从代工厂看先进制程

2022-01-25

台积电已于近日发布了2021年第四季度财报。数据显示,台积电7nm及以下制程贡献营收达到一半。其在先进制程的发力可见一斑。魏哲家还预计,台积电将于2025年推出2nm芯片。

业界普遍将7nm及以下制程归为先进制程,目前,只有台积电和三星在先进制程上有量产能力。面对先进制程,市场一方面在高调喊出补充28nm制程,一方面头部企业很诚实地给有7nm以下代工厂下单。市场也在用产能投票,主攻先进制程和主攻成熟制程的代工厂可能因此分流。

望尘莫及的台积电

在本次台积电的发布会上,台积电表示到2025年,将投入预计440亿美元用于研发,八成费用将用于先进制程。

台积电、三星、英特尔,谁是制程未来之王

2021年全年,台积电7nm以上制程占比继续减小,而7nm营收占比上涨2%,5nm占比提升最大,2021年底达到19%。目前,台积电5nm制程工艺已经逐步从N5过渡到N4。

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2021年10月,台积电正式推出N4P,但仍属于5nm工艺版本。它是台积电继 N5、N5P、N4 后的第四个 5nm 工艺。在前几日召开的台积电财报发布会上,台积电表示N3将计划于2022年推出,N3E将于2023年推出。当N3开始风险试产时,台积电将率先进入3nm时代。台积电曾经表示,N3将继续使用FinFET晶体管技术,业内人士称这表示3nm仍然不是台积电的极限与瓶颈。

早在2020年,有消息表示台积电已经在2nm的制程上取得了研发进步。与3nm\5nm使用的FinFET晶体管技术不同,台积电2nm技术将使用MBCFET技术(多桥通道场效电晶体技术)。这一技术仍然以GAA为基础,以此解决FinFET因制程微缩产生电流控制漏电的物理极限问题。

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此前在2021年年初,台积电公布300亿美元年度预算,其中80%将会投入到7nm及以下制程的芯片研发与晶圆产能扩张。而数据证明,高额的投入给台积电带来了丰厚营收回报,2021年,台积电在5nm的营收已超2300亿元新台币,比去年多了1400亿。有供应链人士称,台积电5nm代工最大客户是苹果,iPhone 13所用的A15处理器以及MacBook的M1/M1 Pro/M1 Max等芯片都是台积电的5nm订单。苹果给台积电贡献了超过1/4的营收,成为台积电先进制程的最大试验田。此外,AMD的Zen4处理器以及联发科的天玑系列、高通骁龙也都是台积电的大客户。

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来源:Digitimes asia、彭博社

虽然 2022年刚开始不到1个月,但是台积电预收款已创新高,各大fabless已经预付1500 亿新台币的款项,相比于去年第三季度旺季的预付款1063.29 亿新台币仍然高出一截,这与此前Q1的传统淡季相比,结果令人咋舌。而预付款中,多是AMD、苹果、NVIDIA 下的先进制程订单,有报道称,苹果已经为A16处理器包下12-15万片4nm产能。

三星落后半步

The Information Network曾经预测,台积电领先三星在晶圆代工的先进制程产能规模约242%到460%不等。市场预估2021年台积电5nm的月产能已经可以稳定在12万片,而三星的5nm月产能约为3.5万片。

三星电子表示,通过其S3和S4晶圆厂的生产以及2021年S5晶圆厂第一阶段上线,该公司目前的综合代工产能已增长至2017年水平的1.8倍。而到了2026年,随着S5进入第二阶段,三星预计在美国的工厂将可以量产,其总产能预计将达到2017年产量的三倍以上。

在更为先进的制程上,三星同样落后于台积电。在台积电继续围绕FinFET打造3nm时,三星已经转向GAA,无法在FinFET继续延申。台积电按照N7\N5\N3的技术进行迭代,而三星按照7LPP\5LPE、4LPE进行演进。在5nm上,N5领先于5LPE,专业人士称5LPE不能算是完整的工艺迭代,其晶体管密度在“命名”和“实际”之间保持了较大差距。台积电为华为生产的麒麟9000和三星为高通生产的骁龙888的表现就说明了这个问题。

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三星为高通生产Gen1,台积电为联发科代工9000,同为4nm,后者表现更好。来源:Geekbench

曾经,三星电子因为良品率问题一直受到Fabless诟病。全球5/7nm工艺的主要客户中,只有高通、英伟达和IBM表示愿意采用三星电子的先进工艺技术,苹果、联发科、AMD、英特尔、赛灵思、博通都与台积电保持稳定的合作关系。

2022年,有消息称,高通和英伟达也开始在台积电下单,如果三星电子先进工艺的成品率低于他们的预期,他们可能会将更多订单转移到台积电。如果是这样,三星电子将更难从其他潜在客户那里获得订单。

2022年将仍然是台积电与三星两家代工厂晶圆产能独大的局面。作为最大的Foundry,台积电不与客户竞争,凭借稳固的客户关系形成代工的规模经济,对fabless和台积电本身带来好处。不过,三星也有其优势。三星有生态系统整合与终端产品市场积累,对部分想要出海的半导体厂来说更有诱惑,这些公司可以与三星商讨代工与产品两条路径,代工结束后加入三星的产品中也不是不可能。

疯狂赶上的“圈外人”

如果说先进制程是个圈,英特尔或许是离这个圈最近的“圈外人”。

2022年1月21日,英特尔在美国俄亥俄州建厂的消息引起大量关注。英特尔计划200 亿美元建造两座先进制程工厂。英特尔表示将于2022年底开始建设,将于2025年开始生产。该计划最终的投资额或将高达1000亿美元,共覆盖建设8家制造厂。

这是英特尔近 40 年来首次在新地区投资建设晶圆厂。IDM2.0公布之后,这次的建设将是策略性的。面对台积电、三星在半导体制造上的大举投资,英特尔也在积极应对。围绕2/3nm先进工艺,也许我们可以看到三家在对决。

此前《Digitimes》报导,虽然英特尔指出,台积电7nm制程电晶体的密度,不过只相当于自家10nm,但主要服务自家设计生产产品,并非其他IC设计公司。据美国科技网站SDxCentral消息,英特尔7nm制程处理器延后至2023年推出,台积电更先进3nm制程芯片则于2022下半年就开始量产。

根据英特尔IDM 2.0 roadmap,当俄亥俄的新工厂开始量产时,英特尔将达到Intel20A 节点(5nm 制程),这时英特尔将重新回到与台积电、三星相同的领先地位。

台积电、三星、英特尔,谁是制程未来之王

ASML在1月19日的财报发布会上更侧面表露了英特尔的大手笔投资,英特尔已在本月向 ASML 发出了此类机器的第一笔采购订单。第一台EUV原型机将于 2023 年完成,预计由 IMEC装机,2025 年后将量产,第一台EUV原型机将交付给英特尔。

成熟制程市场闷声发财?

在2021年Q4的财报发布会上,台积电表示2021年全年的利润率是51.6%,比2020年下降1.5个百分点,不及预期。摩根大通预测,这与5nm的增产成本有关。而相反的是,中芯国际、华虹的利润率接连季度上涨。两者是全球成熟制程的代表,在缺芯的浪潮中, 28nm的半导体产品炙手可热,这成为中芯国际等公司营收的最大来源。

无独有偶,美国CNBC报道,芯片代工大厂格芯首席执行官Tom Caulfield表示,自2020年8月以来公司产能就不足,产能利用率超过100%,到2023年底产能全部售完。他指出5~10年大部分时间,格芯将追求供应而不是需求。

2018年,格芯做出策略性重大决定,停止在台积电和三星等代工企业投资的先进芯片制程的竞争,专注不那么先进但仍至关重要的制程。Tom表示,这个决策给格芯带来了不一样的发展。

同样在2018年,联电宣布不再投资12nm以下的先进制程,这一年联电采用了共同总经理制后,新上任的两位高管做出了一项极为大胆的举动。联电表示,公司已经疲于追逐台积电。别人刚一追上,台积电就迭代,客户就会选择台积电。联电公开表示,“我们的 EPS(每股税后纯益)是用力拧毛巾挤出来的…(此后),ROI 将是我们决策的重要指针。”

主动退出先进制程竞争的格芯、联电,都在成熟制程寻找到了自己的安心之地。但是,对于想要进入先进制程但是没法购买EUV的中芯国际,可能,不是最优解。