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摩爾定律使業界期望新節點每隔幾年就能將功率、性能、面積和成本 (PPAC) 提高 15-20%。幾十年來，PPAC 的這種改進證明了建造新制造廠的成本是合理的——在證明新工廠的合理性時，業界將 15-20% 的 PPAC 改進作為經驗法則。
然而，隨著摩爾定律的放緩，這個經濟學并不那么清晰。最新的制造節點的開發成本變得如此之高，頻率降低（節點之間長達四年），并且構建成本很高（150億到200億美元），只有最大或最高容量的芯片才能證明開發和制造成本是合理的.
對于使用較舊或“成熟”產品節點的汽車、移動和工業設備等行業，通常無法建立新的晶圓廠，因此必須在其他地方找到 PPAC 改進。因此，舊的 15-20% 經濟經驗法則對于這些增強功能來說只是糟糕的數學計算。現在是半導體行業重新思考后摩爾定律時代經濟學的時候了。
增強成熟節點
雖然成熟節點中 PPAC 的改進可以來自建造更先進的晶圓廠，但這是例外而不是規則。取而代之的是，與建造新晶圓廠相比，還有其他可用的技術可以以更低的成本提供更好的改進。
PPAC 的增量改進可能來自升級設備、在舊節點中使用先進的制造技術，或者只是通過制造工藝工程師發起的小型技術調整來實現。但即使是那些也只提供了適度的改進。為了獲得更顯著的 PPAC 收益，該行業轉向新的先進材料技術，以最小的資本支出和開發成本提高盈利能力。
是時候采用新方法了
產品經理仍然認為他們需要實現 15-20% PPAC 改進以增強其成熟節點，但這其實是被錯誤的數學誤導，因為增強現有節點所需的投資遠小于創建新節點所需的投資。相反，他們應該著眼于提高產品的盈利能力，而不是簡單地通過新技術實現die微縮。他們可以通過多種方式提高盈利能力，包括由于更高的性能、更小的芯片面積/更多的芯片每片晶圓以及更多的銷售額和每片晶圓的利潤而導致的市場份額增長或 ASP 增加。
眾所周知，由于更高的性能而帶來的銷售收益難以預測，因為沒有人能確定市場將如何對改進做出反應。反而，工程師和產品經理傾向于關注die尺寸的減小，因為它與盈利能力直接相關。然而，僅靠縮小die尺寸過于簡單，無法理解降低成本的全部潛力。通過查看毛利率，而不是固定在傳統的 15-20% 的芯片縮小目標上，公司可以決定哪種流程重新設計最具有財務意義。
微縮die以提高利潤
由于邊緣損失，單單die收縮百分比是對成本降低的不完美估計——因為矩形芯片是在圓形晶圓上制造的，如果整個die不能容納在晶圓邊緣附近的區域，則不會使用它。因此，當一個die微縮時，邊緣損失會更少，因此比die尺寸縮小所預測的die良率更高（圖 1）。
為了證明裸片縮小非線性地增加了每片晶圓的裸片，讓我們看一下在傳統節點上制造的典型 36mm2 電源管理芯片。
縮小 5% 會使每片晶圓的裸片增加 5.5%，而縮小 10% 和 20% 將分別帶來裸片增加 12% 和 26%。假設晶圓成本固定，在die縮小 20% 的情況下，die成本將至少下降 26%（基于好芯片/晶圓的數量），而不是最初估計的 20%。（注意，好的die數量會增加26%以上，因為隨著die變小，良品率會提高。）由于die成本大約是產品總成本的一半，降低die成本26%可以減少成品產品成本大幅降低 13% 或更多——顯著提高產品毛利率和盈利能力。
此外，這種工藝改進使晶圓廠能夠將其有效芯片產量提高 26%，而無需顯著額外的資本支出變化——為傳統晶圓廠提供了一種增加產能和盈利能力的直接方法。
根據上面的等式，即使是每月 有10K 晶圓縮小 5% 的die尺寸，也能產生 330 萬美元的額外月收入，以及 260 萬美元的增量毛利率或利潤，僅在短短幾個月內就支付了制造資本支出成本（圖2）。使用先進材料來減小芯片尺寸為這種新的經濟模式提供了動力，并實現了可以顯著提高半導體公司盈利能力的創新。因此，在當今晶圓價格上漲和傳統晶圓廠尋求產能擴張選擇的環境下，了解這些新經濟非常重要。
鑒于拜登總統將 CHIPS 法案簽署為法律，半導體行業將看到一大筆資金專門用于成熟節點的擴展。評估未來盈利能力的新材料技術將為實現美國傳統的晶圓廠擴張目標提供一條重要的、可實現的途徑。
結論
摩爾定律在一個世紀的大部分時間里為我們提供了很好的服務，但現在是行業重新思考它所依賴的數學概念的時候了。在摩爾定律放緩的情況下，一種評估生產改進的經濟影響的新方法對于做出正確的決策至關重要。半導體公司需要開始根據毛利率和利潤做出決策，而不是僅僅根據芯片尺寸進行決策，而在成熟工藝節點內進行創新的最佳方式是采用新材料技術。現在是利用新材料的時候了。
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