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隨著摩爾定律逐漸走到極限，跨入到更先進(jìn)的工藝之后，先進(jìn)制程的技術(shù)、設(shè)備、資金壁壘極高，先進(jìn)制程局限性在于流片費(fèi)用、IP成本、制造成本均較高，極高的投入帶來(lái)了正反饋效應(yīng)，迫使聯(lián)電、Global Foundry相繼放棄先進(jìn)工藝投資，如今先進(jìn)制程玩家僅剩英特爾、臺(tái)積電、三星三家。高昂的研發(fā)成本促使眾廠商不斷加大投入來(lái)滿足市場(chǎng)需求，據(jù)IC Insights預(yù)測(cè)，三星和臺(tái)積電第四季度的支出都將創(chuàng)下歷史新高。
上圖顯示了三星和臺(tái)積電2019年第四季度的資本支出趨勢(shì)。如圖所示，這兩家公司年初的支出都相對(duì)較低，然后在第二季度將支出提高到較為溫和的水平。此外，兩家公司在第三季度的電話會(huì)議上宣布，計(jì)劃將第四季度的支出提高到創(chuàng)紀(jì)錄的水平。
臺(tái)積電驚人大投資的背后
早在2019 Q2的法說(shuō)會(huì)上，臺(tái)積電宣布今年資本支出金額將高于原訂的100億~110億美元。而到了10月的法說(shuō)會(huì)，臺(tái)積電總裁魏哲家表示，決定擴(kuò)大今年資本支出，預(yù)估為 140～150 億美元，較之前的預(yù)期，上調(diào)幅度接近 40％。全年 40％，這在臺(tái)積歷史堪稱罕見(jiàn)的調(diào)升幅度。
這驚天大投資的背后邏輯有哪些呢？
1.昂貴的EUV設(shè)備
據(jù)華爾街日?qǐng)?bào)的報(bào)道，臺(tái)積電、英特爾和三星等公司都在競(jìng)相生產(chǎn)更小、更快的處理器。但最新的制造過(guò)程需要新型的生產(chǎn)工具，這也正在推動(dòng)物理學(xué)的發(fā)展。其中包括使用極紫外光EUV技術(shù)來(lái)制作芯片電路的系統(tǒng)，其寬度要比使用更常用光源時(shí)窄得多。
但是EUV設(shè)備是昂貴的，特別是如果必須為整個(gè)半導(dǎo)體制造廠配備EUV設(shè)備時(shí)。ASML是芯片制造商最大的EUV光刻工具供應(yīng)商，其第三季度僅售出了七個(gè)EUV系統(tǒng)，就實(shí)現(xiàn)了7.43億歐元（合8.27億美元）的收入。每臺(tái)機(jī)器的成本約為1.18億美元。這樣的系統(tǒng)還需要其他類型的設(shè)備來(lái)進(jìn)行過(guò)程控制和測(cè)試?？偠灾?，建造一個(gè)新的尖端芯片制造設(shè)施的成本現(xiàn)在已經(jīng)高達(dá)數(shù)十億美元。
因此，芯片制造商打開(kāi)錢(qián)包也就不足為奇了。臺(tái)積電計(jì)劃今年底在***南部的科技園建設(shè)一座3nm工廠。今年將全面收購(gòu)荷蘭ASML獨(dú)家生產(chǎn)的EUV設(shè)備。
2.滿載的客戶訂單，7nm產(chǎn)能吃緊
據(jù)悉，臺(tái)積電7nm產(chǎn)能第四季接單全滿，明年上半年同樣供不應(yīng)求。業(yè)界人士分析，包括蘋(píng)果A13處理器、華為海思芯片和5G基站芯片及AMD GPU等都集中在下半年出貨，導(dǎo)致臺(tái)積電7nm產(chǎn)能緊張，交貨時(shí)間也有一定拉長(zhǎng)，臺(tái)積電此次延長(zhǎng)7nm產(chǎn)品交貨時(shí)間勢(shì)必會(huì)對(duì)眾多依賴于臺(tái)積電的企業(yè)產(chǎn)生不利影響。
前段時(shí)間，AMD透過(guò)電郵宣布，原定9月底上市的Ryzen 9 3950X處理器延至11月推出，盡管AMD未透露新品“遲到”的原因，但因3950X采用臺(tái)積電7nm生產(chǎn)，業(yè)界認(rèn)為，應(yīng)與臺(tái)積電7nm滿載、供不應(yīng)求有關(guān)。
由于臺(tái)積電產(chǎn)能吃緊，NVIDIA同時(shí)選擇了三星和臺(tái)積電的7nm EUV作為自己下一代圖形核心的制程，這倒是讓他們可以在一定程度上減小受臺(tái)積電交貨時(shí)間推遲事件的影響。
雖然明年上半年智能手機(jī)進(jìn)入銷(xiāo)售淡季，但7nm產(chǎn)能仍是供不應(yīng)求。因?yàn)榘?G手機(jī)芯片、人工智能及高效能運(yùn)算（AI/HPC）處理器、網(wǎng)絡(luò)處理器、繪圖芯片、中央處理器等需求強(qiáng)勁，而且都采用7納米制程投片。
據(jù)***電子時(shí)報(bào)媒體報(bào)道稱，華為旗下海思半導(dǎo)體占臺(tái)積電半導(dǎo)體訂單比例最高。受惠于蘋(píng)果、高通、AMD、比特大陸、華為海思等7nm的強(qiáng)勁訂單，臺(tái)積電也在采取更為激進(jìn)的戰(zhàn)略。
3.對(duì)先進(jìn)工藝的追逐
近日，在臺(tái)積電33周年慶典上，董事長(zhǎng)、聯(lián)席CEO劉德音談到已將最先進(jìn)的2nm工藝納入了先導(dǎo)規(guī)劃中，明年則會(huì)量產(chǎn)5nm工藝。他還強(qiáng)調(diào)，臺(tái)積電7nm制程在臺(tái)中晶圓十五廠運(yùn)作近兩年，從試產(chǎn)到大量生產(chǎn)寫(xiě)下全球紀(jì)錄，也締造產(chǎn)出超過(guò)一百萬(wàn)片12吋晶圓的全球創(chuàng)舉。
不僅如此，臺(tái)積電下一代的5nm工藝也同樣受寵。隨著5G的商用鐘聲逐漸敲響，臺(tái)積電的5G客戶對(duì)5nm制程需求強(qiáng)勁，臺(tái)積電也因此決定加速5nm產(chǎn)能建設(shè)。
臺(tái)積電此次大手筆擴(kuò)建，會(huì)不會(huì)重蹈2010 年那次擴(kuò)建 28 納米覆轍呢？對(duì)此，魏哲家在會(huì)上解釋到：“臺(tái)積電這次做了非常仔細(xì)的分析，而且 EUV 的技術(shù)門(mén)檻極高，我很有信心不會(huì)再重蹈覆轍，讓這次加碼擴(kuò)建的5納米產(chǎn)能，未來(lái)變成累贅?！?/p>
加速5nm產(chǎn)能的建置，不僅有助于確保臺(tái)積電技術(shù)的領(lǐng)先，同時(shí)顯示出5G的需求高漲，明年?duì)I運(yùn)成長(zhǎng)看好。IC Insights分析，臺(tái)積電目前的大部分投資將用于增加7nm和5nm技術(shù)的產(chǎn)能。
10月31日，臺(tái)積電董事長(zhǎng)劉德音在***半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)（TSIA）年度論壇結(jié)語(yǔ)時(shí)表示，臺(tái)積電預(yù)計(jì)擴(kuò)增8000名研發(fā)人員，投入未來(lái)20、30年的科技、材料研發(fā)以及半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)研究。臺(tái)積電表示是要在新竹新建研發(fā)中心，未來(lái)3nm就在此研發(fā)中心進(jìn)行。
臺(tái)積電目前3nm研發(fā)符合進(jìn)度，2納米也開(kāi)始納入先導(dǎo)計(jì)劃，臺(tái)積電總裁魏哲家表示，目前臺(tái)積電制程推進(jìn)還是維持每?jī)赡晖七M(jìn)一個(gè)世代，沒(méi)有看到任何改變跡象。臺(tái)積電董事長(zhǎng)劉德音則表示，只要對(duì)客戶有幫助，臺(tái)積電都會(huì)做，只是不一定會(huì)按照摩爾定律的速度。
與此同時(shí)，三星也在發(fā)力投資晶圓廠，力爭(zhēng)在5nm和3nm GAA上追逐臺(tái)積電。
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進(jìn)擊的三星，能否迎頭趕上？
令臺(tái)積電忌憚
10月7日臺(tái)積電發(fā)布新聞稿，宣布其首度導(dǎo)入極紫外光（EUV）微影技術(shù)的7nm強(qiáng)效版制程N(yùn)7+，今年第二季開(kāi)始量產(chǎn)。短短幾個(gè)月，良率已經(jīng)與第一代N7相當(dāng)接近，而N7已投入量產(chǎn)已經(jīng)超過(guò)一年。臺(tái)積電業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)副總經(jīng)理張曉強(qiáng)在新聞稿中指出，在EUV微影技術(shù)上的成功，不僅能具體落實(shí)客戶的領(lǐng)先設(shè)計(jì)，同時(shí)憑借卓越的制造能力，亦能使其大量生產(chǎn)的另一個(gè)絕佳證明。
在業(yè)界看來(lái)，這篇寫(xiě)滿硬梆梆科技術(shù)語(yǔ)的稿子，是一篇不折不扣的“炫耀文”。外資分析師指出，過(guò)去此類制造資訊，臺(tái)積通常對(duì)外秘而不宣，僅與客戶分享，這回卻反常的大張旗鼓發(fā)新聞稿，向?qū)κ秩鞘就囊馕渡鯘狻?/p>
據(jù)IC insights公布的數(shù)據(jù)顯示，截止到2018年底，三星的市場(chǎng)份額從去年的6%提升至今年14%，同比上升133.3%，成為了僅次于臺(tái)積電的第二大晶圓代工廠商。正是這種發(fā)展速度，或許才是臺(tái)積電壓力的根源所在。
從另一方面上看，臺(tái)積電自成立起的定位就是晶圓代工廠，而三星該項(xiàng)業(yè)務(wù)卻是從2005年才正式開(kāi)始，但主要面向高端SoC領(lǐng)域，市占率并不高。這樣看來(lái)，三星在短短不到20年的時(shí)間里，憑借其晶圓代工技術(shù)超越格芯和聯(lián)電，穩(wěn)居晶圓代工第二大龍頭的地位，其實(shí)力自然不可小覷。
三星這幾年確實(shí)分了代工的一杯羹，除了上文提到的NVIDIA選擇三星以外，高通也是，據(jù)悉，高通驍龍865芯片將采用三星7nm極紫外光（EUV）技術(shù)制造。不過(guò)三星雖然在7nm上已打開(kāi)已經(jīng)打開(kāi)局面，但其實(shí)與臺(tái)積電的差距依然很大。
從市占來(lái)看，2019Q3臺(tái)積電營(yíng)收34.59億美元，同比增長(zhǎng)13%，全球市場(chǎng)份額比上一季度增長(zhǎng)1.3個(gè)百分點(diǎn)，達(dá)到50.5％。而三星電子的市場(chǎng)份額僅增長(zhǎng)0.5個(gè)百分點(diǎn)，達(dá)到18.5％。這意味著兩者之間的差距將擴(kuò)大。
工藝的比較
臺(tái)積電與三星的競(jìng)爭(zhēng)漸趨白熱化，不論是在技術(shù)面或媒體宣傳上，雙方互不相讓，究竟誰(shuí)能真正勝出？主要有3大觀察重點(diǎn)，分別是：今年量產(chǎn)的7nm EUV、明年的5G平價(jià)機(jī)大戰(zhàn)，以及3nm的「環(huán)繞式閘極結(jié)構(gòu)」（Gate-All-Around，GAA）技術(shù)。
據(jù)半導(dǎo)體百科公眾號(hào)此前關(guān)于臺(tái)積電和三星的工藝比較的報(bào)道，從下圖中可以看出比較有趣的是，盡管三星7LPP使用了EUV且有最小的M2P（36nm），但是7LPP的晶體管密度卻低于臺(tái)積電的7FF。臺(tái)積電采用了更小的軌數(shù)（Tracks）使得7FF的晶體管密度比7LPP略高一點(diǎn)，而7FFP采用SDB后密度就更加高了。臺(tái)積電的 7FF升級(jí)到有EUV的7FFP后減少了掩模數(shù)量，再加上SDB晶體管密度提高了18％。
在5nm工藝上，三星和臺(tái)積電都已開(kāi)始接收5納米的風(fēng)險(xiǎn)量產(chǎn)訂單，它們明年也都準(zhǔn)備大批量生產(chǎn)。從下圖中可以看出，在5nm節(jié)點(diǎn)臺(tái)積電的晶體管密度將是三星的1.37倍，但相對(duì)晶圓成本又比三星略低！
由于摩爾定律逐漸到了物理極限，3nm被認(rèn)為是最后的一代硅基半導(dǎo)體工藝，因?yàn)?nm節(jié)點(diǎn)會(huì)遭遇嚴(yán)重的干擾。為了解決這個(gè)問(wèn)題，三星宣布在3nm節(jié)點(diǎn)使用GAA環(huán)繞柵極晶體管工藝，通過(guò)使用納米片設(shè)備制造出了MBCFET（Multi-Bridge-Channel FET，多橋-通道場(chǎng)效應(yīng)管），該技術(shù)可以顯著增強(qiáng)晶體管性能，主要取代FinFET晶體管技術(shù)。
在摩爾定律放緩的今天，是否是三星追逐的契機(jī)。3nm是三星押注的重點(diǎn)，因?yàn)檫@個(gè)節(jié)點(diǎn)業(yè)界會(huì)放棄FinFET晶體管轉(zhuǎn)向GAA晶體管，三星是第一個(gè)公布3nm GAA工藝的。在最新的5G 技術(shù)論壇上，三星指出其3 nm制程明年就完成研發(fā)階段。
不過(guò)臺(tái)積電在晶圓代工制程方面并不想讓三星走在前面，在日前SEMICON Taiwan 2019臺(tái)積電就透露出有能力達(dá)到1nm制程，且預(yù)計(jì)將在2nm制程技術(shù)上投資65億美元，并在2024年開(kāi)始生產(chǎn)2nm的產(chǎn)品，重新奪回晶圓代工制程技術(shù)的話語(yǔ)權(quán)。
華為與臺(tái)積電的結(jié)盟
據(jù)***DigiTimes報(bào)道，作為無(wú)晶圓廠制造商，華為子公司海思占據(jù)了臺(tái)積電微加工工藝訂單的最大份額。臺(tái)積電近年已成為指標(biāo)性的“華為概念股”，華為海思已是臺(tái)積電僅次于蘋(píng)果的第二大客戶，占去年臺(tái)積電營(yíng)收的8%，今年第一、二季更達(dá)到11%的驚人水平。
在臺(tái)積電今年第三季度的銷(xiāo)售額中，中國(guó)企業(yè)占20％，同期增長(zhǎng)5％，這主要得益于其強(qiáng)大的盟友華為。目前，只有三星電子和臺(tái)積電推出了7納米以下的微加工工藝。而華為海思將其所有訂單都給了臺(tái)積電。有分析人士表示，臺(tái)積電也會(huì)投桃報(bào)李，優(yōu)先考慮海思的訂單。因此海思轉(zhuǎn)投三星的可能性不大。
隨著華為海思與臺(tái)積電的合作加深，三星要想實(shí)現(xiàn)2030年的霸業(yè)宏圖可謂困難重重。除了華為，臺(tái)積電還收獲了蘋(píng)果、AMD和高通等客戶。
狠砸200億美元在半導(dǎo)體
本季度三星所有主力業(yè)務(wù)中，IT手機(jī)通訊、面板部門(mén)營(yíng)收利潤(rùn)均超去年同期水平，消費(fèi)電子 品部門(mén)表現(xiàn)基本和去年持平。唯獨(dú)最賺錢(qián)的半導(dǎo)體部門(mén)，僅有3．05萬(wàn)億韓元（約合人民幣184．79億元）營(yíng)業(yè)利潤(rùn)，同比暴跌77．66％。這對(duì)三星來(lái)說(shuō)是不小的沖擊，面對(duì)持續(xù)的業(yè)績(jī)下滑，三星做了一些改革，其中就包括削減存儲(chǔ)芯片產(chǎn)能及投資，加速轉(zhuǎn)向邏輯芯片代工。
三星今年第三季度營(yíng)收雖不理想，但今年仍然在半導(dǎo)體領(lǐng)域狠砸了200億美元。三星今年投資金額達(dá)到29兆韓元（約248億美元），與去年大致持平，其中包括半導(dǎo)體部門(mén)共投資 23．3兆韓元（約200億美元）。前段時(shí)間，三星還向ASML訂購(gòu)15臺(tái)先進(jìn)EUV設(shè)備，價(jià)值3萬(wàn)億韓元，約合181億人民幣，交付分三年進(jìn)行。
據(jù)businessKorea此前報(bào)道，三星電子還致力于根據(jù)半導(dǎo)體市場(chǎng)的最新變化確保微加工技術(shù)的安全。三星計(jì)劃在2021年大規(guī)模生產(chǎn)3納米產(chǎn)品，比臺(tái)積電提前一年。但是，與臺(tái)積電相比，該公司并沒(méi)有迅速采取行動(dòng)。臺(tái)積電宣布了3納米工藝的大規(guī)模設(shè)備投資計(jì)劃，并開(kāi)始了新工廠的建設(shè)。
目前，由于日本對(duì)光阻劑等半導(dǎo)體生產(chǎn)原料實(shí)施出口限制，導(dǎo)致三星的不確定性仍不斷增加。一位業(yè)內(nèi)人士說(shuō)，三星已經(jīng)完成了3nm的技術(shù)研發(fā)，且正在招聘許多極紫外線制程的相關(guān)設(shè)備技術(shù)人員。
與臺(tái)積電已經(jīng)宣布2納米制程的計(jì)劃不同，三星電子尚未披露2納米制程的具體計(jì)劃。
新興技術(shù)能否支持工藝?yán)^續(xù)演進(jìn)？
根據(jù)摩爾定律，集成電路不斷向更細(xì)微的尺寸發(fā)展，先進(jìn)制程是集成電路制造中最為頂尖的若干節(jié)點(diǎn)。歷史上英特爾曾一度是先進(jìn)制程的主導(dǎo)者，從2015 年起代工廠商臺(tái)積電與三星迅速追趕英特爾。
為了延續(xù)摩爾定律，多層次新技術(shù)各顯神通。第一個(gè)是光刻工藝：出現(xiàn)極紫外光刻（EUV）與自對(duì)準(zhǔn)四重圖案化（193i SAQP）兩條技術(shù)路徑；第二是材料：少量關(guān)鍵金屬層運(yùn)用鈷（Co）。三大廠商均在關(guān)鍵金屬層襯層中運(yùn)用少量金屬鈷；第三是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：預(yù)計(jì)2024年后芯片面積縮小的速度將明顯放緩，轉(zhuǎn)向垂直型晶體管或立體結(jié)構(gòu)發(fā)展。
英特爾首席執(zhí)行官Bob Swan在最近的一個(gè)電話會(huì)中提到英特爾將重返Tick-Tock兩年的計(jì)劃。他表示，英特爾的10nm產(chǎn)品時(shí)代已經(jīng)開(kāi)啟，第三季度，英特爾還交付了首批10nm Agilex FPGA。英特爾現(xiàn)在的關(guān)注點(diǎn)和精力在擴(kuò)展10nm上。
按照英特爾原定計(jì)劃，在推出10nm兩年后，也就是在2021年將推出首款基于7nm的GPU，7nm將采用FinFET工藝，但英特爾5nm將采用horizontal nanosheets，3nm采用CFET。這樣看來(lái)，英特爾3nm的先進(jìn)制程路線都已規(guī)劃好了。
眾廠商都在探索的5nm、3nm甚至是2nm等半導(dǎo)體工藝技術(shù)真的值得嗎，有些人不確定即使在5nm工藝下，它們也能從中獲得商業(yè)優(yōu)勢(shì)。摩爾定律何時(shí)到達(dá)終點(diǎn)，臺(tái)積電創(chuàng)始人張忠謀說(shuō)無(wú)法給確定的答覆，因?yàn)闆](méi)人知道答案?！吧礁F水盡疑無(wú)路，柳暗花明又一村”是對(duì)摩爾定律的最佳寫(xiě)照。
更先進(jìn)工藝的成功需要代工廠，EDA和設(shè)計(jì)工程師之間日益緊密的合作。不過(guò)三星和臺(tái)積電這樣大規(guī)模的投入，未來(lái)能否找到更多的客戶，5G、AI和HPC能否支撐他們工藝的繼續(xù)演進(jìn)，未來(lái)是否能夠投入到臺(tái)積電所說(shuō)的0.1nm，這還有待時(shí)間考驗(yàn)。
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