台积电加码先进制程，极限技术冒险是福还是祸?

配图来自Canva可画

目前来看,台积电全球晶圆代工霸主的地位似乎已经不可动摇。

十三年前,张仲谋在金融危机中复出,在28nm关键制程节点上,为台积电打好了崛起的基础。2015年,台积电16nm制程工艺量产成功,并且在与三星14nm的对决战胜对方,之后的5年中台积电一路高歌猛进,与竞争者们拉开的差距越来越大。2020年在5nm竞赛中再次战胜三星,算是彻底奠定了台积电在先进制程晶圆代工领域不可战胜的市场地位。

而赢得了这些惊心动魄的技术竞赛,当然也给台积电带来了丰厚的收益回报。近日,台积电发布截至12月30日的2020年第四季度财报,从财报表现来看,收入、利润的稳健增长,证明台积电的先进制程工艺,赢得了更为广泛的市场认可。

好像也可以表明,台积电又一次进入了由先进制程领先带来的技术、资本双向良性循环。然而,事实真的像表面看起来这样美妙吗?

收获十年来的最佳季报

综合业绩表现来看,台积电在新一季度收获了十年来的最佳季报。以美元计,台积电在2020年Q4的营收达到了126．8亿美元,同比增长22%。净利润达50．08亿美元,同比增长31．7%。营收、利润额纷纷创造了新纪录。

更令投资者感到惊喜的是,其第四季度利润率表现异常亮眼。毛利率达到了54%,净利率更是达到了惊人的39．5%,同样创造了新的历史纪录。同时,如果对比其他科技巨头的话,这个净利率水平,甚至远高于苹果的21%,吸金能力堪称恐怖。

台积电之所以能够在第四季度取得如此出色的业绩,关键在于其16纳米及以下的先进制程工艺贡献了62%的收入。毕竟对台积电而言,相比成熟制程工艺,先进制程工艺的定价更高,利润空间也更大。

其中5nm的贡献尤为突出,收入占比从第三季度的8%,直接飙升至第四季度的20%。现在台积电在5nm工艺节点上,其实并没有真正意义上的对手。全球范围内,目前掌握5nm制程工艺量产能力的除了台积电,就只有三星一家。而三星的量产规模只能达到台积电的1/5,产品的性能表现和成本价格也不占优势。因而可以肯定的是,台积电5nm在未来很长一段时间内仍可以在晶圆代工市场中大显神威。

从这个角度来看,追求在先进制程领先的基础上建立自己的核心优势,台积电的这一逻辑并无不妥之处。但是,当先进制程工艺已经非常接近物理极限时,台积电继续坚持进一步加大对先进制程的研发生产投入,其实已经变成了一种冒险行为。

持续加码先进制程已成冒险

当前,芯片由先进制程带来的性能、功耗回报正在显著降低。近几个月,搭载5nm制程工艺SOC的智能手机陆续上市。从这些手机的实际表现来看,无论是台积电的5nmFinFET工艺,抑或三星的5nmLPE工艺,性能、功耗提升都未能满足市场预期。

台积电方面,快步推进的5nm,实际性能提升有些拉胯。以苹果A系列处理器为例,同样基于台积电7nm制程,A13处理器相比A12处理器CPU性能提升20%、GPU性能提升20%;而基于台积电5nm制程的A14相比A13,CPU性能方面提升大约在16．7%左右,GPU性能提升则大约在8．3%左右。也就是说,在苹果A系列处理器上,5nm制程进步带来的进步,很可能还比不上苹果自己对处理器架构的优化升级。

虽然有一些媒体人士猜测,这是由于5nm初期良品率不高,苹果A14屏蔽了一些核心。但同样采用台积电5nm工艺的麒麟9000,其功耗控制较之官方数据也存在较大差异。

三星方面,功耗翻车的问题比较突出。根据知名数码博主极客湾Geekerwan对小米手机的实测,采用三星5nmLPE工艺的骁龙888处理器和上代产品骁龙865处理器对比,单核功耗和多核功耗明显增加,能效表现上大幅下降。并且同样采用5nmLPE工艺的Exynos1080芯片,在能效表现上同样拉胯。

5nm先进制程工艺的实际表现普遍称不上令人满意,对于当前阶段使用5nm工艺的产品而言,其营销价值或许要远远超过先进制程本身的实用价值。

更加令人感到不安的是,在当前台积电5nm制程工艺的实用价值都很成问题的情况下,台积电还在持续加大对下一代制程节点3nm工艺的研发投入。在近日的财报会议上,台积电管理层宣布2021年计划将年度资本开支从2020年的170亿美元大幅提升到250亿至280亿美元,增幅将达到45%至63%,其中约80%将用于3nm工艺研发,这意味着,台积电今年将会有超过150亿美元的资本支出投向3nm工艺。

而根据台积电此前公布的计划,他们的3nm工艺,计划在今年风险试产,2022年大规模量产。也就是说,按照台积电的规划,明年在市场上我们就可以看到一些搭载台积电3nm工艺的产品。

这依然符合台积电近几年来的先进制程升级换代节奏,然而从产品的实际表现来看,高昂的代价并没能完美实现预期中的效果。换而言之,台积电现在很可能已经触碰到了资本投入和技术实现之间的一个瓶颈,忽视这一瓶颈而又急切想要实现3nm先进制程工艺的台积电,其实已经陷入了一场极限技术冒险。

极限技术冒险,是福还是祸?

之所以说台积电当前所面临的技术冒险,有着很高的风险性,除了先进制程工艺回报已经明显降低外,还受到许多其他风险因素的影响,其中比较明显的有三点。

第一,成本还会进一步提高。这从台积电资本开支将在今年可能猛增45%至63%就能感受到。在设备成本方面,7nm以下的工艺离不开EUV光刻机,3nm工艺全线都要用上EUV光刻工艺,而且层数从5nm工艺的14层提升到20层,每增加一层都是巨大的成本。另外,台积电此前披露其3nm工艺仍将继续使用成熟的鳍式场效应(FinFET)晶体管,但一些必要的技术升级仍不可避免的会使得成本进一步提升。

第二,生产耗能更高。耗电量大似乎应该归入成本提升的范畴,但台积电的用电问题并不单纯只是电费提升那么简单。早在2015年的时候,张忠谋就指出,困扰台积电发展的唯一要素就是缺电、停电。到2019年,台积电的耗电量猛增到143．3亿度,过去五年中国台湾增长的用电量,有三分之一都被台积电占用。台积电建设5nm、3nm的产线还会用到越来越多的EUV光刻机,而EUV的能源转换率只有0．02%左右,所以中国台湾的电力供给负担不起台积电的进一步发展,已经成了很现实的问题。

第三,技术难度升级。7nm以下先进制程工艺频繁的量子效应及类似的微尺度问题,其实很难被真正克服,台积电和三星虽然通过一些有效的技术手段缓解了这些问题。不过从两者的5nm工艺产品良率和具体的性能、功耗提升表现来看,负面影响依然存在,后续能优化到何种程度也存在疑问。

台积电肯定已经做好了应对这些风险的相关预案,但不可否认的是,如果透过台积电亮眼的业绩表现,真正对其面对的这些风险有所认识。那么就很难不去担心,台积电接下来的发展路径,真的会像大多数人想象的那样顺利吗?