三星突破4nm制程良率瓶頸，臺積電該有危機(jī)感了

近日，三星晶圓代工業(yè)務(wù)陸續(xù)傳來好消息，首先，AMD正在認(rèn)真考慮使用三星4nm制程產(chǎn)線量產(chǎn)新一代CPU，這表明三星4nm工藝的技術(shù)和良率水平達(dá)到了一個(gè)新的高度，完全可以與臺積電4nm制程匹敵了。之前這些年，AMD最新CPU產(chǎn)品從來沒有走出過臺積電的制程產(chǎn)線，三星4nm制程的提升，進(jìn)一步縮小了與臺積電的差距，也給后者增添了壓力。

不止AMD，本來都屬于臺積電的高性能計(jì)算（HPC）芯片和車用芯片大單，近期也在改變動向，三星不斷接到AI芯片代工訂單，包括用于AI服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心的GPU和CPU。

此外，Google、微軟和亞馬遜等互聯(lián)網(wǎng)巨頭都在開發(fā)自家的AI處理器。無論是AMD這樣的芯片大廠，還是互聯(lián)網(wǎng)巨頭，越來越希望減少對單一晶圓代工先進(jìn)制程的依賴，隨著三星晶圓代工技術(shù)和良率的不斷成熟，給這些芯片大客戶提供了更多選擇。

01 突破4nm制程良率瓶頸

三星已將4nm制程良率提升到了70%左右，并重點(diǎn)在汽車芯片方面尋求突破。特斯拉已經(jīng)將其新一代FSD芯片交由三星生產(chǎn)，該芯片將用于特斯拉計(jì)劃于3年后量產(chǎn)的Hardware 5（HW 5.0）計(jì)算機(jī)。

前些年，三星是特斯拉較早版本FSD芯片的代工合作伙伴，用于Model 3、Model S、Model X和Model Y等電動車，但在2022年，特斯拉轉(zhuǎn)向了臺積電，主要原因就是三星4nm制程的良率問題，此次，特斯拉訂單回流的關(guān)鍵，就是三星4nm良率取得大幅度進(jìn)步。從目前的情況來看，特斯拉計(jì)劃同時(shí)采用臺積電和三星的先進(jìn)制程產(chǎn)線，用于量產(chǎn)其第五代汽車芯片。

除了良率大幅提升，三星的價(jià)格優(yōu)勢也很誘人。今年5月，三星董事長李在镕和特斯拉CEO馬斯克會面，據(jù)悉，李在镕給出了非常優(yōu)惠的價(jià)格。

除了特斯拉，今年2月，三星和Ambarella達(dá)成協(xié)議，代工生產(chǎn)后者用于處理Level 2-Level 4自動駕駛的CV3-AD685芯片；4月，三星還贏得了Mobileye的ADAS芯片訂單，之前，Mobileye的相關(guān)芯片訂單都是交給臺積電的。

在汽車芯片站住腳后，三星先進(jìn)制程將向HPC處理器進(jìn)發(fā)，目標(biāo)就是AMD和英偉達(dá)等大客戶。

三星的4nm制程主要分為五代，逐年迭代，它們是SF4E、SF4、SF4P、SF4X和SF4A。2024年，該公司將推出其第四代4nm制程工藝SF4X，對標(biāo)的是臺積電的N4P制程。據(jù)悉，SF4X是專為數(shù)據(jù)中心CPU和GPU等高性能處理器量身定制的，這也是三星晶圓代工近年來第一個(gè)專門為高性能計(jì)算應(yīng)用設(shè)計(jì)的工藝節(jié)點(diǎn)。

02 3nm之爭

臺積電的3nm在2022年第四季度量產(chǎn)，但那時(shí)沒有多少產(chǎn)量，直到2023年第三季度，蘋果新機(jī)大規(guī)模采用3nm制程處理器后，才開始放量，不過，從目前的情況來看，臺積電2023年版本的3nm制程還沒有達(dá)到其規(guī)劃的N3E版本水平，要到2024下半年才能進(jìn)一步提升良率和成本效益。據(jù)臺積電介紹，與5nm相比，N3E在相同功耗下速度提升18%，在相同速度下功耗降低32%，邏輯密度提升約60%、芯片密度提升30%。

三星的首個(gè)版本3nm（SF3E）制程工藝量產(chǎn)時(shí)間是領(lǐng)先臺積電的，并且引入了全環(huán)繞柵極（GAA）技術(shù)，臺積電3nm則仍在使用FinFET工藝。不過，三星的3nm制程訂單較少，主要用于生產(chǎn)一些挖礦ASIC。

對于三星來說，3nm制程是其趕上臺積電的機(jī)會，據(jù)報(bào)道，三星LSI部門正在開發(fā) Exynos 2500，這是該公司首款采用3nm工藝的手機(jī)處理器，預(yù)計(jì)在2024下半年量產(chǎn)。如果三星自己設(shè)計(jì)的3nm制程Exynos處理器表現(xiàn)良好，可能會有更多客戶將訂單轉(zhuǎn)向三星。

良率方面，目前來看，臺積電的良率約為70%，三星的也提升到了60%左右。

2024年，臺積電將推出升級版本的3nm工藝，也就是N3E，到那時(shí)，臺積電代工的性價(jià)比也將提升，三星的3nm必須進(jìn)一步優(yōu)化成本效益，才能與臺積電競爭。

2024下半年，三星也將推出新版本的3nm（SF3）制程，據(jù)悉，與SF4相比，在相同功率下，SF3的性能會提高22%，在相同頻率和晶體管數(shù)量下，功耗可降低34%，邏輯面積減少 21%。

2025年，三星計(jì)劃推出新版本的3nm制程SF3P，目標(biāo)是爭奪數(shù)據(jù)中心、云計(jì)算CPU和 GPU訂單。

03 三星欲在2nm翻盤

2025年，三星將推出2nm（SF2）制程，據(jù)悉，該工藝將采用背面供電技術(shù)，這樣可以進(jìn)一步提升性能，因?yàn)楣╇婋娐繁灰频叫酒趁妫o正面留出了集成更多晶體管的空間。

在2nm制程之后，三星將增加晶體管的納米片數(shù)量，這樣可以增強(qiáng)驅(qū)動電流，提高性能，因?yàn)楦嗟募{米片允許更多的電流流過晶體管，從而增強(qiáng)其開關(guān)能力和運(yùn)行速度。更多的納米片還可以更好地控制電流，有助于減少漏電流，從而降低功耗。改進(jìn)的電流控制也意味著晶體管產(chǎn)生的熱量更少，從而提高了電源效率。

臺積電計(jì)劃于2025年推出其2nm制程，也將采用納米片工藝，到那時(shí)，三星已經(jīng)在GAA晶體管方面擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)，這對晶圓代工很有利。因此，三星對2nm制程寄予厚望，希望在那時(shí)完全趕上臺積電，無論是工藝技術(shù)，還是良率，可以與后者分庭抗禮。

總體來看，三星晶圓代工的SF5，SF4制程良率都達(dá)到了70%左右，基于此，2024年，有幾家大客戶將回歸。到2025年，SF2制程很可能從臺積電那里爭奪更多訂單。

04 臺積電的挑戰(zhàn)

目前，臺積電穩(wěn)坐在全球晶圓代工龍頭寶座上，但該公司一點(diǎn)也不敢松懈，在競爭對手不斷加快追趕腳步的情況下，臺積電每年在新技術(shù)、工藝的研發(fā)，以及先進(jìn)產(chǎn)線建設(shè)方面都投入了大量資金，然而，摩爾定律的逐漸“失效”使該公司的投資回報(bào)率不如前些年那么高了。

從2023年第三季度的財(cái)報(bào)數(shù)據(jù)來看，臺積電3nm、5nm產(chǎn)線營收上漲非常明顯，特別是3nm，與2022年同期相比，今年對該公司整體營收提供了6%的貢獻(xiàn)，而去年幾乎為零。總體來看，臺積電先進(jìn)制程（5nm、4nm、3nm）填補(bǔ)了其它制程節(jié)點(diǎn)營收下滑所形成的空缺。

通過分析各個(gè)制程節(jié)點(diǎn)的營收數(shù)據(jù)?？梢钥闯觯_積電的每一個(gè)新制程工藝在出現(xiàn)3年后，其營收增長就停滯了，增量營收主要靠更先進(jìn)的工藝來支撐。所以，該公司的營收增長幾乎完全依賴于最先進(jìn)制程工藝的迭代。而從10nm開始，臺積電新制程工藝營收的迭代速度明顯放慢了。

從7nm開始，先進(jìn)制程工藝的研發(fā)難度大幅提升，主要體現(xiàn)在成本方面，5nm的研發(fā)成本達(dá)到90多億美元，3nm的高成本已經(jīng)嚇退了臺積電的傳統(tǒng)大客戶，要等到明年的新版本N3E將成本降下來后才能下單。未來，2nm、1nm等新工藝發(fā)展的難度更大，投入更高。

制程工藝迭代的速度明顯放慢，未來發(fā)展的難度越來越大，這就給競爭對手提供了追趕的空間和時(shí)間。

據(jù)TrendForce統(tǒng)計(jì)，三星晶圓代工市場份額從2023年第一季度的9.9%上升至第二季度的11.7%，營收從27.57億美元增加到32.34億美元。臺積電依然是該領(lǐng)域的霸主，但其市場份額下降至56.4%。

此外，臺積電的財(cái)務(wù)也存在著一些問題。

知名半導(dǎo)體分析師陸行之表示：“在看到代工客戶庫存降低，產(chǎn)能利用率逐步回升，3nm手機(jī)和4nm制程AI芯片代工復(fù)蘇之后，我反而開始被很多臺積電退休高管詢問，臺積電到底怎么了？”

陸行之說，很多人問，投資美國廠有經(jīng)過董事會的事先討論嗎，還是董事會已經(jīng)成為橡皮圖章？這幾年，臺積電的債務(wù)為何一路攀升？

陸行之指出，近年來，因?yàn)榇笠?guī)模的資本支出而開始大量發(fā)行公司債，同時(shí)，臺積電大量買入其它公司發(fā)行的債券。為何在張忠謀2018年退休之后，凈現(xiàn)金（Net cash to equity ratio =17%）和現(xiàn)金流沒出現(xiàn)問題的情況下，整體負(fù)債比例從2018年的11%增加到了2023年6月的30%？

面對如此龐大又多樣的公司債券及政府公債市場，臺積電如何管理并應(yīng)對可能的爆雷風(fēng)險(xiǎn)？從財(cái)務(wù)管理的角度來看，臺積電是否已決定偏離當(dāng)年張忠謀一直強(qiáng)調(diào)并嚴(yán)格執(zhí)行的“財(cái)務(wù)保守”原則？

05 強(qiáng)敵加入戰(zhàn)團(tuán)

自2021年以來，英特爾積極投入晶圓代工業(yè)務(wù)（IFS），特別是在先進(jìn)制程方面，明顯加快了迭代的節(jié)奏。與臺積電形成了既競爭又合作的關(guān)系。

為了提升競爭力，英特爾要在四年內(nèi)快速迭代出五個(gè)先進(jìn)制程節(jié)點(diǎn)，目前，Intel 7制程已經(jīng)量產(chǎn)，接下來，Intel 4將登場，后續(xù)規(guī)劃將進(jìn)展到Intel 3、Intel 20A與Intel 18A。

產(chǎn)能方面，英特爾已經(jīng)陸續(xù)擴(kuò)建位于美國亞利桑那州與俄勒岡州的晶圓廠，該公司還在墨西哥、愛爾蘭、以色列等地設(shè)有晶圓廠，并在中國大陸和馬來西亞設(shè)有封測工廠。

2022年，英特爾宣布，規(guī)劃投資歐盟半導(dǎo)體研發(fā)及制造項(xiàng)目，相關(guān)投資范圍橫跨德國、愛爾蘭、意大利、法國、波蘭等地。

晶圓代工客戶方面，英特爾表示，高通將采用其Intel 20A制程來生產(chǎn)芯片，聯(lián)發(fā)科也將利用IFS的成熟制程來制造芯片。另外，AWS將是第一個(gè)采用英特爾IFS封裝解決方案的客戶。

當(dāng)然，英特爾在晶圓代工發(fā)展道路上仍處于起步階段，短時(shí)間內(nèi)還難以對臺積電和三星構(gòu)成威脅。但新競爭者的加入，而且還是這樣一家強(qiáng)敵，會分食更多原本屬于臺積電的蛋糕，這顯然是后者不愿意看到的。

06 結(jié)語 從目前全球晶圓代工市場的格局來看，誰掌控了先進(jìn)制程（7nm及以下）技術(shù)和客戶，誰就能在整體市場中占有很高的份額，典型代表就是臺積電和三星，因?yàn)槿?5%以上的7nm及更先進(jìn)制程晶圓代工訂單都被這兩家瓜分了，而它們的綜合市場占有率分別達(dá)到了56%和18%左右。

要追趕臺積電，三星的關(guān)鍵點(diǎn)也是先進(jìn)制程，而在7nm、5nm和3nm這幾波競爭中，三星都明顯落后。但隨著技術(shù)迭代越來越難，臺積電最先進(jìn)制程工藝前進(jìn)的腳步在放緩，同時(shí)，三星雖然落后，但其迭代的速度是在提升的。此消彼長，在可預(yù)見的2nm制程量產(chǎn)階段，三星有望抗衡臺積電。

對于臺積電來說，技術(shù)和商業(yè)拓展，以及美國政府帶來的額外負(fù)擔(dān)越來越重。未來幾年，臺積電在全球晶圓代工市場的份額很有可能會緩慢下滑。也希望三星和英特爾的市占率能夠逐步提升，畢竟，長時(shí)間的一家獨(dú)大，無論是對整個(gè)市場，還是對諸多IC設(shè)計(jì)公司來說，都缺少了更多、更好的選擇空間。

審核編輯：黃飛