麦肯锡：美国建晶圆厂无可避免的四大挑战

来源:天天IC发布时间:2023-02-021073浏览

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集微网消息，半导体行业正在蓬勃发展，预计到2030年年均增长率为6%至8%，年收入预计将达到1万亿美元。对此，知名咨询机构麦肯锡对在美国建设晶圆厂问题做了分析。
该行业将不得不将半导体产量增加一倍才能跟上未来的需求，但大多数制造工厂（通常称为晶圆厂）已经满负荷运转。为了增加供应，许多公司已经宣布计划建造新的晶圆厂，有些已经进入建设阶段。在协同推动微电子复兴的过程中，美国正在成为晶圆厂建设的热点。到2030年，美国正在进行、已宣布或正在考虑的半导体项目的总价值将达到2230亿美元至2600多亿美元。但想要将更多制造业转移到美国的不仅仅是私营公司。半导体生产正在从联邦政府获得更多资金，联邦政府最近通过美国“CHIPS和科学法案”批准了540亿美元的拨款用于国内半导体制造和研究。到2030年，美国正在进行、已宣布或正在考虑的半导体项目的总价值将达到2230亿美元至2600亿美元以上。然而，当前的经济前景促使几家半导体公司放慢资本配置。结合对未来需求的强劲前景，这造成了一个两难境地：公司可能会权衡投资周期以避免未来再次出现供应短缺，同时试图管理现金流限制。在美国建造晶圆厂也可能面临与其他国家不同的挑战。一些项目已经出现延误，包括与劳动力和材料短缺有关的延误。更重要的是，原材料商品价格的波动为建设过程注入了另一个不确定因素。对于希望在所有这些不确定性中继续建设美国晶圆厂的公司来说，潜在的解决方案是什么？创造性的融资、更周到的设计、更好的预制以及更好的谈判、日程安排和成本控制策略的组合。美国晶圆厂的建设热潮多年来，芯片制造一直集中在东南亚和中国。根据最近的一份白宫声明（下图1），美国制造的半导体现在仅占全球总量的12%左右，低于30年前的37%。

数量因节点大小和前沿技术而异节点尺寸小于10纳米的芯片主要在东亚生产，尽管该地区以外的一些晶圆厂现在正在提高产量（下图2）。

当供应链运转良好时，公司几乎没有动力在东南亚以外的地方建造新的晶圆厂。但由于COVID-19疫情和随之而来的供应链中断，芯片生产和分销最近面临挑战，中国台湾2021年的干旱和最近的地缘政治问题使问题更加复杂。这些考虑促使公司对分散晶圆厂地点和探索美国站点产生了新的兴趣。在评估潜在的新地点时，能否获得补贴是主要考虑因素之一。美国晶圆厂建在哪里？在美国新晶圆厂的2230亿美元至超过2600亿美元投资总额中，约有1830亿美元用于正在进行或已宣布的项目；其余部分与仍在考虑中的项目有关（下图）。大多数投资流向特定的地理集群。例如，亚利桑那州和得克萨斯州正在吸引投资，因为它们已经拥有晶圆厂生态系统，而且它们的地方政府历来提供激励措施并帮助协调这一过程。加入大型激励措施：俄亥俄州正在成为一个理想的地点，宣布对哥伦布晶圆厂的投资超过200亿美元，纽约正在提供激励措施以鼓励晶圆厂建设。其他吸引投资的州包括印第安纳州、新墨西哥州、俄勒冈州、犹他州和弗吉尼亚州。

美国晶圆厂建设面临的主要挑战半导体晶圆厂在任何地方都是复杂的资本密集型项目。但在美国，晶圆厂建设并不常见，各行各业对建筑人才的需求量很大，半导体公司可能面临比平时更多的挑战。他们面临的许多问题都属于以下类别之一。不仅仅是建设：半导体公司面临的持续人才挑战美国已经有20多年没有进行大规模的晶圆厂建设，国内很少有建设者具备交付这些专业项目所需的经验、能力和专业知识。使这个问题更加复杂的是，在本已紧张的劳动力市场中，半导体厂商必须与包括住宅在内的多个行业的公司竞争各种类型的建筑工人——从土方工程专家到熟练的电工。一旦晶圆厂建成并开放，它们还将面临对一种截然不同类型人才的竞争：运营它们所需的技术员工。半导体行业更加重视可持续性，因为许多最重要的客户希望减少其供应链中的排放。然而，许多半导体公司尚未明确阐明其可持续发展目标，大约2000家公司中只有大约60家承诺实现排放目标。半导体制造可能会引起最终客户的特别关注，因为它会产生与最终产品相关的高排放量。例如，与某些手机相关的生命周期排放量的70%以上，与手机本身和芯片组的制造有关。随着终端客户越来越关注实现净零排放，预计会有更多半导体公司致力于实现更具抱负和可操作性的排放目标。晶圆厂所有者在决定在哪里建造新的主要晶圆厂时也可能会更仔细地考虑可再生能源的可获得性，因为典型晶圆厂45%的排放与电力相关。供应链复杂性典型的半导体生产过程可能涉及五个以上的国家和全球三个或更多的出货量。由于行业整合、劳动力成本动态和技术复杂性，区域瓶颈几乎存在于价值链的每一步。为了提高供应链的弹性，半导体公司可能会考虑在新的晶圆厂附近建造或移动价值链的各个部分。建筑和运营的材料采购策略可能需要更新。资本支出将超出晶圆厂建设，因为创建真正的生态系统将需要额外的基础设施和供应商。联邦和地方激励措施“CHIPS和科学法案”将为半导体制造和研发提供540亿美元的联邦激励措施，但公司必须满足一系列资格要求才能获得资助。补贴对于缩短晶圆厂建设的投资回收期至关重要，公司可能会青睐那些能让他们获得州或地方激励措施的选址。在晶圆厂建设之前和期间与政府利益相关者的谈判可能会影响资金和激励措施；很明显，获得“CHIPS计划”管理资金的公司必须满足某些要求。在开始建设晶圆厂之前，半导体公司需要考虑未来与各级政府利益相关者的谈判。他们还可以通过查看会影响成本和时间表的其他因素来改进选址。其他选址标准（例如，运营成本、资本效率、基础设施、劳动力、碳排放、水、能源、土地、社会）将需要得到充分定义、分析和权衡，以确保整体决策过程。绩效管理和执行困难在正常情况下，按时按预算交付大型或超大型资本项目是很困难的。当前的破坏性力量——商品价格波动、通货膨胀、供应链中断、过热的劳动力市场——使项目变得更加复杂，即使半导体公司在项目的整个生命周期中遵循建设最佳实践，也可能会遇到障碍。例如，即使采购订单提前下达并得到供应商确认，但近期有太多项目因关键的长周期机械、电气和管道系统的交付延迟而受到影响。更重要的是，过热的劳动力市场可能会降低生产率，因为公司无法找到足够的合格建筑员工，这使得按时和按预算交付设施变得更加困难。转变晶圆厂建设的机会对芯片日益增长的需求可能为半导体公司带来重大机遇，前提是它们能够高效地建造新的晶圆厂。充满挑战的经济时期可能并不是运作良好的建设项目不可逾越的障碍——例如，在2008-09年经济衰退期间建造晶圆厂的公司通常都能按计划进行并在预算范围内。随着半导体公司考虑对美国晶圆厂进行重大资本投资，他们的领导者可能希望考虑当前的挑战并在建设期间实施以下策略。创意融资单靠政府激励措施无法弥补建设前沿晶圆厂所需的巨额资本投资，半导体公司可能希望探索债务或小额资本以外的替代融资策略来填补缺口。例如，一家领先的半导体公司最近与一家提供私人资本的大型资产管理公司成立了一家合资企业。这种安排使公司能够节省现金并保持其债务能力，其他半导体公司可能会找到类似的机会与私募股权巨型基金建立合作伙伴关系，包括那些专注于技术和基础设施的基金。这些协议的条款规定，替代融资可能代表合作伙伴的股权投资，使他们有权在未来分享利润。Fab参与者还可以在其融资策略中考虑大型私人资产管理公司或拥有长期负债的保险公司。模块化设计和预制预制和模块化(PFM)解决方案可以让公司在更受控的环境中异地完成某些施工要素。如果做得好，这些解决方案可以带来多种好处，包括缩短项目时间表和降低成本。例如，公司可能能够在传统上成本较低的地点进行PFM建设。安全性可能会提高，因为对现场劳动力的需求较低，而质量可能会得到类似的提升，因为制造发生在更受控制的环境中。可持续性——一个日益受到关注的问题——可能会增加，因为废料的数量可能会减少，而且公司可能更有可能在场外制造过程中获得可再生能源。在开始项目之前，半导体公司必须决定他们想在哪里应用PFM。例如，一些人可能会提倡模块化、预组装的洁净室，而另一些人可能会在设施或中央公用建筑中使用撬装单元。在其他情况下，他们可以通过使用预制混凝土和预制钢材等元素，将PFM原则简单地应用于建筑或土木结构建筑组件。尽管PFM解决方案提供了许多好处，但投资回报可能很慢，部分原因是该过程非常复杂，很难正确处理。公司必须管理多个小型建筑和制造场地、更复杂的物流、更多的质量控制问题，以及其他问题。为了最大限度地减少潜在错误，晶圆厂运营商可以从在施工过程的早期引入PFM概念并在项目中对其进行标准化而受益。如果公司犹豫不决，他们可能会发现在后期引入PFM概念会更加困难。在组织方面，公司可以从管理PFM项目和提高流程透明度的新方法中受益。可能需要参与的团体包括承包、物流、测试和质量、供应链和维护。例如，某些需要维护的资产可能被存储或保存在异地，公司可以指定维护它们的过程和责任方。战略谈判、承包和采购鉴于当前劳动力短缺、供应链中断和经济不确定性，熟练的采购和承包，包括谈判技巧，比以往任何时候都更加重要。一些工程、采购和建筑公司以及总承包商已经调整了他们的承包策略以降低风险。例如，一些公司增加了额外的意外事件或津贴，或者包括允许他们在建筑中使用的某些商品变得更贵时提高价格的合同语言。一些晶圆厂运营商也越来越多地参与采购，要么将更多元素转移到业主提供、承包商安装的类别中，要么采用其他采购模式（例如，参与联合谈判，然后让承包商完成采购），这些转变使晶圆厂运营商能够减少承包商的管理费用，确保准时交货，并加强供应商关系。晶圆厂运营商可以进一步提高他们当前的能力和采购策略，以包括实时市场情报分析、清洁表以及强大的采购跟踪和招标。他们还可以参与价值工程或寻求替代解决方案，以提高他们预测和控制材料和劳动力成本的能力。总之，这些新技能可以帮助他们制定更好的价格并实现原本会流向承包商的利润。生成调度半导体公司可能会受益于实施生成调度方法，该方法涉及构建一个数据驱动模型，该模型考虑管理现场工作方式的物理和空间限制。创建模型后，公司可以使用有关劳动力、设备、安装率、访问、启动顺序、生产率和其他指标的“假设”问题。这些问题使他们能够实时比较不同的进度和资源组合。输出是晶圆厂项目所有阶段的优化施工顺序和资源计划，从预施工到执行，最大限度地减少成本和进度超支。公司可以随时进行新的生成调度分析，尤其是在情况发生变化时。项目控制在复杂的大型项目中，进度的透明度是必不可少的，但往往缺乏透明度，因此很难主动识别和解决问题。一个集中的项目交付中心——基本上是一个充当控制塔的数字平台，所有相关人员都可以访问——可以帮助管理层更好地了解所有项目领域的潜在障碍。在最近的一个晶圆厂项目中，建立关键项目管理解决方案，特别是监控项目绩效和风险区域的控制塔，显着提高了透明度并加快了进度，使公司能够将项目时间表缩短八周。半导体公司可能会开启一个新时代，更多的芯片制造将转移到美国。但这一重大转变可能还需要规划和建设晶圆厂的过程发生重大变化，特别是因为在其他地方行之有效的战略和过程可能在美国行不通。考虑到建造晶圆厂需要大量投资，风险很高，但潜在收益也很大在破土动工之前的规划阶段考虑新策略，可能会给晶圆厂运营商最大的机会，在预算内按时完工。

图源｜网络

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