先跑并不意味著先贏 良品率才是贏得3nm之爭的關(guān)鍵

臺(tái)積電正在進(jìn)一步擴(kuò)大其在中國臺(tái)灣的生產(chǎn)，將在臺(tái)南地區(qū)再新建四座3nm晶圓廠，每座都將花費(fèi)100億美元建造，這幾百億美元的投資是屬于臺(tái)積電此前一項(xiàng)1200億美元投資計(jì)劃的一部分。

6月初，臺(tái)積電剛剛宣布將投資336億美元在臺(tái)南建設(shè)四座新的2nm晶圓廠，廠房面積將近95萬平方米，后續(xù)的1nm廠也可能落腳此處。按照臺(tái)積電的計(jì)劃，這八座工廠都只是臺(tái)積電建造計(jì)劃的一部分，它至少有二十座工廠正在建設(shè)中或即將完工，總建筑面積超過了200萬平方米。

臺(tái)灣并不是臺(tái)積電唯一在建工廠的地區(qū)，一個(gè)價(jià)值120億美元的亞利桑那工廠項(xiàng)目預(yù)計(jì)將于2023年3月完工。據(jù)報(bào)道，臺(tái)積電還與新加坡經(jīng)濟(jì)發(fā)展局就新工廠進(jìn)行了談判。

臺(tái)積電已經(jīng)公布了后續(xù)工藝發(fā)展的路線圖，N3工藝將于2022年內(nèi)量產(chǎn)，后續(xù)還有其他N3衍生制造工藝。新建四座3nm晶圓廠可能也是臺(tái)積電為不同應(yīng)用準(zhǔn)備多個(gè)版本的N3以及FinFlex技術(shù)的原因，以便為芯片設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)提供一些額外的靈活性。

據(jù)傳，第一批采用臺(tái)積電3nm技術(shù)的客戶將是蘋果和英特爾，但目前尚不清楚這些公司將使用該新技術(shù)生產(chǎn)何種產(chǎn)品。

臺(tái)積電推出多種3nm工藝

隨著制造工藝變得越來越復(fù)雜，它們的尋路、研究和開發(fā)時(shí)間也變得越來越長，因此我們?cè)僖部床坏脚_(tái)積電和其他代工廠每兩年就會(huì)準(zhǔn)時(shí)出現(xiàn)一個(gè)全新的節(jié)點(diǎn)。在N3中，臺(tái)積電的新節(jié)點(diǎn)引入節(jié)奏將擴(kuò)大到2.5年左右，隨后需要提供N3的增強(qiáng)版本以滿足其客戶的需求。

臺(tái)積電需要多個(gè)版本的N3的另一個(gè)重要原因是N2將依賴于使用納米片實(shí)現(xiàn)全新的柵極環(huán)繞場效應(yīng)晶體管（GAAFET），預(yù)計(jì)這會(huì)帶來更高的成本、新的設(shè)計(jì)方法、新IP和許多其他變化，所以許多普通客戶大概率也將在未來幾年堅(jiān)持使用各種N3技術(shù)。

在2022年臺(tái)積電技術(shù)研討會(huì)上，談到了將在未來幾年推出的幾種3衍生制造工藝 —— N3E、N3P和N3X。這些N3變體旨在為超高性能應(yīng)用提供改進(jìn)的工藝窗口、更高的性能、增加的晶體管密度和增強(qiáng)的電壓。

· 臺(tái)積電的第一個(gè)3nm級(jí)節(jié)點(diǎn)稱為N3，該節(jié)點(diǎn)有望在今年下半年開始大批量制造 （HVM），實(shí)際芯片將于2023年初交付給客戶。N3主要針對(duì)早期采用者（如蘋果等），他們可以用于領(lǐng)先的設(shè)計(jì)，從前沿節(jié)點(diǎn)提供的性能、功率和面積（PPA）中受益。正因?yàn)镹3是為特定類型應(yīng)用量身定制的，因此工藝窗口相對(duì)較窄。

· N3的升級(jí)版N3E和N5相比，則有同速率下有34%的功耗升級(jí)，或是同功耗下有18%的效能提升，并將邏輯晶體管密度提高1.6倍?？偟膩碚f，N3E看起來是比N3更通用的節(jié)點(diǎn)，N3E的風(fēng)險(xiǎn)生產(chǎn)將2022年第二季度或第三季度開始，HVM將在2023年中期開始。因此，預(yù)計(jì)商業(yè)N3E芯片將在2023年底或2024年初上市。

· N3的改進(jìn)并不止于N3E。臺(tái)積電將在2024年左右的某個(gè)時(shí)間推出N3P，這是其制造工藝的性能增強(qiáng)版本；對(duì)于那些無論成本都需要超高性能的客戶將提供N3X，目前沒有有關(guān)該節(jié)點(diǎn)的詳細(xì)信息，只知道它將支持高驅(qū)動(dòng)電流和電壓，本質(zhì)上是N4X的意識(shí)形態(tài)接班人。

所有臺(tái)積電N3制程節(jié)點(diǎn)都將支持FINFLEX，這是臺(tái)積電的“秘密武器”功能，極大地增強(qiáng)了他們的設(shè)計(jì)靈活性，并允許芯片設(shè)計(jì)人員精確優(yōu)化性能、功耗和成本。

使用FINFLEX技術(shù)讓FinFET的靈活性更接近基于納米片的GAAFET的靈活性，后者將提供可調(diào)節(jié)的通道寬度，以獲得更高的性能或降低功耗。FINFLEX技術(shù)擴(kuò)展了工藝的性能、功率和密度范圍，允許芯片設(shè)計(jì)人員使用相同的設(shè)計(jì)工具集為同一芯片上的每個(gè)關(guān)鍵功能塊選擇最佳選項(xiàng)。

此外，臺(tái)積電通過與EDA合作伙伴密切合作，讓客戶能夠通過使用相同的工具集，在產(chǎn)品中充分利用FINFLEX技術(shù)。

有外媒在報(bào)道中表示，臺(tái)積電3nm工藝試產(chǎn)進(jìn)展順利，量產(chǎn)初期的月產(chǎn)能預(yù)計(jì)將超過2.5萬片晶圓。而對(duì)于臺(tái)積電3nm制程工藝的盈利，預(yù)計(jì)至少在出貨3億顆芯片之后才能盈利。

考慮到臺(tái)積電有龐大的客戶群體，僅大客戶蘋果一家的A系列處理器，近幾年每年的需求都在2億顆之上，他們3nm工藝所代工芯片的出貨量，預(yù)計(jì)很快就會(huì)超過3億顆，實(shí)現(xiàn)盈利。

對(duì)于3nm工藝的客戶，臺(tái)積電CEO魏哲家在今年一季度的財(cái)報(bào)分析師電話會(huì)議上曾透露，他們持續(xù)看到高水平的客戶對(duì)他們的這一制程工藝有興趣，預(yù)計(jì)量產(chǎn)后第一年的投片量，將高于同期7nm和5nm制程工藝。

三星3nm工藝良率仍遠(yuǎn)低于目標(biāo)

全球前十大晶圓代工廠2021年第四季度產(chǎn)值合計(jì)達(dá)295.47億美元，連續(xù)十個(gè)季度創(chuàng)下新高。根據(jù)市場研究公司TrendForce的數(shù)據(jù)，三星在2021年第四季度的市場份額為18.3%，比上一季度的17.2%增長了1.1個(gè)百分點(diǎn)；臺(tái)積電的份額下滑1.0個(gè)百分點(diǎn)至52.1%。兩家公司市場份額差距縮小2.1個(gè)百分點(diǎn)至33.8%。

三星是前五大晶圓代工大廠中，唯一一家在去年Q4市占率擴(kuò)大的廠商，主要是因?yàn)橄冗M(jìn)的5nm/4nm制程產(chǎn)能逐漸完成、大客戶高通旗艦產(chǎn)品開始量產(chǎn)，推升三星晶圓代工在去年第四季度營收至55.44億美元。

作為當(dāng)前全球芯片代工市場的“老二”，三星一直希望能在晶圓代工領(lǐng)域超車“老大”臺(tái)積電。但由于雙方均持續(xù)投入，競爭格局近年來并無明顯變化，臺(tái)積電目前仍占據(jù)著全球過半份額。

為了趕超對(duì)手，三星電子不得不從制程方面下手，希望通過領(lǐng)先臺(tái)積電量產(chǎn)更先進(jìn)的制程，來爭奪更多的客戶。

三星3nm制程研發(fā)規(guī)劃分為2個(gè)階段：第一代的3GAE（GAA-Early）與第二代3GAP（GAA-Plus）。三星計(jì)劃在今年上半年將投產(chǎn)3GAE用于自研芯片的制造，并于2023年推出3GAP技術(shù)。

不過，有分析師指出三星的3nm制程所能達(dá)到的晶體管密度，最終可能與英特爾的Intel 4（改名前為英特爾7nm制程），或者與臺(tái)積電的5nm家族當(dāng)中的4nm制程相當(dāng)，但是頻寬與漏電控制表現(xiàn)會(huì)更好，將帶來更優(yōu)異的能耗表現(xiàn)。

三星如果能確保以GAA技術(shù)為基礎(chǔ)的3nm制程良率，就有可能成為代工市場的“游戲規(guī)則改變者”。然而，三星電子在3nm工藝上遇到了障礙，由于產(chǎn)出率低，一直推遲正式量產(chǎn)的公布。

就在李在镕動(dòng)身啟程歐洲的前一個(gè)月，三星對(duì)旗下晶圓代工廠發(fā)起了一輪內(nèi)部審核，調(diào)查用于提升良率的資金是否有所落實(shí)，因?yàn)槟壳霸嚿a(chǎn)的3nm芯片良率已經(jīng)低到“讓高層難以置信”，有報(bào)道稱三星的晶圓代工部門3nm制程的芯片良率目前只能維持在10%-20%之間。

相比之下，臺(tái)積電4nm制程的良率已經(jīng)可以達(dá)到70%，而三星4nm工藝的良率僅為30%-35%之間，如此低效的質(zhì)量控制也讓高通在在驍龍8+ Gen1發(fā)布之前，緊急由三星轉(zhuǎn)單交給臺(tái)積電來代工生產(chǎn)。

三星希望盡快量產(chǎn)3nm制程芯片，以爭取AMD和高通的訂單。自2017年三星將晶圓代工業(yè)務(wù)獨(dú)立后，已從最早的30家客戶成長到100家以上。據(jù)悉，三星的目標(biāo)是到2026年，客戶數(shù)量達(dá)到300家以上，而臺(tái)積電2022年的客戶數(shù)量預(yù)計(jì)將超過500家。

目前，三星正在“搶購”更多的EUV光刻機(jī)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止到2020年，臺(tái)積電的EUV光刻機(jī)數(shù)量約40臺(tái)，三星則是18臺(tái)左右，不到臺(tái)積電的一半。預(yù)計(jì)2022年三星會(huì)購入大概18臺(tái)EUV光刻機(jī)，努力拉近與臺(tái)積電之間的數(shù)量差距。

預(yù)計(jì)未來三年累計(jì)資本支出將占其營收的70%左右，而臺(tái)積電大概會(huì)在50%。三星確認(rèn)了美國泰勒和南韓本地新晶圓廠的擴(kuò)產(chǎn)投資，并坦言由于先進(jìn)制程量產(chǎn)爬坡延遲導(dǎo)致成本增加，獲利能力將略有下降。

代工廠的“3nm之戰(zhàn)”

根據(jù)TrendForce預(yù)測，2022年全球代工市場預(yù)計(jì)將增長20%，達(dá)到1287.84億美元。對(duì)晶圓制造廠來說，眼下更重要的是3nm的突破。毫無疑問，在3nm這個(gè)節(jié)點(diǎn)，目前能一決雌雄的只有臺(tái)積電和三星，雖然英特爾也在往先進(jìn)制程方面發(fā)力，但相比臺(tái)積電和三星的進(jìn)度還是有不小的差距。

不僅三星3nm制程的最大變量是良率，與三星相同，臺(tái)積電也難確保3nm預(yù)期良率，多次修改技術(shù)路線：推遲原本計(jì)劃7月開始為英特爾和蘋果量產(chǎn)的3nm芯片；英偉達(dá)支付高達(dá)90億美元預(yù)付款，計(jì)劃使用臺(tái)積電3nm生產(chǎn)今年發(fā)布的GeForce RTX40系列GPU，但良率問題，GeForce RTX40系列GPU最后采用5nm而非3nm。

同時(shí)，有報(bào)道高通已將其3nm AP處理器的代工訂單交給臺(tái)積電，但三星3nm客戶仍成謎。

這或許是三星最不愿意看到的一幕，在痛失高通的8+Gen1訂單后，3nm先進(jìn)制程芯片的這場戰(zhàn)爭，他們沒有退路。

除了大幅提高的資金投入外，三星幾乎是以一種“畢其功于一役”的姿態(tài)去發(fā)展3nm制程芯片，相比于過于行業(yè)內(nèi)早已輕車熟路的FinFET工藝，改用GAA工藝，而GAA工藝在業(yè)內(nèi)還未有成功開發(fā)的先例。

雖然GAA取代FinFET已成業(yè)內(nèi)共識(shí)，但現(xiàn)階段影響其量產(chǎn)普及的因素還有不少，復(fù)雜的制造流程、良品率、成本難以控制等等仍是阻礙。

再有就是和臺(tái)積電在產(chǎn)能上的差距。由于臺(tái)積電具備動(dòng)態(tài)調(diào)配生產(chǎn)線能力，其產(chǎn)能利用率甚至可以提高到110%-120%，這是三星完全無法企及的，更何況三星的邏輯芯片產(chǎn)能中約有一半自用，而臺(tái)積電作為純晶圓代工廠，集團(tuán)內(nèi)的其他業(yè)務(wù)根本不需要占據(jù)芯片產(chǎn)能。

對(duì)于臺(tái)積電而言，3nm制程芯片同樣是關(guān)鍵一役，因?yàn)榕_(tái)積電仍然堅(jiān)持使用更加成熟且傳統(tǒng)的FinFET工藝，如何在3nm制程的節(jié)點(diǎn)下，打破物理意義的工藝上限，這是擺在臺(tái)積電面前的一道難題。

三星的這次技術(shù)整改頗有幾分“推倒重建”的意味。實(shí)際上，當(dāng)下這場從FinFET到GAA的工藝變革就是三星彎道超車的最佳機(jī)會(huì)。在第一款商用3nm芯片落地之前，沒人能給出答案，但這也是三星最大的底氣。

實(shí)際上，這場“代工雙雄”之間的競爭沒有誰會(huì)輸?shù)膹氐?，因?yàn)檫@個(gè)行業(yè)中的絕大部分廠商已經(jīng)完全告別了先進(jìn)制程的競賽，比如過去耳熟能詳?shù)母窳_方德和聯(lián)華電子，眼下都只能靠著28nm制程產(chǎn)品線去維持市場，“摩爾定律”在這些公司身上已基本失效。

隨著雙寡頭拉起的3nm制程競賽，未來行業(yè)內(nèi)的晶圓代工訂單勢(shì)必將向這兩家公司進(jìn)一步集中，由于半導(dǎo)體行業(yè)極度依賴規(guī)模效應(yīng)，未來晶圓代工這個(gè)行業(yè)也很難再有新的挑戰(zhàn)者出現(xiàn)。