3nm鏖戰(zhàn)正酣 代工雙雄臺積電和三星誰將勝出？

關(guān)于3nm的進(jìn)度，臺積電方面表示，3nm制程進(jìn)展符合進(jìn)度，于今年試產(chǎn)，并將于2022年下半年量產(chǎn)。三星電子則宣布將于2022年上半年開始生產(chǎn)首批3nm芯片，第二代3nm芯片預(yù)計將于2023年開始生產(chǎn)。
從時間上看，三星3nm將領(lǐng)先臺積電大約半年時間，其欲借3nm反超臺積電的心思顯而易見。綜合來看，兩者的實力究竟如何？本文將從技術(shù)、資金、產(chǎn)能、客戶等方面展開，以期反映兩者大致的實力概貌。
技術(shù)路線
臺積電和三星在3nm最大的不同在于技術(shù)選擇上。
臺積電3nm制程將繼續(xù)采用FinFET（鰭式場效晶體管）技術(shù)。為何臺積電會做此選擇？分析認(rèn)為，一方面正是由于其研發(fā)團(tuán)隊將 FinFET 的性能提高到了新的高度，與 5nm 相比， 3nm 在速度上有10%~15%的提升，功耗有25~30%的降低，而邏輯密度則提高 1.7 倍，SRAM 密度也將提升 20%；另一方面是由于3nm可以在 2022年下半年量產(chǎn)，這樣能讓下單客戶實現(xiàn)技術(shù)的快速升級，率先推出領(lǐng)先的產(chǎn)品。
三星方面，為了在半導(dǎo)體制程工藝上追趕上臺積電，在3nm工藝的研發(fā)當(dāng)中率先引入了全新的GAA(Gate-all-around，環(huán)繞柵極)技術(shù)。
據(jù)了解，基于GAA的FET（GAAFET）有多種形式，大多數(shù)研究都是基于納米線的GAAFET，它們具有較小的溝道寬度。這些類型的GAAFET通常用于低功耗設(shè)計，但很難制造出來。另一種實現(xiàn)方式是使溝道像水平鋪放的紙一樣，通過增加溝道面積來為性能和尺寸帶來好處。三星稱其基于納米片的GAAFET為多橋溝道FET或MBCFET，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)。
相比于FinFET晶體管技術(shù)，GAAFET架構(gòu)的晶體管提供更好的靜電特性，這樣漏電功率會降低，從而功耗降低。三星表示，與5nm制程相較，GAA制程技術(shù)將使得芯片面積可再減少35%，性能可提高30%或功耗降低50%。
三星3nm工藝上分為兩個版本，其中3GAE(低功耗版)將在2022年年初投入量產(chǎn)，3GAP(高性能版)則會在2023年年初批量生產(chǎn)。
研發(fā)實力
要想在芯片制程工藝方面保持領(lǐng)先，也就意味著需要在研發(fā)方面投入大量的資金。
臺積電的研發(fā)投入一直穩(wěn)定增長。根據(jù)臺積電財報，2019年，研發(fā)支出為29.59億美元。2020年，臺積電為了追求5納米及更先進(jìn)的3納米工藝，研發(fā)支出更是大增26%，一舉突破30億美元，達(dá)到37.2億美元。而從臺積電4月15日發(fā)布的一季度財報來看，其今年在研發(fā)上的投入將會更高，一季度10.96億美元的研發(fā)支出，明顯高于去年的平均水平。
資本支出方面，臺積電于今年1月14日發(fā)布消息稱，計劃將今年的資本支出增加至250億美元到280億美元之間，IC Insights 估計，臺積電平均單季度資本支出將約69 億美元，較2020 年第4 季度支出倍增。
在這方面，三星同樣不甘落后。三星的研發(fā)支出逐年大幅增加，其2020年研發(fā)支出為55億美元。
資本支出方面，據(jù)IC Insights報告顯示，自2017年以來，三星的半導(dǎo)體資本支出一直非常強(qiáng)勁，2018年的支出達(dá)到216億美元，2019年達(dá)到193億美元，去年達(dá)到281億美元。數(shù)據(jù)顯示，三星在2017-2020年期間資本支出總額為932億美元。盡管三星尚未為其2021年的支出提供指導(dǎo)，但I(xiàn)C Insights估計該公司的支出將基本與2020年持平。
此外，2019年4月，三星公布“半導(dǎo)體愿景2030”發(fā)展藍(lán)圖，準(zhǔn)備在10年內(nèi)投資1160億美元，錄用15000名專業(yè)人才，以期在2030年前大幅提升在晶圓代工市場競爭力，并在2030 年超越臺積電，登上產(chǎn)業(yè)龍頭。
光刻機(jī)
除了技術(shù)研發(fā)，對代工廠商而言，還需要設(shè)備方面投入大量的資金，這其中又以光刻機(jī)的支出最為昂貴。
光刻機(jī)是生產(chǎn)制造芯片的必要設(shè)備，尤其是生產(chǎn)制造7nm以下制程的芯片，必須要用到EUV光刻機(jī)。而ASML是目前全球唯一能制造EUV光刻機(jī)的廠商，包括臺積電、三星、英特爾先進(jìn)芯片制程工藝量產(chǎn)所需的極紫外光刻機(jī)，均由ASML提供。根據(jù)ASML財報披露，一季度來自光刻機(jī)的收入共 31.29 億歐元，EUV光刻機(jī)占 36%，也就是為 11.26 億歐元，光刻機(jī)的平均價格為 1.6 億歐元。
數(shù)據(jù)顯示，截止到2020年底，ASML已經(jīng)出貨100臺EUV光刻機(jī)，但三星僅獲得30臺EUV光刻機(jī)，相比之下，臺積電在EUV光刻機(jī)方面卻穩(wěn)如泰山，消息稱，其已經(jīng)安裝超70臺EUV光刻機(jī)，是三星的兩倍之多。不僅如此，在EUV光刻機(jī)交付、安裝方面，ASML往往是優(yōu)先供貨臺積電。
此前曾有報道稱，為應(yīng)對新制程工藝產(chǎn)能擴(kuò)大的需求，臺積電極紫外光刻機(jī)的累計采購量在今年將超過50臺，預(yù)計今年可獲得18臺。姑且按照每臺1.6億歐元估算，13 套 EUV可能使臺積電花費高達(dá) 20.8億歐元（約合23.4億美元）。
為了贏得未來，上文提到的三星為期十年、總投資高達(dá)1160億美元的方案中，為促進(jìn)晶圓代工業(yè)務(wù)的發(fā)展，其中最核心的能力就是攻克EUV光刻技術(shù)。
早于2019年，三星就花費170億美元，在韓國京畿道華城建造EUV工廠。三星還專門為華城工廠購置了15臺EUV光刻機(jī)（分3年時間交貨），ASML公司的EUV光刻機(jī)，僅一臺售價就高達(dá)1.72億美元，一下豪置15臺，可見三星在晶圓代工領(lǐng)域翻身的決心。
2020年年初，有外媒報道稱，三星已開始其新建的V1晶圓工廠的大規(guī)模生產(chǎn)，成為業(yè)內(nèi)首批完全使用6LPP和7LPP制造工藝的純極紫外光刻（EUV）生產(chǎn)線。而該工廠還被認(rèn)為是三星3nm制程的主陣地。而據(jù)今年2月21日消息，三星電子在一份文件中表示，將提早擴(kuò)大位于京畿道華城的芯片工廠V1生產(chǎn)線來擴(kuò)大其EUV專用生產(chǎn)線的產(chǎn)能，三星正抓緊為3nm量產(chǎn)做準(zhǔn)備。
產(chǎn)能方面
對于代工廠商而言，率先將先進(jìn)工藝量產(chǎn)，并且保證性能穩(wěn)定是搶占市場份額的關(guān)鍵。
臺積電的3nm制程技術(shù)最快會在2022年投產(chǎn)，并且計劃在2022年下半年即可量產(chǎn) ，實際應(yīng)用產(chǎn)品則預(yù)期會在2023年推出。而臺積電目前在美國亞利桑那州投資建造新廠會以5nm制程技術(shù)生產(chǎn)為主，而3nm制程技術(shù)則會以位于中國臺灣地區(qū)南部科學(xué)工業(yè)園區(qū)建造廠房提供。
臺積電董事長劉德音曾經(jīng)表示，在3nm制程上，于南科廠的累計投資將超過 2萬億元新臺幣，目標(biāo)是3nm量產(chǎn)時，12英寸晶圓月產(chǎn)能超過60萬片。而據(jù)Digitimes報道，臺積電3nm芯片在2022年下半年開始量產(chǎn)，單月產(chǎn)能5.5萬片起，2023年，將達(dá)到10.5萬片。
在產(chǎn)能方面，臺積電具有動態(tài)調(diào)配生產(chǎn)線能力，可以將產(chǎn)能利用率提高到110~120％。而在良率方面，臺積電的新制程接單標(biāo)準(zhǔn)是一般不低于75%，在14nm等成熟的工藝線，良率則能保證達(dá)到95%~98%，這也讓臺積電的優(yōu)勢更為鞏固。簡而言之，臺積電的競爭力不只來自核心工藝，它的整套內(nèi)部管理制度才是保證產(chǎn)能與良率的關(guān)鍵。
三星方面，由于自家業(yè)務(wù)原因，能開放給別人的產(chǎn)能比不上純做晶圓代工的臺積電。目前三星在產(chǎn)能與良率方面和臺積電仍有一段差距。知名研究機(jī)構(gòu)The Information Network預(yù)測，臺積電領(lǐng)先三星在晶圓代工的先進(jìn)制程產(chǎn)能規(guī)模約242%至460%不等。
統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，三星在2020年的晶圓月產(chǎn)能約為2.5萬片，而臺積電則為14萬片，尤其是在目前最前沿的5nm制程方面，三星晶圓月產(chǎn)能約為5000片，而臺積電約為9萬片。
在最新通報會上，臺積電表示，由于5nm需求強(qiáng)勁，該公司5nm系列在2021年的產(chǎn)能擴(kuò)充計劃比2020年會翻倍，2022年將比2020年增長3.5倍以上，并在2023年達(dá)到2020年的4倍以上。
而據(jù)韓國媒體引述多家供應(yīng)商報道，由于三星遲遲未提高5nm的產(chǎn)品良率，使得三星在5nm產(chǎn)線的構(gòu)建與客戶搶奪上也陷入被動。 
客戶訂單
近段時間以來，頻傳臺積電和三星3nm首家客戶的消息。據(jù)消息稱，蘋果已經(jīng)成為臺積電3nm制程的首批客戶，預(yù)先承包了臺積電3nm制程的初期產(chǎn)能，同時英特爾也將采用臺積電3nm制程生產(chǎn)圖形芯片、服務(wù)器處理器。
而處理器大廠AMD可能成為三星代工業(yè)務(wù)首家3nm制程客戶，原因是合作伙伴臺積電與蘋果關(guān)系密切，使AMD考慮選擇三星交付3納米制程訂單。除了AMD，高通也對三星3nm制程感興趣。
目前，兩家的3nm客戶名單還未正式公布。但從現(xiàn)有客戶來看，臺積電的客戶幾乎覆蓋了全球頂級半導(dǎo)體巨頭，包括蘋果、AMD、高通、Marvel、聯(lián)發(fā)科、英偉達(dá)等都是其主要客戶。
過去三星的晶圓代工服務(wù)一直卡在無法有效擴(kuò)大客戶群，除了自家三星電子的訂單以外，能接到的外部訂單寥寥可數(shù)。近年來，三星陸續(xù)拿下谷歌和思科，高通和英偉達(dá)等重大客戶。如果三星在3nm真的能夠領(lǐng)先臺積電，預(yù)計還能夠再吸引到更多的客戶。
結(jié)語：TrendForce數(shù)據(jù)最新顯示，目前臺積電的市場份額接近52.9%，是全球最大的芯片代工企業(yè)，而三星位居第二，市場份額為17.3%，三星與臺積電的差異依舊明顯。三星能否憑借3nm打贏這場翻身仗？或許明年就會有分曉。

來源：愛集微

作者：木棉