根據(jù)半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)(SIA)的數(shù)據(jù)，美國(guó)在全球半導(dǎo)體制造能力中的份額從 1990 年的 37% 下降到 2021 年的 12%，但全球銷售的芯片中約有47%是在美國(guó)設(shè)計(jì)的，這種差距對(duì)美國(guó)國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)帶來了重大風(fēng)險(xiǎn)，這就是為什么業(yè)內(nèi)人士和政界人士最近都開始呼吁在美國(guó)建立半導(dǎo)體工廠。

　　他們的呼聲已被聽到，今天五家主要芯片制造商——格芯、英特爾、三星代工、臺(tái)積電和德州儀器正在美國(guó)建立新的半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)施。這些努力將受到新一輪融資的支持，因?yàn)槊绹?guó)通過了一份法案，計(jì)劃為新的美國(guó)芯片廠注入 520 億美元，并提供新的稅收優(yōu)惠。這些資金將在未來幾年刺激一波新的投資，這是急需的。

　　中國(guó)臺(tái)灣、韓國(guó)和新加坡等在 1990 年代和 2000 年代成為邏輯和存儲(chǔ)芯片的主要生產(chǎn)商有很多原因。除了這些地方的勞動(dòng)力成本較低外，當(dāng)?shù)卣捌涞胤疆?dāng)局還為芯片制造商提供了各種激勵(lì)措施，這就是為什么在亞洲建造晶圓廠比在美國(guó)和歐洲便宜得多的原因。

　　紐約和Saratoga County很早就意識(shí)到了這一點(diǎn)，并在 2006 年為 AMD 制定了現(xiàn)在被稱為 GlobalFoundries Fab 8 的計(jì)劃時(shí)，向 AMD 提供了重大激勵(lì)措施。然而，其他州和聯(lián)邦政府并沒有那么靈活，這就是部署全新的晶圓廠在美國(guó)變得罕見的原因。事實(shí)上，英特爾甚至調(diào)整了產(chǎn)能戰(zhàn)略，最終將 Fab 42 設(shè)備的搬入推遲了 5 年，將其上線推遲了 6 年。

　　雖然我們不能說美國(guó)的半導(dǎo)體生產(chǎn)行業(yè)近年來沒有增加產(chǎn)能——英特爾和 GlobalFoundries 都在 2010 年代后期逐漸擴(kuò)大了產(chǎn)能——但全新的領(lǐng)先晶圓廠尚未部署在美國(guó)。但這即將改變。以下是這些變化發(fā)生的方式和地點(diǎn)。

　　英特爾：在美國(guó)的芯片設(shè)施上花費(fèi)超過 400 億美元

　　英特爾無疑是美國(guó)最古老的芯片制造商之一，也是世界上最大的芯片制造商之一。它也恰好是唯一一家在美國(guó)投資超過 400 億美元新建半導(dǎo)體晶圓廠的公司，與一些制定長(zhǎng)期計(jì)劃并選擇新晶圓廠的行業(yè)同行不同，英特爾正在向四家美國(guó)晶圓廠投資數(shù)百億美元，當(dāng)中的一些三年后上線。

　　目前，英特爾正在建設(shè)四個(gè)芯片生產(chǎn)工廠，兩個(gè)在亞利桑那州，兩個(gè)在俄亥俄州，以及一個(gè)在新墨西哥州的先進(jìn)封裝工廠。

　　亞利桑那

　　英特爾于 2021 年 9 月下旬宣布，公司在亞利桑那州錢德勒附近的 Ocotillo 園區(qū)的Fab 52 和 Fab 62 破土動(dòng)工，這些大樓的建設(shè)工作正在順利進(jìn)行。根據(jù)計(jì)劃，這些晶圓廠旨在為英特爾及其英特爾代工服務(wù)客戶使用英特爾的Intel 20A 制造技術(shù)生產(chǎn)芯片。

　　英特爾的 20A 生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)將是該公司第一個(gè)采用 RibbonFET 柵極環(huán)繞場(chǎng)效應(yīng)晶體管(GAAFET)和 PowerVia 背面供電的工藝。這些根本性的改進(jìn)有望帶來顯著的功率、性能和面積(PPA)改進(jìn)。

　　英特爾的 Fab 52 和 Fab 62 將于 2024 年上線，耗資約 200 億美元。這些晶圓廠將有助于英特爾的 IDM 2.0 戰(zhàn)略，該戰(zhàn)略將找到該公司為其他公司制造芯片的首創(chuàng)。

　　俄亥俄州

　　英特爾正在俄亥俄州建造兩座尚未命名的晶圓廠，但它們對(duì)英特爾和美國(guó)芯片行業(yè)的意義不容小覷。多年來，英特爾逐漸擴(kuò)大了其在亞利桑那州、新墨西哥州和俄勒岡州的大型站點(diǎn)。由于半導(dǎo)體供應(yīng)鏈非常復(fù)雜，因此擴(kuò)大現(xiàn)有園區(qū)非常有意義。英特爾需要當(dāng)?shù)睾献骰锇?例如原材料供應(yīng)商、零件等)的支持。

　　在俄亥俄州，英特爾希望建立另一個(gè)大型站點(diǎn)，該站點(diǎn)將容納多達(dá) 8 個(gè)半導(dǎo)體制造工商(我們認(rèn)為也將包括一個(gè)先進(jìn)的封裝設(shè)施，但英特爾尚未證實(shí)這一點(diǎn))。該站點(diǎn)將需要約 1000 億美元的投資才能在未來十年內(nèi)全面建成。此外，新園區(qū)將要求英特爾的合作伙伴在當(dāng)?shù)亟I(yè)務(wù)，這實(shí)質(zhì)上意味著美國(guó)半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的重大擴(kuò)張。實(shí)際上，在所有在美國(guó)新建工廠的芯片制造商中，只有英特爾愿意從零開始建設(shè)一個(gè)新的巨型站點(diǎn)。

　　前兩個(gè)新晶圓廠位于俄亥俄州哥倫布附近，預(yù)計(jì)將在 2025 年某個(gè)時(shí)候能在英特爾的 Intel 18A/20A 節(jié)點(diǎn)上生產(chǎn)芯片。英特爾的 18A 制造技術(shù)旨在成為第一個(gè)利用 ASML 的 Twinscan EXE 0.55 High-NA 極紫外(EUV)光刻掃描儀的制造工藝。然而，今年早些時(shí)候，英特爾表示，通過采用multi-patterning的模式，它可以繼續(xù)使用當(dāng)前的 Twinscan NXE 0.33 NA EUV 工具來實(shí)現(xiàn) 18A。

　　但即使沒有High NA 工具，新技術(shù)也有望帶來各種功率、性能和面積(PPA)優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼘⒁蕾囉⑻貭柕牡诙?GAA RibbonFET。

　　英特爾的大型晶圓廠項(xiàng)目最初將耗資超過 200 億美元，這將成為俄亥俄州歷史上最大的經(jīng)濟(jì)發(fā)展項(xiàng)目。為了將英特爾吸引到俄亥俄州，該州不得不向英特爾提供約 21 億美元的各種激勵(lì)措施。此外，英特爾正在向聯(lián)邦政府申請(qǐng)資金，但目前尚不清楚它將獲得多少資金。

　　事實(shí)上，政府資金對(duì)于英特爾的俄亥俄州大型站點(diǎn)項(xiàng)目至關(guān)重要。Fab 建筑物并不昂貴(但交貨時(shí)間最長(zhǎng))，但半導(dǎo)體生產(chǎn)工具卻很昂貴(例如，一臺(tái) EUV 光刻機(jī)的成本約為 1.6 億美元)。英特爾可以構(gòu)建外殼，但它需要及時(shí)為它們配備工具以滿足其生產(chǎn)計(jì)劃。為前沿節(jié)點(diǎn)配備晶圓廠意味著購買各種光刻機(jī)(包括浸沒式和 EUV 掃描儀)、涂層、蝕刻、沉積、抗蝕劑去除、檢查和其他工具，成本高達(dá)數(shù)十億美元。

　　如果由于缺乏財(cái)政資源而需要太長(zhǎng)時(shí)間來裝備一個(gè)全新的芯片工廠，英特爾可以在現(xiàn)有設(shè)施中添加額外的工具，以便在某個(gè)新節(jié)點(diǎn)上生產(chǎn)芯片。但這意味著英特爾將不得不擱置其新大樓并等待另一個(gè)機(jī)會(huì)來裝備它，這意味著它將產(chǎn)生成本而不會(huì)產(chǎn)生任何收益。

　　盡管英特爾官方將備用晶圓廠外殼( spare fab shells)視為一種“智能資本戰(zhàn)略”，使其在如何以及何時(shí)在線提供額外容量和工具方面具有靈活性，但最好在建筑物建成后為其配備設(shè)備。這就是為什么英特爾 CEO Pat Gelsinger 警告美國(guó)當(dāng)局和立法者，如果公司沒有得到政府的財(cái)政激勵(lì)和支持，他可能會(huì)將公司的下一個(gè)大型站點(diǎn)項(xiàng)目轉(zhuǎn)移到歐洲。

　　新墨西哥

　　英特爾在新墨西哥州的先進(jìn)封裝工廠，這將使該公司及其客戶有能力構(gòu)建復(fù)雜的多芯片設(shè)計(jì)(a-la Meteor Lake)，這些設(shè)計(jì)將在未來幾年在美國(guó)普及。

　　由于嵌入式多芯片互連橋(EMIB)和 Foveros等復(fù)雜的封裝技術(shù)需要潔凈室，因此將新墨西哥州的封裝操作稱為晶圓廠是安全的。事實(shí)上，封裝工商的設(shè)備將花費(fèi)英特爾 35 億美元，這是幾十年前新工廠的價(jià)格。

　　先進(jìn)的封裝業(yè)務(wù)將有助于在 2023 年至 2024 年投入運(yùn)營(yíng)時(shí)在美國(guó)生產(chǎn)復(fù)雜的設(shè)計(jì)，因此這是英特爾的又一個(gè)項(xiàng)目，其對(duì)美國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)的重要性不容小覷。

　　臺(tái)積電：5nm 來到美國(guó)

　　臺(tái)積電于 2020 年年中宣布在亞利桑那州鳳凰城附近建造具備 5nm 能力的晶圓廠計(jì)劃時(shí)引起了轟動(dòng)?？v觀其歷史，該公司僅在中國(guó)臺(tái)灣以外建立了兩家晶圓廠——位于華盛頓州卡馬斯的 WaferTech 工廠(仍使用成熟節(jié)點(diǎn)處理 200 毫米晶圓)和位于中國(guó)江蘇省南京市的 Fab 16(使用臺(tái)積電成熟工藝生產(chǎn)芯片)。因此，在亞利桑那州建立一個(gè)相當(dāng)先進(jìn)的晶圓廠的意圖被認(rèn)為是戰(zhàn)略上的重大轉(zhuǎn)變。

　　作為全球最大的代工芯片制造商，臺(tái)積電在美國(guó)肯定有數(shù)百家客戶，因此將晶圓廠靠近他們可能是有益的。然而，該晶圓廠的第一階段將在 2024 年初投入運(yùn)營(yíng)時(shí)擁有約 20000 WSPM(每月晶圓啟動(dòng))的產(chǎn)能，這大大低于臺(tái)積電在臺(tái)灣運(yùn)營(yíng)的晶圓廠。因此，許多觀察家認(rèn)為，該項(xiàng)目是解決為美國(guó)政府一些非常具體的客戶的一種方法，也是一種取悅美國(guó)政府的一種方式，美國(guó)政府希望在與中國(guó)的緊張關(guān)系中實(shí)現(xiàn)芯片供應(yīng)鏈的多元化。

　　后來， 臺(tái)積電將其 Fab 21 項(xiàng)目視為另一個(gè)多階段晶圓廠，盡管它由亞利桑那州和美國(guó)政府共同資助。臺(tái)積電將在未來許多年分六個(gè)階段建設(shè)其 Fab 21.第一階段將于 2024 年初上線，并使用臺(tái)積電的 N5(N5、N5P、N4、N4P、N4X)系列工藝技術(shù)生產(chǎn)芯片，但預(yù)計(jì)后續(xù)階段將采用更先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)是合乎邏輯的。

　　無論如何， 來到亞利桑那州的臺(tái)積電晶圓廠將加強(qiáng)美國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。同時(shí)，需要注意的是，世界第一代工廠之所以選擇亞利桑那州，是因?yàn)樵撝菀呀?jīng)擁有英特爾大型站點(diǎn)，這意味著可以接觸到經(jīng)驗(yàn)豐富的人才和各種相關(guān)供應(yīng)商。

　　GlobalFoundries：專用芯片的新設(shè)施

　　自 2012 年 GlobalFoundries 完成其 Fab 8 以來，該公司一直在通過擴(kuò)大其潔凈室空間或安裝更先進(jìn)的設(shè)備以提高生產(chǎn)力來逐步提高工廠的生產(chǎn)能力。

　　去年，該公司宣布計(jì)劃投資 10 億美元將 Fab 8 的產(chǎn)能從每月 47500 片晶圓啟動(dòng)(WSPM)提高到 60000 片 WSPM。有趣的是， 2021 年 GlobalFoundries 僅從 Fab 8 出貨了 35700 片晶圓。

　　GlobalFoundries 的 Fab 8 使用多種制造技術(shù)處理晶圓，包括各種基于 FinFET 的節(jié)點(diǎn)(14LPP、14HP、12LP、12LP+)以及 NVM、RFSOI 和 Silicon Photonics，這些節(jié)點(diǎn)不僅是 GloFo 的美國(guó)客戶的重要節(jié)點(diǎn)而且為了國(guó)家的國(guó)家安全，軍方也使用了很多格芯的芯片。

　　此外，格芯表示將在紐約馬耳他建立一個(gè)全新的晶圓廠，以公私合作的方式支持不斷增長(zhǎng)的需求。該公司尚未透露有關(guān)此即將建成的生產(chǎn)設(shè)施的任何信息，但鑒于 GlobalFoundries 專注于專用節(jié)點(diǎn)，預(yù)計(jì)新的芯片工廠將針對(duì)各種先進(jìn)的專用制造技術(shù)。

　　最近，GlobalFoundries 的首席執(zhí)行官 Thomas Caulfield 表示，GloFo 將需要美國(guó)政府提供財(cái)政支持，以快速在紐約建造和裝備新工廠。

　　三星代工：前沿節(jié)點(diǎn)重返美國(guó)

　　三星代工部門于 2005 年在美國(guó)悄然成立(總部位于美國(guó)的高通公司是第一個(gè)客戶)。自 2009 年以來，它一直在為德克薩斯州奧斯汀的三星和第三方客戶生產(chǎn)芯片。

　　由于三星是 IBM 共同平臺(tái)聯(lián)盟(與 AMD/GlobalFoundries、特許、飛思卡爾和英飛凌一起)的一部分，因此在某些時(shí)候，三星代工廠使用其位于德克薩斯州奧斯汀的 S2 工廠與其合作伙伴共同開發(fā)的領(lǐng)先技術(shù)生產(chǎn)芯片是有意義的。因此，三星在德克薩斯州制造了先進(jìn)的 32nm、28nm 和 14nm SoC。事實(shí)上，S2、S1(韓國(guó) Giheung)和 GF 的 Fab 8 之間的跨晶圓廠兼容性(以及因此的靈活性)為三星提供了許多優(yōu)勢(shì)，并憑借其 14nm 節(jié)點(diǎn)使德克薩斯生產(chǎn)設(shè)施處于獨(dú)特的地位。

　　由于 IBM 的晶圓廠俱樂部基本上不復(fù)存在，而三星的 DRAM 和 SoC 都需要 EUV 光刻技術(shù)，因此它最后將其領(lǐng)先的節(jié)點(diǎn)生產(chǎn)轉(zhuǎn)移到了韓國(guó)，將其位于德克薩斯州的 S2 晶圓廠留下了較舊的節(jié)點(diǎn)(14nm/11nm ~ 65nm) 。但三星在美國(guó)仍有許多需要尖端節(jié)點(diǎn)的客戶，因此該公司在 2021 年底宣布計(jì)劃在德克薩斯州泰勒附近建造一座全新的晶圓廠。該項(xiàng)目將耗資 170 億美元，新設(shè)施將于 2024 年下半年上線。

　　三星尚未正式披露它將在德克薩斯州的新工廠中使用哪些工藝技術(shù)。同時(shí)，但該公司表示，將從 2024 年下半年開始使用該設(shè)施制造用于 5G、移動(dòng)、高性能計(jì)算(HPC)和人工智能(AI)應(yīng)用的芯片。時(shí)間和目標(biāo)應(yīng)用明確表明，我們將迎來一座先進(jìn)的晶圓廠。

　　雖然這純粹是猜測(cè)，但我們預(yù)計(jì)三星將使用其泰勒工廠在各種依賴 GAA 晶體管的 3nm 級(jí)制造節(jié)點(diǎn)上生產(chǎn)芯片。因此，三星將把其領(lǐng)先的節(jié)點(diǎn)帶回德克薩斯州，這對(duì)于該公司在美國(guó)的客戶和該國(guó)的半導(dǎo)體行業(yè)來說是個(gè)好消息。

　　但三星代工甚至對(duì)德克薩斯州有跨越 2042 年的宏偉計(jì)劃。這家合同芯片制造商最近提交了 11 份申請(qǐng)，尋求在奧斯汀和泰勒的稅收減免 ，以在馬諾和泰勒學(xué)區(qū)建立新的芯片工廠。晶圓廠的總成本為 1920 億美元(即每個(gè)晶圓廠 175 億美元)。最初的設(shè)施將于 2034 年上線，其余設(shè)施將于 2042 年開始運(yùn)營(yíng)。

　　目前，這些程序看起來像是在今年到期的第 313 章激勵(lì)計(jì)劃下獲得激勵(lì)的一種手段。此外，這也是向各當(dāng)局展示投資美國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)意圖的好方法。然而，這些程序很難被視為可選的晶圓廠，因?yàn)樵诩磳⒌絹淼?High-NA EUV 時(shí)代，半導(dǎo)體制造設(shè)施的成本將大大增加。

　　德州儀器：300 億美元用于特殊工藝和傳統(tǒng)工藝

　　盡管德州儀器通常被認(rèn)為與英特爾幾乎同時(shí)發(fā)明了微處理器，但該公司從未成為通用大眾市場(chǎng) CPU 的供應(yīng)商。它甚至在 2012 年結(jié)束了其 OMAP 移動(dòng) SoC 業(yè)務(wù)。但德州儀器是全球最大的模擬芯片制造商。例如，Apple 閃亮的新款 MacBook Pro 配備了 TI 的音頻放大器和 USB-C 電源傳輸控制器(這些電源控制器如今已被廣泛使用)。德州儀器擁有超過 45000 種產(chǎn)品組合，可服務(wù)于幾乎所有可以想象到的需要模擬芯片的應(yīng)用。

　　德州儀器公司經(jīng)營(yíng)自己的工廠，并將其供應(yīng)的一些組件外包出去。與其他芯片制造商一樣，TI 在大流行期間面臨對(duì)其設(shè)備的前所未有的需求，并面臨著當(dāng)代行業(yè)大趨勢(shì)(5G、人工智能、高性能計(jì)算、邊緣計(jì)算、自動(dòng)駕駛汽車)推動(dòng)的強(qiáng)勁需求。為了滿足對(duì)其產(chǎn)品不斷增長(zhǎng)的需求，德州儀器于今年 5 月開始在德克薩斯州謝爾曼附近建造其新的大型工廠。

　　新的芯片工廠將分四個(gè)階段建設(shè)，第一座晶圓廠將于 2025 年投產(chǎn)。這將是德克薩斯州有史以來最大的經(jīng)濟(jì)項(xiàng)目;它將花費(fèi) TI 約 300 億美元并跨越十年。地方當(dāng)局批準(zhǔn)了一項(xiàng)激勵(lì)計(jì)劃，該計(jì)劃在工廠的前 30 年中減免 TI 90% 的財(cái)產(chǎn)稅，以鼓勵(lì) TI 投資于 Sherman 和 Grayson 縣。

　　不過，TI 更喜歡德克薩斯州而不是其他地方還有其他原因。該公司已經(jīng)在該州擁有三個(gè) 300 毫米半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)施(包括達(dá)拉斯的 DMOS6、理查森的 RFab Phase 1 和即將完工的理查森的 RFab Phase 2)，因此它可以在各州之間共享工程人才。此外，該公司的供應(yīng)商也位于當(dāng)?shù)兀虼诵滦酒S的材料和其他貨物將更容易獲得。

　　總結(jié)

　　經(jīng)過多年的停滯，美國(guó)終于有了全新的芯片工廠。到 2025 年，英特爾、格芯、臺(tái)積電和三星代工廠將在美國(guó)晶圓廠投入超過 700 億美元。如果德州儀器(TI)的大型晶圓廠項(xiàng)目(將于 2025 年上線，隨著新階段的建成將持續(xù)數(shù)年)以及隨后的臺(tái)積電添加 Fab 21 階段后，我們正在尋找可能在未來十年內(nèi)達(dá)到 2000 億美元（甚至超過）的投資。

　　在很大程度上，如此大規(guī)模的投資是由幾個(gè)因素促成的：地方當(dāng)局的激勵(lì)措施、CHIPS 法案支持的政府補(bǔ)貼、工程人才的可用性以及現(xiàn)有的半導(dǎo)體生產(chǎn)供應(yīng)鏈。其他原因包括地緣政治緊張局勢(shì)和制造基地多元化的必要性。

　　最大的問題是，新的美國(guó)晶圓廠是否足以與即將在韓國(guó)和中國(guó)臺(tái)灣進(jìn)行的大規(guī)模 Gigafab 項(xiàng)目競(jìng)爭(zhēng)。答案尚不清楚——美國(guó)的新芯片工廠將生產(chǎn)主要在美國(guó)開發(fā)的芯片，而這種集中化可能會(huì)帶來一些我們尚未認(rèn)識(shí)到的有趣回報(bào)。