芯耀
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作者：何律衡，編輯：李墨天
2018年夏天，伴隨特斯拉Model 3開始交付，全球范圍內(nèi)掀起了一股拆解Model 3的熱潮。華爾街分析師們順藤摸瓜，摸到一家名叫CREE（科銳）的小公司。
CREE成立于1987年，早在1993年就上市，但在巨人林立的半導(dǎo)體從產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)期缺乏存在感。隨著Model 3的上市交付，產(chǎn)業(yè)界驚訝地發(fā)現(xiàn)，這家年收入不到4億美元的小公司牢牢掐住了新能源車的命脈——碳化硅。
同一時(shí)期，研究機(jī)構(gòu)Munro&Associates發(fā)布Model 3拆解報(bào)告，第一次揭開了碳化硅的廬山真面目。
在Model 3的動(dòng)力輸出核心部件逆變器中，特斯拉把傳統(tǒng)的硅材料換成了碳化硅，總重量?jī)H為4.8kg，不到競(jìng)品的一半（日產(chǎn)聆風(fēng)為11.15kg）[1]，耐高壓、低損耗，困擾業(yè)界的諸多難題一次性解決。
但在當(dāng)時(shí)，全世界60%的碳化硅晶圓產(chǎn)能都掌握在CREE手里，下游的半導(dǎo)體公司只能排隊(duì)找CREE預(yù)訂產(chǎn)能。
正所謂酒壯慫人膽，CREE一不做二不休，賣光了跟半導(dǎo)體無關(guān)的所有業(yè)務(wù)，并更名為Wolfspeed，決定All in碳化硅。但轉(zhuǎn)型之路難言順利，好消息是短短三年股價(jià)就挪動(dòng)了兩個(gè)小數(shù)點(diǎn)，壞消息是往左挪動(dòng)的——從130美元到1.3美元。
事實(shí)證明，天上確實(shí)會(huì)掉餡餅，但偶爾也會(huì)砸死人。
丑小鴨變白天鵝
從生產(chǎn)第一塊碳化硅晶圓到碳化硅被捧上神壇，CREE等了整整三十年。
CREE脫胎于美國北卡羅來納州立大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室，幾個(gè)創(chuàng)始人都是在校研究生。當(dāng)時(shí)，大學(xué)接到美國海軍委托，研發(fā)軍用飛機(jī)的高功率電子系統(tǒng)，攻克以碳化硅為材料生產(chǎn)芯片的難題[2]。
電子產(chǎn)品內(nèi)部的芯片多以硅（Si）為制造材料，但基于硅材料自身特性，不太勝任極端場(chǎng)景。與之相對(duì)的是以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）“第三代半導(dǎo)體材料”，可以勝任高頻、高溫、高電壓等惡劣條件，在高壓快充等特定場(chǎng)景中優(yōu)勢(shì)巨大。
但碾壓的性能背后，也是挑戰(zhàn)物理極限的制造工藝。
芯片是從晶圓上切割出來的，制備碳化硅晶圓是生產(chǎn)芯片的基礎(chǔ)。碳化硅晶圓與傳統(tǒng)硅晶圓制備流程類似，也需要將碳化硅原料熔煉、生長(zhǎng)成圓柱形的晶錠，再將晶錠切割，經(jīng)過蝕刻、拋光、清洗等環(huán)節(jié)，變成可以用來生產(chǎn)芯片的晶圓。這也是為什么芯片是方形的，但晶圓卻是圓型的。
然而，相比于傳統(tǒng)的硅晶圓，碳化硅晶圓生長(zhǎng)速度緩慢，6英寸的碳化硅晶圓，一小時(shí)只能生長(zhǎng)0.5-2毫米[3]。加上又硬又脆的物理屬性，只能用小力多次的往復(fù)運(yùn)動(dòng)切割成晶圓，效率低下不說，還非常容易崩邊導(dǎo)致?lián)p耗。
產(chǎn)線上損耗的碳化硅晶圓，往往會(huì)被降格為莫桑鉆出售。因此，如果一家碳化硅生產(chǎn)商的切割工藝水平有限，它就會(huì)成為一家大型珠寶生產(chǎn)商。
天岳先進(jìn)作為國內(nèi)碳化硅第一股，直到2020年，其前五大客戶里有三家都是珠寶公司。無獨(dú)有偶，天科合達(dá)2020年準(zhǔn)備上市時(shí)，大客戶名單里兩家珠寶公司赫然在列。
當(dāng)年CREE研究碳化硅時(shí)，還沒有珠寶公司報(bào)銷研發(fā)開支，好在美國海軍財(cái)大氣粗，承包了所有費(fèi)用。政府項(xiàng)目結(jié)束后，已經(jīng)讀到博士的創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)決定帶著專利創(chuàng)業(yè)，成功提高了北卡羅來納州立大學(xué)的科研成果轉(zhuǎn)化率。
由于極高的制備成本，碳化硅在當(dāng)時(shí)的消費(fèi)電子產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)并不明顯（現(xiàn)在也不太明顯），CREE最終選擇了藍(lán)光LED作為碳化硅的產(chǎn)業(yè)化目標(biāo)。
由碳化硅制成的二極管通過電流會(huì)發(fā)出藍(lán)光，當(dāng)時(shí)市面已經(jīng)有紅、綠、黃、橙四種顏色二極管，有藍(lán)光加持，多種顏色搭配就可以呈現(xiàn)白光，對(duì)應(yīng)的LED燈不僅比白熾燈更便宜，壽命也更長(zhǎng)。
公司成立兩年后，第一顆基于碳化硅的藍(lán)光LED問世。此后三十年，LED業(yè)務(wù)都是CREE的營收支柱，直到2017年，LED在CREE總營收中占比依然高達(dá)90%。
相比之下，CREE的半導(dǎo)體業(yè)務(wù)大部分收入還仰仗美國政府慷慨解囊，大多僅用于研究[4]。
但到了2017年9月，CREE迎來新任CEO Gregg Lowe。與前任主攻LED方向不同，Gregg Lowe在德州儀器干了28年，是個(gè)實(shí)打?qū)嵉男酒媳?，其履歷被普遍解讀為CREE轉(zhuǎn)舵碳化硅半導(dǎo)體的起點(diǎn)。
一年后，馬斯克公開Model 3的碳化硅逆變器，被餡餅砸中的Gregg Lowe接受專訪，給自己定下了半導(dǎo)體業(yè)務(wù)收入五年內(nèi)翻番的KPI[5]：
“這讓我想起丑小鴨變成美麗天鵝的畫面?！?/p>
8英寸的陷阱
2017年到2021年，CREE半導(dǎo)體業(yè)務(wù)在總營收占比從10%躍升至53%。2021年，CREE直接賣掉了最賺錢的LED業(yè)務(wù)，并以半導(dǎo)體業(yè)務(wù)部門的名字Wolfspeed改頭換面，彰顯壯士斷腕的決心。
但命運(yùn)總是擅長(zhǎng)開玩笑，改名之后的CREE反而陣腳大亂，在資本市場(chǎng)劃出了一道讓持股機(jī)構(gòu)血壓升高的拋物線。
在電動(dòng)車大范圍普及之前，碳化硅是個(gè)典型的資本開支大、利潤空間小的苦活累活，市場(chǎng)規(guī)模也相對(duì)有限，在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的存在感非常有限。
由于制備成本高昂，為了最大限度地降低成本、在定價(jià)上掌握主動(dòng)，碳化硅生產(chǎn)商會(huì)盡可能將晶圓、芯片、器件等各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)整合，拉低生產(chǎn)制造成本。但如此一來，又強(qiáng)化了碳化硅的重資產(chǎn)屬性。
Wolfspeed的優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域在碳化硅晶圓的生產(chǎn)，這一方面得益于自身數(shù)十年的技術(shù)積累，但另一方面也和碳化硅晶圓重資產(chǎn)、市場(chǎng)小的特點(diǎn)有關(guān)，是個(gè)典型的兵家必不爭(zhēng)之地。
但電動(dòng)車普及后，碳化硅市場(chǎng)規(guī)模迅速擴(kuò)大，各路資本蜂擁而至，加劇了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。
Model 3的逆變器需要用到24組/48顆碳化硅MOSFET功率芯片，算上其他地方的用量，一輛電動(dòng)車的碳化硅芯片數(shù)量在100-150顆左右。而當(dāng)時(shí)一片6英寸晶圓大約能切出300顆碳化硅，也就是說，一輛電動(dòng)車就會(huì)用掉半塊碳化硅晶圓。
而Wolfspeed改名的2021年，恰好是全球電動(dòng)車市場(chǎng)的爆發(fā)之年，需求量的暴增疊加全球范圍的缺芯，讓碳化硅搖身一變，成了兵家必爭(zhēng)之地。
因此在Model 3交付之際，Wolfspeed面對(duì)的形勢(shì)是產(chǎn)能和生產(chǎn)技術(shù)上優(yōu)勢(shì)依然存在，但對(duì)手紛紛開始追趕。此時(shí)擺在Wolfspeed面前的選擇有兩個(gè)：一是繼續(xù)擴(kuò)張6英寸晶圓產(chǎn)能，二是投資8英寸晶圓量產(chǎn)。
簡(jiǎn)單來說，雖然目的都是降低成本，但前者是粗暴直接的擴(kuò)產(chǎn)，效果立竿見影；后者技術(shù)難度更大，勝在利潤率高。
晶圓尺寸是降低成本的關(guān)鍵因素：晶圓尺寸越大，一次切出的芯片越多，單位成本就越低；但與之對(duì)應(yīng)，晶圓尺寸越大，量產(chǎn)難度就越高，兩者互為表里。
Wolfspeed早在2012年就實(shí)現(xiàn)了6英寸量產(chǎn)，當(dāng)時(shí)對(duì)手還在4英寸掙扎。到了2017年，同行相繼實(shí)現(xiàn)6英寸量產(chǎn)，但Wolfspeed兩年前就公開展示了8英寸晶圓樣品。
在這種情況下，相比擴(kuò)產(chǎn)拼成本，研發(fā)大尺寸晶圓的量產(chǎn)維持高利潤率，是一個(gè)基于自身長(zhǎng)板的務(wù)實(shí)選擇。
2019年，Wolfspeed宣布將在紐約投資全球最大的8英寸碳化硅晶圓廠，即莫霍克谷工廠，投資金額達(dá)到15億美元，比公司2018年全年?duì)I收還高。與之對(duì)應(yīng)，公司市值從2019年的40億美元，一路漲到2021年的165億美元。
2022年，莫霍克谷工廠如期開業(yè)，Wolfspeed帶著領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)來到了8英寸的戰(zhàn)場(chǎng)，同年，公司資本開支高達(dá)50億美元，負(fù)債規(guī)模也水漲船高。
按照規(guī)劃，對(duì)莫霍克谷工廠的投資將在2024年達(dá)峰，隨后逐年下降，工廠有望在2025年進(jìn)入回報(bào)期。2024年10月末，CEO Gregg Lowe在公開活動(dòng)中表示，莫霍克谷工廠產(chǎn)能提升進(jìn)展順利，產(chǎn)量也達(dá)到了預(yù)期。
半個(gè)月后，Gregg Lowe黯然下臺(tái)，Wolfspeed傳出了破產(chǎn)傳聞。
降本才是硬道理
2024年，Wolfspeed營收不僅沒有如Gregg Lowe預(yù)測(cè)般的增長(zhǎng)，反而大降12%，資本市場(chǎng)盛傳，莫霍克谷工廠利用率至今僅為20%，遠(yuǎn)不及預(yù)期。
對(duì)8英寸的巨額投入看不到回報(bào)，長(zhǎng)期看多的投資者陸續(xù)叛逃，Wolfspeed全年股價(jià)跌幅高達(dá)84.7%，成功從英特爾手中搶過了“2024年表現(xiàn)最差科技股”稱號(hào)。
隨著拜登政府7.5億撥款補(bǔ)助成為無頭公案，公司市值直接跌到了1998年的水平。當(dāng)年挖出Wolfspeed的分析師們不由反思，投資8英寸真的錯(cuò)了嗎？
平心而論，站在2019年的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，量產(chǎn)8英寸確實(shí)是Wolfspeed最具投資回報(bào)率的選擇。但站在車企的角度，無論碳化硅芯片產(chǎn)自6英寸晶圓還是8英寸晶圓，衡量的標(biāo)尺始終是成本。
2020年，比亞迪在漢車型中使用了碳化硅功率模塊，蔚來也于2021年推出碳化硅電驅(qū)的ET7；2022年，小鵬G9同樣采用碳化硅MOSFET。清一色的高端車型不是車企曲高和寡，實(shí)在是碳化硅成本太高。
一般來說，采用碳化硅MOSFET的電動(dòng)車，續(xù)航相比硅基IGBT的能提高5-10%，對(duì)電動(dòng)車至關(guān)重要。2023年的投資者日，馬斯克就高調(diào)宣稱要減少75%的碳化硅芯片用量，原因依然是成本。
由于電動(dòng)車銷量的高速增長(zhǎng)，車企的需求和Wolfspeed的擴(kuò)產(chǎn)節(jié)奏出現(xiàn)了錯(cuò)配，車企不會(huì)傻等著Wolfspeed擴(kuò)產(chǎn)，這就給其他碳化硅生產(chǎn)商留出了市場(chǎng)空間。
2024年，中國的天科合達(dá)（17.3%）、天岳先進(jìn)（17.1%）擠下市占第二的Coherent，在碳化硅晶圓的市場(chǎng)份額躍升到全球二三位，合計(jì)份額與Wolfspeed（33.7%）勢(shì)均力敵[6]。
2024年碳化硅晶圓市場(chǎng)份額
Wolfspeed舉債投入8英寸產(chǎn)能建設(shè)時(shí)，中國公司反而在擴(kuò)張6英寸產(chǎn)能。由于6英寸生產(chǎn)工藝相對(duì)成熟，資本開支的效率天然更高，兩年時(shí)間里，單晶圓價(jià)格就從1500美元降到了500美元[7]。
假設(shè)6英寸轉(zhuǎn)向8英寸后，單顆芯片的切割成本降低50%，那么即使Wolfspeed的8英寸產(chǎn)能利用率與良率達(dá)到預(yù)期，其成本也很難與國內(nèi)的6英寸競(jìng)爭(zhēng)，反而積累了沉重的債務(wù)負(fù)擔(dān)。
另一方面，相比Wolfspeed垂直一體化的重資產(chǎn)模式，國內(nèi)碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈的細(xì)分程度更高。比如天科合達(dá)、天岳先進(jìn)負(fù)責(zé)碳化硅晶圓制造，揚(yáng)杰科技做碳化硅器件設(shè)計(jì)，芯聯(lián)集成做器件代工，斯達(dá)半導(dǎo)做模組，每個(gè)環(huán)節(jié)的投資效率更高。
垂直一體化確實(shí)能減少中間環(huán)節(jié)、壓縮成本，但前提是能夠負(fù)擔(dān)投資回報(bào)周期和多個(gè)環(huán)節(jié)的資本開支，Wolfspeed擴(kuò)產(chǎn)8英寸反而成了反面教材。
2023年后，全球電動(dòng)車銷量增速開始放緩，美國和歐洲市場(chǎng)拉了大胯，前者增速僅為個(gè)位數(shù)，后者不增反降低。作為Wolfspeed主要收入來源，反而成為了壓垮碳化硅巨人的最后一根稻草。
今年6月，Wolfspeed申請(qǐng)破產(chǎn)重整。一家注定會(huì)載入集成電路產(chǎn)業(yè)史冊(cè)的公司，最終劃上了一個(gè)充滿遺憾的句號(hào)。
尾聲
和其他半導(dǎo)體的其他分支乃至整個(gè)電子產(chǎn)業(yè)一樣，碳化硅芯片是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化程度極高的產(chǎn)品，無論來自多大尺寸的晶圓，競(jìng)爭(zhēng)力都錨定于成本，由此形成高強(qiáng)度的競(jìng)爭(zhēng)。
電子產(chǎn)業(yè)既是科技頂峰的探索，也是成本管控的藝術(shù)。先進(jìn)的生產(chǎn)工藝和技術(shù)能力并非萬能，有時(shí)甚至?xí)懈弊饔谩?/p>
日本學(xué)者湯之上隆曾做客存儲(chǔ)芯片公司爾必達(dá)，發(fā)現(xiàn)爾必達(dá)可以把512M DRAM芯片的良率做到驚人的98%，而三星只有83%，這也成為了各路分析師看好爾必達(dá)的重要原因。
但事實(shí)是，把良率從60%提高到80%相對(duì)比較容易，進(jìn)一步提高到90%以上，成本會(huì)成倍增加。這種情況下，爾必達(dá)產(chǎn)線的吞吐量只有三星的1/2，如果要生產(chǎn)同樣數(shù)量的芯片，爾必達(dá)的設(shè)備成本反而比三星多了一倍。
最終，三星電子的利潤率高達(dá)30%，爾必達(dá)只有3%，在金融危機(jī)中資金鏈斷裂，被美光打包帶走。
電子產(chǎn)業(yè)的魅力也恰恰在于，它既是以納米計(jì)量的技術(shù)冒險(xiǎn)，也是精確到小數(shù)點(diǎn)后三位的臺(tái)賬。舊王倒下新貴崛起的故事，總是有與眾不同的演繹手法和意想不到的伏筆與轉(zhuǎn)折。
新能源車供應(yīng)鏈加速洗牌出清的周期里，Wolfspeed不會(huì)是唯一一個(gè)坍塌的神像。
參考資料
[1]?Tesla's Innovative Power Electronics: The Silicon Carbide Inverter, IDTechEx
[2]?Growing at Wolfspeed, NC State University
[3]?SiC Seeding for Sustainable Green Energy: An Overview of SiC Crystal Growth and Wafer Processing, Orbitskyline
[4]?CREE Inc. History，fundinguniverse
[5]?Wolfspeed is no more our Ugly Duckling, Design&Electronic
[6]?2024年碳化硅襯底市場(chǎng)營收下降9%至10.4億美元，TrendForce
[7]?Global tech industry braces for 'China shock' in mature chips, Nikkei Asia
編輯：李墨天視覺設(shè)計(jì)：疏睿
責(zé)任編輯：何律衡
