3nm鏖戰正酣 代工雙雄臺積電和三星誰(shuí)將勝出？

關(guān)于3nm的進(jìn)度，臺積電方面表示，3nm制程進(jìn)展符合進(jìn)度，于今年試產(chǎn)，并將于2022年下半年量產(chǎn)。三星電子則宣布將于2022年上半年開(kāi)始生產(chǎn)首批3nm芯片，第二代3nm芯片預計將于2023年開(kāi)始生產(chǎn)。
從時(shí)間上看，三星3nm將領(lǐng)先臺積電大約半年時(shí)間，其欲借3nm反超臺積電的心思顯而易見(jiàn)。綜合來(lái)看，兩者的實(shí)力究竟如何？本文將從技術(shù)、資金、產(chǎn)能、客戶(hù)等方面展開(kāi)，以期反映兩者大致的實(shí)力概貌。
技術(shù)路線(xiàn)
臺積電和三星在3nm最大的不同在于技術(shù)選擇上。
臺積電3nm制程將繼續采用FinFET（鰭式場(chǎng)效晶體管）技術(shù)。為何臺積電會(huì )做此選擇？分析認為，一方面正是由于其研發(fā)團隊將 FinFET 的性能提高到了新的高度，與 5nm 相比， 3nm 在速度上有10%~15%的提升，功耗有25~30%的降低，而邏輯密度則提高 1.7 倍，SRAM 密度也將提升 20%；另一方面是由于3nm可以在 2022年下半年量產(chǎn)，這樣能讓下單客戶(hù)實(shí)現技術(shù)的快速升級，率先推出領(lǐng)先的產(chǎn)品。
三星方面，為了在半導體制程工藝上追趕上臺積電，在3nm工藝的研發(fā)當中率先引入了全新的GAA(Gate-all-around，環(huán)繞柵極)技術(shù)。
據了解，基于GAA的FET（GAAFET）有多種形式，大多數研究都是基于納米線(xiàn)的GAAFET，它們具有較小的溝道寬度。這些類(lèi)型的GAAFET通常用于低功耗設計，但很難制造出來(lái)。另一種實(shí)現方式是使溝道像水平鋪放的紙一樣，通過(guò)增加溝道面積來(lái)為性能和尺寸帶來(lái)好處。三星稱(chēng)其基于納米片的GAAFET為多橋溝道FET或MBCFET，該技術(shù)可以顯著(zhù)增強晶體管性能，主要取代FinFET晶體管技術(shù)。
相比于FinFET晶體管技術(shù)，GAAFET架構的晶體管提供更好的靜電特性，這樣漏電功率會(huì )降低，從而功耗降低。三星表示，與5nm制程相較，GAA制程技術(shù)將使得芯片面積可再減少35%，性能可提高30%或功耗降低50%。
三星3nm工藝上分為兩個(gè)版本，其中3GAE(低功耗版)將在2022年年初投入量產(chǎn)，3GAP(高性能版)則會(huì )在2023年年初批量生產(chǎn)。
研發(fā)實(shí)力
要想在芯片制程工藝方面保持領(lǐng)先，也就意味著(zhù)需要在研發(fā)方面投入大量的資金。
臺積電的研發(fā)投入一直穩定增長(cháng)。根據臺積電財報，2019年，研發(fā)支出為29.59億美元。2020年，臺積電為了追求5納米及更先進(jìn)的3納米工藝，研發(fā)支出更是大增26%，一舉突破30億美元，達到37.2億美元。而從臺積電4月15日發(fā)布的一季度財報來(lái)看，其今年在研發(fā)上的投入將會(huì )更高，一季度10.96億美元的研發(fā)支出，明顯高于去年的平均水平。
資本支出方面，臺積電于今年1月14日發(fā)布消息稱(chēng)，計劃將今年的資本支出增加至250億美元到280億美元之間，IC Insights 估計，臺積電平均單季度資本支出將約69 億美元，較2020 年第4 季度支出倍增。
在這方面，三星同樣不甘落后。三星的研發(fā)支出逐年大幅增加，其2020年研發(fā)支出為55億美元。
資本支出方面，據IC Insights報告顯示，自2017年以來(lái)，三星的半導體資本支出一直非常強勁，2018年的支出達到216億美元，2019年達到193億美元，去年達到281億美元。數據顯示，三星在2017-2020年期間資本支出總額為932億美元。盡管三星尚未為其2021年的支出提供指導，但IC Insights估計該公司的支出將基本與2020年持平。
此外，2019年4月，三星公布“半導體愿景2030”發(fā)展藍圖，準備在10年內投資1160億美元，錄用15000名專(zhuān)業(yè)人才，以期在2030年前大幅提升在晶圓代工市場(chǎng)競爭力，并在2030 年超越臺積電，登上產(chǎn)業(yè)龍頭。
光刻機
除了技術(shù)研發(fā)，對代工廠(chǎng)商而言，還需要設備方面投入大量的資金，這其中又以光刻機的支出最為昂貴。
光刻機是生產(chǎn)制造芯片的必要設備，尤其是生產(chǎn)制造7nm以下制程的芯片，必須要用到EUV光刻機。而ASML是目前全球唯一能制造EUV光刻機的廠(chǎng)商，包括臺積電、三星、英特爾先進(jìn)芯片制程工藝量產(chǎn)所需的極紫外光刻機，均由ASML提供。根據ASML財報披露，一季度來(lái)自光刻機的收入共 31.29 億歐元，EUV光刻機占 36%，也就是為 11.26 億歐元，光刻機的平均價(jià)格為 1.6 億歐元。
數據顯示，截止到2020年底，ASML已經(jīng)出貨100臺EUV光刻機，但三星僅獲得30臺EUV光刻機，相比之下，臺積電在EUV光刻機方面卻穩如泰山，消息稱(chēng)，其已經(jīng)安裝超70臺EUV光刻機，是三星的兩倍之多。不僅如此，在EUV光刻機交付、安裝方面，ASML往往是優(yōu)先供貨臺積電。
此前曾有報道稱(chēng)，為應對新制程工藝產(chǎn)能擴大的需求，臺積電極紫外光刻機的累計采購量在今年將超過(guò)50臺，預計今年可獲得18臺。姑且按照每臺1.6億歐元估算，13 套 EUV可能使臺積電花費高達 20.8億歐元（約合23.4億美元）。
為了贏(yíng)得未來(lái)，上文提到的三星為期十年、總投資高達1160億美元的方案中，為促進(jìn)晶圓代工業(yè)務(wù)的發(fā)展，其中最核心的能力就是攻克EUV光刻技術(shù)。
早于2019年，三星就花費170億美元，在韓國京畿道華城建造EUV工廠(chǎng)。三星還專(zhuān)門(mén)為華城工廠(chǎng)購置了15臺EUV光刻機（分3年時(shí)間交貨），ASML公司的EUV光刻機，僅一臺售價(jià)就高達1.72億美元，一下豪置15臺，可見(jiàn)三星在晶圓代工領(lǐng)域翻身的決心。
2020年年初，有外媒報道稱(chēng)，三星已開(kāi)始其新建的V1晶圓工廠(chǎng)的大規模生產(chǎn)，成為業(yè)內首批完全使用6LPP和7LPP制造工藝的純極紫外光刻（EUV）生產(chǎn)線(xiàn)。而該工廠(chǎng)還被認為是三星3nm制程的主陣地。而據今年2月21日消息，三星電子在一份文件中表示，將提早擴大位于京畿道華城的芯片工廠(chǎng)V1生產(chǎn)線(xiàn)來(lái)擴大其EUV專(zhuān)用生產(chǎn)線(xiàn)的產(chǎn)能，三星正抓緊為3nm量產(chǎn)做準備。
產(chǎn)能方面
對于代工廠(chǎng)商而言，率先將先進(jìn)工藝量產(chǎn)，并且保證性能穩定是搶占市場(chǎng)份額的關(guān)鍵。
臺積電的3nm制程技術(shù)最快會(huì )在2022年投產(chǎn)，并且計劃在2022年下半年即可量產(chǎn) ，實(shí)際應用產(chǎn)品則預期會(huì )在2023年推出。而臺積電目前在美國亞利桑那州投資建造新廠(chǎng)會(huì )以5nm制程技術(shù)生產(chǎn)為主，而3nm制程技術(shù)則會(huì )以位于中國臺灣地區南部科學(xué)工業(yè)園區建造廠(chǎng)房提供。
臺積電董事長(cháng)劉德音曾經(jīng)表示，在3nm制程上，于南科廠(chǎng)的累計投資將超過(guò) 2萬(wàn)億元新臺幣，目標是3nm量產(chǎn)時(shí)，12英寸晶圓月產(chǎn)能超過(guò)60萬(wàn)片。而據Digitimes報道，臺積電3nm芯片在2022年下半年開(kāi)始量產(chǎn)，單月產(chǎn)能5.5萬(wàn)片起，2023年，將達到10.5萬(wàn)片。
在產(chǎn)能方面，臺積電具有動(dòng)態(tài)調配生產(chǎn)線(xiàn)能力，可以將產(chǎn)能利用率提高到110~120％。而在良率方面，臺積電的新制程接單標準是一般不低于75%，在14nm等成熟的工藝線(xiàn)，良率則能保證達到95%~98%，這也讓臺積電的優(yōu)勢更為鞏固。簡(jiǎn)而言之，臺積電的競爭力不只來(lái)自核心工藝，它的整套內部管理制度才是保證產(chǎn)能與良率的關(guān)鍵。
三星方面，由于自家業(yè)務(wù)原因，能開(kāi)放給別人的產(chǎn)能比不上純做晶圓代工的臺積電。目前三星在產(chǎn)能與良率方面和臺積電仍有一段差距。知名研究機構The Information Network預測，臺積電領(lǐng)先三星在晶圓代工的先進(jìn)制程產(chǎn)能規模約242%至460%不等。
統計數據顯示，三星在2020年的晶圓月產(chǎn)能約為2.5萬(wàn)片，而臺積電則為14萬(wàn)片，尤其是在目前最前沿的5nm制程方面，三星晶圓月產(chǎn)能約為5000片，而臺積電約為9萬(wàn)片。
在最新通報會(huì )上，臺積電表示，由于5nm需求強勁，該公司5nm系列在2021年的產(chǎn)能擴充計劃比2020年會(huì )翻倍，2022年將比2020年增長(cháng)3.5倍以上，并在2023年達到2020年的4倍以上。
而據韓國媒體引述多家供應商報道，由于三星遲遲未提高5nm的產(chǎn)品良率，使得三星在5nm產(chǎn)線(xiàn)的構建與客戶(hù)搶奪上也陷入被動(dòng)。 
客戶(hù)訂單
近段時(shí)間以來(lái)，頻傳臺積電和三星3nm首家客戶(hù)的消息。據消息稱(chēng)，蘋(píng)果已經(jīng)成為臺積電3nm制程的首批客戶(hù)，預先承包了臺積電3nm制程的初期產(chǎn)能，同時(shí)英特爾也將采用臺積電3nm制程生產(chǎn)圖形芯片、服務(wù)器處理器。
而處理器大廠(chǎng)AMD可能成為三星代工業(yè)務(wù)首家3nm制程客戶(hù)，原因是合作伙伴臺積電與蘋(píng)果關(guān)系密切，使AMD考慮選擇三星交付3納米制程訂單。除了AMD，高通也對三星3nm制程感興趣。
目前，兩家的3nm客戶(hù)名單還未正式公布。但從現有客戶(hù)來(lái)看，臺積電的客戶(hù)幾乎覆蓋了全球頂級半導體巨頭，包括蘋(píng)果、AMD、高通、Marvel、聯(lián)發(fā)科、英偉達等都是其主要客戶(hù)。
過(guò)去三星的晶圓代工服務(wù)一直卡在無(wú)法有效擴大客戶(hù)群，除了自家三星電子的訂單以外，能接到的外部訂單寥寥可數。近年來(lái)，三星陸續拿下谷歌和思科，高通和英偉達等重大客戶(hù)。如果三星在3nm真的能夠領(lǐng)先臺積電，預計還能夠再吸引到更多的客戶(hù)。
結語(yǔ)：TrendForce數據最新顯示，目前臺積電的市場(chǎng)份額接近52.9%，是全球最大的芯片代工企業(yè)，而三星位居第二，市場(chǎng)份額為17.3%，三星與臺積電的差異依舊明顯。三星能否憑借3nm打贏(yíng)這場(chǎng)翻身仗？或許明年就會(huì )有分曉。

來(lái)源：愛(ài)集微

作者：木棉