先進製程上演三國爭霸,台積電、三星、英特爾力拚誰是贏家

作者 | 發布日期 2022 年 12 月 06 日 8:31 | 分類 半導體 , 晶圓 , 晶片 line share follow us in feedly line share
先進製程上演三國爭霸,台積電、三星、英特爾力拚誰是贏家


呼應美國政府「半導體製造業重返美國」的計畫,晶圓代工龍頭台積電 2020 年宣布在亞利桑那州興建 5 奈米晶圓廠 Fab21,以因應美國政府與客戶的需求,為台積電打開了海外擴產的大門,該計畫也將在 12 月 6 日迎接機台移機的重要里程碑。

不過,對於台積電在美國的擴廠,競爭對手三星與英特爾也不甘示弱,紛紛借助美國《科學與晶片法案》的通過,紛紛宣布在美國的擴產計畫,除了希望獲得美國政府的補助,也機會在美國當地獲得客戶的青睞之外,也進一步能與台積電較量。因此,當前全球晶圓代工先進製程的三巨頭,在大規模投資之後,誰能在未來的市場競爭中脫穎而出,成為全世界半導體產業發展關注的焦點。

英特爾轉型的漫漫長路

從原本晶圓製造只為自己的產品服務,到後來提出 IDM 2.0 之後發展出 IFS 業務,2020 年接任英特爾執行長的 Pat Gelsinger 為英特爾的轉型下了龐大的賭注。因為英特爾之前一直是 IDM 模式,完整的涵括了晶片從設計到生產再到銷售的所有過程,產品絕大部分也都是在內部工廠製造。如今,在 IDM 2.0 模式下,英特爾不僅要委託外部晶片代工廠生產自己的晶片,比如預定了台積電 3 奈米的產能。在此同時,英特爾也要發展自己的晶片代工業務,成立英特爾代工服務 IFS 業務,重返晶片代工行業。

對此,英特爾的邏輯是,IFS 將在服務晶片客戶的過程中變得更強大更好,而隨著 IFS 在晶片製造上越來越先進,生產的晶片產品也會更有競爭力,包括自己內部製造的晶片,反過來又保證 IFS 不會受限於外部代工產能,以此形成正向循環。用 Pat Gelsinger 在採訪中的說法來說,就是「IDM 使 IFS 更好,IFS 使 IDM 更好」。只是,矛盾之處也很明顯,英特爾既要為自己生產晶片,又要尋求為其他晶片領域的競爭對手,例如 AMD 和輝達提供晶片代工服務。同樣的,英特爾想在晶片代工業務上追趕台積電和三星,但又要將自己的最好的晶片產品交由對手來生產,等於在降低自身晶片製造規模的同時,還將一部分利潤讓給了台積電等競爭對手。

不過,英特爾也確實找到了啟動 IDM 2.0 計畫的支點,即台積電和三星無法滿足所有客戶的需求。或者說,在當前市場環境下,多元化的代工戰略成為很多晶片設計廠商的選擇。2022 年 3 月,輝達執行長黃仁勳談到,英特爾有意讓我們使用他們的代工製造業務,而我們對研究這種可能性也非常感興趣。到了 7 月份,還沒等到輝達的行動,英特爾率先宣布將為聯發科代工晶片。聯發科表示,公司一直採用多源策略,除了與台積電在先進製程節點上保持密切合作外,此次合作將加強我們對成熟製程節點的供應。

因此,儘管台積電是晶片代工領域的絕對領導者,掌握著更大的發言權,但英特爾的加入實實在在為晶片企業帶來了新的選擇。2021 年 7 月,英特爾就宣布將為高通生產晶片,亞馬遜在此前也成為了其代工業務的客戶。同時,美國補助將推動建廠的步伐,而這對於英特爾的代工業務而言將是一個積極的信號,逐漸憑藉先進製程與台積電、三星展開正面競爭。

在 2022 年 9 月舉行的英特爾 On 技術創新論壇上,Pat Gelsinger 表示,英特爾代工服務將開創「系統級代工的時代」。而其不同於僅向客戶供應晶圓的傳統代工模式,英特爾提供晶圓製造、封裝、軟體和晶片。其中:

晶圓製造:就是針對客戶提供其創新先進製程技術,如 RibbonFET 電晶體和 PowerVia 供電技術等創新。

封裝:為客戶提供先進封裝技術,如 EMIB 和 Foveros。

晶片:英特爾的封裝技術與通用晶片藉由小晶片互連產業聯盟(UCIe)將幫助來自不同供應商,或用不同製程技術生產的晶片更好地協同工作。

軟體:英特爾的開源軟體工具,包括 OpenVINO 和 oneAPI,加速了產品的交付,使客戶能夠在生產前測試解決方案。

從以上的宣示可以看出,英特爾晶圓代工目的是提供從系統級晶片到系統級封裝的模式轉移,也是英特爾為了更加開放自身代工服務的一個展現。而且,除了以「系統級代工」來鞏固自己的代工市場之外,英特爾還計劃在其晶片設計和製造之間建立更大的決策分離,目的在讓生產線像 Fab 業務一樣運作,並將來自英特爾內部和外部晶片公司的訂單一視同仁。這個決定被稱為英特爾 IDM 2.0 戰略的新階段,這背後的邏輯在於英特爾想將自身晶片設計與製造進行拆分的目標。

戰略轉型之外,英特爾在發展路線和產能方面也取得了進展,英特爾制定了加速製程發展的計畫,推翻了傳統的晶片命名方式,制定了到 2025 年的詳細發展路線,將推進 Intel 7、Intel 4、Intel 3、Intel 20A、Intel 18A 五個製程節點。

理論上,Intel 20A 是和台積電 2 奈米相抗衡的製程,一旦英特爾成功突破 Intel 20A 量產,或有能力與台積電 2 奈米製程一較高下。更先進的 Intel 18A 就是 2 奈米以下的布局了。因此,從以上的發展不難感覺到,英特爾的目標十分明確,試圖在晶片代工產業與台積電,三星形成三足鼎立格局,在先進製程晶片市場占據一席之地。而且,英特爾在 2022 年第三季財報中,透露其已經簽訂了全球前十大半導體設計廠商中的七家訂單。所以,上述種種,都是反映著英特爾有信心喊出 2030 年成為全球第二大圓晶代工廠的理由所在。

然而,就在英特爾努力發展晶圓代工業務的同時,英特爾晶片代工服務總裁 Randhir Thakur 就傳出將在 2023 年第一季離職的消息。做為 IDM 2.0 的重要關鍵,Pat Gelsinger 自然對 IFS 以及 Randhir Thakur 寄予厚望。而事實上,在 Randhir Thakur 其下的 IFS 也確實相繼拿下了包括亞馬遜、高通、聯發科等晶片客戶。Pat Gelsinger 也稱讚其建立了一個由台積電和三星等領先代工廠資深員工組成、且經驗豐富的領導團隊,並在行動和汽車領域贏得了主要客戶。但轉型才剛開始,Randhir Thakur 的辭職或許暴露了英特爾的內部阻力可能超過外界想像,或許這會是 Pat Gelsinger 進一步拆分晶片設計和製造團隊的關鍵。

三星加緊跨越先進製程良率鴻溝

英特爾計劃 2030 年超越三星代工業務,而三星也揚言 2030 年要超越台積電。其中,三星早在 2019 年就定下來未來 10 年內超越台積電的目標。為了實現這一目標,三星大力投資、招聘人才,除了先進製程持續加碼之外,半導體設備和材料、IC 載板、先進封裝等一切與晶圓代工有關的領域,都成為了其瞄準的焦點。

這段時間以來,三星同樣動作頻頻,不僅宣稱將擴大部分非存儲晶片如 CIS、DDIC 等委外代工,並將擴大傳統和特殊製程產能,預計到 2024 年將傳統和特殊製程的數量增加 10 個以上。而且,到 2027 年,三星電子的傳統和特殊製程產能將達到 2018 年的 2.3 倍,2027年整體晶圓代工客戶將增加到 2019 年的 5 倍。事實上,這一策略為其帶來了重新配置資源和工廠產能的機會,達到更多的產能釋放。在產能調配下,三星代工可以承接更多高利潤的訂單,尤其成熟製程設備多已攤提完畢,使得產品組合調配上可以更有彈性。而透過成熟與特殊製程所獲得的利潤,再投入先進製程的發展,這是三星的計畫關鍵。

當前做為目前全球唯二可以生產 5 奈米以下製程的晶圓代工廠,三星在先進製程上的成就雖然不容小覷。不過,相較台積電來說總是棋差一招。先前例子來說,三星 7 奈米量產之後,台積電宣布 5 奈米量產,三星 5 奈米量產之後,台積電又宣布 4 奈米試產,總是跟不上台積電的步伐。不過,現階段三星在更先進的節點上看到了追趕的機會。三星 3 奈米製程率先採用 GAA 技術,而且不僅領先台積電量產,成為全球首個量產 3 奈米製程的代工廠,三星乘勝追擊,還計劃 2023 年推出第二代 3 奈米製程,並更進一步計劃到 2025 年發展達到 2 奈米製程,到 2027 年達到 1.4 奈米製程。對於這一發展的目標,研究機構 Isaiah Research 認為,三星的計畫是有可能的,只是屆時量產的規模跟良率好壞都需要持續關注。

另一研究單位 Gartner 也分析,三星的三家美國大客戶的業務在 2021 年增加了一倍以上。2022 年雖有高通和輝達轉單台積電,但總體基本盤仍維持。三星代工部門副總裁 Moon-sooKang 在 2022 年第一季的投資人會議上證實,三星已經有未來五年的訂單。他指出,這些訂單是三星去年代工銷售額的 8 倍。另外,還值得關注的客戶是高通,因為其宣稱在未來 3 奈米、4 奈米行動處理器將由台積電代工,但進入 GAA 技術製程後,將採取同步下單三星和台積電等多家代工廠的策略,這意味著台積電將不再獨享高通的先進製程訂單,三星或憑藉 3 奈米率先採用 GAA 技術的優勢獲得更多客戶。

只是,要贏得客戶訂單,三星的良率一直是要努力跨過的門檻。據了解,三星 4 奈米的良率從 2022 年初 35% 持續往上走,但目前提升到多少仍未知,而相較台積電 4 奈米的 70% 良率,三星仍存在一定差距。而且,目前三星的先進製程客戶群多為中小客戶,從產能角度如何競爭大客戶的青睞仍待努力。

台積電先進製程優勢將持續擴大

針對競爭對手,一方面是英特爾的轉型,另一方面是三星努力提升良率,台積電則是努力擴產滿足全球客戶需求中。目前台積電斥資 120 億美元在美國亞利桑那州 5 奈米晶圓廠 Fab21 即將完成土建工程,預計將於 12 月 6 日舉行首批機台設備移機典禮,目前已有大批台灣受訓工程師已經前往當地,典禮還將迎接美國總統拜登的親自參訪。另外,日前台積電創始人張忠謀也證實將在美國建 3 奈米工廠的消息。不過,張忠謀並未透露台積電美國 3 奈米廠的投資規模以及啟動的時間。

根據市場人士表次,預計未來 3 奈米廠的產能也將會是每月 2 萬片規模,目前正開始安排人力規劃,預計投資規模也將達到 120 億美元。這也將是台積電在美國的第三座晶圓廠,雖然對於台積電來說,在美國製造晶片的成本要更高,不過,因為這並不是從商業成本考慮的決策。張忠謀曾表示,實際在美國製造晶片的成本比台灣貴 50%,台積電在美國建 5 奈米晶圓廠因應美國政府的發展計畫與當地客戶的需求。

雖然,美國推出的《科學與晶片法案》刺激了不少半導體投資,但張忠謀曾表示,這個補貼金額遠低於提振本土晶片製造所需金額。因此,美國的晶片產量會增加,但是單位成本將增加,美國很難在國際上競爭。而台積電在亞利桑那州興建完 5 奈米廠之後,還計劃興建 3 奈米廠的原因,主要是在當前市場趨勢和貿易關係下,美國客戶在台積電營收當中的總體占比正在持續提升,是促使台積電赴美建先進製程晶圓廠的一大因素。

根據統計,2021 年美國是台積電最大的銷售市場,較 2020 年成長 24%,營收占比為 64%。其中,蘋果一家占據了台積電超過四分之一的營收。同時,日前市場消息傳出電動車大廠特斯拉預計將 4 奈米和 5 奈米製程技術的晶片委託給台積電。如果屬實,特斯拉將進入台積電前 7 大客戶公司,進一步提升美國客戶的占比。

此外,台積電赴美建先進製程晶圓廠,也在一定程度上因應了美國客戶的供應來源地分散化的供應鏈安全需求。彭博社報導指出,蘋果計劃未來將從美國亞利桑那州一座還在建設當中的晶圓廠採購晶片,以降低對亞洲供應鏈的依賴。而蘋果所指的在建當中的晶圓廠,外界普遍認為就是台積電的亞利桑那州晶圓廠。因此,在這一些列因素帶動下,使得台積電在美國再建先進製程晶圓廠。

另一方面,由於台積電在晶片製造領域占據主導地位,隨著其最新的 3 奈米製程技術製造成本的上升,台積電也將大幅提高 3 奈米晶圓的價格。其中,過去台積電 7 奈米晶圓代工定價是 10,000 美元,到 5 奈米已經上升到了 16,000 美元,漲幅高達 60%。隨著台積電 3 奈米製造成本的上升,市場預計晶圓代工定價將超過 20,000 美元,相較 5 奈米製程上漲了 25%,這意味著下一代 3 奈米的 CPU 和 GPU 將更加昂貴。

然而,隨著製程技術的提升,對於半導體設備和材料的要求也就越苛刻,直接導致了製造成本的上升。但相對來說,目前能夠提供先進晶圓代工服務的供應商也僅有台積電和三星兩家廠商而已。其中,台積電一家獨占大部分的市場比例。這種近乎壟斷的局面,也造成了每一代先進製程晶圓代工價格的毫無阻力上漲,而這也是當前 IC 設計企業希望多源代工策略的主要因素之一。

只是,相較競爭對手,台積電在先進製程領域發展相對順利。有消息稱,儘管如今還未量產 3 奈米製程技術,台積電的良率已達 80%,其最大的客戶蘋果,已經提前預定其 M3 處理器採用台積電 3 奈米製程。甚至有消息稱,台積電 2 奈米的風險試產良率也已超過了 90%,蘋果和英特爾等大企業也將做為台積電 2 奈米製程的的首批客戶。

因此,面對英特爾和三星的追趕,有市場人士認為,台積電的優勢已經建立,且這一優勢建立在先進製程上。台積電 2021 年的財報顯示,5 奈米晶片的出貨量占據了其總營收的 20%,7 奈米則占據 30%。這代表先進製程幾乎占了台積電一半的營收,也意味著台積電在先進製程上與對手的優勢不但很難縮小,而且可能進一步擴大。

(首圖來源:台積電)