先跑并不意味著先贏 良品率才是贏得3nm之爭的關(guān)鍵

臺積電正在進(jìn)一步擴(kuò)大其在中國臺灣的生產(chǎn)，將在臺南地區(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積電此前一項1200億美元投資計劃的一部分。

6月初，臺積電剛剛宣布將投資336億美元在臺南建設(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。按照臺積電的計劃，這八座工廠都只是臺積電建造計劃的一部分，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。

臺灣并不是臺積電唯一在建工廠的地區(qū)，一個價值120億美元的亞利桑那工廠項目預(yù)計將于2023年3月完工。據(jù)報道，臺積電還與新加坡經(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晶圓廠可能也是臺積電為不同應(yīng)用準(zhǔn)備多個版本的N3以及FinFlex技術(shù)的原因，以便為芯片設(shè)計人員的設(shè)計提供一些額外的靈活性。

據(jù)傳，第一批采用臺積電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)時間也變得越來越長，因此我們再也看不到臺積電和其他代工廠每兩年就會準(zhǔn)時出現(xiàn)一個全新的節(jié)點(diǎn)。在N3中，臺積電的新節(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。

臺積電需要多個版本的N3的另一個重要原因是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)計這會帶來更高的成本、新的設(shè)計方法、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持使用各種N3技術(shù)。

在2022年臺積電技術(shù)研討會上，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。

· 臺積電的第一個3nm級節(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主要針對早期采用者（如蘋果等），他們可以用于領(lǐng)先的設(shè)計，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，因此工藝窗口相對較窄。

· N3的升級版N3E和N5相比，則有同速率下有34%的功耗升級，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。總的來說，N3E看起來是比N3更通用的節(jié)點(diǎn)，N3E的風(fēng)險生產(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。臺積電將在2024年左右的某個時間推出N3P，這是其制造工藝的性能增強(qiáng)版本；對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)動電流和電壓，本質(zhì)上是N4X的意識形態(tài)接班人。

所有臺積電N3制程節(jié)點(diǎn)都將支持FINFLEX，這是臺積電的“秘密武器”功能，極大地增強(qiáng)了他們的設(shè)計靈活性，并允許芯片設(shè)計人員精確優(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)計人員使用相同的設(shè)計工具集為同一芯片上的每個關(guān)鍵功能塊選擇最佳選項。

此外，臺積電通過與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)。

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

考慮到臺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)計很快就會超過3億顆，實(shí)現(xiàn)盈利。

對于3nm工藝的客戶，臺積電CEO魏哲家在今年一季度的財報分析師電話會議上曾透露，他們持續(xù)看到高水平的客戶對他們的這一制程工藝有興趣，預(yù)計量產(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)值合計達(dá)295.47億美元，連續(xù)十個季度創(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個百分點(diǎn)；臺積電的份額下滑1.0個百分點(diǎn)至52.1%。兩家公司市場份額差距縮小2.1個百分點(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，臺積電目前仍占據(jù)著全球過半份額。

為了趕超對手，三星電子不得不從制程方面下手，希望通過領(lǐng)先臺積電量產(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個階段：第一代的3GAE（GAA-Early）與第二代3GAP（GAA-Plus）。三星計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。

就在李在镕動身啟程歐洲的前一個月，三星對旗下晶圓代工廠發(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，而臺積電2022年的客戶數(shù)量預(yù)計將超過500家。

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

預(yù)計未來三年累計資本支出將占其營收的70%左右，而臺積電大概會在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)計將增長20%，達(dá)到1287.84億美元。對晶圓制造廠來說，眼下更重要的是3nm的突破。毫無疑問，在3nm這個節(jié)點(diǎn)，目前能一決雌雄的只有臺積電和三星，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，計劃使用臺積電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，有報道高通已將其3nm AP處理器的代工訂單交給臺積電，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，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。

再有就是和臺積電在產(chǎn)能上的差距。由于臺積電具備動態(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。

對于臺積電而言，3nm制程芯片同樣是關(guān)鍵一役，因?yàn)榕_積電仍然堅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。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輸?shù)膹氐?，因?yàn)檫@個行業(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)，未來晶圓代工這個行業(yè)也很難再有新的挑戰(zhàn)者出現(xiàn)。