Era uma vez - no começo do século - eu comprei um celular comum, o mais barato, custando cerca de 15 ou 20 euros. E uma cobertura para isso. Que também custa cerca de 15-20 euros. Esse fato me impressionou - um telefone no qual existe um chip semicondutor, que é o auge do desenvolvimento da tecnologia humana, cuja produção requer equipamentos no valor de bilhões de dólares, especialistas altamente qualificados que estudaram em universidades e defenderam dissertações, os resultados de pesquisas científicas de milhares de cientistas - e tudo isso custa o mesmo quanto é um caso comum, cuja tecnologia de produção nos últimos milhares de anos não mudou muito. Como assim? Vamos tentar entender.
1. Introdução
Faça imediatamente uma reserva de que os números fornecidos no artigo não são um cálculo preciso do custo de um determinado produto. No entanto, os números não foram tirados do teto, mas da experiência de trabalhar em uma grande fábrica de semicondutores (GlobalFoundries, uma antiga fábrica da AMD) e da liderança de uma pequena fábrica de
MEMS . Assim, consideraremos uma certa fábrica de semicondutores esféricos no vácuo, que, por um lado, não é uma cópia da real, por outro, ajuda a entender as tendências na formação do custo dos produtos semicondutores. Também quero enfatizar que falaremos sobre o
custo dos produtos semicondutores.
O preço será determinado por outros fatores:
consciência, oferta e demanda, marketing, etc. e não abordaremos essas questões, diremos apenas o óbvio que o preço não pode ser menor que o preço de custo (essa é a razão pela qual o
Qimonda se esgotou - o custo de sua memória (
DRAM ) foi maior que o preço dos módulos de memória dos fabricantes do sudeste).
Qual é o custo dos produtos semicondutores?
Vamos comparar o custo de produção em uma fábrica com diferentes tamanhos de chapa (diâmetros de 100 mm a 300 mm), diferentes cargas de produção e diferentes rendimentos. Para fazer isso, precisaremos entender quais custos são necessários para a produção, como eles dependem dos volumes de produção, quantos chips caberão em chapas de tamanhos diferentes e qual será a porcentagem de rejeições (verso do rendimento).
Deixe nossa fábrica produzir lógica
CMOS , com uma produção máxima de 600.000 bolachas por ano. Gastamos US $ 1 bilhão em equipamentos.
Despesas
Os custos de produção são divididos em dois tipos - fixos, que não dependem do volume de produção e diretos (variáveis) -, que dependem diretamente do volume de produção. Além disso, alguns custos (indiretos) aumentarão com o volume de produção, mas não na proporção dele.
Despesas diretas
- Bolachas de silicone. O componente mais óbvio de um chip semicondutor, mas sua contribuição para o custo é bastante pequena. Uma placa de 100 mm custa cerca de US $ 30 a US $ 40, 300 mm - US $ 70 a US $ 80. Como veremos mais adiante, o prato contribui para o custo de cerca de 1%. Não consideraremos casos de uso de placas SOI (seu custo é uma ordem de magnitude maior).
- Produtos químicos e gases. A moderna tecnologia de processo contém cerca de 300 etapas. Alguns deles requerem produtos químicos caros (por exemplo, resistência à litografia ou alvo de pulverização de metais), outros não exigem produtos químicos (por exemplo, metrologia) ou são muito baratos (por exemplo, oxidação de silício em oxigênio). Calcular a quantidade exata de produtos químicos e seu custo para cada operação é bastante difícil, mas se você apenas pegar os custos totais de produtos químicos e dividir pelo número de operações e chapas, os cálculos serão bastante simplificados. Nesse caso, aproximadamente US $ 10 químicos serão gastos por operação em uma placa. Assim, se tivermos 300 operações no processo de fabricação, gastaremos US $ 3.000 na fabricação de uma placa.
- Máscaras (máscaras). Se produzirmos muitos produtos e os alterarmos constantemente, o custo das máscaras fotográficas será significativo. Se produzirmos um produto, o custo das máscaras não dependerá do volume de produção. Para simplificar a análise, suponha que produzimos apenas um produto e inclua os custos de fazer máscaras fotográficas em custos fixos.
Custos indiretos
- Eletricidade À primeira vista, esses são custos diretos, mas, de fato, o consumo de eletricidade não é diretamente proporcional ao volume de produção. O fato é que o equipamento semicondutor está constantemente ligado, mesmo que esteja ocioso. Isso é feito porque a saída para o modo de operação pode demorar bastante tempo. Por exemplo, em equipamentos de vácuo amplamente utilizados na fabricação de semicondutores, a maior parte da eletricidade é consumida por bombas que funcionam continuamente; os fornos mantêm os sistemas de temperatura operacional, refrigeração a água, ventilação e ar condicionado para salas limpas, etc. Assim, com um aumento nos volumes de produção, o consumo de eletricidade aumentará de forma insignificante e, como sua participação no custo principal não é tão grande, como primeira aproximação, podemos assumir que esses são custos fixos que não dependem dos volumes de produção.
- Fundo de folha de pagamento. Com o aumento da produção, você pode precisar de mais funcionários, mas a conexão não é diretamente proporcional. Em primeiro lugar, o número de funcionários administrativos não será alterado. Em segundo lugar, o número de engenheiros pode aumentar, mas apenas um pouco. Quando a fábrica opera 24 horas por dia, 7 dias por semana, os engenheiros trabalham 8/5 e apenas alguns atendentes cobrem o fim de semana. Com um aumento no número de turnos, o número de operadores aumentará proporcionalmente, mas, primeiro, com um alto grau de automação da produção, muitos operadores não são necessários e, em segundo lugar, essa é uma categoria de funcionários com salários relativamente baixos. Assim, com a introdução de 4 turnos de produção, em vez de um, os custos de mão-de-obra aumentarão de 20 a 30%.
- Manutenção e reparo de equipamentos. Eles representam cerca de 5% do custo do equipamento por ano. Muito trabalho de manutenção constante, que às vezes depende, às vezes não depende do volume de produção. O custo total não é diretamente proporcional ao volume de produção.
Custos fixos
Isso inclui tudo o que não depende dos volumes de produção - depreciação de equipamentos, aluguel de terrenos, reparo de edifícios, manutenção de um escritório, etc. etc. Vamos nos concentrar separadamente na depreciação. O equipamento de caminho é depreciado em 5 anos. Então, com um custo total de equipamento de US $ 1 bilhão, devemos incluir US $ 200 milhões por ano em despesas.
Juntando tudo, veremos que nossos custos fixos são de aproximadamente US $ 1,5 bilhão por ano e aumentamos em 10% com a introdução de um turno adicional. Assim, o custo de uma placa consistirá nos custos diretos da produção de uma placa + custos fixos para toda a fábrica, divididos pelo número de placas = $ 3100 + $ 1,5 bilhão / volume de produção. Vamos fazer os primeiros cálculos:
| Número de turnos | Volume de produção, placas por ano | Custos fixos, US $ bilhões | Custo do prato, $ |
|---|
| 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 |
A primeira conclusão que podemos tirar: é benéfico carregar nossa fábrica ao máximo - isso reduz significativamente o custo de uma placa (duas vezes ao mudar de um turno para quatro). Agora vamos falar sobre chips - para o consumidor final, o custo do chip e não toda a bolacha de semicondutores é importante.
Tamanho da placa
Bolachas semicondutoras de 51 mm a 200 mm. Fonte: Wikipedia, By Wikipedia Wikipedia alemão, upload original 7. Okt 2004 por Stahlkocher de: Imagem: Wafer 2 Zoll até 8 Zoll.jpg , CC BY-SA 3.0 , LinkPara descobrir quantas fichas estarão no prato, você precisa saber o tamanho e o tamanho dos pratos. Existe uma
calculadora conveniente na Internet que permite descobrir rapidamente quantos chips cabem em bolachas de tamanhos diferentes. Por exemplo, vamos pegar chips de tamanhos diferentes, o “grande” Intel Sandy Bridge E 6C (435 mm2) e o “pequeno” Qualcomm Snapdragon 835 (72,3 mm2) e ver quantos deles cabem em bolachas de tamanhos diferentes.
Isenção de responsabilidade: os chips são tomados simplesmente como exemplo de tamanhos, o cálculo subsequente do preço de custo não tem nada a ver com o preço de custo real desses produtos. Além disso, é claro que o mesmo chip não pode ser fabricado em uma placa de 100 mm e 300 mm, mas estamos considerando uma fábrica esférica no vácuo, então vamos apenas contar.
| Tamanho da placa mm | Número de fichas 435 mm 2 | Número de chips 72,3 mm 2 |
|---|
| 100 | 9 | 69 |
| 150 | 24 | 180 |
| 200 | 52 | 345 |
| 300 | 127 | 836 |
Dado que o custo de fabricação de uma placa é quase o mesmo, nesta tabela, tiramos duas conclusões muito importantes:
- Quanto menor o chip, mais eles ficam em um prato, mais barato é . Portanto, reduzindo o tamanho dos transistores, podemos reduzir o custo com a mesma funcionalidade (sem alterar o número de transistores, o chip será menor) ou aumentando o número de transistores sem alterar o tamanho do chip, obteremos um aumento no desempenho / funcionalidade pelo mesmo custo (o mesmo tamanho de chip). Torna-se clara a corrida pela redução do tamanho dos transistores ( lei de Moore ): desempenho mais barato ou mais alto pelo mesmo custo.
- Quanto maior a placa, mais barato é um chip. Vale ressaltar que o equipamento para tamanhos de placa de 100 mm a 200 mm é quase o mesmo, portanto, o custo de processamento de uma placa de 100 mm, 150 mm e 200 mm será o mesmo. Para equipamentos de 300 mm, é mais caro, portanto, devemos aumentar os custos fixos (depreciação e manutenção) para cálculos subsequentes. Aceitamos esse aumento igual a 50% do custo de custos fixos.
Rendimento
Um exemplo de uma placa de saída de chip. Fichas com defeito estão marcadas em vermelho. Fonte: DOI: 10.1155 / 2015/707358Como ele gosta de repetir a liderança das fábricas de semicondutores, temos três objetivos principais: rendimento, rendimento e rendimento (temos três objetivos principais - isso é bom, bom e bom). O rendimento afeta diretamente o preço de custo - quanto maior o rendimento no prato, mais barato é o chip, pois o custo do prato não muda (do ponto de vista econômico, um aumento no casamento é equivalente a uma diminuição no tamanho do prato). À primeira vista, o conceito de rendimento é bastante simples - simplesmente consideramos a porcentagem de chips de trabalho, mas existem algumas nuances.
Se o chip é simples, por exemplo, o módulo sem fio do telefone, funciona ou não, tudo é simples. Se o chip é complexo, por exemplo, possui vários núcleos e um coprocessador gráfico em um chip, tudo fica um pouco mais complicado. Se você tiver sorte, tudo funciona. Caso contrário, dos quatro núcleos, por exemplo, apenas dois funcionam. Ou o coprocessador gráfico não funciona. O que fazer neste caso? Muito simples - criamos uma linha de produtos: um processador quad-core com gráficos, um processador dual-core com gráficos, um processador dual-core sem gráficos, etc. Além disso, eles podem operar em diferentes frequências (bem, isso aconteceu devido à dispersão no tamanho dos dispositivos na placa). Ou seja, se você vir uma linha de processadores, isso não significa que existem vários processos técnicos e modelos de fotos. Muito provavelmente, o processo técnico é um e, após o término dos processadores de fabricação, são classificados pelos resultados das medições finais.
Outro aspecto é o seguinte: o rendimento cai principalmente devido a defeitos que possuem uma certa probabilidade de ocorrência por unidade de área da bolacha semicondutora. Obviamente, um chip maior tem maior probabilidade de detectar um defeito e falha do que um chip menor. Assim, o rendimento de cavacos pequenos adequados será maior que o rendimento de cavacos grandes adequados com o mesmo número de defeitos na placa.
Custeio
Então, descobrimos que temos vários fatores principais que afetam o custo do chip:
- Volume de produção
- Tamanho da placa
- Tamanho do chip
- Rendimento
É bastante difícil criar uma tabela quadridimensional resumida, então vamos contar alguns exemplos:
O custo do chip (em US $) é de 72,3 mm2, com um rendimento de 80% para uma fábrica que opera com diferentes cargas e diferentes tamanhos de placa:| Número de turnos | 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 |
Passando de bolachas de 100 mm a 300 mm e de um turno para quatro, reduzimos o custo do chip em 20 vezes!
O custo de chips (em $) de tamanhos diferentes, dependendo do rendimento em uma placa de 300 mm com uma carga total da fábrica:| Rendimento | Chip 435 mm 2 | Chip 72,3 mm 2 |
|---|
| 60% | 106 | 16 |
| 70% | 91 | 14 |
| 80% | 79 | 12 |
| 90% | 71 | 10 |
| 100% | 64 | 9 |
Bem, nós temos a resposta para a pergunta original - como um telefone celular pode custar várias dezenas de dólares, apesar do fato de haver produtos de alta tecnologia. Começamos com bilhões de dólares em investimentos e bilhões de dólares e chegamos à conclusão de que o custo de um chip pequeno (é improvável que seja muito grande em um telefone simples de botão) produzido em uma fábrica totalmente carregada operando em placas de 300 mm é medido em unidades de dólares.
Agora, só por curiosidade, vamos ver o que acontece se quisermos organizar a produção de chips na Rússia.
Produção de chips para o mercado russo
Isenção de responsabilidade: todos os números e nomes são inventados, todas as correspondências são aleatórias.Suponha que tenhamos organizado uma certa empresa "Nanometer" e desejamos produzir um certo processador "Sayan" com um tamanho de 256 mm2. Para isso, adquirimos equipamentos no valor de aproximadamente US $ 1 bilhão, que opera em bolachas de 200 mm e é capaz de produzir 600.000 bolachas por ano. Em uma placa, obtemos 91 fichas e vamos obter um rendimento de 70%, ou seja, de uma placa obteremos 63 fichas. Usando os cálculos acima, estimamos o custo de produção desses chips:
| Turnos | Número de fichas | Custo, $ |
|---|
| 1 | 9.450.000 | 207 |
| 2 | 18 900 000 | 136 |
| 3 | 28 350 000 | 113 |
| 4 | 37.800.000 | 102 |
Ou seja, o custo total de todos os chips fabricados será de US $ 3,5 a 3,8 bilhões A principal questão é se existe um mercado na Rússia para a venda de dezenas de milhões de processadores (ou quaisquer outros chips)? O mercado global de semicondutores
totalizou cerca de US $ 463 bilhões em 2016 , o mercado russo, de acordo com várias estimativas, varia de 0,3 a 1% do mundo, ou seja, algo em torno de US $ 2-4 bilhões, o que equivale aproximadamente ao custo de todos os nossos produtos, mas também queremos lucro e não estamos sozinhos no mercado. Acontece que, se queremos produzir chips para o mercado doméstico, precisamos entrar nos mercados globais (e vender uma parte substancial de nossos produtos lá) ou não carregar totalmente a fábrica com um aumento correspondente no custo (bem, preços para o consumidor final).
Conclusão
Mesmo se você investiu bilhões de dólares no equipamento e operação de uma planta de semicondutores, pode produzir chips bastante complexos, cujo custo será de dezenas de dólares (e para pequenas unidades). Para fazer isso, você precisa carregar totalmente sua fábrica (trabalho 24 horas por dia, 7 dias por semana), usar chapas de 300 mm, tentar tornar o chip o menor possível e obter um alto rendimento. E não se esqueça de encontrar aqueles a quem você venderá esses chips - caso contrário, eles não serão baratos.