臺積電2納米進(jìn)度超前，關(guān)鍵技術(shù)曝光

來源：工商時報

晶圓代工龍頭臺積電3納米如期在下半年進(jìn)入量產(chǎn)，2納米研發(fā)超前部署，除了是臺積電第一個納米層片（Nanosheet）的環(huán)繞閘極（GAA）晶體管架構(gòu)制程，也會是業(yè)界首度采用高數(shù)值孔徑（High-NA）極紫外光（EUV）微影技術(shù)的先進(jìn)制程節(jié)點(diǎn)，進(jìn)度可望超前三星及英特爾。
臺積電預(yù)計在竹科寶山二期興建Fab 20超大型晶圓廠，將成為2納米生產(chǎn)重鎮(zhèn)。臺積電Fab 20廠區(qū)將分為第一期到第四期、共興建4座12吋晶圓廠，預(yù)計2024年下半年進(jìn)入風(fēng)險性試產(chǎn)，2025年進(jìn)入量產(chǎn)。臺積電2納米將首度采用納米層片GAA晶體管架構(gòu)，技術(shù)開發(fā)進(jìn)度符合預(yù)期。
臺積電近幾年能夠維持強(qiáng)勁成長動能，下半年就算消費(fèi)性電子需求疲弱，半導(dǎo)體生產(chǎn)鏈進(jìn)入庫存調(diào)整，8月合并營收仍達(dá)2,181.32億元創(chuàng)下歷史新高，對下半年產(chǎn)能滿載深具信心，其中關(guān)鍵原因就是先進(jìn)制程由開發(fā)到量產(chǎn)的時間點(diǎn)均大幅領(lǐng)先競爭同業(yè)，新制程一推出自然就等于是通吃整個市場訂單。
臺積電表示，在過去的15年中一直在研究納米層片晶體管，并建立了堅實(shí)的能力。臺積電相信2納米是導(dǎo)入納米層片GAA架構(gòu)晶體管的合適制程，將速度和功率提升一個世代，協(xié)助客戶保持競爭力。
臺積電重申2納米開發(fā)符合進(jìn)度，預(yù)計于2025年量產(chǎn)。在納米層片晶體管和設(shè)計技術(shù)協(xié)同優(yōu)化（DTCO）的協(xié)助下，臺積電2納米效能和功率優(yōu)勢提升了一個世代。相較于3納米N3E制程，在相同功率下速度提升10％～15％，或在相同速度下功率降低25％～30％。且由于納米層片晶體管具有卓越的低Vdd（芯片工作電壓）效能，2納米在正常Vdd及相同的功率下，效能提高了15％，在較低的Vdd（0.55V）下，優(yōu)勢擴(kuò)大到26％。
臺積電2納米制程能夠持續(xù)推進(jìn)并領(lǐng)先競爭同業(yè)，另一關(guān)鍵在于掌握EUV曝光機(jī)產(chǎn)能及技術(shù)。臺積電為了積極解決關(guān)鍵制程的間距縮小問題，在7納米N7+制程開始利用EUV曝光設(shè)備和多重曝刻技術(shù)。臺積電將在2024年引進(jìn)High-NA EUV曝光設(shè)備，開發(fā)客戶所需的相關(guān)基礎(chǔ)建設(shè)結(jié)構(gòu)和曝刻解決方案以支援創(chuàng)新。據(jù)了解，臺積電可望再度領(lǐng)先同業(yè)，在2納米首度采用High-NA EUV技術(shù)。三大巨頭決戰(zhàn)2nm一直低調(diào)專注晶圓代工業(yè)務(wù)的臺積電，自成立以來始終秉持「不與客戶競爭」的承諾，除對手三星電子(Samsung Electronics)外，包括英特爾(Intel)在內(nèi)，全球主流IC設(shè)計業(yè)者幾乎都是臺積電客戶。
臺積電龍頭地位難以撼動，其在全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)所處關(guān)鍵地位，在疫情所引爆發(fā)的全球芯片荒危機(jī)中完全顯現(xiàn)，不僅擁有產(chǎn)能與制程技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢，而成為大國拉攏目標(biāo)，同時所釋出的巨大訂單，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈幾乎與臺積電有直接或間接合作關(guān)系，不只是臺積電所建置的完整供應(yīng)鏈聯(lián)盟，其源源不絕的設(shè)備材料需求，更牽動眾廠營運(yùn)表現(xiàn)。
全球通膨壓力劇增、景氣急轉(zhuǎn)直下，TV、手機(jī)與NB等眾多消費(fèi)性電子需求跌速超乎預(yù)期，半導(dǎo)體、電子供應(yīng)鏈庫存急速攀升，市場彌漫悲觀氛圍，跌價與砍單危機(jī)山雨欲來，臺積電仍在法說會上釋出令全球市場驚艷成績單，不僅第2季業(yè)績創(chuàng)高，第3季財測更是超乎預(yù)期，且更一步上修全年?duì)I收目標(biāo)。
令市場驚奇的是，數(shù)月來市場普遍認(rèn)為受到全球通膨加劇等風(fēng)險沖擊，終端需求下半年起將持續(xù)惡化，半導(dǎo)體、電子供應(yīng)鏈庫存去化危機(jī)風(fēng)暴于第4季將成形。然而，臺積電的展望卻完全是逆勢且相當(dāng)積極正向，其認(rèn)為盡管總經(jīng)情勢不穩(wěn)，不確定性將延續(xù)至2023年，但有信心在技術(shù)領(lǐng)先下，2023年產(chǎn)能利用率仍將維持健康水平。例如資料中心對CPU、GPU 需求增加，高效能運(yùn)算(HPC)會是未來最重要成長動能且營收比重最高的領(lǐng)域，估計未來幾年?duì)I收CAGR仍可達(dá)15~20%。
業(yè)績續(xù)升、先進(jìn)制程持續(xù)推進(jìn)的臺積電，除自身需求外，也因?yàn)榇髧鎻?qiáng)化本土半導(dǎo)體制造能力，面臨地緣政治風(fēng)險下，不得不釋出海外擴(kuò)產(chǎn)計劃，整體產(chǎn)能擴(kuò)增規(guī)模超乎預(yù)期，2021~2023年資本支出高達(dá)1,000億美元。集結(jié)大小聯(lián)盟優(yōu)勢臺積電生態(tài)鏈難以復(fù)制集結(jié)供應(yīng)鏈整合優(yōu)勢，也讓臺積電持續(xù)壯大，在市占勢力過半現(xiàn)實(shí)面下，全球半導(dǎo)體設(shè)備材料與IP設(shè)計等眾多供應(yīng)鏈也是西瓜偎大邊，將臺積電列為主要客戶，全力擠進(jìn)臺積電各式大小聯(lián)盟供應(yīng)鏈。而臺積電更在制程技術(shù)領(lǐng)先與專業(yè)代工服務(wù)加持下，光是2020年就已為全球510個客戶生產(chǎn)1萬多種不同產(chǎn)品，除三星外，幾乎主流IC設(shè)計業(yè)者都是臺積電客戶。
2008年臺積電推出「開放創(chuàng)新平臺」(Open Innovation Platform；OIP)，集結(jié)了全球電子設(shè)計自動化、硅智財(IP)與設(shè)計服務(wù)合作伙伴，包括ANSYS、益華、Mentor、力旺、M31、新思(Synopsys)、Arm等，近年再加入云端大廠微軟(Microsoft)、亞馬遜(Amazon)。藉由臺積電所開發(fā)、支援的合作平臺，供應(yīng)鏈縮短設(shè)計時間與量產(chǎn)時程，以及加速產(chǎn)品上市與獲利時程，臺積電供應(yīng)鏈合作伙伴與客戶都能獲益，互利共生的緊密合作網(wǎng)路難以仿效下，開放創(chuàng)新平臺成為臺積電拉開與對手群差距的關(guān)鍵之一。
2012年臺積電再次改變產(chǎn)業(yè)游戲規(guī)則，結(jié)合客戶與關(guān)鍵供應(yīng)商共同組成「大同盟」(Grand Alliance)，當(dāng)年度營收規(guī)模達(dá)新臺幣5,062.5億元，稅后凈利1,661.6億元。10年后，2021年臺積電營收沖上1.5兆元，稅后凈利5,965.4億元，在疫情肆虐全球、地緣政治風(fēng)險強(qiáng)襲危機(jī)下，拉幫打群架的10年戰(zhàn)略助其營運(yùn)登頂。
張忠謀曾公開表示，臺積電組建大同盟，用「合作」代替「壓制」，用「共創(chuàng)價值」取代「獨(dú)占利潤」，臺積電營運(yùn)成長能優(yōu)于整體半導(dǎo)體景氣的關(guān)鍵秘訣，就是受惠與供應(yīng)商和客戶的緊密合作，投入的研發(fā)資源遠(yuǎn)超過任何一家整合元件廠(IDM)。大同盟中的重要客戶包括蘋果(Apple)、NVIDIA、高通(Qualcomm)與Arm等，設(shè)備則有ASML、應(yīng)材(Applied Materials)等。
不論是IC設(shè)計客戶，或是上下游設(shè)備材料供應(yīng)鏈，臺積電全面串連整合，隨著臺積電快速壯大，握有全球晶圓代工過半市占，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈興衰也多與臺積電密切相關(guān)。先進(jìn)制程與封裝推進(jìn)大餅供應(yīng)鏈排隊(duì)搶食臺積電于7納米以下保持絕對領(lǐng)先優(yōu)勢，近年更宣布中國臺灣與中國大陸、美國與日本等海外擴(kuò)產(chǎn)大計，3年啟動1,000億美元的巨額投資計劃，磁吸全球半導(dǎo)體供應(yīng)鏈搶單，同時也擴(kuò)大在臺布局，以貼近服務(wù)臺積電大客戶。
在先進(jìn)制程方面，臺積電在臺布局甚廣，南科18廠包括5納米P4廠、3納米P5、P6廠，已陸續(xù)興建中，后續(xù)還有3納米P7、P8廠與12廠的特殊制程P8廠；竹科則有研發(fā)中心與2納米生產(chǎn)基地；近期則傳出在中科臺中園區(qū)附近設(shè)立另一2納米新廠，投資金額高達(dá)新臺幣8,000億元，預(yù)定2027年量產(chǎn)；竹南與南科亦有多座封測廠進(jìn)行中；近期再宣布前往高雄設(shè)廠，以目前最賺的7納米及28納米制程為主，投資規(guī)模約90億美元，預(yù)計2024年開始量產(chǎn)。
臺積電大舉擴(kuò)產(chǎn)，所釋出的訂單規(guī)模相當(dāng)可觀，因此供應(yīng)鏈都必須排隊(duì)跟隨臺積電而行，以維系訂單且就近服務(wù)最大客戶。如臺積電赴美設(shè)廠，盡管成本高昂，臺供應(yīng)鏈還是得跟去，而在臺灣，南科已成為臺積電先進(jìn)制程生產(chǎn)重鎮(zhèn)，臺廠與國際大廠近年來也投資設(shè)立據(jù)點(diǎn)，不僅有CMP研磨液、石英爐管、材料及研磨墊等上游材料及零組件廠，下游封測與設(shè)備供應(yīng)商也緊貼臺積電。
如ASML就宣布于荷蘭總部以外，在南科成立第一個「EUV全球技術(shù)培訓(xùn)中心」，耗資1,350萬歐元建置，為ASML和臺積電培育360位EUV技術(shù)工程師。據(jù)了解，EUV設(shè)備每臺造價約1億歐元，臺積電為最大客戶，估計至2021年底EUV設(shè)備采購量累積將超過50臺，也就是采購金額至少已超過50億歐元，并已預(yù)定未來數(shù)年價格再飆升的EUV設(shè)備訂單。美商英特格繼2017年擴(kuò)建新竹研發(fā)中心、2018年耗資600萬美元于該中心中導(dǎo)入晶圓檢測設(shè)備等設(shè)施后，并計劃在南科高雄園區(qū)設(shè)廠，投資約2億美元，先前則是再宣布擴(kuò)廠計劃，投資金額增至5億美元。
而日本信越化學(xué)也斥資300億日圓在日本、臺灣擴(kuò)大產(chǎn)能，其中在臺灣云林的新廠2021年開始量產(chǎn)EUV光阻劑；半導(dǎo)體材料大廠默克(Merck)繼先前投資1億元，在高雄設(shè)立默克在亞洲的第一座材料應(yīng)用研究與開發(fā)中心后，日前也宣布加碼投資，擴(kuò)大高雄路竹廠房的規(guī)模，打造半導(dǎo)體沉積材料重鎮(zhèn)；日本德山株式會社亦攜手臺塑合資成立「臺塑德山精密化學(xué)」，在高雄設(shè)立電子級IPA(異丙醇)工廠，主要供應(yīng)半導(dǎo)體先進(jìn)制程清洗用途；此外，日本富士紡、東京威力科創(chuàng)、華爾卡等也都加速在南科設(shè)廠。
值得一提的是，由法國Air Liquide Group與臺灣遠(yuǎn)東集團(tuán)于1987年合資成立的亞東工業(yè)氣體，先前也宣布將啟用位于臺南科技工業(yè)區(qū)的低碳?xì)渌娊鈴S，應(yīng)是法商制造業(yè)在臺最大的投資案，其提供臺灣半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)所需的超高純度氫。這些氫生產(chǎn)設(shè)備將因應(yīng)EUV應(yīng)用中，對超高純度氫的新興需求，其設(shè)廠推力來自目前EUV設(shè)備采購大戶臺積電。臺積電地位難撼動客戶、供應(yīng)鏈高度依附7納米以下先進(jìn)制程戰(zhàn)場，為臺積電、三星與英特爾對決情勢，目前臺積電取得遙遙領(lǐng)先優(yōu)勢，不僅通吃蘋果大單，更取得多數(shù)芯片大廠訂單，成為二大廠頭號勁敵。英特爾高喊2024年初20A(2納米)就會開始生產(chǎn)，18A(1.8納米)亦提前數(shù)月在2024年下半面市，但近期已傳出制程與新平臺延宕訊息，晶圓代工事業(yè)尚未正式上路；三星2022年6月底領(lǐng)先臺積電宣布啟用環(huán)繞式閘極(GAA)架構(gòu)的3納米制程制造芯片，但在客戶端方面，關(guān)注度與業(yè)界評價卻不如預(yù)期。
鎖定臺積電最新釋出3/2納米制程藍(lán)圖，英特爾高喊2024年初20A(2納米)就會開始生產(chǎn)，18A(1.8納米)亦提前數(shù)月在2024年下半面市，近月來內(nèi)部管控與生產(chǎn)良率頻遭市場質(zhì)疑的三星，近日更是大舉宣布即將量產(chǎn)3納米GAA及2納米GAA會在2025年登場，若皆按表定時程量產(chǎn)，三星與英特爾至少達(dá)成技術(shù)彎道超車目標(biāo)。對此，半導(dǎo)體設(shè)備業(yè)者則表示，至少由制程技術(shù)與良率提升難一蹴可幾、客戶與訂單規(guī)模及過往信用等三點(diǎn)可知，三星、英特爾至2納米世代仍難擊敗臺積電。
目前7納米以下先進(jìn)制程戰(zhàn)場為臺積電、三星競局，然三星實(shí)況令業(yè)界費(fèi)解，雖然3納米GAA制程領(lǐng)先臺積電，以及再傳出良率顯著提升的4納米將擴(kuò)產(chǎn)，然業(yè)界評價仍在觀望中。
英特爾、三星制程技術(shù)藍(lán)圖規(guī)劃撲朔迷離，盡管能在既定目標(biāo)時程量產(chǎn)，但仍是自用為主，沒有實(shí)質(zhì)獲利大單，事實(shí)上，進(jìn)入7納米世代后，芯片制造成本更為昂貴，用得起的客戶已顯著減少。
相較之下，臺積電即將在2022年9月量產(chǎn)3納米家族及2025年面市的2納米GAA穩(wěn)扎穩(wěn)打，不只是蘋果早已包下產(chǎn)能，NVIDIA、超微、高通、聯(lián)發(fā)科、博通等大廠也排好隊(duì)一個接一個搶訂產(chǎn)能，當(dāng)中英特爾更相當(dāng)矛盾下單臺積電，整體而言，三星與英特爾加速推進(jìn)制程技術(shù)，砸重金搶EUV設(shè)備，但沒有足夠訂單與客戶支持下，數(shù)年內(nèi)仍難超車憑借專業(yè)代工服務(wù)的臺積電。
歐盟執(zhí)委會先前就指出，如果臺灣不再出口半導(dǎo)體，全球幾乎所有工廠都將在3周內(nèi)停工。另外，波士頓顧問公司(Boston Consulting Group)及美國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(Semiconductor Industry Association)2021年報告就指出，臺灣的芯片供應(yīng)若中斷1年，可能會使全球電子產(chǎn)品公司蒙受約4,900億美元損失。
事實(shí)上，成熟制程或可尋求臺廠以外業(yè)者支援，但擁有產(chǎn)能與先進(jìn)制程與封裝技術(shù)優(yōu)勢的臺積電，則是難以取代，不只是全球芯片大廠都是其客戶，且仰賴先進(jìn)制程技術(shù)推進(jìn)而持續(xù)保有創(chuàng)新，半導(dǎo)體供應(yīng)鏈營運(yùn)動能也與臺積電高度相連。

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