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扑克三公大吃小必胜方法(www.eth108.vip):台积电VS三星,巨头3nm芯片竞赛临门一脚

admin2022-09-044

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本文来自微信公众号:经济观察报(ID:eeo-com-cn),作者:沈怡然,头图来自:视觉中国


一场关于3nm先进工艺芯片的竞赛开启,台积电仍然抢先一步。


8月30日,台积电总裁魏哲家在2022年台积电技术论坛上表示,3nm即将量产,时间就在2022年下半年


受到疫情影响,台积电技术论坛已经有两年未曾举办,时隔两年重新举办的论坛带来了台积电3nm芯片的最新进展。


“如果有手机的客户当下采用3nm芯片,明年产品就能问世。”台积电副总监陈芳在今年8月18日2022南京世界半导体大会的间歇上对经济观察报表示。


9月1日,三星电子对经济观察报表示,期待在2024年实现大规模量产,目前该计划正照常推进


3nm是目前芯片的一种工艺制程,指芯片中一根晶体管源极和漏极(通俗指的电路正负极)之间的距离,电子像水流一样从源流到漏,中间仅有纳米级的间距,而一块先进工艺芯片内,通常有数亿个的晶体管且排布复杂,越先进的工艺生产,芯片越微缩、晶体管越密集,芯片的性能也越强。


由于在22nm节点上引用FinFET技术,将晶体管以3D形式排步,芯片的工艺无法只用纳米来衡量,但业内仍保留了这个称呼。


量产终点逼近,围绕3nm节点,全球巨头们的竞赛正在激烈进行。


台积电垄断了全球75%以上的晶圆代工先进工艺市场,在先进制程上,客户无法找到台积电的替代品,这也赋予了台积电更强的议价能力,如今在3nm上,三星电子是最有希望做出台积电竞品的公司,这让客户有了第二个选择。三星电子背后的韩国政府,正在对半导体制造业给予更多资金和技术的支持。


在上述两家巨头外,英特尔也计划重返3nm战场,英特尔在今年4月表示,Intel3(约合7nm)将于2023年下半年量产。该公司的新任首席执行官基辛格上任后,启动了IDM2.0计划,试图重返半导体代工业务。


台积电在财报会中称3nm是一个庞大而持久的节点。


在摩尔定律的主导下,芯片制程延着14nm-7nm-5nm-3nm的路径不断迭代,在相当长的时间中,这似乎是一个颠扑不破的产业规律。


但3nm这一节点呈现了不同的特征,这个节点的研发和生产的成本极高,这也增加了供应商和客户的风险,所有的玩家极力地在先进技术与成本之间寻求平衡。而其所处的半导体行业则处于周期拐点之上,消费电子下行,智能手机对先进芯片的牵引力出现不足。


在这场巨头竞争的背后,真正的客户市场又在何处?


一、保守VS激进:巨头的技术分歧


巨头们顽强延续摩尔定律,在3nm节点上采用不同的路径:三星电子采用GAA(Gate All Around)晶体管架构,台积电继续沿用鳍式场效电晶体(FinFET)架构。


GAA和FinFET被认作是延续摩尔定律的两种技术方向,过去的先进工艺普遍采用FinFET。三星电子对记者表示,这一次三星首次采用GAA技术,选择了一种使用通道更宽的纳米片(Nanosheet)的方式,相比通道较窄的纳米线(Nanowire)方式来说,可实现更高性能和更高能效。


三星电子对经济观察报表示,三星采用了GAA工艺的第一代3nm,比5nm可降低高达45%功耗,提升23%性能,减少16%的面积,至第二代则降低高达50%功耗,提升30%性能,减少35%的面积。


三星电子方面对经济观察报表示,在3nm节点,GAA工艺可以克服Fin-FET工艺的限制,“它将成为游戏规则的改变者”。


相比之下,台积电选择继续沿用FinFET工艺,台积电总裁魏哲家的理由是,“选择沿用FinFET,是经过考虑良久,制程技术推出不是(为了)好看,是要实用,要协助客户让产品持续推进。”


此时,台积电明确了第一代3nm相较于5nm,其晶圆密度高出1.3倍,在相同速度下功耗降低30-35%,在相同功耗下速度提升15-20%。魏哲家在2022年台积电技术论坛暗指竞争对手,“对手的3nm比台积电的4nm还有些差距”。


一位国产芯片代工业人士对记者表示,在晶圆生产方面,三星电子的策略偏激进,台积电偏保守,这体现在器件性能工艺方向的选择上。GAA堆叠纳米片架构更新,技术目前的稳定性、是否适合于3nm节点,还没有一个定论。


台积电虽保守采用FinFet工艺,但也运用FinFlex技术做出一定创新。台积电(中国)有限公司副总监陈芳表示,按照FinFet工艺路线走下去,从N16发展到N5,逻辑单元FIN的数目从 3FIN减少到了 2FIN,5NM就是2FIN,但是在3nm节点,继续把逻辑单元的FIN数目继续减少到1FIN,就会碰到速度严重下降的问题。


为了平衡FIN的数目以及速度的需求,台积电开发了一套全新的标准逻辑单元:即在一个逻辑区域内,把2FIN的逻辑单元和1FIN的逻辑单元进行交错组合,从而在密度得以提升的形态状态下,同时达到功耗和速度的一种平衡。


二、投资与良率


2016年9月,台积电共同CEO刘德音首次透露了3nm制程的进度,他表示,目前组织了300-400人的团队研发中。2018年,台积电披露公司董事会已批准了一项约45亿美元的资本预算,未来将会使用该预算来修建新的晶圆厂。


2018年,三星电子在位于美国的2018年三星半导体代工论坛上,公布其全面的芯片制程技术路线图,其中包括5nm、4nm、3nm三个先进制程。


与此前的制程相比,3nm由于逼近物理极限,对于技术和成本提出了更高的要求。


过去三年,台积电的资本支出增加了超过一倍,从2019年低于150亿美元,增加至2021年的300亿美元,2022年的资本支出计划达到了400亿~440亿美金。


三星半导体的资本支出也保持了强劲的增长,2018年的支出达到216亿美元,2019年达到193亿美元,据《韩国先驱报》报道,三星电子在半导体领域的资本支出在 2020年和2021年的资本支出分别达到了277亿美元和337亿美元。


巨头的资本支出远远超过了此前5nm、7nm量产前的幅度。


联华电子业务发展副总裁WalterNg说:“在前沿节点,晶圆成本是天文数字,因此很少有客户和少数应用能够负担得起利用昂贵的工艺技术。该公司参与代工产业多年,在进入10nm节点前放弃了先进工艺,现以成熟工艺为主。”


摩尔定律发挥的经济效益正在衰减。根据IBS的预测,对制造厂而言,从7nm到3nm节点,成本上涨了67%,平均的晶圆价格增长了55%。


根据IBS数据,仅仅是芯片设计的环节,5nm的成本约5.422亿美元,3nm会从5亿美元到15亿美元不等。


巨大的投入需要得到最终需要在市场中得到回报,而从研发走向市场,巨头们即将迈出最关键的一步——量产。

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台积电将3nm的生产设施置于中国台湾的新竹地区,整个7nm及以下的产能都则分布于中国台湾和美国地区。根据台积电2022年技术论坛,2018-2022年,台积电先进制程产能的年复合成长率为70%。三星电子将3nm生产设施放在韩国首尔南部的华城。


对于先进工艺,良率至关重要,良率的高低也将与其收益、利润直接挂钩。


海外数码科技媒体 Wccftech在2022年4月报道,三星电子的3nm工艺良率仅在10%~20%之间,远低于预期。目前台积电没公布良率情况。


芯片行业分析师姚嘉洋对经济观察报表示,3nm技术复杂度更高,初期的良率会相对5nm同期更低一些。


在姚嘉洋看来,良率的情况也会成为首批3nm客户的担忧,一些手机客户会观望至良率提升,产品成熟时再进行采购。


三、第一批客户


手机市场是芯片工艺研发不断前进的重要的牵引力,手机厂商往往是先进制程的第一批采购商。


按照7nm、6nm芯片的路径,从刚开始的智能手机、CPU/GPU、FPGA,扩展到IOT、车用、消费电子、RF射频上。但是,成本越高,意味着高风险,手机厂商也会更多考量先进技术与成本之间的平衡。


姚嘉洋预估,第一批手机芯片客户要到2023年下半年才会采用3nm,在2024年搭载至手机上市。


姚嘉洋表示,预计苹果阵营采用3nm芯片比安卓阵营要早,安卓阵营的高通的旗舰级芯片通常是在年度第四季发布,11、12月左右,相应的晶圆量产在当年三季度完成,而高通的第一波客户通常都是小米为主。3nm的安卓手机很可能等到2024年第一季,最快也是要到2023年底才会上市,最有可能首发的是小米手机。“对于高通来和联发科来说,并非一个很好的时机点。苹果相对好些,因为拥有芯片到终端的全产业布局,成本控制上相对容易,”姚嘉洋说。


Strategy Analytics芯片分析师Sravan Kundojjala认为苹果将在2023年率先采用3nm,Android厂商将在2024年跃升到3nm


8月22日,来自中国台湾的媒体Digitimes报道称,首个采用台积电3nm的客户仍然是苹果,但不同的是,或许用于苹果的M2Pro芯片,最终搭载到MacBook Air和MacBook Pro。根据公开信息,这一代电脑产品将于2022年第四季度进入量产阶段。


四、新的市场博弈


与此前制程芯片产出背景不同的是,包括手机在内的消费电子行业正在经历寒冬。IDC、Strategy Analytic等咨询机构均做出了2022年全年智能手机出货量将会下降的判断,下降幅度从6%-7%。


在这一情况下,下游客户会有多大意愿为先进制程买单成了问题。


一家位于下游的国内大型封测企业人士对经济观察报表示,3nm作为一次技术升级,上下游是有联动的,但能带来多大好处,更取决于下游市场的销量。如果芯片需求没有增加,仅仅是技术节点的切换,并不意味着带来更多订单。目前看到消费电子的需求还是比较低迷,相比之下,还是下游反弹的利好更大。


姚嘉洋认为,3nm的高壁垒,使有能力买单的客户会比5nm同期更少。Sra-van认为,3nm的退出成本非常高,限制了可以投资和采用3nm公司的数量。


在这一情况下,巨头开始寻找新的客户群体。


三星电子方面对经济观察报表示,正与多个高性能计算(HPC)和移动设备客户讨论订单。


对于3nm的市场需求,三星保持了积极的态度,三星电子方面对经济观察报表示,晶圆代工市场将保持对先进节点的强劲需求,三星电子有能力通过调整纳米片的沟道宽度,以改善功耗和性能,满足客户的各种需求,这尤其体现在第二代3纳米GAA工艺对芯片尺寸、性能和能效的提升上。


台积电领先一步,已经有了第一批客户,且正在积极采用,它们来自移动和HPC,预计3nm的NTO(New Tape Out,指新产品流片)是同一时期5nm的两倍。


姚嘉洋认为,与前几代不同的是,3nm客户将不再以手机为主


“更为特殊的一点是,3nm将与计算公司高度相关”,Sravan表示。


台积电在3nm的产品策略发生了变化:在推出3nm的同时,还规划了4个加强版分别是N3E(增强)、N3P(性能增强)、N3S(密度增强)和N3X(超高性能)。目前N3E已经有客户参与。


回顾台积电技术路线,进入7nm以来,公司将只针对7nm、5nm、4nm推出了1个加强版。同时推出5个产品组合,这在台积电的历史是很少见的。


不止于此,台积电首次采用上述FINFLEX创新技术,一方面是为了提升性能,另一方面,陈芳称,简单来说,这种技术为芯片设计师的设计提供了更多的灵活性。通常在一个逻辑区域内,不同组合可以形成不同的性能侧重,有的为满足高运算要求,有的为满足最低漏电和最低功耗要求。


姚嘉洋表示,可以看出台积电的策略是,满足不同行业客户的需求,想要容纳更多的客户群。这和台积电自身客户结构正在发生转换有关。台积电的业务板块分为手机、HPC(高性能计算)、Iot、汽车和DCE。2022年Q1台积电的手机收入以38%份额退居第二,首次低于HPC业务。


HPC包含数据中心、AI、FPGA和网络四大应用,主要厂商有英特尔、英伟达、AMD,这些芯片除了用于手机,还能用于服务器处理器和台式机处理器。姚嘉洋表示,和手机相比,这些设备对芯片的要求不在于微缩化,而是能否功耗更低、能否支撑更大的算力。


这些处理器的大量叠加,构成了数据中心、智能计算中心、超算中心等大型基础设施。通俗理解为,这些芯片都是支撑政企数据上云、数字化进程的底层元器件,无论政府、学术、商业都需要用到,可以说是“新基建”的底层支撑。


在台积电看来,相比消费电子,HPC显示出了更强大的动能。这背后也是整个半导体下游市场的结构性转换。据TrendForce机构预计,2021年全球高性能计算(HPC)市场规模约368亿美元,增长7.1%,预计2022年将会增长7.3%达到397亿美元。美国是HPC最大的市场,其次是中国和欧洲市场。


五、3nm与中国


Sravan Kundojjala表示,3nm技术的进展,将可能对政治因素和国际关系产生潜在影响。三星电子的3nm产品,将进一步加强韩国和台湾在领先领域的主导地位。鉴于3nm技术优势对国家的重要性,各国与中国台湾的关系将被视为更具战略性。美国和欧洲可能会争取台积电和三星电子在其海岸建立工厂。


中国大陆最大的制造厂中芯国际,具备人才、资金和市场优势,大量订单在手,然而,它面临以美国为主的半导体技术禁运,包括EUV光刻机等关键生产设备,因为芯片从生产端就是全球化的,台积电、三星电子的生产设备、耗材也来自全球多个国家,所以,地缘政治因素,对中芯国际先进工艺研发产生较大限制。从公开消息看,中芯国际的先进工艺的量产停留在14nm。


Sravan表示,缺乏14nm及以下工艺的设备,限制中国半导体行业的发展。然而,中国可以继续关注成熟节点(28nm及以上),以尝试占据领先位置。因为半导体行业在成熟节点的产能方面正在爆发。根据SEMI World Fab Watch报告数据,10nm以下先进工艺仅占全球半导体产能5.9%份额,绝大部分芯片仍在运用各种成熟工艺。


Sravan称,考虑到中国对高通等公司的重要性,中国不太可能在成熟节点上面临更大的贸易阻力。


本文来自微信公众号:经济观察报(ID:eeo-com-cn),作者:沈怡然

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