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台积电宣布赴美建厂,美国能重塑晶圆代工格局吗?

2020-05-15
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近日,美国欲在本国建晶圆厂的消息频出,起先是有知情人士传出,特朗普政府官员正在与台积电(TSMC)进行谈判 ,以在美国建厂。而根据半导体行业观察获悉,台积电已经宣布了其在美国的建厂计划。根据台积电的公告,该工厂将生产5nm芯片,规划产能是2万片每月。这将产生超过1600个高科技专业直接工作,以及半导体中的数千个间接工作。根据规划,该工厂将于2021年开始建设,目标是2024年开始生产,在2021到2029年的资本支出将会高达120亿美元。


其实不止台积电,Intel和GlobalFoundries也是美国谋求晶圆代工可控的潜在合作对象。

据《华尔街日报》日前报道,上个月, Intel首席执行官鲍勃·斯旺(Bob Swan)向国防部官员致信,表示他的公司已准备好与五角大楼合作建立商业代工厂。而GlobalFoundries的发言人Laurie Kelly表示,该公司随时准备与该行业和美国政府合作,“以确保美国具备为其最安全和最敏感的技术提供半导体所需的制造能力。”

可以看到,特朗普政府这次是有备而战,但他们真的能重塑当前的晶圆代工格局吗?

晶圆代工现状


晶圆代工是半导体产业链中至关重要的一环,制造工艺高低直接决定了半导体产业先进程度。在台积电出现之前,基本所有的半导体厂商都有自己的晶圆厂,就像三星和英特尔这样,如果按照这个模式发展下去,对大部分的芯片新进者来说,无疑是一个巨大挑战,因为晶圆生产工厂的投资,不是个小数目。

台积电创始人张忠谋的一个决定,改变了整个半导体行业的走势,他的想法用如今流行的话语来说,就是解决公路的“最后一厘米”。

当时,半导体公司大多把晶圆制造作为副业,因为主业不是晶圆制造,而是设计和销售自己的产品,所以他们的代工服务并不专业。拥有丰富经验的张忠谋看中这一点,借着台湾日益进步的制造优势,开始开拓晶圆代工这块“荒土”。

根据维基百科资料显示,1986年,张忠谋成立了第一家专业晶圆体制造公司:台湾集成电路制造公司(台积电),并担任董事长。1988年,台积电迎来大转机,争取到为英特尔代工的机会。此后,台积电的规模不断扩张,而且获利惊人,连连成为台湾最赚钱的公司。

台积电从创立到规模不断扩张的过程,也是专业芯片代工模式从半导体产业成功独立出来的过程。台积电的成功,促使无厂半导体Fabless开始兴起。反之,Fabless的兴起同时也加大了晶圆代工的发展与竞争。

如今,三十年过去了,晶圆代工已经成了半导体业界极其重要的一项业务。根据集邦咨询旗下拓墣产业研究院最新数据分析,2020年第一季前十大晶圆代工厂分别为:台积电、三星、格芯、联电、中芯国际、高塔半导体、世界先进、力积电、华虹半导体以及东部高科。


从表格中可以看出,台积电依然是一骑绝尘,市场份额占比超过了50%,目前台积电已量产7nm,对于5nm技术进展,台积电在今年4月16日的财报会议上表示,5nm将于2020年下半年大规模量产,3nm、2nm的研发正在推进中。

第二名的三星也有16%左右,三星7nm已于今年2月份开始量产。同时加码投资部署5nm制程工艺,预计6月底5nm EUV生产线就能建设完毕,最快今年年底开始生产5nm。

国内中芯国际和华虹半导体也在急起直追,目前中芯国际已开始量产14nm,并成功为华为海思麒麟710A芯片进行代工生产,虽然与头部厂商仍有一定差距,但实现了“从0到1的突破”。同时,华虹半导体方面,华虹集团总工程师赵宇航指出其14nm FinFET工艺已经全线贯通,SRAM良率25%,2020年将快速推进。

如今,美国开始吸引晶圆代工厂入驻,在当前的晶圆代工局势下,格局是否会被改写?基于此,我们首先考虑被邀请的两家美国本土厂商。

格芯谋求复兴


在半导体产业内,“老大吃肉,老二喝汤,老三喝西北风”的现象比比皆是,赢家通吃的法则在晶圆代工领域大行其道。而格芯就是那个“老三”。

2018 年全球前十大纯晶圆代工厂排名(单位:百万美元)

回看2018年的数据,格芯还占据着榜单第二的位置,短短一年多时间,原本位居第二的格芯已经被三星拉开了两倍多的市场份额,在IC产业迅猛发展的大环境以及全球晶圆厂受惠于IC产业的趋势下,格芯不进反退,其表现无疑是让人失望的。

格芯是由AMD拆分而来,2008年,AMD宣布无晶圆厂计划,决定将半导体制造业务分拆成新公司。2009年,格芯宣布成立,迅速收购了特许半导体公司,并在纽约设立新工厂。

为了追赶台积电的步伐,获取知识产权和相关技术,2014年,格芯收购了IBM大部分的半导体业务,获得优势的同时,又获得了产能和人才。2016年,格芯从三星电子获得了14纳米 14LPP FinFET的工艺授权,并基于此开发了12纳米 12LP节点。

对于晶圆厂而言,保持工艺领先是核心竞争力,所以集成电路制造公司,不断的投入巨资,用于采购昂贵的设备,以及新技术的研发。但格芯却在先进制程上吃了大亏,为保证技术先进性,格芯像滚雪球一样投入研发金额,但始终把控不好研发投入和产出,造成越来越重的债务。

回看这些年格芯的财务状况,表现非常一般,有数据指出,从2011年到2017年,总计7年间,格芯共亏损69.4亿美元,平均每年亏损近10亿美元,2014年、2015年和2017年这三年是亏损最严重的,三年合计亏损超过40亿美元。

2018年8月28日,格芯宣布停止7nm工艺的投资研发,转而专注现有14/12nm FinFET工艺和22/12nm FD-SOI工艺。伴随这个消息的传出,有人也开始质疑此前AMD选择与台积电合作7 nm制程产品的决定是否与该举动有关,毕竟AMD一直是格芯的主要客户,格芯退出先进制程研发,无疑让台积电笑纳AMD订单,坐稳全球代工宝座。

对于格芯来说,宣布退出先进制程研发带来的另一个损失就是IBM,2018年11月,据国外媒体TechSpot报道,台积电与IBM签署了协议,将为后者生产大型服务器芯片。IBM本身也是有苦说不出,毕竟当年为了将晶圆厂卖给格芯还倒贴了15亿美元,此举的原因之一恐怕就是为了保持与格芯的长期合作关系。

在宣布退出先进制程研发后,格芯又发生了多次变故,包括出售多座晶圆厂以及相关业务,在成都投资近百亿美元的晶圆厂项目也陷入了停滞,近两年来,围绕着格芯的始终是裁员、卖厂、项目停摆、公司出售等负面消息。


几番折腾的格芯似乎没有停下脚步,正如前文所言,近日,格芯正在与政府讨论在美国建先进代工厂。相关报道显示,发言人埃里卡·麦吉尔(Erica McGill)在电子邮件中称:“GlobalFoundries正在与美国政府讨论如何通过位于美国的半导体制造来确保美国的技术领先地位。”

然而,想象是美好的,现实是残酷的。对于格芯来说,放弃先进制程已经使它痛失了AMD和IBM两大客户,想要重修旧好必须要拿出先进的技术,至少不能落于台积电,这对于现在的格芯来说显然不可能。

暂且不说超越台积电,就研发先进制程来说,根据数据显示,目前建造一条12英寸32/28nm的规模生产线需要超过40亿美元,12英寸14nm生产线投资高达100亿美元。对于更先进的工艺,投资成本更是无法想象的,而且折旧成本也是惊人的,连年亏损的格芯难免会非常吃力。

纵使格芯在联邦政府的支持下拥有可观的资本,研发也需要一段时间,况且其花了很多时间和金钱进入Albany,也未能成为领先的代工厂。

英特尔死心不息


另一位厂商就是英特尔,作为另一家美国本土厂商,特朗普政府官员也在与英特尔谈判,希望其能在美国建厂。很多人以为英特尔只负责自家芯片生产,其实英特尔也曾做过晶圆代工业务。

在2008年,英特尔就已经开放代工业务,到2013年,英特尔正式开放代工,其客户有Achronix、LG、Netronome、Spreadtrum等公司,然而到2018年,就有传言称英特尔将关闭芯片代工业务,仅仅持续了几年时间。

当时有外媒指出,在Altera被收购之后,英特尔的代工业务几乎不剩下什么知名的芯片设计公司,Altera是英特尔早期最大的代工客户。满打满算,英特尔花了近十年时间进入晶圆代工市场,最后却成了一场梦。

有句老话说得好,对手是最了解自己的人。台积电董事长张忠谋曾经这样评价英特尔发力晶圆代工,他表示:“英特尔并不是专业晶圆代工厂,只是把脚伸到池里试水温,相信其会发现水是很冰冷的。”张忠谋甚至引用了斯大林格勒战役,他表示,战役对苏联来说是生死问题,但对德国则不是,因此,德国30万大军被全歼。

英特尔似乎在代工业务方面总是留一手,在2017 manufacturing day上,英特尔曾表示,先进制程是芯片代工领域增长最快的部分(230亿美元),几乎占芯片代工收入的一半。因此在会上其不仅曝光了10nm细节,还透露了22FFL入门级FinFET节点,并明确表示,它正在建立一个代工专营权。

但这个所谓的“代工专营权”在之后的几年里并无水花,seekingalpha曾有一篇文章指出,英特尔确实说过“22FFL最初是为了自己的目的而开发的”这个言论,很明显,它似乎并没有做好成为一个晶圆代工厂的觉悟,总是将自己的产品放在优先级。

不仅如此,之前英特尔在10nm方面,也表现的差强人意。在2015年表示10nm从2016年推迟到2017年下半年。在2017年,又推迟到2018年下半年。在2018年,推迟到2019年,也无怪乎外界称其为“牙膏厂”。

毋庸置疑,根据摩尔定律,制程的三年延迟会极大地改变代工厂所提供产品的竞争动力。更不用说这会给承诺加入该节点的客户带来问题。此举不仅失去了原本客户也让潜在客户对其失去了兴趣。

台积电在这方面却表现的极为优秀,2016年成功量产10nm(注:英特尔与台积电对于制程的理解不同),并在2017年实现量产7nm,目前,台积电5nm工艺也即将量产,之后,更为先进的3nm工艺研发也非常顺利,预计将会在2022年开始投产。

作为一家晶圆代工厂,台积电为具有多种不同设计的许多客户生产芯片,这需要灵活性和独创性。而英特尔的工厂主要是为自己的产品进行设计,尽管如此,他们甚至连为自己的10nm芯片设计进行有效地生产都做不到。

十年来,英特尔一直把该业务当成副业来经营,或当成自己处理器主业的调节缓冲,对英特尔而言,晶圆代工或许有其策略重要性,但却始终不被认为是主要核心,正是这样的心态,英特尔晶圆代工业务始终没有太好的表现。

此次联邦政府的邀请成为了英特尔一个重启晶圆代工业务的重要机会,在外界看来,英特尔似乎做好了准备。首先是之前备受诟病的10nm,英特尔已在2019年实现正式量产,其CEO Bob Swan甚至称10nm的产量“不错”。其次是英特尔给出了完整的研发流程,并保证维持两年一更新的制程节奏和十年路线图。


英特尔甚至承诺在5nm制程上重新夺回工艺领导地位,下一步似乎显而易见,英特尔准备重新致力于代工市场,美国联邦政府的邀请可能只是顺水推舟罢了。

但正如simiwiki在报道指出,英特尔要想彻底改变身份,成为台积电的有力竞争者,将是一项极其艰巨的任务。主要有以下几点:

1、因为代工厂和IDM是两个非常不同的概念。为别人代工不仅需要不同的技能,还需要不同的晶圆厂设置。

2、大多数芯片设计公司都是以利润为中心的,英特尔的代工成本若不能解决将使他们望而却步。

3、英特尔的产能也是很重要的问题,毕竟英特尔还要为自己生产芯片,因此为其他芯片设计公司代工只能使用剩余产能。

4、英特尔是IDM厂商,所以之前和英特尔合作的企业都是互补远远少于竞争的企业,让AMD或者Nvidia等竞争对手同时也是潜在客户去选择英特尔代工,不仅英特尔不会同意,对于这些对手而言,也有产品机密泄露给对家的担忧。台积电至今没有涉足芯片设计领域,也有这方面的考虑。

尽管如此,我们并不清楚英特尔真正的产能,也不知道其是否已经控制好了相应成本,毕竟在先进制程方面,英特尔依旧拥有话语权。

台积电是最好的合作对象?


其实对美国来说,引进台积电也许是当下最好的解决方式。

在前文我们谈到,台积电已经成为了全球领先的晶圆代工厂,他们也拥有庞大的客户群。其5nm产线也在今年启动。他们也计划明年开启3nm的试产。拥有客户和技术,这对于美国来说,毫无疑问是一个最好的合作对象。但早在去年,美国就有让台积电在本国建厂的打算,不过台积电以成本高昂为理由,委婉地拒绝了该要求,以期保持中立态度。彭博专栏作家高灿鸣(Tim Culpan)对此评论,“台积电不可能永远隔岸观火,即使刘德音只是想要制造芯片,他最终也得做出选择。”

根据台积电2019年报显示,去年美国市场占台积电营收大约59%,中国客户则是19%。在这样的大趋势底下,台积电没有太多选择,因此高灿鸣认为台积电到美国建新厂,在可见的未来,是非常有可能发生的。而美国本土晶圆厂的发展,还需要一定的时间和资金投入。


而从华尔街日报的最新报道看来,台积电似乎已经做出了决定。但知名半导体分析师陆行之日前表示,他不赞成台积电赴美建厂,这主要有三个原因:

1、 美国没有半导体下游封装, 测试及PCB,模块, 组装产业链 (鸿海威斯康辛州的投资到现在还没个影), 难道还要晶圆处理好, 再花费庞大运费送往各国组装?美国厉害的就是设计研发, 不要妄想能够成为科技产品制造王国好吗?

2、美国人工粗手粗脚的也缺乏晶圆代工制造所需要的效率, 能每天24小时三次轮班的工作及研发吗 (欧洲也不行)?10年前, 我曾估算过英特尔的美国厂的晶圆制造成本是台积电的两倍以上 (主要是良率, 产能利用率, 半导体上中下游群聚效益, 及工作效率差异) , 看台积电 Wafertech 没扩厂就知道了, 这就是为什么连英特尔都要跑海外设厂想办法降低成本, 现在AMD 靠着台积电的先进又低成本制程抢英特尔CPU的份额, Globalfoundries Fishkill 纽约厂经营不下去的原因。

3、台积若是赴美生产核心技术半导体, 除了对台湾半导体未来发展前景有疑虑外, 重大事件发生在台积电时, 美国政府只要顾到台积电美国厂就好了, 所以把所有美国客户当人质还是要的, 台积电千万不要上当。

写在最后


有报道指出,如果从现在开始算,在美国建立领先的晶圆厂可能需要五到十年的时间,也许能勉强运行。考虑到英特尔在代工业务方面的失败并不是因为缺乏技术,因此,也许经过十年的投资并在台积电的帮助下或在双方的合作下,可能会在美国建立一家领先的代工厂。但没有人会知道十年后台湾会发生什么。

代工业务经历了30多年的高速增长,目前正呈现出强者恒强的局面。人才、先进工艺和产能一直以来都是晶圆厂的核心业务。尤其是台积电,在先进制程的战争中,台积电可以说是打遍天下无敌手。高投入与高回报这样一个“恶性循环”让台积电强上加强,后进者的追赶难度也变得越来越大。虽然最近两年有因为做存储挣到大把钞票的三星在晶圆厂方面大力投入,就算这样做也还有很长的路要走。

不过话又说回来,虽然疫情来袭打得大家措手不及,但半导体是一个高度全球化的产业。发展至今早就有了明确的分工。如果美国真的想要建立一个自给自足的供应链,那势必要把整个产业链都搬回去。这其中不仅包括晶圆代工,封装和测试也至关重要。毕竟,在美国生产晶圆,再把它们运到其他国家封装无异于多此一举。

封装和测试比建立一个代工厂要容易得多,也正是如此,表明它们是低水平,低利润的业务,在美国这样一个发达国家,人力成本很高,进行封装和测试显然是不划算的,将会大大提高芯片成本。因此,后续也许是芯片仍在海外封装。

至少目前看来,重塑晶圆代工格局对于美国来说,并不容易。


*免责声明:本文由作者原创。文章内容系作者个人观点,半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点,不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持,如果有任何异议,欢迎联系半导体行业观察。


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