3nm鏖战正酣 代工双雄台积电和三星谁会胜出?

最新更新时间:2021-11-25来源: 爱集微关键字:台积电 手机看文章 扫描二维码
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5nm之后,晶圆代工竞争开始走向更先进制程的3nm节点。当前,在先进制程的竞争上,已形成三星、台积电、英特尔三分天下的局面。而从3nm来看,三星和台积电之间的争夺尤为激烈。

关于3nm的进度,台积电方面表示,3nm制程进展符合进度,于今年试产,并将于2022年下半年量产。三星电子则宣布将于2022年上半年开始生产首批3nm芯片,第二代3nm芯片预计将于2023年开始生产。

从时间上看,三星3nm将领先台积电大约半年时间,其欲借3nm反超台积电的心思显而易见。综合来看,两者的实力究竟如何?本文将从技术、资金、产能、客户等方面展开,以期反映两者大致的实力概貌。

技术路线

台积电和三星在3nm最大的不同在于技术选择上。

台积电3nm制程将继续采用FinFET(鳍式场效晶体管)技术。为何台积电会做此选择?分析认为,一方面正是由于其研发团队将 FinFET 的性能提高到了新的高度,与 5nm 相比, 3nm 在速度上有10%~15%的提升,功耗有25~30%的降低,而逻辑密度则提高 1.7 倍,SRAM 密度也将提升 20%;另一方面是由于3nm可以在 2022年下半年量产,这样能让下单客户实现技术的快速升级,率先推出领先的产品。

三星方面,为了在半导体制程工艺上追赶上台积电,在3nm工艺的研发当中率先引入了全新的GAA(Gate-all-around,环绕栅极)技术。

据了解,基于GAA的FET(GAAFET)有多种形式,大多数研究都是基于纳米线的GAAFET,它们具有较小的沟道宽度。这些类型的GAAFET通常用于低功耗设计,但很难制造出来。另一种实现方式是使沟道像水平铺放的纸一样,通过增加沟道面积来为性能和尺寸带来好处。三星称其基于纳米片的GAAFET为多桥沟道FET或MBCFET,该技术可以显著增强晶体管性能,主要取代FinFET晶体管技术。

相比于FinFET晶体管技术,GAAFET架构的晶体管提供更好的静电特性,这样漏电功率会降低,从而功耗降低。三星表示,与5nm制程相较,GAA制程技术将使得芯片面积可再减少35%,性能可提高30%或功耗降低50%。

三星3nm工艺上分为两个版本,其中3GAE(低功耗版)将在2022年年初投入量产,3GAP(高性能版)则会在2023年年初批量生产。

研发实力

要想在芯片制程工艺方面保持领先,也就意味着需要在研发方面投入大量的资金。

台积电的研发投入一直稳定增长。根据台积电财报,2019年,研发支出为29.59亿美元。2020年,台积电为了追求5纳米及更先进的3纳米工艺,研发支出更是大增26%,一举突破30亿美元,达到37.2亿美元。而从台积电4月15日发布的一季度财报来看,其今年在研发上的投入将会更高,一季度10.96亿美元的研发支出,明显高于去年的平均水平。

资本支出方面,台积电于今年1月14日发布消息称,计划将今年的资本支出增加至250亿美元到280亿美元之间,IC Insights 估计,台积电平均单季度资本支出将约69 亿美元,较2020 年第4 季度支出倍增。

在这方面,三星同样不甘落后。三星的研发支出逐年大幅增加,其2020年研发支出为55亿美元。

资本支出方面,据IC Insights报告显示,自2017年以来,三星的半导体资本支出一直非常强劲,2018年的支出达到216亿美元,2019年达到193亿美元,去年达到281亿美元。数据显示,三星在2017-2020年期间资本支出总额为932亿美元。尽管三星尚未为其2021年的支出提供指导,但IC Insights估计该公司的支出将基本与2020年持平。

此外,2019年4月,三星公布“半导体愿景2030”发展蓝图,准备在10年内投资1160亿美元,录用15000名专业人才,以期在2030年前大幅提升在晶圆代工市场竞争力,并在2030 年超越台积电,登上产业龙头。

光刻机

除了技术研发,对代工厂商而言,还需要设备方面投入大量的资金,这其中又以光刻机的支出最为昂贵。

光刻机是生产制造芯片的必要设备,尤其是生产制造7nm以下制程的芯片,必须要用到EUV光刻机。而ASML是目前全球唯一能制造EUV光刻机的厂商,包括台积电、三星、英特尔先进芯片制程工艺量产所需的极紫外光刻机,均由ASML提供。根据ASML财报披露,一季度来自光刻机的收入共 31.29 亿欧元,EUV光刻机占 36%,也就是为 11.26 亿欧元,光刻机的平均价格为 1.6 亿欧元。

数据显示,截止到2020年底,ASML已经出货100台EUV光刻机,但三星仅获得30台EUV光刻机,相比之下,台积电在EUV光刻机方面却稳如泰山,消息称,其已经安装超70台EUV光刻机,是三星的两倍之多。不仅如此,在EUV光刻机交付、安装方面,ASML往往是优先供货台积电。

此前曾有报道称,为应对新制程工艺产能扩大的需求,台积电极紫外光刻机的累计采购量在今年将超过50台,预计今年可获得18台。姑且按照每台1.6亿欧元估算,13 套 EUV可能使台积电花费高达 20.8亿欧元(约合23.4亿美元)。

为了赢得未来,上文提到的三星为期十年、总投资高达1160亿美元的方案中,为促进晶圆代工业务的发展,其中最核心的能力就是攻克EUV光刻技术。

早于2019年,三星就花费170亿美元,在韩国京畿道华城建造EUV工厂。三星还专门为华城工厂购置了15台EUV光刻机(分3年时间交货),ASML公司的EUV光刻机,仅一台售价就高达1.72亿美元,一下豪置15台,可见三星在晶圆代工领域翻身的决心。

2020年年初,有外媒报道称,三星已开始其新建的V1晶圆工厂的大规模生产,成为业内首批完全使用6LPP和7LPP制造工艺的纯极紫外光刻(EUV)生产线。而该工厂还被认为是三星3nm制程的主阵地。而据今年2月21日消息,三星电子在一份文件中表示,将提早扩大位于京畿道华城的芯片工厂V1生产线来扩大其EUV专用生产线的产能,三星正抓紧为3nm量产做准备。

产能方面

对于代工厂商而言,率先将先进工艺量产,并且保证性能稳定是抢占市场份额的关键。

台积电的3nm制程技术最快会在2022年投产,并且计划在2022年下半年即可量产 ,实际应用产品则预期会在2023年推出。而台积电目前在美国亚利桑那州投资建造新厂会以5nm制程技术生产为主,而3nm制程技术则会以位于中国台湾地区南部科学工业园区建造厂房提供。

台积电董事长刘德音曾经表示,在3nm制程上,于南科厂的累计投资将超过 2万亿元新台币,目标是3nm量产时,12英寸晶圆月产能超过60万片。而据Digitimes报道,台积电3nm芯片在2022年下半年开始量产,单月产能5.5万片起,2023年,将达到10.5万片。

在产能方面,台积电具有动态调配生产线能力,可以将产能利用率提高到110~120%。而在良率方面,台积电的新制程接单标准是一般不低于75%,在14nm等成熟的工艺线,良率则能保证达到95%~98%,这也让台积电的优势更为巩固。简而言之,台积电的竞争力不只来自核心工艺,它的整套内部管理制度才是保证产能与良率的关键。

三星方面,由于自家业务原因,能开放给别人的产能比不上纯做晶圆代工的台积电。目前三星在产能与良率方面和台积电仍有一段差距。知名研究机构The Information Network预测,台积电领先三星在晶圆代工的先进制程产能规模约242%至460%不等。

统计数据显示,三星在2020年的晶圆月产能约为2.5万片,而台积电则为14万片,尤其是在目前最前沿的5nm制程方面,三星晶圆月产能约为5000片,而台积电约为9万片。

在最新通报会上,台积电表示,由于5nm需求强劲,该公司5nm系列在2021年的产能扩充计划比2020年会翻倍,2022年将比2020年增长3.5倍以上,并在2023年达到2020年的4倍以上。

而据韩国媒体引述多家供应商报道,由于三星迟迟未提高5nm的产品良率,使得三星在5nm产线的构建与客户抢夺上也陷入被动。 

客户订单

近段时间以来,频传台积电和三星3nm首家客户的消息。据消息称,苹果已经成为台积电3nm制程的首批客户,预先承包了台积电3nm制程的初期产能,同时英特尔也将采用台积电3nm制程生产图形芯片、服务器处理器。

而处理器大厂AMD可能成为三星代工业务首家3nm制程客户,原因是合作伙伴台积电与苹果关系密切,使AMD考虑选择三星交付3纳米制程订单。除了AMD,高通也对三星3nm制程感兴趣。

目前,两家的3nm客户名单还未正式公布。但从现有客户来看,台积电的客户几乎覆盖了全球顶级半导体巨头,包括苹果、AMD、高通、Marvel、联发科、英伟达等都是其主要客户。

图:台积电客户营收占比,数据来源:The Information Network

过去三星的晶圆代工服务一直卡在无法有效扩大客户群,除了自家三星电子的订单以外,能接到的外部订单寥寥可数。近年来,三星陆续拿下谷歌和思科,高通和英伟达等重大客户。如果三星在3nm真的能够领先台积电,预计还能够再吸引到更多的客户。

结语:TrendForce数据最新显示,目前台积电的市场份额接近52.9%,是全球最大的芯片代工企业,而三星位居第二,市场份额为17.3%,三星与台积电的差异依旧明显。三星能否凭借3nm打赢这场翻身仗?或许明年就会有分晓。


关键字:台积电 编辑:北极风 引用地址:http://news.eeworld.com.cn/xfdz/ic555505.html

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