臺積電和三星的“3nm之爭”：誰(shuí)率先降低代工價(jià)格，誰(shuí)就會(huì )是贏(yíng)家

2022年已經(jīng)接近尾聲，3nm制程的競爭似乎也進(jìn)入到了白熱化階段，臺積電和三星誰(shuí)先真正實(shí)現3nm制程的量產(chǎn)，一直都是產(chǎn)業(yè)的焦點(diǎn)。雖然需要用到3nm芯片的廠(chǎng)商少之又少，但這并不妨礙它是巨頭爭相追逐的對象，畢竟對于整個(gè)半導體產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，搶先掌握先進(jìn)工藝是占領(lǐng)市場(chǎng)最關(guān)鍵的部分。

3nm進(jìn)展如何

臺積電

臺積電作為全球晶圓代工的龍頭企業(yè)，今年憑借著(zhù)第三季度6131億新臺幣的銷(xiāo)售額，有望取代老牌巨頭三星、英特爾成為全球半導體一哥。據市場(chǎng)調研機構Strategy Analytics最新報告，2022年第三季度臺積電代工總收益超過(guò)了200億美元，甚至超過(guò)了其他所有廠(chǎng)商（包括三星）的總和。

最新消息顯示臺積電3nm制程邁入沖刺階段，已明確表明其3nm工藝具有高良率，并且客戶(hù)的N3需求已經(jīng)超過(guò)了臺積電的供應能力，部分原因來(lái)自機臺交付問(wèn)題。此外，臺積電還預計在2023年N3將達到全面利用，將占明年晶圓營(yíng)收的4%-6%。

隨著(zhù)3nm產(chǎn)能在明年逐季開(kāi)出，包括蘋(píng)果、英特爾、高通等大客戶(hù)亦會(huì )導入量產(chǎn)，將成為臺積電2023年營(yíng)收較今年成長(cháng)的主要動(dòng)能。據彭博報道，蘋(píng)果新款的M2芯片處理器更是有可能獨占臺積電3nm代工的大訂單。

臺積電方面還透露N3E作為第二代3nm工藝制程，有著(zhù)更好的效能、功耗和良率，性能相比5nm提升18％、功耗降低34％、密度增加70％。并且，N3E開(kāi)發(fā)進(jìn)度較計劃提前，大規模量產(chǎn)時(shí)間預計在明年二季度到三季度，很可能2023年iPhone 15系列所搭載的A17芯片就會(huì )采用該工藝。

另外值得注意的是，臺積電計劃將N3技術(shù)芯片生產(chǎn)帶到它美國亞利桑那州5nm晶圓廠(chǎng)的傳聞，前兩天臺積電創(chuàng )始人張忠謀首次給出了肯定的答復。不過(guò)并未透露美國3nm晶圓廠(chǎng)建廠(chǎng)計劃的投資規模，以及會(huì )在何時(shí)啟動(dòng)。

雖然美國今年通過(guò)了配套有超過(guò)520億美元補貼的“芯片法案”，但對于臺積電來(lái)說(shuō)在美國制造芯片的成本仍要更高，然而這并不是從商業(yè)成本考慮的決策 —— 臺積電赴美建先進(jìn)制程晶圓廠(chǎng)，也在一定程度上順應了美國客戶(hù)的供應來(lái)源地分散化的供應鏈安全需求。

根據最新的預計，今年臺積電主要客戶(hù)的營(yíng)收占比依次為蘋(píng)果(25.4%)、AMD(9.2%)、聯(lián)發(fā)科(8.2%)、博通(8.1%)、高通(7.6%)、英特爾(7.2%)、英偉達(5.8%)，這前七大客戶(hù)中六家都是美國客戶(hù)，這也正是促使臺積電赴美建5nm/3nm晶圓廠(chǎng)的重要因素。

三星

在3nm制程量產(chǎn)方面，三星比臺積電率先曝出消息，據報道三星6月30日率先開(kāi)始采用3nm制程工藝為相關(guān)的客戶(hù)代工晶圓，首批晶圓在7月25日發(fā)貨。然而除了一家做礦機芯片的中國公司試水之外，大型半導體廠(chǎng)商中還在觀(guān)望，還有沒(méi)有任何一家確定要采用三星的3nm工藝。

雖然三星看似在3nm制程節點(diǎn)上先行一步，但實(shí)際生產(chǎn)上并非一帆風(fēng)順。而此前也是由于三星在4/5nm工藝上糟糕的良品率和表現，才迫使高通這樣的大客戶(hù)將旗艦SoC訂單轉投到臺積電。

在未來(lái)的技術(shù)路線(xiàn)發(fā)展上，三星電子計劃在2024年推出第二代3nm工藝技術(shù)的半導體芯片（SF3）。三星電子表示，其第二代3nm芯片的晶體管將比第一代3nm芯片小20%，這將為智能手機、個(gè)人電腦、云服務(wù)器和可穿戴設備帶來(lái)更小、更節能的芯片。

此外，三星還計劃積極爭取美國境內晶圓代工市場(chǎng)。除了在德州奧斯汀的工廠(chǎng)，目前還計劃在鄰近泰勒市興建全新工廠(chǎng)，為最新3nm制程技術(shù)提供代工量產(chǎn)資源，預計在2024年開(kāi)始運作。

三星之所以不遺余力地擴大其代工產(chǎn)能，是因為三星電子代工事業(yè)部總裁Choi Si-young在日前活動(dòng)中明確表示了三星的目標是2027年將產(chǎn)能提高兩倍以上。為此，三星推行了“殼牌優(yōu)先”戰略，即先建設無(wú)塵室，然后在市場(chǎng)需求出現時(shí)靈活運營(yíng)。據了解，三星在韓國和美國已經(jīng)經(jīng)營(yíng)了五家工廠(chǎng)，并獲得了建造10多個(gè)晶圓廠(chǎng)的場(chǎng)地。

3nm代工價(jià)格驚人

臺積電

臺積電在7nm制程節點(diǎn)成功地引入了EUV（極紫外光），隨后5nm制程節點(diǎn)更是拉開(kāi)了與其他代工廠(chǎng)之間的差距，蘋(píng)果、AMD、英偉達、聯(lián)發(fā)科、博通和高通等業(yè)界大型芯片設計公司紛紛下單。

更先進(jìn)的工藝制程意味著(zhù)更高的成本，每片晶圓的價(jià)格水漲船高。按照臺積電的報價(jià)，7nm工藝的12寸晶圓大約是1萬(wàn)美元一片，5nm更是超過(guò)1.6萬(wàn)美元，預計明年還會(huì )上漲6%。有半導體從業(yè)人員表示，5nm制程節點(diǎn)的代工價(jià)格已非常高，3nm的報價(jià)已達到2萬(wàn)美元，成本的拉升相當明顯。

一塊12寸的晶圓，其晶圓面積約為70659平方毫米，而一塊3nm的芯片，例如高通、蘋(píng)果的3nm手機Soc，預計面積會(huì )是70平方毫米的樣子。也就是說(shuō)一塊12寸的晶圓，在不浪費任何邊角料、100％良率的情況下，也就是只能切割出1000顆左右的芯片。

但晶圓是圓的，芯片是方的，一定會(huì )有邊角料留下來(lái)，還要考慮到良率不可能100％。所以實(shí)際上來(lái)看，如果一塊12寸的晶圓用來(lái)制造3nm的芯片，在良率達到80％以及去邊角料后，最終能夠切割出完整可用的成品芯片也就是600-700顆左右。

如果后續加上研發(fā)、流片、封裝、報損、營(yíng)銷(xiāo)等成本，一顆3nm芯片的成本至少需要1000美元以上，所以只有高端檔手機Soc、電腦CPU、GPU這樣的高價(jià)值產(chǎn)品，才有可能用得起3nm工藝。廠(chǎng)商也會(huì )將成本轉嫁到下游客戶(hù)，所以新款設備終端也會(huì )越來(lái)越貴。

三星

臺積電、三星是全球唯二能生產(chǎn)3nm工藝芯片的公司，卻走的是不同的路線(xiàn)。三星電子的3nm制程工藝率先采用全環(huán)繞柵極（GAA）晶體管架構，臺積電則是繼續采用鰭式場(chǎng)效應晶體管（FinFET）架構。

三星表示與原來(lái)采用FinFET的5nm工藝相比，初代3nm制程（GAE）在功耗、性能和面積（PPA）方面有不同程度的改進(jìn)，其面積減少了16%、性能提高23%、功耗降低45%。到了第二代3nm制程（GAP）面積減少了35%、性能提高30%、功耗降低50%，效果更好，不過(guò)需要2024年才能量產(chǎn)。

這樣的指標很誘人，如果三星能量產(chǎn)，不會(huì )沒(méi)有廠(chǎng)商使用。但實(shí)際情況并不是這樣，三星的3nm并沒(méi)有公司搶著(zhù)上，只能說(shuō)明是有些問(wèn)題的，那就是良率偏低，根本沒(méi)法大規模量產(chǎn)。

據悉，目前臺積電先進(jìn)制程代工價(jià)一直上漲的原因之一就是 —— 三星電子5/4nm及3nm制程良率較低，其中三星3nm制程自量產(chǎn)以來(lái)，良率不超過(guò)20%，量產(chǎn)進(jìn)度陷入瓶頸，因此與臺積電合作關(guān)系的穩定性也是目前多數芯片廠(chǎng)商考量的關(guān)鍵點(diǎn)。

三星3nm工藝的代工價(jià)格目前不清楚是多少，但根據臺積電3nm制程的生產(chǎn)成本，三星以20%的良率用于生產(chǎn)的話(huà)，就算是打折代工估計也要10萬(wàn)美元，芯片成本要增加數倍以上，毫無(wú)競爭力。

不過(guò)，最近三星與美國公司Silicon Frontline Technology擴大合作，將提高其半導體晶片生產(chǎn)良率。據稱(chēng)Silicon Frontline通過(guò)ESD靜電及相關(guān)技術(shù)可以減少晶圓加工中的缺陷，也就是說(shuō)提高芯片的良率，兩家公司對彼此的技術(shù)合作很滿(mǎn)意，但具體提升多少良率還沒(méi)有相應數據公布。

至于是否有實(shí)際收益，還要留意未來(lái)幾個(gè)月三星的晶圓代工情況，看看是否有客戶(hù)愿意下訂單采用三星的先進(jìn)工藝。有消息指出，如果三星的計劃取得成效，高通可能會(huì )重新選擇三星，在一些SoC上采用雙代工廠(chǎng)的做法，以便更好地控制產(chǎn)能和成本。

由于此前高通已經(jīng)表明將持續采用臺積電與三星多芯片制造供應商來(lái)源的模式，加上臺積電在3nm制程上量產(chǎn)時(shí)間的繼續延遲，高通可能考慮將下一代驍龍8 Gen 3處理器交由三星來(lái)生產(chǎn)。

當前臺積電是高通驍龍8 Gen 2 移動(dòng)處理器的獨家供應商，由其4nm制程節點(diǎn)來(lái)生產(chǎn)，但是到了2023 年之際將有許多的不確定性。不過(guò)，當前談驍龍8 Gen 3的情況似乎還太早，還有許多的不確定性，需要在接下來(lái)的時(shí)間持續關(guān)注。

值得注意的是，三星作為最大的存儲芯片制造商，三季度在存儲芯片方面的營(yíng)收環(huán)比下滑28.1%，導致他們整體的凈利潤下滑，也導致將全球半導體銷(xiāo)冠的寶座拱手讓給了英特爾。英特爾三季度的營(yíng)收雖同比也大幅下滑，但他們在半導體方面148.51億美元的營(yíng)收，只是略低于上一季度的148.65億美元，高于三星電子的146億美元。

此外，三星近期也頻頻警告，由于對個(gè)人電腦和智能手機的需求較預期進(jìn)一步減弱，導致數據中心和消費科技客戶(hù)削減訂單、庫存增加，三星正面臨更嚴峻的市場(chǎng)形勢。

潛在的競爭者英特爾

根據英特爾制程工藝路線(xiàn)圖，英特爾Intel 7正在生產(chǎn)并批量出貨，Intel 4將采用EUV技術(shù)，預計2022年下半年投產(chǎn)，其晶體管的每瓦性能將提高約20%；而Intel 3作為英特爾代工服務(wù)的重點(diǎn)，將提供I/O Fin和高密度單元，以及更多EUV的使用和更好的晶體管和互連，每瓦性能實(shí)現約18%的提升，預計2023年下半年投產(chǎn)。

就在近期，英特爾還成立了晶圓代工新聯(lián)盟 USMAG（美國軍事、航空航天和政府）聯(lián)盟，作為對其設計生態(tài)系統加速器計劃的戰略性補充，初始成員包括Cadence、Synopsys、Siemens Digital Industries Software、Intrinsix和Trusted Semiconductor Solutions等芯片巨頭。就在今年2月，英特爾代工服務(wù)（IFS）啟動(dòng)了其加速器設計生態(tài)系統計劃，以幫助代工廠(chǎng)客戶(hù)將硅產(chǎn)品從構思到實(shí)施。