Il était une fois - au début du siècle - j'ai acheté un téléphone portable ordinaire, le moins cher, il coûtait environ 15 ou 20 euros. Et une couverture pour ça. Ce qui a également coûté environ 15-20 euros. Ce fait m'a frappé - un téléphone dans lequel il y a une puce semi-conductrice, qui est le summum du développement de la technologie humaine, dont la production nécessite des équipements valant des milliards de dollars, des spécialistes hautement qualifiés qui ont étudié dans les universités et soutenu des thèses, les résultats de la recherche scientifique de milliers de scientifiques - et tout cela coûte le même combien est un cas ordinaire, dont la technologie de production au cours des derniers milliers d'années n'a pas beaucoup changé. Comment ça? Essayons de comprendre.
Présentation
Faites immédiatement une réserve que les chiffres donnés dans l'article ne sont pas un calcul précis du coût d'un produit particulier. Cependant, les chiffres n'ont pas été tirés du plafond, mais de l'expérience de travail dans une grande usine de semi-conducteurs (GlobalFoundries, une ancienne usine AMD) et de la direction d'une petite usine
MEMS . Ainsi, nous considérerons une certaine usine de semi-conducteurs sphériques dans le vide, qui, d'une part, n'est pas une copie de la vraie, d'autre part, elle aide à comprendre les tendances dans la formation du coût des produits semi-conducteurs. Je tiens également à souligner que nous parlerons du
coût des produits semi
- conducteurs.
Le prix sera déterminé par d'autres facteurs:
conscience, offre et demande, marketing, etc. et nous n'aborderons pas ces questions, nous dirons seulement que le prix ne peut pas être inférieur au prix de revient (c'est la raison pour laquelle
Qimonda a grillé - le coût de leur mémoire (
DRAM ) était supérieur au prix des modules de mémoire des fabricants du sud-est).
Quel est le coût des produits semi-conducteurs?
Comparons le coût de production dans une usine avec différentes tailles de plaques (diamètres de 100 mm à 300 mm), différents chargements de production et différents rendements. Pour ce faire, nous devrons comprendre quels sont les coûts nécessaires à la production, comment ils dépendent du volume de production, combien de puces s'adapteront sur des plaques de différentes tailles et quel sera le pourcentage de rejets (côté inverse du rendement).
Laissez notre usine produire
une logique
CMOS , avec une sortie maximale de 600 000 plaquettes par an. Nous avons dépensé 1 milliard de dollars en équipement.
Dépenses
Les coûts de production sont divisés en deux types - fixes, qui ne dépendent pas du volume de production et directs (variables) - qui dépendent directement du volume de production. De plus, certains coûts (indirects) augmenteront avec le volume de production, mais pas proportionnellement.
Dépenses directes
- Gaufrettes en silicone. Le composant le plus évident d'une puce semi-conductrice, mais sa contribution au coût est assez faible. Une plaque de 100 mm coûte environ 30 $ - 40 $, 300 mm - 70 $ - 80 $. Comme nous le verrons plus loin, la plaque contribue au coût d'environ 1%. Nous ne considérerons pas les cas d'utilisation de plaques SOI (leur coût est d'un ordre de grandeur supérieur).
- Produits chimiques et gaz. La technologie de processus moderne contient environ 300 étapes. Certains d'entre eux nécessitent des produits chimiques coûteux (par exemple, une résine pour la lithographie ou une cible pour la pulvérisation métallique), certains ne nécessitent aucun produit chimique (par exemple, la métrologie) ou ils sont très bon marché (par exemple, l'oxydation du silicium en oxygène). Il est assez difficile de calculer la quantité exacte de produits chimiques et leur coût pour chaque opération, mais si vous prenez simplement le coût total des produits chimiques et le divisez par le nombre d'opérations et de plaques, les calculs sont grandement simplifiés. Dans ce cas, environ 10 $ de produits chimiques seront dépensés par opération sur une plaque. Ainsi, si nous avons 300 opérations dans le processus de fabrication, nous dépenserons 3 000 $ pour la fabrication d'une plaque.
- Masques (masques). Si nous fabriquons de nombreux produits et les changeons constamment, le coût des masques photo sera important. Si nous produisons un seul produit, le coût des masques ne dépendra pas du volume de production. Pour simplifier l'analyse, supposons que nous ne produisions qu'un seul produit et incluions les coûts de fabrication des masques photo dans les coûts fixes.
Coûts indirects
- Électricité À première vue, il s'agit de coûts directs, mais en fait, la consommation d'électricité n'est pas directement proportionnelle au volume de production. Le fait est que l'équipement semi-conducteur est constamment allumé, même s'il est inactif. Cela est dû au fait que la sortie en mode de fonctionnement peut prendre beaucoup de temps. Par exemple, dans les équipements à vide largement utilisés dans la fabrication de semi-conducteurs, la majeure partie de l'électricité est consommée par des pompes fonctionnant en continu; les fours maintiennent la température de fonctionnement, les systèmes de refroidissement par eau, de ventilation et de climatisation des salles blanches, etc. Ainsi, avec une augmentation des volumes de production, la consommation d'électricité augmentera de manière insignifiante, et comme sa part dans le coût principal n'est pas si importante, en première approximation, on peut supposer qu'il s'agit de coûts fixes qui ne dépendent pas des volumes de production.
- Fonds de paie. Avec l'augmentation de la production, vous pourriez avoir besoin de plus d'employés, mais la connexion n'est pas directement proportionnelle. Premièrement, le nombre d'employés administratifs ne changera pas. Deuxièmement, le nombre d'ingénieurs peut augmenter, mais seulement légèrement. Lorsque l'usine fonctionne 24h / 24 et 7j / 7, les ingénieurs travaillent 8/5 et seuls certains préposés couvrent le week-end. Avec une augmentation du nombre de postes, le nombre d'opérateurs augmentera proportionnellement, mais, d'une part, avec un degré élevé d'automatisation de la production, de nombreux opérateurs ne sont pas nécessaires, et d'autre part, il s'agit d'une catégorie d'employés relativement peu rémunérés. Ainsi, avec l'introduction de 4 changements de production, au lieu d'un, les coûts de main-d'œuvre augmenteront de 20 à 30%.
- Entretien et réparation d'équipement. Ils représentent environ 5% du coût des équipements par an. De nombreux travaux de maintenance constants, qui dépendent tantôt, tantôt ne dépendent pas du volume de production. Le coût total n'est pas directement proportionnel au volume de production.
Coûts fixes
Cela comprend tout ce qui ne dépend pas des volumes de production - amortissement des équipements, location de terrains, réparation de bâtiments, entretien d'un bureau, etc. etc. Arrêtons-nous séparément sur la dépréciation. L'équipement des sentiers est amorti sur 5 ans. Ensuite, avec un coût total d'équipement d'un milliard de dollars, il faut inclure 200 millions de dollars par an en charges.
Dans l'ensemble, nous verrons que nos coûts fixes s'élèvent à environ 1,5 milliard de dollars par an et nous les laisserons augmenter de 10% avec l'introduction d'un quart de travail supplémentaire. Ainsi, le coût d'une assiette sera composé des coûts directs de production d'une assiette + coûts fixes pour l'ensemble de l'usine divisés par le nombre d'assiettes = 3100 $ + 1,5 milliard de dollars / volume de production. Faisons les premiers calculs:
| Nombre de quarts | Volume de production, plaques par an | Coûts fixes, milliards de dollars | Coût de l'assiette, $ |
|---|
| 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 |
Première conclusion que nous pouvons tirer: il est avantageux pour nous de charger notre usine au maximum - cela réduit considérablement le coût d'une plaque (deux fois lors du passage d'un quart de travail à quatre). Parlons maintenant des puces - pour le consommateur final, le coût de la puce, et non la totalité de la tranche de semi-conducteur, est important.
Taille de la plaque
Plaques semi-conductrices de 51 mm à 200 mm. Source: Wikipedia, par l'allemand Wikipediabiatch, téléchargement original 7. Okt 2004 par Stahlkocher de: Bild: Wafer 2 Zoll bis 8 Zoll.jpg , CC BY-SA 3.0 , LinkPour savoir combien de puces seront sur la plaque, vous devez connaître la taille des puces et la taille des plaques. Il y a une
calculatrice pratique sur Internet qui vous permet de déterminer rapidement combien de puces peuvent tenir sur des plaquettes de différentes tailles. Par exemple, prenons des puces de différentes tailles, le «grand» Intel Sandy Bridge E 6C (435 mm2) et le «petit» Qualcomm Snapdragon 835 (72,3 mm2) et voyons combien d'entre elles s'adaptent sur des plaquettes de différentes tailles.
Avertissement: les puces sont prises simplement à titre d'exemple de tailles, le calcul ultérieur du prix de revient n'a rien à voir avec le prix de revient réel de ces produits. De plus, il est clair que la même puce ne peut pas être fabriquée sur une plaque de 100 mm et 300 mm, mais nous envisageons une usine sphérique sous vide, alors comptons.
| Taille de plaque mm | Nombre de jetons 435 mm 2 | Nombre de jetons 72,3 mm 2 |
|---|
| 100 | 9 | 69 |
| 150 | 24 | 180 |
| 200 | 52 | 345 |
| 300 | 127 | 836 |
Étant donné que le coût de fabrication d'une plaque est presque le même, nous tirons de ce tableau deux conclusions très importantes:
- Plus la puce est petite, plus elle est sur une seule plaque, moins elle est chère . Par conséquent, en réduisant la taille des transistors, nous pouvons soit réduire le coût avec la même fonctionnalité (sans changer le nombre de transistors, la puce sera inférieure), soit en augmentant le nombre de transistors sans changer la taille de la puce, nous obtiendrons une augmentation des performances / fonctionnalités au même coût (la même taille de puce). Il devient clair que la course à la réduction de la taille des transistors ( loi de Moore ): soit moins cher soit plus performant au même prix.
- Plus la plaque est grande, moins une puce est chère. Il convient de noter que l'équipement pour les tailles de plaques de 100 mm à 200 mm est presque le même, de sorte que le coût de traitement d'une plaque de 100 mm, 150 mm et 200 mm sera le même. Pour un équipement de 300 mm, c'est plus cher, il faut donc augmenter les coûts fixes (amortissement et maintenance) pour les calculs ultérieurs. Nous acceptons cette augmentation égale à 50% du coût des frais fixes.
Rendement
Un exemple de carte de sortie à puce. Les puces défectueuses sont marquées en rouge. Source: DOI: 10.1155 / 2015/707358Comme il aime répéter le leadership des usines de semi-conducteurs, nous avons trois objectifs principaux: rendement, rendement et rendement (nous avons trois objectifs principaux - c'est bon, bon et bon). Le rendement affecte directement le prix de revient - plus le rendement sur la plaque est élevé, moins la puce est chère, car le coût de la plaque ne change pas (du point de vue économique, une augmentation du mariage équivaut à une diminution de la taille de la plaque). À première vue, le concept de rendement est assez simple - nous considérons simplement le pourcentage de puces qui fonctionnent, mais il y a quelques nuances.
Si la puce est simple, par exemple, le module sans fil du téléphone, alors cela fonctionne ou non, tout est simple. Si la puce est complexe, par exemple, elle a plusieurs cœurs et un coprocesseur graphique sur une puce, alors tout est un peu plus délicat. Si vous avez de la chance, alors tout fonctionne. Sinon, par exemple, sur quatre cœurs, seuls deux fonctionnent. Ou le coprocesseur graphique ne fonctionne pas. Que faire dans ce cas? Très simple - nous fabriquons une gamme de produits: un processeur quad-core avec graphiques, un processeur dual-core avec graphiques, un processeur dual-core sans graphiques, etc. De plus, ils peuvent fonctionner à des fréquences différentes (enfin, c'est arrivé à cause de la dispersion de la taille des appareils sur la plaque). Autrement dit, si vous voyez une ligne de processeurs, cela ne signifie pas qu'il existe plusieurs processus techniques et modèles de photos. Très probablement, le processus technique en est un, et après la fin de la fabrication, les processeurs sont triés en fonction des résultats des mesures finales.
Un autre aspect est le suivant: le rendement chute principalement en raison de défauts qui ont une certaine probabilité d'apparition par unité de surface de la tranche semi-conductrice. De toute évidence, une puce plus grande est plus susceptible d'attraper un défaut et d'échouer qu'une puce plus petite. Ainsi, le rendement de petits copeaux appropriés sera supérieur au rendement de gros copeaux appropriés avec le même nombre de défauts sur la plaque.
Coût
Nous avons donc découvert que plusieurs facteurs principaux affectaient le coût de la puce:
- Volume de production
- Taille de la plaque
- Taille de puce
- Rendement
Il est assez difficile de construire un tableau récapitulatif en 4 dimensions, alors comptons quelques exemples:
Le coût de la puce (en $) est de 72,3 mm2 avec un rendement de 80% pour une usine fonctionnant avec différentes charges et différentes tailles de plaques:| Nombre de quarts | 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 |
En passant de 100 mm à 300 mm et d'un quart de travail à quatre, nous avons réduit le coût de la puce de 20 fois!
Le coût des copeaux (en $) de différentes tailles en fonction du rendement sur une plaque de 300 mm à pleine charge de l'usine:| Rendement | Puce 435 mm 2 | Puce 72,3 mm 2 |
|---|
| 60% | 106 | 16 |
| 70% | 91 | 14 |
| 80% | 79 | 12 |
| 90% | 71 | 10 |
| 100% | 64 | 9 |
Eh bien, nous avons obtenu la réponse à la question initiale - comment un téléphone mobile peut-il coûter plusieurs dizaines de dollars malgré le fait qu'il existe des produits de haute technologie. Nous avons commencé avec des milliards de dollars d'investissements et des milliards de dollars et nous sommes arrivés à la conclusion que le coût d'une petite puce (il est peu probable qu'elle soit très élevée dans un simple téléphone à bouton-poussoir) produite dans une usine entièrement chargée fonctionnant sur des plaques de 300 mm est mesuré en unités de dollars.
Maintenant, juste par curiosité, voyons ce qui se passe si nous voulons organiser la production de puces en Russie.
Production de puces pour le marché russe
Avertissement: tous les numéros et noms sont inventés, toutes les correspondances sont aléatoires.Supposons que nous ayons organisé une certaine société «Nanomètre» et que nous voulions produire un certain processeur «Sayan» d'une taille de 256 mm2. Pour ce faire, nous avons acheté du matériel d'une valeur d'environ 1 milliard de dollars, qui fonctionne sur des plaquettes de 200 mm et est capable de produire 600 000 plaquettes par an. Sur une assiette, nous obtenons 91 jetons et obtenons un rendement de 70%, c'est-à-dire qu'à partir d'une assiette, nous obtiendrons 63 jetons. En utilisant les calculs ci-dessus, nous estimons le coût de production de ces puces:
| Quart de travail | Nombre de jetons | Coût, $ |
|---|
| 1 | 9 450 000 | 207 |
| 2 | 18 900 000 | 136 |
| 3 | 28 350 000 | 113 |
| 4 | 37 800 000 | 102 |
Autrement dit, le coût total de toutes les puces fabriquées sera de 3,5 à 3,8 milliards de dollars. La principale question est de savoir s'il existe un marché en Russie pour la vente de dizaines de millions de processeurs (ou de toute autre puce)? Le marché mondial des semi-conducteurs
s'élevait à environ 463 milliards de dollars en 2016 , le marché russe, selon diverses estimations, oscille entre 0,3 et 1% du monde, soit quelque part entre 2 et 4 milliards de dollars, ce qui équivaut à peu près au coût de tous nos produits, mais nous voulons aussi des profits et nous ne sommes pas seuls sur le marché. Il s'avère que si nous voulons produire des puces pour le marché intérieur, nous devons soit pénétrer les marchés mondiaux (et y vendre une part substantielle de nos produits), soit ne pas charger complètement l'usine avec une augmentation correspondante des coûts (enfin, les prix pour le consommateur final).
Conclusion
Même si vous avez investi des milliards de dollars dans l'équipement et le fonctionnement d'une usine de semi-conducteurs, vous pouvez produire des puces assez complexes, dont le coût s'élèvera à des dizaines de dollars (et pour de petites unités). Pour ce faire, vous devez charger complètement votre usine (travailler 24h / 24 et 7j / 7), utiliser des plaques de 300 mm, essayer de rendre la puce aussi petite que possible et atteindre un rendement élevé. Et n'oubliez pas de trouver ceux à qui vous allez vendre ces puces - sinon elles ne seront pas bon marché.