【半导体】先进制程上演三国争霸，台积电、三星、英特尔谁笑到最后？

呼应美国政府半导体制造业重返美国的计划，晶圆代工龙头台积电2020年宣布在亚利桑那州兴建5纳米晶圆厂Fab21，以因应美国政府与客户的需求，为台积电打开了海外扩产的大门，该计划也将在12月6日迎接机台移机的重要里程碑。不过，对于台积电在美国的扩厂，竞争对手三星与英特尔也不甘示弱，借助美国《科学与芯片法案》的通过，纷纷宣布在美国的扩产计划，除了希望获得美国政府的补助，也机会在美国当地获得客户的青睐之外，也进一步能与台积电较量。因此，当前全球晶圆代工先进制程的三巨头，在大规模投资之后，谁能在未来的市场竞争中脱颖而出，成为全世界半导体产业发展关注的焦点。英特尔转型的漫漫长路从原本晶圆制造只为自己的产品服务，到后来提出IDM 2.0之后发展出IFS业务，2020年接任英特尔CEO的帕特·基尔辛格(Pat Gelsinger)为英特尔的转型下了庞大的赌注。因为英特尔之前一直是IDM模式，完整的涵括了芯片从设计到生产再到销售的所有过程，产品绝大部分也都是在内部工厂制造。如今，在IDM 2.0模式下，英特尔不仅要委托外部芯片代工厂生产自己的芯片，比如预定了台积电3纳米的产能。在此同时，英特尔也要发展自己的芯片代工业务，成立英特尔代工服务IFS业务，重返芯片代工行业。对此，英特尔的逻辑是，IFS将在服务芯片客户的过程中变得更强大更好，而随着IFS在芯片制造上越来越先进，生产的芯片产品也会更有竞争力，包括自己内部制造的芯片，反过来又保证IFS不会受限于外部代工产能，以此形成正向循环。用 帕特·基尔辛格在采访中的说法来说，就是「IDM 使 IFS 更好，IFS 使 IDM 更好」。只是，矛盾之处也很明显，英特尔既要为自己生产芯片，又要寻求为其他芯片领域的竞争对手，例如AMD和英伟达提供芯片代工服务。同样的，英特尔想在芯片代工业务上追赶台积电和三星，但又要将自己的最好的芯片产品交由对手来生产，等于在降低自身芯片制造规模的同时，还将一部分利润让给了台积电等竞争对手。不过，英特尔也确实找到了启动IDM 2.0计划的支点，即台积电和三星无法满足所有客户的需求。或者说，在当前市场环境下，多元化的代工战略成为很多芯片设计厂商的选择。2022 年 3 月，英伟达CEO黄仁勋谈到，英特尔有意让我们使用他们的代工制造业务，而我们对研究这种可能性也非常感兴趣。到了 7 月份，还没等到英伟达的行动，英特尔率先宣布将为联发科代工芯片。联发科表示，公司一直采用多源策略，除了与台积电在先进制程节点上保持密切合作外，此次合作将加强我们对成熟制程节点的供应。因此，尽管台积电是芯片代工领域的绝对领导者，掌握着更大的发言权，但英特尔的加入实实在在为芯片企业带来了新的选择。2021年7月，英特尔就宣布将为高通生产芯片，亚马逊在此前也成为了其代工业务的客户。同时，美国补助将推动建厂的步伐，而这对于英特尔的代工业务而言将是一个积极的信号，逐渐凭借先进制程与台积电、三星展开正面竞争。在2022年9月举行的英特尔On技术创新论坛上，帕特·基尔辛格表示，英特尔代工服务将开创「系统级代工的时代」。而其不同于仅向客户供应晶圆的传统代工模式，英特尔提供晶圆制造、封装、软件和芯片。其中 ：晶圆制造：就是针对客户提供其创新先进制程技术，如RibbonFET晶体管和PowerVia供电技术等创新。封装：为客户提供先进封装技术，如 EMIB 和 Foveros。芯片：英特尔的封装技术与通用芯片藉由小芯片互连产业联盟（UCIe）将帮助来自不同供应商，或用不同制程技术生产的芯片更好地协同工作。软件：英特尔的开源软件工具，包括OpenVINO和oneAPI，加速了产品的交付，使客户能够在生产前测试解决方案。从以上的宣示可以看出，英特尔晶圆代工目的是提供从系统级芯片到系统级封装的模式转移，也是英特尔为了更加开放自身代工服务的一个展现。而且，除了以「系统级代工」来巩固自己的代工市场之外，英特尔还计划在其芯片设计和制造之间建立更大的决策分离，目的在让生产线像 Fab 业务一样运作，并将来自英特尔内部和外部芯片公司的订单一视同仁。这个决定被称为英特尔IDM 2.0战略的新阶段，这背后的逻辑在于英特尔想将自身芯片设计与制造进行拆分的目标。战略转型之外，英特尔在发展路线和产能方面也取得了进展，英特尔制定了加速工艺发展的计划，推翻了传统的芯片命名方式，制定了到2025年的详细发展路线，将推进Intel 7、Intel 4、Intel 3、Intel 20A、Intel 18A五个制程节点。理论上，Intel 20A是和台积电2纳米相抗衡的制程，一旦英特尔成功突破Intel 20A量产，或有能力与台积电2纳米制程一较高下。更先进的Intel 18A就是2纳米以下的布局了。因此，从以上的发展不难感觉到，英特尔的目标十分明确，试图在芯片代工产业与台积电，三星形成三足鼎立格局，在先进制程芯片市场占据一席之地。而且，英特尔在 2022 年第三季财报中，透露其已经签订了全球前十大半导体设计厂商中的七家订单。所以，上述种种，都是反映着英特尔有信心喊出2030年成为全球第二大圆晶代工厂的理由所在。然而，就在英特尔努力发展晶圆代工业务的同时，英特尔芯片代工服务总裁Redhir Thakur就传出将在2023年第一季离职的消息。做为IDM 2.0的重要关键，帕特·基尔辛格自然对IFS以及Randhir Thakur寄予厚望。而事实上，在Randhir Thakur其下的IFS也确实相继拿下了包括亚马逊、高通、联发科等芯片客户。帕特·基尔辛格 也称赞其建立了一个由台积电和三星等领先代工厂资深员工组成、且经验丰富的领导团队，并在移动和汽车领域赢得了主要客户。但转型才刚开始，Randhir Thakur 的辞职或许暴露了英特尔的内部阻力可能超过外界想象，或许这会是 帕特·基尔辛格 进一步拆分芯片设计和制造团队的关键。三星加紧跨越先进制程良率鸿沟英特尔计划2030年超越三星代工业务，而三星也扬言2030年要超越台积电。其中，三星早在2019年就定下来未来10年内超越台积电的目标。为了实现这一目标，三星大力投资、招聘人才，除了先进制程持续加码之外，半导体设备和材料、IC载板、先进封装等一切与晶圆代工有关的领域，都成为了其瞄准的焦点。这段时间以来，三星同样动作频频，不仅宣称将扩大部分非存储芯片如CIS、DDIC等委外代工，并将扩大传统和特殊制程产能，预计到2024年将传统和特殊制程的数量增加10个以上。而且，到2027年，三星电子的传统和特殊制程产能将达到2018年的2.3倍，2027年整体晶圆代工客户将增加到2019年的5倍。事实上，这一策略为其带来了重新配置资源和工厂产能的机会，达到更多的产能释放。在产能调配下，三星代工可以承接更多高利润的订单，尤其成熟制程设备多已摊提完毕，使得产品组合调配上可以更有弹性。而透过成熟与特殊制程所获得的利润，再投入先进制程的发展，这是三星的计划关键。当前作为目前全球唯二可以生产5纳米以下制程的晶圆代工厂，三星在先进制程上的成就虽然不容小觑。不过，相较台积电来说总是棋差一招。先前例子来说，三星7纳米量产之后，台积电宣布5纳米量产，三星5纳米量产之后，台积电又宣布4纳米试产，总是跟不上台积电的步伐。不过，现阶段三星在更先进的节点上看到了追赶的机会。三星3纳米制程率先采用GAA技术，而且不仅领先台积电量产，成为全球首个量产3纳米制成的代工厂，三星乘胜追击，还计划2023年推出第二代3纳米制程，并更进一步计划到2025年发展达到2纳米制程，到2027年达到1.4纳米制程。对于这一发展的目标，研究机构 Isaiah Research 认为，三星的计划是有可能的，只是届时量产的规模跟良率好坏都需要持续关注。另一研究机构Gartner也分析，三星的三家美国大客户的业务在2021年增加了一倍以上。2022年虽有高通和英伟达转单台积电，但总体基本盘仍维持。三星代工部门副总裁 Moon-sooKang 在 2022 年第一季的投资人会议上证实，三星已经有未来五年的订单。他指出，这些订单是三星去年代工销售额的8倍。另外，还值得关注的客户是高通，因为其宣称在未来3纳米、4纳米移动处理器将由台积电代工，但进入GAA技术制程后，将采取同步下单三星和台积电等多家代工厂的策略，这意味着台积电将不再独享高通的先进制程订单，三星或凭借3纳米率先采用GAA技术的优势获得更多客户。只是，要赢得客户订单，三星的良率一直是要努力跨过的门槛。据了解，三星4纳米的良率从2022年初35%持续往上走，但目前提升到多少仍未知，而相较台积电4纳米的70%良率，三星仍存在一定差距。而且，目前三星的先进制程客户群多为中小客户，从产能角度如何竞争大客户的青睐仍待努力。台积电先进制程优势将持续扩大针对竞争对手，一方面是英特尔的转型，另一方面是三星努力提升良率，台积电则是努力扩产满足全球客户需求中。目前台积电斥资120亿美元在美国亚利桑那州5纳米晶圆厂Fab21即将完成土建工程，预计将于12月6日举行首批机台设备移机典礼，目前已有大批台湾地区受训工程师已经前往当地，典礼还将迎接美国总统拜登的亲自参访。另外，日前台积电创始人张忠谋也证实将在美国建3纳米工厂的消息。不过，张忠谋并未透露台积电美国3纳米厂的投资规模以及启动的时间。根据市场人士表次，预计未来3纳米厂的产能也将会是每月2万片规模，目前正开始安排人力规划，预计投资规模也将达到120亿美元。这也将是台积电在美国的第三座晶圆厂，虽然对于台积电来说，在美国制造芯片的成本要更高，不过，因为这并不是从商业成本考虑的决策。张忠谋曾表示，实际在美国制造芯片的成本比台湾贵50%，台积电在美国建5纳米晶圆厂因应美国政府的发展计划与当地客户的需求。虽然，美国推出的《科学与芯片法案》刺激了不少半导体投资，但张忠谋曾表示，这个补贴金额远低于提振本土芯片制造所需金额。因此，美国的芯片产量会增加，但是单位成本将增加，美国很难在国际上竞争。而台积电在亚利桑那州兴建完5纳米厂之后，还计划兴建3纳米厂的原因，主要是在当前市场趋势和贸易关系下，美国客户在台积电营收当中的总体占比正在持续提升，是促使台积电赴美建先进制程晶圆厂的一大因素。根据统计，2021年美国是台积电最大的销售市场，较2020年成长24%，营收占比为64%。其中，苹果一家占据了台积电超过四分之一的营收。同时，日前市场消息传出电动车大厂特斯拉预计将4纳米和5纳米制程技术的芯片委托给台积电。如果属实，特斯拉将进入台积电前7大客户公司，进一步提升美国客户的占比。此外，台积电赴美建先进制程晶圆厂，也在一定程度上因应了美国客户的供应来源地分散化的供应链安全需求。彭博社报导指出，苹果计划未来将从美国亚利桑那州一座还在建设当中的晶圆厂采购芯片，以降低对亚洲供应链的依赖。而苹果所指的在建当中的晶圆厂外界普遍认为就是台积电的亚利桑那州晶圆厂。因此，在这一些列因素带动下，使得台积电在美国再建先进制程晶圆厂。另一方面，由于台积电在芯片制造领域占据主导地位，随着其最新的3纳米制程技术制造成本的上升，台积电也将大幅提高3纳米晶圆的价格。其中，过去台积电7纳米晶圆代工定价是10，000美元，到5纳米已经上升到了16，000美元，涨幅高达60%。随着台积电3纳米制造成本的上升，市场预计晶圆代工定价将超过20，000美元，相较5纳米制程上涨了25%，这意味着下一代3纳米的CPU和GPU将更加昂贵。然而，随着工艺技术的提升，对于半导体设备和材料的要求也就越苛刻，直接导致了制造成本的上升。但相对来说，目前能够提供先进晶圆代工服务的供应商也仅有台积电和三星两家厂商而已。其中，台积电一家独占大部分的市场比例。这种近乎垄断的局面，也造成了每一代先进制程晶圆代工价格的毫无阻力上涨，而这也是当前IC设计企业希望多源代工战略的主要因素之一。只是，相较竞争对手，台积电在先进制程领域发展相对顺利。有消息称，尽管如今还未量产3纳米制程技术，台积电的良率已达80%，其最大的客户苹果，已经提前预定其M3处理器采用台积电3纳米制程。甚至有消息称，台积电2纳米的风险试产良率也已超过了90%，苹果和英特尔等大企业也将做为台积电2纳米制程的的首批客户。因此，面对英特尔和三星的追赶，有市场人士认为，台积电的优势已经建立，且这一优势建立在先进制程上。台积电2021年的财报显示，5纳米芯片的出货量占据了其总营收的20%，7纳米则占据30%。这代表先进制程几乎占了台积电一半的营收，也意味着台积电在先进制程上与对手的优势不但很难缩小，而且可能进一步拉大。来 源 | technews（台）



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