono móvil costar varias decenas de dólares a pesar del hecho de que hay productos de alta tecnología? Comenzamos con miles de millones de dólares en inversiones y miles de millones de dólares y llegamos a la conclusión de que el costo de un pequeño chip (es poco probable que sea muy grande en un simple teléfono de botón) producido en una fábrica totalmente cargada que opera en placas de 300 mm se mide en unidades de dólares.
Ahora, solo por curiosidad, veamos qué sucede si queremos organizar la producción de chips en Rusia.
Producción de chips para el mercado ruso.
Descargo de responsabilidad: todos los números y nombres son inventados, cualquier coincidencia es aleatoria.Supongamos que organizamos una determinada empresa "Nanómetro" y queremos producir un determinado procesador "Sayan" con un tamaño de 256 mm2. Para hacer esto, compramos equipos por un valor aproximado de $ 1 mil millones, que opera con obleas de 200 mm y es capaz de producir 600,000 obleas por año. En una placa, obtenemos 91 chips y nos permite lograr un rendimiento del 70%, es decir, de una placa obtendremos 63 chips. Usando los cálculos anteriores, estimamos el costo de producción de tales chips:
| Turnos | Numero de chips | Costo $ |
|---|
| 1 | 9.450.000 | 207 |
| 2 | 18 900 000 | 136 |
| 3 | 28 350 000 | 113 |
| 4 4 | 37,800,000 | 102 |
Es decir, el costo total de todos los chips producidos será de $ 3.5-3.8 mil millones. La pregunta principal es si hay un mercado en Rusia para la venta de decenas de millones de procesadores (o cualquier otro chip). El mercado mundial de semiconductores
ascendió a aproximadamente $ 463 mil millones en 2016 , el mercado ruso, según diversas estimaciones, oscila entre el 0,3 y el 1% del mundo, es decir. en algún lugar alrededor de $ 2-4 mil millones, que es aproximadamente igual al costo de todos nuestros productos, pero también queremos ganancias, y no estamos solos en el mercado. Resulta que si queremos producir chips para el mercado interno, necesitamos ingresar a los mercados globales (y vender una parte sustancial de nuestros productos allí), o no cargar completamente la fábrica con un aumento correspondiente en el costo (bueno, precios para el consumidor final).
Conclusión
Incluso si ha invertido miles de millones de dólares en el equipo y la operación de una planta de semiconductores, puede producir chips bastante complejos, cuyo costo ascenderá a decenas de dólares (y para unidades pequeñas). Para hacer esto, debe cargar completamente su fábrica (trabajar 24/7), usar placas de 300 mm, tratar de hacer que el chip sea lo más pequeño posible y lograr un alto rendimiento. Y no olvide encontrar a quienes le va a vender estos chips, de lo contrario no serán baratos.