芯耀
1902
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體從產業(yè)長期缺乏存在感。隨著Model 3的上市交付，產業(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。
同一時期，研究機構Munro&Associates發(fā)布Model 3拆解報告，第一次揭開了碳化硅的廬山真面目。
在Model 3的動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，總重量僅為4.8kg，不到競品的一半（日產聆風為11.15kg）[1]，耐高壓、低損耗，困擾業(yè)界的諸多難題一次性解決。
但在當時，全世界60%的碳化硅晶圓產能都掌握在CREE手里，下游的半導體公司只能排隊找CREE預訂產能。
正所謂酒壯慫人膽，CREE一不做二不休，賣光了跟半導體無關的所有業(yè)務，并更名為Wolfspeed，決定All in碳化硅。但轉型之路難言順利，好消息是短短三年股價就挪動了兩個小數點，壞消息是往左挪動的——從130美元到1.3美元。
事實證明，天上確實會掉餡餅，但偶爾也會砸死人。
丑小鴨變白天鵝
從生產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的實驗室，幾個創(chuàng)始人都是在校研究生。當時，大學接到美國海軍委托，研發(fā)軍用飛機的高功率電子系統(tǒng)，攻克以碳化硅為材料生產芯片的難題[2]。
電子產品內部的芯片多以硅（Si）為制造材料，但基于硅材料自身特性，不太勝任極端場景。與之相對的是以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）“第三代半導體材料”，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景中優(yōu)勢巨大。
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芯片的基礎。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、生長成圓柱形的晶錠，再將晶錠切割，經過蝕刻、拋光、清洗等環(huán)節(jié)，變成可以用來生產芯片的晶圓。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，碳化硅晶圓生長速度緩慢，6英寸的碳化硅晶圓，一小時只能生長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運動切割成晶圓，效率低下不說，還非常容易崩邊導致?lián)p耗。
產線上損耗的碳化硅晶圓，往往會被降格為莫桑鉆出售。因此，如果一家碳化硅生產商的切割工藝水平有限，它就會成為一家大型珠寶生產商。
天岳先進作為國內碳化硅第一股，直到2020年，其前五大客戶里有三家都是珠寶公司。無獨有偶，天科合達2020年準備上市時，大客戶名單里兩家珠寶公司赫然在列。
當年CREE研究碳化硅時，還沒有珠寶公司報銷研發(fā)開支，好在美國海軍財大氣粗，承包了所有費用。政府項目結束后，已經讀到博士的創(chuàng)始團隊決定帶著專利創(chuàng)業(yè)，成功提高了北卡羅來納州立大學的科研成果轉化率。
由于極高的制備成本，碳化硅在當時的消費電子產業(yè)優(yōu)勢并不明顯（現(xiàn)在也不太明顯），CREE最終選擇了藍光LED作為碳化硅的產業(yè)化目標。
由碳化硅制成的二極管通過電流會發(fā)出藍光，當時市面已經有紅、綠、黃、橙四種顏色二極管，有藍光加持，多種顏色搭配就可以呈現(xiàn)白光，對應的LED燈不僅比白熾燈更便宜，壽命也更長。
公司成立兩年后，第一顆基于碳化硅的藍光LED問世。此后三十年，LED業(yè)務都是CREE的營收支柱，直到2017年，LED在CREE總營收中占比依然高達90%。
相比之下，CREE的半導體業(yè)務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，是個實打實的芯片老兵，其履歷被普遍解讀為CREE轉舵碳化硅半導體的起點。
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，給自己定下了半導體業(yè)務收入五年內翻番的KPI[5]：
“這讓我想起丑小鴨變成美麗天鵝的畫面。”
8英寸的陷阱
2017年到2021年，CREE半導體業(yè)務在總營收占比從10%躍升至53%。2021年，CREE直接賣掉了最賺錢的LED業(yè)務，并以半導體業(yè)務部門的名字Wolfspeed改頭換面，彰顯壯士斷腕的決心。
但命運總是擅長開玩笑，改名之后的CREE反而陣腳大亂，在資本市場劃出了一道讓持股機構血壓升高的拋物線。
在電動車大范圍普及之前，碳化硅是個典型的資本開支大、利潤空間小的苦活累活，市場規(guī)模也相對有限，在半導體產業(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、在定價上掌握主動，碳化硅生產商會盡可能將晶圓、芯片、器件等各個生產環(huán)節(jié)整合，拉低生產制造成本。但如此一來，又強化了碳化硅的重資產屬性。
Wolfspeed的優(yōu)勢領域在碳化硅晶圓的生產，這一方面得益于自身數十年的技術積累，但另一方面也和碳化硅晶圓重資產、市場小的特點有關，是個典型的兵家必不爭之地。
但電動車普及后，碳化硅市場規(guī)模迅速擴大，各路資本蜂擁而至，加劇了市場競爭。
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，一輛電動車的碳化硅芯片數量在100-150顆左右。而當時一片6英寸晶圓大約能切出300顆碳化硅，也就是說，一輛電動車就會用掉半塊碳化硅晶圓。
而Wolfspeed改名的2021年，恰好是全球電動車市場的爆發(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，成了兵家必爭之地。
因此在Model 3交付之際，Wolfspeed面對的形勢是產能和生產技術上優(yōu)勢依然存在，但對手紛紛開始追趕。此時擺在Wolfspeed面前的選擇有兩個：一是繼續(xù)擴張6英寸晶圓產能，二是投資8英寸晶圓量產。
簡單來說，雖然目的都是降低成本，但前者是粗暴直接的擴產，效果立竿見影；后者技術難度更大，勝在利潤率高。
晶圓尺寸是降低成本的關鍵因素：晶圓尺寸越大，一次切出的芯片越多，單位成本就越低；但與之對應，晶圓尺寸越大，量產難度就越高，兩者互為表里。
Wolfspeed早在2012年就實現(xiàn)了6英寸量產，當時對手還在4英寸掙扎。到了2017年，同行相繼實現(xiàn)6英寸量產，但Wolfspeed兩年前就公開展示了8英寸晶圓樣品。
在這種情況下，相比擴產拼成本，研發(fā)大尺寸晶圓的量產維持高利潤率，是一個基于自身長板的務實選擇。
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，投資金額達到15億美元，比公司2018年全年營收還高。與之對應，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帶著領先優(yōu)勢來到了8英寸的戰(zhàn)場，同年，公司資本開支高達50億美元，負債規(guī)模也水漲船高。
按照規(guī)劃，對莫霍克谷工廠的投資將在2024年達峰，隨后逐年下降，工廠有望在2025年進入回報期。2024年10月末，CEO Gregg Lowe在公開活動中表示，莫霍克谷工廠產能提升進展順利，產量也達到了預期。
半個月后，Gregg Lowe黯然下臺，Wolfspeed傳出了破產傳聞。
降本才是硬道理
2024年，Wolfspeed營收不僅沒有如Gregg Lowe預測般的增長，反而大降12%，資本市場盛傳，莫霍克谷工廠利用率至今僅為20%，遠不及預期。
對8英寸的巨額投入看不到回報，長期看多的投資者陸續(xù)叛逃，Wolfspeed全年股價跌幅高達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。
隨著拜登政府7.5億撥款補助成為無頭公案，公司市值直接跌到了1998年的水平。當年挖出Wolfspeed的分析師們不由反思，投資8英寸真的錯了嗎？
平心而論，站在2019年的時間節(jié)點，量產8英寸確實是Wolfspeed最具投資回報率的選擇。但站在車企的角度，無論碳化硅芯片產自6英寸晶圓還是8英寸晶圓，衡量的標尺始終是成本。
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，實在是碳化硅成本太高。
一般來說，采用碳化硅MOSFET的電動車，續(xù)航相比硅基IGBT的能提高5-10%，對電動車至關重要。2023年的投資者日，馬斯克就高調宣稱要減少75%的碳化硅芯片用量，原因依然是成本。
由于電動車銷量的高速增長，車企的需求和Wolfspeed的擴產節(jié)奏出現(xiàn)了錯配，車企不會傻等著Wolfspeed擴產，這就給其他碳化硅生產商留出了市場空間。
2024年，中國的天科合達（17.3%）、天岳先進（17.1%）擠下市占第二的Coherent，在碳化硅晶圓的市場份額躍升到全球二三位，合計份額與Wolfspeed（33.7%）勢均力敵[6]。
2024年碳化硅晶圓市場份額
Wolfspeed舉債投入8英寸產能建設時，中國公司反而在擴張6英寸產能。由于6英寸生產工藝相對成熟，資本開支的效率天然更高，兩年時間里，單晶圓價格就從1500美元降到了500美元[7]。
假設6英寸轉向8英寸后，單顆芯片的切割成本降低50%，那么即使Wolfspeed的8英寸產能利用率與良率達到預期，其成本也很難與國內的6英寸競爭，反而積累了沉重的債務負擔。
另一方面，相比Wolfspeed垂直一體化的重資產模式，國內碳化硅產業(yè)鏈的細分程度更高。比如天科合達、天岳先進負責碳化硅晶圓制造，揚杰科技做碳化硅器件設計，芯聯(lián)集成做器件代工，斯達半導做模組，每個環(huán)節(jié)的投資效率更高。
垂直一體化確實能減少中間環(huán)節(jié)、壓縮成本，但前提是能夠負擔投資回報周期和多個環(huán)節(jié)的資本開支，Wolfspeed擴產8英寸反而成了反面教材。
2023年后，全球電動車銷量增速開始放緩，美國和歐洲市場拉了大胯，前者增速僅為個位數，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申請破產重整。一家注定會載入集成電路產業(yè)史冊的公司，最終劃上了一個充滿遺憾的句號。
尾聲
和其他半導體的其他分支乃至整個電子產業(yè)一樣，碳化硅芯片是一個標準化程度極高的產品，無論來自多大尺寸的晶圓，競爭力都錨定于成本，由此形成高強度的競爭。
電子產業(yè)既是科技頂峰的探索，也是成本管控的藝術。先進的生產工藝和技術能力并非萬能，有時甚至會有副作用。
日本學者湯之上隆曾做客存儲芯片公司爾必達，發(fā)現(xiàn)爾必達可以把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的重要原因。
但事實是，把良率從60%提高到80%相對比較容易，進一步提高到90%以上，成本會成倍增加。這種情況下，爾必達產線的吞吐量只有三星的1/2，如果要生產同樣數量的芯片，爾必達的設備成本反而比三星多了一倍。
最終，三星電子的利潤率高達30%，爾必達只有3%，在金融危機中資金鏈斷裂，被美光打包帶走。
電子產業(yè)的魅力也恰恰在于，它既是以納米計量的技術冒險，也是精確到小數點后三位的臺賬。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折。
新能源車供應鏈加速洗牌出清的周期里，Wolfspeed不會是唯一一個坍塌的神像。
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：李墨天視覺設計：疏睿
責任編輯：何律衡
