難以停歇的芯片制造“印鈔機”

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不是每一個(gè)制程節點(diǎn)都能完美做出來(lái)，也不是每一個(gè)都能按時(shí)完成，但在過(guò)去的十五年里，世界上最大、技術(shù)最先進(jìn)的晶圓代工廠(chǎng)臺積電的表現遠遠好于任何一個(gè)其為數不多的同行，不斷推動(dòng)芯片制造極限，同時(shí)保持舊節點(diǎn)的一致和有利可圖的生產(chǎn)。
臺積電本身就是一臺賺錢(qián)機器。如果將其資本支出在三年內翻一番，它的收入和利潤將在五年內翻一番，這是 Neuberger Berman 的高級投資分析師 Sebastian Hou 在與華爾街討論 2021 年第四季度財務(wù)業(yè)績(jì)時(shí)臺積電所做的電話(huà)會(huì )議中觀(guān)察到的。鑄造廠(chǎng)。
臺積電首席執行官 CC Wei 和公司首席財務(wù)官 Wendell Huang 并不贊同將這種算法應用于公司未來(lái)的業(yè)績(jì)——正如黃所說(shuō)，“事情沒(méi)有那么簡(jiǎn)單”，并補充說(shuō)復雜性芯片制造設備和芯片本身以及獲得設備的交貨時(shí)間越來(lái)越長(cháng)，這可能會(huì )在資金投入和產(chǎn)生收入之間產(chǎn)生更多的時(shí)間差。
可以說(shuō)，臺積電在需求之前就進(jìn)行了投資，希望確保自己的芯片能夠被制造出來(lái)的公司越來(lái)越多地為他們的晶圓和封裝協(xié)議預付，這有助于臺積電在制造的同時(shí)保留更多的自有現金對代工產(chǎn)能的巨額投資。實(shí)際上，數學(xué)是令人信服的。2019 年，臺積電在資本支出上花費了 149 億美元，而其收入 346 億美元，主要來(lái)自對先前節點(diǎn)的投資；2020 年，該代工廠(chǎng)在 2021 年花費了 300 億美元，創(chuàng )造了 568 億美元的收入。資本支出是未來(lái)收入和潛在未來(lái)利潤的領(lǐng)先指標，臺積電高層管理成本，并可以繼續從他們蝕刻的每個(gè)晶圓中提取更多收入。以?xún)赡昵暗馁Y本支出為例，乘以不到 2 倍，你可以預測今年的收入。每年，由于芯片制造和封裝工藝的復雜性越來(lái)越高，你會(huì )從這個(gè)比例中減少一點(diǎn)。
真正的問(wèn)題是，芯片制造何時(shí)變得如此艱難，以至于資本支出與收入的比率越來(lái)越低，它真的能接近 1.0 嗎？這對收入和利潤意味著(zhù)什么？短期內，臺積電在****有很多資金，有能力繼續投資晶圓廠(chǎng)和基礎研究，以幫助客戶(hù)使用其 N7、N5 和 N3 工藝及其變體制造芯片。所以我們現在可以輕松呼吸。
讓我們從頂線(xiàn)和底線(xiàn)開(kāi)始，然后了解臺積電在做什么，什么在推動(dòng)收入，哪些工藝節點(diǎn)正在推動(dòng)當前的銷(xiāo)售，哪些工藝節點(diǎn)將推動(dòng)未來(lái)的銷(xiāo)售。

2021年第四季度，臺積電營(yíng)收增長(cháng)6.2%，為一年半以來(lái)首次實(shí)現個(gè)位數增長(cháng)，凈利潤僅增長(cháng)7.2%至59.6億美元。每?jì)赡曜笥?，在新工藝上線(xiàn)的同時(shí)，對未來(lái)節點(diǎn)的大量投資，但我們懷疑收入和利潤增長(cháng)放緩的另一個(gè)罪魁禍首是：臺積電產(chǎn)能過(guò)剩并且無(wú)法以足夠快的速度增加容量以滿(mǎn)足需求。
雖然收入和利潤在 2021 年第四季度為臺積電創(chuàng )造了新紀錄，但我們在這些數字中看不到的是由于臺積電無(wú)法滿(mǎn)足其芯片設計師客戶(hù)的需求而留在桌面上的收入；我們無(wú)法輕易看到任何給定節點(diǎn)的制造能力與臺積電的制造能力之間的阻抗不匹配對下游的影響，但我們認為，如果有更多的晶圓可用，Nvidia 和 AMD 等公司將產(chǎn)生比以往更多的收入正在做。緩解這一問(wèn)題的事實(shí)是，臺積電可以為其最先進(jìn)的工藝和芯片設計商/銷(xiāo)售商收取更多的費用，反過(guò)來(lái)，他們可以為他們的設備收取溢價(jià)，收入和利潤不斷上升和向右移動(dòng)。
兩年前，臺積電提出三年計劃，斥資 1 億美元擴大芯片和封裝產(chǎn)能，進(jìn)行初步研發(fā)，將 7 納米 N7 和 5 納米 N5 工藝推向市場(chǎng)，但此時(shí)，隨著(zhù)世界上存在很大的不確定性，臺積電只是在談?wù)?2022 年的資本支出在 400 億至 440 億美元之間。與英特爾不同的是，臺積電實(shí)際上有足夠的現金和投資來(lái)進(jìn)行代工投資。

公平地說(shuō)，如上圖所示，在大衰退之后，臺積電正在盡可能快地花費它，這也是用于數據中心計算的 GPU 加速器、用于游戲的 GPU 和高支出網(wǎng)絡(luò )的浪潮所有這些結合在一起，形成了 CPU、GPU、FPGA 和網(wǎng)絡(luò ) ASIC 芯片的強大制造商。這就是臺積電在過(guò)去三年的財務(wù)報告中所稱(chēng)的“HPC”業(yè)務(wù)，并將其追溯到 2018 年。
臺積電的業(yè)務(wù)主要由其為智能手機制造的芯片主導，該芯片在 2021 年第四季度的銷(xiāo)售額為 69.2 億美元，占總銷(xiāo)售額的 44%，但 HPC 部門(mén)以 58.2 億美元的收入緊隨其后。期，占收入的 37%。蝕刻智能手機芯片的收入在 2021 年第四季度下降了 8.4%，好于典型的季節性下降，而 HPC 領(lǐng)域的銷(xiāo)售額增長(cháng)了 26.7%，這主要是由于對高端 CPU 和 GPU 的高需求。針對物聯(lián)網(wǎng)、數字消費電子、汽車(chē)和其他領(lǐng)域的芯片大雜燴本季度銷(xiāo)售額為 29.9 億美元，同比增長(cháng) 12.1%。
大多數代工廠(chǎng)都有在 200 毫米（8 英寸）和 300 毫米（12 英寸）晶圓上蝕刻芯片的混合機器，近年來(lái)，臺積電已經(jīng)討論了 12 英寸晶圓等效物，以使其設備的晶圓尺寸標準化，以讓華爾街了解其季度晶圓出貨量。直到 2012 年，臺積電都在談?wù)?8 英寸晶圓當量，我們已將 2005 年至 2012 年的數據轉換為 12 英寸晶圓當量以對其進(jìn)行標準化。正如您所料，通過(guò)代工廠(chǎng)抽出的晶圓數量與收入之間存在非常緊密的關(guān)系。
在過(guò)去三年中，甚至在冠狀病毒大流行開(kāi)始之前，臺積電的收入增長(cháng)略快于晶圓出貨量，這表明臺積電可以收取溢價(jià)，尤其是其最先進(jìn)的工藝，目前在地球上幾乎是首屈一指的。
第四季度，臺積電出貨了創(chuàng )紀錄的 373 萬(wàn)片晶圓，平均每 12 英寸晶圓產(chǎn)生 4,225 美元。這是臺積電有史以來(lái)每片晶圓平均收入的第二高，而最高的是一年前，它的收入為 1482 萬(wàn)美元，出貨 325 萬(wàn)片晶圓，平均每片晶圓 4566 美元。
另一個(gè)起作用的因素是，芯片設計師/銷(xiāo)售商正在囤積庫存并為此付費，以幫助緩解供應鏈問(wèn)題，這些問(wèn)題阻礙了數據中心部門(mén)以及其他將半導體嵌入產(chǎn)品的地方。（這意味著(zhù)一切，真的。）
“進(jìn)入 2022 年，鑒于行業(yè)持續需要確保供應安全，我們預計供應鏈將維持高于歷史季節性水平的庫存水平，”魏在與華爾街的電話(huà)會(huì )議上解釋道?！半m然短期的失衡可能會(huì )或可能不會(huì )持續，但我們繼續觀(guān)察到長(cháng)期半導體需求的結構性增長(cháng)，這得益于 5G 和 HPC 相關(guān)應用的行業(yè)大趨勢。我們還觀(guān)察到許多終端設備中的硅含量較高，包括汽車(chē)、個(gè)人電腦、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò )和智能手機。因此，我們預計我們的產(chǎn)能將在 2022 年保持緊張，因為我們相信我們的技術(shù)領(lǐng)先地位將使臺積電能夠抓住對我們先進(jìn)和專(zhuān)業(yè)技術(shù)的強勁需求?！?/span>
Wei 補充說(shuō)，HPC 領(lǐng)域——請記住，這并不意味著(zhù) HPC 仿真和建模，而是數據中心 CPU、GPU、NPU、FPGA、交換機和適配器 ASIC，以及用于計算的定制 ASIC——“將是臺積電長(cháng)期發(fā)展的最強驅動(dòng)力。長(cháng)期增長(cháng)”，該公司預計它將成為其增量增長(cháng)的最大貢獻者，因為它展望未來(lái)幾年。2021 年第四季度，7 納米和 5 納米工藝合計占晶圓收入的 50%，比去年同期增長(cháng) 9 個(gè)百分點(diǎn)。
展望 2022 年第一季度，臺積電預計銷(xiāo)售額將在 166 億美元至 172 億美元之間，這將是另一個(gè)紀錄，與 2021 年第一季度相比，在該范圍的中點(diǎn)處增長(cháng) 7.4%。魏只是一般性地談到了公司的預測2022年全年，不考慮臺積電不生產(chǎn)的內存，芯片市場(chǎng)預計增長(cháng)9%，整體代工市場(chǎng)預計增長(cháng)近20%，臺積電將成為其行業(yè)同行以美元計算，增長(cháng)在 20% 的中高水平。
Wei 談到了當前和未來(lái)工藝節點(diǎn)的狀態(tài)，緩解了去年夏初讓芯片設計師/銷(xiāo)售商心悸的 3 納米 N3 工藝（會(huì )有一些）的一些擔憂(yōu)。（有關(guān)更多信息，請參閱The Chip Has Hit The Fan。）讓我們從 5 納米（這是一個(gè)非?；\統的術(shù)語(yǔ)）N5 系列工藝開(kāi)始。
N5 在三年前開(kāi)始加速發(fā)展，是該公司歷史上最成功的節點(diǎn)之一，被智能手機芯片、臺式機和服務(wù)器 CPU、臺式機和服務(wù)器 GPU 以及數據中心的其他設備廣泛采用。臺積電調整了 N5 工藝以創(chuàng )建 N4P 和 N4X 變體。Wei 表示，N4P 工藝與最初的 N5 相比，晶體管性能提高了 11%，功率效率提高了 22%，晶體管密度提高了 6%。使用 N4P 的芯片的首次流片將于 2022 年下半年開(kāi)始。之后是 N4X，這是針對“工作負載密集型 HPC 應用程序”的進(jìn)一步優(yōu)化，這意味著(zhù)高性能 CPU、GPU 和交換機 ASIC，我們假設。與任何給定過(guò)程中的服務(wù)器晶體管一樣，
上面提到的 N3 工藝將使用像 N7 和 N5 工藝那樣的 FinFET 3D 晶體管技術(shù)，并將晶體管特征縮小到相當于 3 納米。N3 的生產(chǎn)將于 2022 年下半年開(kāi)始，用于 HPC 和智能手機應用程序，并且“開(kāi)發(fā)正在進(jìn)行中”，Wei 補充說(shuō)，該公司預計初始 N3 的流片數量將超過(guò)發(fā)生在最初的 N5 上。（這意味著(zhù)英特爾將使用它，與早期的 N5 不同） N3E，它是具有更高性能的增強型 N3 節點(diǎn)，更好的電源效率和更高的良率有望在 2023 年下半年實(shí)現。臺積電預計 N5 和 N3 節點(diǎn)將“大而持久”。這很有趣，我們根本無(wú)法想象從 N2 節點(diǎn)到 N1 和 N0 節點(diǎn)。
臺積電 2022 年將花費 400 億至 440 億美元的資本支出，其中 70% 至 80% 將用于 N7、N5、N3 和 N2 節點(diǎn)的設備，另外 10% 將用于高級封裝技術(shù)研發(fā)，10% 到 20% 將用于“專(zhuān)業(yè)技術(shù)”，這些最新技術(shù)細節還不得而知。