臺積電要抄三星的后路

在芯片制造領(lǐng)域，先進(jìn)制程的影響力和統治力越來(lái)越大，已經(jīng)從之前的邏輯芯片晶圓代工領(lǐng)域，拓展到最先進(jìn)的存儲芯片制造，這在臺積電和三星身上有凸出的體現。

當下的 3nm 制程晶圓代工，臺積電的市場(chǎng)統治力很明顯，三星處于弱勢地位。未來(lái)的 2nm 制程，三星必須加緊趕上，否則會(huì )越來(lái)越困難。

在高帶寬內存（HBM）芯片制造方面，原本都由存儲芯片 IDM 大廠(chǎng)自家完成，但是，到了下一代的 HBM4，技術(shù)難度和制造難度提高了不少，需要更先進(jìn)的制程工藝參與進(jìn)來(lái)。

2nm 制程針?shù)h相對

據報道，臺積電將于 7 月中旬開(kāi)始試生產(chǎn) 2nm 制程工藝芯片，早于市場(chǎng)預估的第四季度。

臺積電 2nm 工藝首次應用 GAA（全環(huán)繞柵極晶體管）技術(shù)，可以在更小的制程節點(diǎn)上提供更好的性能。

據臺積電介紹，與 3nm 制程相比，2nm 的能效提升 10%~15%，功耗降低 30%。當試產(chǎn)良率達到一定標準時(shí)，便可以推進(jìn)到量產(chǎn)階段。

臺積電的 2nm 制程將包括 N2、N2P 和 N2X 三個(gè)版本，預計 2025 下半年開(kāi)始量產(chǎn)其第一代 GAAFET N2 節點(diǎn)芯片，下一個(gè)版本 N2P 將在 2026 年底量產(chǎn)。臺積電這兩個(gè)版本 2nm 工藝沒(méi)有使用背面供電技術(shù)，不過(guò)，整個(gè) N2 系列將增加臺積電新的 NanoFlex 功能，該功能允許芯片設計人員在同一模塊中匹配來(lái)自不同庫（高性能、低功耗、不同面積）的單元，以提高性能或降低功耗。

N2P 之后將是電壓增強型的 N2X。盡管臺積電曾表示 N2P 將在 2026 年增加背面供電技術(shù)，但看起來(lái)情況并非如此，N2P 將使用常規供電電路，具體原因尚不清楚。

有消息稱(chēng)蘋(píng)果已經(jīng)與臺積電達成獨家協(xié)議，包下臺積電 2nm 制程首批全部產(chǎn)能。

據外媒報告，臺積電 2024 年資本支出可能達到上限值 320 億美元，2025 年有望進(jìn)一步升至 370 億美元，主要用于提前部署 2nm 工藝量產(chǎn)，采購先進(jìn)設備。目前，三星也在發(fā)力 2nm 工藝，臺積電提前部署產(chǎn)能的目的是為保持在晶圓代工領(lǐng)域的領(lǐng)導地位。

今年初就有報道稱(chēng)，三星已經(jīng)從日本人工智能（AI）初創(chuàng )公司 Preferred Networks Inc.（PFN）收到 2nm 制程芯片訂單，從而在 2nm 晶圓代工業(yè)務(wù)中搶得先機。

7 月 9 日，三星發(fā)布公告，官宣了與 Preferred Networks Inc. 的合作，將基于 2nm 制程工藝和 2.5D 封裝技術(shù) Interposer-Cube S（I-Cube S），提供一站式解決方案，為對方制造 AI 芯片。

Preferred Networks Inc. 主要進(jìn)行人工智能深度學(xué)習開(kāi)發(fā)。據悉，三星之所以被選中，是因為其同時(shí)具備存儲器和晶圓代工服務(wù)，有著(zhù)較強的綜合能力和技術(shù)積累，可以提供 HBM 設計、生產(chǎn)和先進(jìn)封裝的全套解決方案。

三星原計劃 2025 年量產(chǎn) 2nm（SF2）制程芯片，然后于 2026 年采用背面供電技術(shù)。與 3nm 工藝（SF3）相比，三星的 2nm 工藝性能提升 12%，功率效率提升 25%，面積減少 5%。

臺積電和三星在 2nm 制程芯片量產(chǎn)方面在較勁，雙方也都有需要解決的問(wèn)題。

IBS 估計，與 3nm 處理器相比，2nm 芯片成本將增長(cháng)約 50%。

正是有蘋(píng)果、英偉達、AMD 等大客戶(hù)下單，臺積電才會(huì )大規模投資最先進(jìn)制程，否則，像 2nm 這樣燒錢(qián)的制程產(chǎn)線(xiàn)，是很難持續支撐下去的。目前，臺積電正在全方位控制成本，包括 EUV 設備的支出，電能的節省等。雖然其它幾家廠(chǎng)商也會(huì )面臨 2nm 成本問(wèn)題，但為了追趕臺積電，三星和英特爾似乎在成本方面沒(méi)有臺積電那么敏感。另外，由于臺積電要在美國新建至少兩座先進(jìn)制程晶圓廠(chǎng)，這給它帶來(lái)了很多額外的成本壓力。因此，臺積電的 2nm 制程產(chǎn)線(xiàn)必須精打細算。

對于晶圓代工來(lái)說(shuō)，良率非常重要，它直接影響生產(chǎn)成本和客戶(hù)認可度。

自從進(jìn)入 5nm 制程時(shí)代以來(lái)，良率一直是三星晶圓代工業(yè)務(wù)所面對的最大問(wèn)題，特別是在 3nm 制程節點(diǎn)上，三星率先引入了全新的 GAA 架構晶體管，與以往使用的 FinFET 晶體管有較大區別，制造難度增加不少。

據 Notebookcheck 報道，三星的 3nm 工藝良率在 50% 附近徘徊，依然有一些問(wèn)題需要解決。

今年 2 月，據韓媒報道，三星新版 3nm 工藝存在重大問(wèn)題，試產(chǎn)芯片均存在缺陷，良率為 0%。報道指出，采用 3nm 工藝的 Exynos 2500 芯片因缺陷未能通過(guò)質(zhì)量測試。

為了追趕臺積電，三星的 3nm 制程工藝采取了比較激進(jìn)的策略，主要體現在 GAA 晶體管架構上，臺積電的 3nm 依然采用 FinFET。2nm 才會(huì )轉向 GAA 晶體管，激進(jìn)的結果就是要在良率方面付出一些代價(jià)。

臺積電統治 3nm 代工

據了解，臺積電 3nm 制程產(chǎn)能已經(jīng)被各大客戶(hù)預定到 2026 年。

最新一波訂單正在被聯(lián)發(fā)科和高通爭搶。新一輪 5G 手機旗艦芯片大戰將于今年第四季度開(kāi)打，聯(lián)發(fā)科的天璣 9400 和高通的驍龍 8 Gen 4 對決，兩大廠(chǎng)商的新處理器都將采用臺積電 3nm 制程生產(chǎn)，近期進(jìn)入投片階段，使得相關(guān)產(chǎn)能更加緊張，因為英偉達、AMD、蘋(píng)果都在積極爭取更多臺積電 3nm 產(chǎn)能。據悉，臺積電計劃將今年的 3nm 制程產(chǎn)能擴充 3 倍，但仍呈現供不應求的局面。

為了讓天璣 9400 順利上市，聯(lián)發(fā)科正在努力確保 3nm 制程產(chǎn)能供應。目前，聯(lián)發(fā)科的旗艦款天璣 9300/9300+芯片，都是用臺積電 4nm 制程制造。

高通雖尚未公布新一代旗艦芯片驍龍 8 Gen 4 亮相時(shí)間和細節，外界認為，該款芯片也將采用臺積電 3nm 制程生產(chǎn)，并于第四季度推出，芯片性能也將升級。據悉，驍龍 8 Gen 4 將采用臺積電 N3E 制程生產(chǎn)，每個(gè)芯片報價(jià) 220~240 美元，比驍龍 8 Gen 3 高出 25%~30%。

據悉，臺積電打算提高 2025 年先進(jìn)制程工藝和先進(jìn)封裝的訂單報價(jià)，其中，3nm 的報價(jià)將提高 5% 以上，具體情況取決于訂單的數量和協(xié)議條款，目前的晶圓報價(jià)在 20000 美元以上。CoWoS 封裝的報價(jià)將提高 10%~20%。傳聞臺積電的 3nm 漲價(jià)方案已得到客戶(hù)的同意，雙方達成了新協(xié)議，以確保穩定的供應。

此外，有業(yè)內人士透露，面向高性能計算客戶(hù)的 4nm/5nm 制程工藝可能會(huì )漲價(jià) 11%，也就是說(shuō) 4nm 晶圓的價(jià)格從 18000 美元提高到約 20000 美元，比 2021 年的報價(jià)上漲了至少 25%。

臺積電的 3nm、4nm、5nm 制程都要漲價(jià)，從一個(gè)側面說(shuō)明三星在這些制程市場(chǎng)上的窘境，因為全球只有這兩家能夠提供相應制程工藝的量產(chǎn)代工產(chǎn)能，為了追趕臺積電，自從 7nm 制程實(shí)現量產(chǎn)以來(lái)，很多年，三星都是在低價(jià)促銷(xiāo)，特別是最先進(jìn)的 3nm 制程工藝，比臺積電的報價(jià)少了很多。如今，競爭對手的產(chǎn)能供不應求，還要漲價(jià)，說(shuō)明三星 3nm 的客戶(hù)訂單少得可憐，臺積電才有底氣漲價(jià)。

總之，在已經(jīng)量產(chǎn)的最先進(jìn)制程方面，臺積電優(yōu)勢明顯，三星在這方面的競爭力已經(jīng)很難追趕上，只能寄希望于 2nm 制程了。

臺積電要在 HBM 市場(chǎng)分一杯羹

7 月初，據韓國媒體報道，SK 海力士將深化與臺積電、英偉達的合作，并在 9 月的國際半導體展（Semicon Taiwan）上，宣布這三家公司更緊密的合作計劃。

2022 年，臺積電在北美技術(shù)論壇宣布成立 OIP 3DFabric 聯(lián)盟，將存儲器與載板合作伙伴納入，當時(shí)，SK 海力士資深副總裁暨 PKG 開(kāi)發(fā)主管 Kangwook Lee 就透露，該公司一直和臺積電在前幾代及目前的 HBM 技術(shù)方面緊密合作，以支持 CoWoS 制程的兼容性與 HBM 的互連性。SK 海力士加入 3DFabric 聯(lián)盟之后，通過(guò)與臺積電更深入的合作，為未來(lái)的 HBM 產(chǎn)品（HBM4）提供解決方案.

據韓國媒體報道，業(yè)界消息人士稱(chēng)，SK 海力士社長(cháng)金柱善將于 9 月在臺北舉行的國際半導體展上發(fā)表專(zhuān)題演講，這是 SK 海力士首度參與專(zhuān)題演講。演講結束后，金柱善將和臺積電高級主管見(jiàn)面，討論下一代 HBM 的合作計劃，英偉達 CEO 黃仁勛也可能加入會(huì )談，進(jìn)一步鞏固 SK 海力士、臺積電和英偉達之間的三方聯(lián)盟。

據悉，三強的合作是在 2024 上半年敲定的，SK 集團會(huì )長(cháng)崔泰源 4 月會(huì )見(jiàn)黃仁勛，討論了半導體合作事宜，6 月，崔泰源拜訪(fǎng)了臺積電新任董事長(cháng)魏哲家，以進(jìn)一步推動(dòng)后續合作。

SK 海力士將采用臺積電的邏輯制程，生產(chǎn) HBM 的基礎接口芯片（base die）。報道稱(chēng)，SK 海力士和臺積電已同意合作開(kāi)發(fā)并生產(chǎn) HBM4，將于 2026 年量產(chǎn)。

HBM 將核心芯片堆疊在基礎接口芯片之上，彼此垂直相接。SK 海力士生產(chǎn)的 HBM3E 產(chǎn)品，采用的是自家制程工藝制造的基礎接口芯片，但從 HBM4 開(kāi)始，將采用臺積電的先進(jìn)邏輯制程。報道稱(chēng)，SK 海力士將在論壇上介紹合作成果，據悉，HBM4 的功耗比原本目標還低 20% 以上。

自從 HBM 問(wèn)世并量產(chǎn)以來(lái)，SK 海力士一直是英偉達為其 AI GPU 配備該類(lèi)內存的獨家供應商，發(fā)展到 HBM3E 版本，依然如此，只是從 2024 年第二季度開(kāi)始，另外兩家內存大廠(chǎng)三星和美光才開(kāi)始加入英偉達 HBM 供應鏈，這兩家內存大廠(chǎng)準備花費數十億美元來(lái)擴大 HBM 芯片生產(chǎn)能力。

不久前，三星推出了其 12 層堆疊的 HBM3E，挑戰 SK 海力士 8 層堆疊產(chǎn)品的行業(yè)地位。三星的一位高管表示，該公司計劃今年將芯片產(chǎn)量增加兩倍。面對競爭，SK 海力士的 HBM 項目正在提速，預計首批 12 層堆疊的下一個(gè)版本 HBM4 最快會(huì )在 2025 下半年到來(lái)，到 2026 年還會(huì )有 16 層堆疊的產(chǎn)品，會(huì )向更加定制化的方向發(fā)展。

HBM3E 市場(chǎng)競爭已經(jīng)落后，希望落在了 HBM4 上，三星正在加快研發(fā)腳步，以縮小與 SK 海力士之間的差距。在代號為「Snowbolt」的第六代 HBM 芯片 HBM4 方面，三星計劃將緩沖芯片應用于堆疊內存的底層以提高效率。

正當三星加緊追趕存儲芯片競爭對手 SK 海力士的時(shí)候，后者與三星的晶圓代工「死敵」臺積電在深化合作。對三星來(lái)說(shuō)，這顯然是個(gè)壞消息。

5 月中旬，在 2024 年歐洲技術(shù)研討會(huì )上，臺積電表示，將使用其 12FFC+（12nm 級）和 N5（5nm 級）制程工藝制造 HBM4 接口芯片。

臺積電設計與技術(shù)平臺高級總監表示：「我們正在與主要的 HBM 內存合作伙伴合作，開(kāi)發(fā) HBM4 全棧集成的先進(jìn)制程，N5 制程可以使 HBM4 以更低的功耗提供更多的邏輯功能?！箵?，N5 制程允許將更多的邏輯功能封裝到 HBM4 中，并實(shí)現非常精細的互連間距，這對于邏輯芯片上的直接鍵合至關(guān)重要，可以提高 AI 和 HPC 處理器的內存性能。

相對于 N5，臺積電的 12FFC+工藝更加經(jīng)濟，制造的基礎芯片能構建 12 層和 16 層的 HBM4 堆棧，分別提供 48GB 和 64GB 的容量。

臺積電還在優(yōu)化封裝技術(shù)，特別是 CoWoS-L 和 CoWoS-R，以支持 HBM4 集成。這些先進(jìn)的封裝技術(shù)有助于組裝 12 層的 HBM4 內存堆棧。據臺積電介紹，實(shí)驗性 HBM4 內存在 14mA 時(shí)的數據傳輸速率已達到 6 GT/s。

臺積電的先進(jìn)制程工藝能力，以及 SK 海力士的先進(jìn)存儲芯片制造能力，可以將結構更為復雜的 HBM4 內存的制造分解開(kāi)，發(fā)揮各自?xún)?yōu)勢，制造出最佳的邏輯接口和 DRAM 裸片，然后用先進(jìn)的封裝技術(shù)將它們組裝起來(lái)，以最大化地發(fā)揮該類(lèi)內存的性能優(yōu)勢。

對三星來(lái)說(shuō)，在先進(jìn)制程晶圓代工市場(chǎng)被臺積電壓制，但作為存儲芯片龍頭企業(yè)，三星還是很自信的。如今，臺積電與自己的主要競爭對手 SK 海力士在內存領(lǐng)域深度合作，簡(jiǎn)直是在抄三星的后路。要發(fā)展 HBM4，就繞不開(kāi)先進(jìn)的邏輯芯片制程工藝，如果三星的晶圓代工業(yè)務(wù)短期內做不好這些的話(huà)，恐怕也躲不開(kāi)找臺積電合作的選項。