美國大舉興建晶圓廠，十年投資 2000 億美元

根據半導體工業協會 (SIA) 的數據，美國在全球半導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% 是在美國設計的，這種差距對美國國家安全和經濟帶來了重大風險，這就是為什麼業內人士和政界人士最近都開始呼籲在美國建立半導體工廠。

他們的呼聲已被聽到，今天五家主要芯片製造商——格芯、英特爾、三星代工、台積電和德州儀器正在美國建立新的半導體生產設施。這些努力將受到新一輪融資的支持，因為美國通過了一份法案，計劃為新的美國芯片廠注入 520 億美元，並提供新的税收優惠。

這些資金將在未來幾年刺激一波新的投資，這是急需的。

中國台灣、韓國和新加坡等國家和地區在 1990 年代和 2000 年代成為邏輯和存儲芯片的主要生產商有很多原因。除了這些地方的勞動力成本較低外，當地政府及其地方當局還為芯片製造商提供了各種激勵措施，這就是為什麼在亞洲建造晶圓廠比在美國和歐洲便宜得多的原因。

紐約和 Saratoga County 很早就意識到了這一點，並在 2006 年為 AMD 制定了現在被稱為 GlobalFoundries Fab 8 的計劃時，向 AMD 提供了重大激勵措施。

然而，其他州和聯邦政府並沒有那麼靈活，這就是部署全新的晶圓廠在美國變得罕見的原因。事實上，英特爾甚至調整了產能戰略，最終將 Fab 42 設備的搬入推遲了 5 年，將其上線推遲了 6 年。

雖然我們不能説美國的半導體生產行業近年來沒有增加產能——英特爾和 GlobalFoundries 都在 2010 年代後期逐漸擴大了產能——但全新的領先晶圓廠尚未部署在美國。但這即將改變。以下是這些變化發生的方式和地點。

英特爾無疑是美國最古老的芯片製造商之一，也是世界上最大的芯片製造商之一。它也恰好是唯一一家在美國投資超過 400 億美元新建半導體晶圓廠的公司，與一些制定長期計劃並選擇新晶圓廠的行業同行不同，英特爾正在向四家美國晶圓廠投資數百億美元，當中的一些長三年後上線。

目前，英特爾正在建設四個芯片生產工廠，兩個在亞利桑那州，兩個在俄亥俄州，以及一個在新墨西哥州的先進封裝工廠。

英特爾於 2021 年 9 月下旬宣佈，公司在亞利桑那州錢德勒附近的 Ocotillo 園區的 Fab 52 和 Fab 62 破土動工，這些大樓的建設工作正在順利進行。根據計劃，這些晶圓廠旨在為英特爾及其英特爾代工服務客户使用英特爾的 Intel 20A 製造技術生產芯片。

英特爾的 20A 生產節點將是該公司第一個採用 RibbonFET 柵極環繞場效應晶體管 (GAAFET) 和 PowerVia 背面供電的工藝。這些根本性的改進有望帶來顯著的功率、性能和麪積 (PPA) 改進。

英特爾的 Fab 52 和 Fab 62 將於 2024 年上線，耗資約 200 億美元。這些晶圓廠將有助於英特爾的 IDM 2.0 戰略，該戰略將找到該公司為其他公司製造芯片的首創。

英特爾正在俄亥俄州建造兩座尚未命名的晶圓廠，但它們對英特爾和美國芯片行業的意義不容小覷。多年來，英特爾逐漸擴大了其在亞利桑那州、新墨西哥州和俄勒岡州的大型站點。由於半導體供應鏈非常複雜，因此擴大現有園區非常有意義。英特爾需要當地合作伙伴（例如原材料供應商、零件等）的支持。

在俄亥俄州，英特爾希望建立另一個大型站點，該站點將容納多達 8 個半導體制造工商（我們認為也將包括一個先進的封裝設施，但英特爾尚未證實這一點）。該站點將需要約 1000 億美元的投資才能在未來十年內全面建成。

此外，新園區將要求英特爾的合作伙伴在當地建立業務，這實質上意味着美國半導體供應鏈的重大擴張。實際上，在所有在美國新建工廠的芯片製造商中，只有英特爾願意從零開始建設一個新的巨型站點。

前兩個新晶圓廠位於俄亥俄州哥倫布附近，預計將在 2025 年某個時候能在英特爾的 Intel 18A/20A 節點上生產芯片。英特爾的 18A 製造技術旨在成為第一個利用 ASML 的 Twinscan EXE 0.55 High-NA 極紫外 (EUV) 光刻掃描儀的製造工藝。

然而，今年早些時候，英特爾表示，通過採用 multi-patterning 的模式，它可以繼續使用當前的 Twinscan NXE 0.33 NA EUV 工具來實現 18A。但即使沒有 High NA 工具，新技術也有望帶來各種功率、性能和麪積 (PPA) 優勢，因為它將依賴英特爾的第二代 GAA RibbonFET。

英特爾的大型晶圓廠項目最初將耗資超過 200 億美元，這將成為俄亥俄州歷史上最大的經濟發展項目。

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 億美元的各種激勵措施。此外，英特爾正在向聯邦政府申請資金，但目前尚不清楚它將獲得多少資金。

事實上，政府資金對於英特爾的俄亥俄州大型站點項目至關重要。Fab 建築物並不昂貴（但交貨時間最長），但半導體生產工具卻很昂貴（例如，一台 EUV 光刻機的成本約為 1.6 億美元）。

英特爾可以構建外殼，但它需要及時為它們配備工具以滿足其生產計劃。為前沿節點配備晶圓廠意味着購買各種光刻機（包括浸沒式和 EUV 掃描儀）、塗層、蝕刻、沉積、抗蝕劑去除、檢查和其他工具，成本高達數十億美元。

如果由於缺乏財政資源而需要太長時間來裝備一個全新的芯片工廠，英特爾可以在現有設施中添加額外的工具，以便在某個新節點上生產芯片。但這意味着英特爾將不得不擱置其新大樓並等待另一個機會來裝備它，這意味着它將產生成本而不會產生任何收益。

儘管英特爾官方將備用晶圓廠外殼（ spare fab shells）視為一種 “智能資本戰略”，使其在如何以及何時在線提供額外容量和工具方面具有靈活性，但最好在建築物建成後為其配備設備。

這就是為什麼英特爾 CEO Pat Gelsinger 警告美國當局和立法者，如果公司沒有得到政府的財政激勵和支持，他可能會將公司的下一個大型站點項目轉移到歐洲。

英特爾在新墨西哥州的先進封裝工廠，這將使該公司及其客户有能力構建複雜的多芯片設計（a-la Meteor Lake），這些設計將在未來幾年在美國普及。

由於嵌入式多芯片互連橋 (EMIB) 和 Foveros 等複雜的封裝技術需要潔淨室，因此將新墨西哥州的封裝操作稱為晶圓廠是安全的。事實上，封裝工商的設備將花費英特爾 35 億美元，這是幾十年前新工廠的價格。

先進的封裝業務將有助於在 2023 年至 2024 年投入運營時在美國生產複雜的設計，因此這是英特爾的又一個項目，其對美國半導體行業的重要性不容小覷。

台積電於 2020 年年中宣佈在亞利桑那州鳳凰城附近建造具備 5nm 能力的晶圓廠計劃時引起了轟動。縱觀其歷史，該公司僅在中國台灣以外建立了兩家晶圓廠——位於華盛頓州卡馬斯的 WaferTech 工廠（仍使用成熟節點處理 200 毫米晶圓）和位於中國江蘇省南京市的 Fab 16（使用台積電成熟工藝生產芯片）。

因此，在亞利桑那州建立一個相當先進的晶圓廠的意圖被認為是戰略上的重大轉變。

作為全球最大的代工芯片製造商，台積電在美國肯定有數百家客户，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 年初投入運營時擁有約 20,000 WSPM（每月晶圓啓動）的產能，這大大低於台積電在台灣運營的晶圓廠。

因此，許多觀察家認為，該項目是解決為美國政府一些非常具體的客户的一種方法，也是一種取悦美國政府的一種方式，美國政府希望在與中國的緊張關係中實現芯片供應鏈的多元化。

後來， 台積電將其 Fab 21 項目視為另一個多階段晶圓廠，儘管它由亞利桑那州和美國政府共同資助。台積電將在未來許多年分六個階段建設其 Fab 21。第一階段將於 2024 年初上線，並使用台積電的 N5（N5、N5P、N4、N4P、N4X）系列工藝技術生產芯片，但預計後續階段將採用更先進的節點是合乎邏輯的。

無論如何， 來到亞利桑那州的台積電晶圓廠 將加強美國半導體產業。同時，需要注意的是，世界第一代工廠之所以選擇亞利桑那州，是因為該州已經擁有英特爾大型站點，這意味着可以接觸到經驗豐富的人才和各種相關供應商。

自 2012 年 GlobalFoundries 完成其 Fab 8 以來，該公司一直在通過擴大其潔淨室空間或安裝更先進的設備以提高生產力來逐步提高工廠的生產能力。

去年，該公司宣佈計劃投資 10 億美元將 Fab 8 的產能從每月 47,500 片晶圓啓動 (WSPM) 提高到 60,000 片 WSPM。有趣的是， 2021 年 GlobalFoundries 僅從 Fab 8 出貨了 35700 片晶圓。

GlobalFoundries 的 Fab 8 使用多種製造技術處理晶圓，包括各種基於 FinFET 的節點（14LPP、14HP、12LP、12LP+）以及 NVM、RFSOI 和 Silicon Photonics，這些節點不僅是 GloFo 的美國客户的重要節點而且為了國家的國家安全，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全新的晶圓廠，以公私合作的方式支持不斷增長的需求。

該公司尚未透露有關此即將建成的生產設施的任何信息，但鑑於 GlobalFoundries 專注於專用節點，預計新的芯片工廠將針對各種先進的專用製造技術。

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

三星代工部門於 2005 年在美國悄然成立（總部位於美國的高通公司是第一個客户）。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户生產芯片。

由於三星是 IBM 共同平台聯盟（與 AMD/GlobalFoundries、特許、飛思卡爾和英飛凌一起）的一部分，因此在某些時候，三星代工廠使用其位於德克薩斯州奧斯汀的 S2 工廠與其合作伙伴共同開發的領先技術生產芯片是有意義的。

因此，三星在德克薩斯州製造了先進的 32nm、28nm 和 14nm SoC。事實上，S2、S1（韓國 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勢，並憑藉其 14nm 節點使德克薩斯生產設施處於獨特的地位。

由於 IBM 的晶圓廠俱樂部基本上不復存在，而三星的 DRAM 和 SoC 都需要 EUV 光刻技術，因此它最後將其領先的節點生產轉移到了韓國，將其位於德克薩斯州的 S2 晶圓廠留下了較舊的節點（14nm/11nm ~ 65nm）。

但三星在美國仍有許多需要尖端節點的客户，因此該公司在 2021 年底宣佈計劃在德克薩斯州泰勒附近建造一座全新的晶圓廠。該項目將耗資 170 億美元，新設施將於 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。

同時，但該公司表示，將從 2024 年下半年開始使用該設施製造用於 5G、移動、高性能計算 (HPC) 和人工智能 (AI) 應用的芯片。時間和目標應用明確表明，我們正在與一家先進的晶圓廠打交道。

雖然這純粹是猜測，但我們預計三星將使用其泰勒工廠在各種依賴 GAA 晶體管的 3nm 級製造節點上生產芯片。因此，三星將把其領先的節點帶回德克薩斯州，這對於該公司在美國的客户和該國的半導體行業來説是個好消息。

但三星代工顯然對德克薩斯州有跨越 2042 年的宏偉計劃。這家合同芯片製造商最近提交了 11 份申請，尋求在奧斯汀和泰勒的税收減免 ，以在馬諾和泰勒學區建立新的芯片工廠。晶圓廠的總成本為 1920 億美元（即每個晶圓廠 175 億美元）。最初的設施將於 2034 年上線，其餘設施將於 2042 年開始運營。

目前，這些程序看起來像是在今年到期的第 313 章激勵計劃下獲得激勵的一種手段。此外，這也是向各當局展示投資美國半導體行業意圖的好方法。

然而，這些程序很難被視為可選的晶圓廠，因為在即將到來的 High-NA EUV 時代，半導體制造設施的成本將大大增加。

儘管德州儀器通常被認為與英特爾幾乎同時發明了微處理器，但該公司從未成為通用大眾市場 CPU 的供應商。它甚至在 2012 年結束了其 OMAP 移動 SoC 業務。但德州儀器是全球最大的模擬芯片製造商。

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 45,000 種產品組合，可服務於幾乎所有可以想象到的需要模擬芯片的應用。

德州儀器公司經營自己的工廠，並將其供應的一些組件外包出去。與其他芯片製造商一樣，TI 在大流行期間面臨對其設備的前所未有的需求，並面臨着當代行業大趨勢（5G、人工智能、高性能計算、邊緣計算、自動駕駛汽車）推動的強勁需求。

為了滿足對其產品不斷增長的需求，德州儀器於今年 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階段建設，第一座晶圓廠將於 2025 年投產。這將是德克薩斯州有史以來最大的經濟項目；它將花費 TI 約 300 億美元並跨越十年。地方當局批准了一項激勵計劃，該計劃在工廠的前 30 年中減免 TI 90% 的財產税，以鼓勵 TI 投資於 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。該公司已經在該州擁有三個 300 毫米半導體生產設施（包括達拉斯的 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，該公司的供應商也位於當地，因此新芯片工廠的材料和其他貨物將更容易獲得。

經過多年的停滯，美國終於有了全新的芯片工廠。到 2025 年，英特爾、格芯、台積電和三星代工廠將在美國晶圓廠投入超過 700 億美元。如果德州儀器 (TI) 的大型晶圓廠項目（將於 2025 年上線，隨着新階段的建成將持續數年）以及隨後的台積電添加 Fab 21 階段後，我們正在尋找可能在未來十年內達到 2000 億美元（甚至超過）的投資。

在很大程度上，如此大規模的投資是由幾個因素促成的：地方當局的激勵措施、CHIPS 法案支持的政府補貼、工程人才的可用性以及現有的半導體生產供應鏈。其他原因包括地緣政治緊張局勢和製造基地多元化的必要性。

最大的問題是，新的美國晶圓廠是否足以與即將在韓國和中國台灣進行的大規模 Gigafab 項目競爭。答案尚不清楚——美國的新芯片工廠將生產主要在美國開發的芯片，而這種集中化可能會帶來一些我們尚未認識到的有趣回報。

本文來源：半導體行業觀察，原文標題：《美國大舉興建晶圓廠，十年投資 2000 億美元》