臺(tái)積電和三星的“3nm之爭(zhēng)”：誰率先降低代工價(jià)格，誰就會(huì)是贏家

2022年已經(jīng)接近尾聲，3nm制程的競(jìng)爭(zhēng)似乎也進(jìn)入到了白熱化階段，臺(tái)積電和三星誰先真正實(shí)現(xiàn)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芯片的廠商少之又少，但這并不妨礙它是巨頭爭(zhēng)相追逐的對(duì)象，畢竟對(duì)于整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)來說，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(tái)積電

臺(tái)積電作為全球晶圓代工的龍頭企業(yè)，今年憑借著第三季度6131億新臺(tái)幣的銷售額，有望取代老牌巨頭三星、英特爾成為全球半導(dǎo)體一哥。據(jù)市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu)Strategy Analytics最新報(bào)告，2022年第三季度臺(tái)積電代工總收益超過了200億美元，甚至超過了其他所有廠商（包括三星）的總和。

最新消息顯示臺(tái)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，并且客戶的N3需求已經(jīng)超過了臺(tái)積電的供應(yīng)能力，部分原因來自機(jī)臺(tái)交付問題。此外，臺(tái)積電還預(yù)計(jì)在2023年N3將達(dá)到全面利用，將占明年晶圓營(yíng)收的4%-6%。

隨著3nm產(chǎn)能在明年逐季開出，包括蘋果、英特爾、高通等大客戶亦會(huì)導(dǎo)入量產(chǎn)，將成為臺(tái)積電2023年?duì)I收較今年成長(zhǎng)的主要?jiǎng)幽?。?jù)彭博報(bào)道，蘋果新款的M2芯片處理器更是有可能獨(dú)占臺(tái)積電3nm代工的大訂單。

臺(tái)積電方面還透露N3E作為第二代3nm工藝制程，有著更好的效能、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開發(fā)進(jìn)度較計(jì)劃提前，大規(guī)模量產(chǎn)時(shí)間預(yù)計(jì)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(tái)積電計(jì)劃將N3技術(shù)芯片生產(chǎn)帶到它美國亞利桑那州5nm晶圓廠的傳聞，前兩天臺(tái)積電創(chuàng)始人張忠謀首次給出了肯定的答復(fù)。不過并未透露美國3nm晶圓廠建廠計(jì)劃的投資規(guī)模，以及會(huì)在何時(shí)啟動(dòng)。

雖然美國今年通過了配套有超過520億美元補(bǔ)貼的“芯片法案”，但對(duì)于臺(tái)積電來說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(tái)積電赴美建先進(jìn)制程晶圓廠，也在一定程度上順應(yīng)了美國客戶的供應(yīng)來源地分散化的供應(yīng)鏈安全需求。

根據(jù)最新的預(yù)計(jì)，今年臺(tái)積電主要客戶的營(yíng)收占比依次為蘋果(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(dá)(5.8%)，這前七大客戶中六家都是美國客戶，這也正是促使臺(tái)積電赴美建5nm/3nm晶圓廠的重要因素。

三星

在3nm制程量產(chǎn)方面，三星比臺(tái)積電率先曝出消息，據(jù)報(bào)道三星6月30日率先開始采用3nm制程工藝為相關(guān)的客戶代工晶圓，首批晶圓在7月25日發(fā)貨。然而除了一家做礦機(jī)芯片的中國公司試水之外，大型半導(dǎo)體廠商中還在觀望，還有沒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(jié)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(xiàn)，才迫使高通這樣的大客戶將旗艦SoC訂單轉(zhuǎn)投到臺(tái)積電。

在未來的技術(shù)路線發(fā)展上，三星電子計(jì)劃在2024年推出第二代3nm工藝技術(shù)的半導(dǎo)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(jī)、個(gè)人電腦、云服務(wù)器和可穿戴設(shè)備帶來更小、更節(jié)能的芯片。

此外，三星還計(jì)劃積極爭(zhēng)取美國境內(nèi)晶圓代工市場(chǎng)。除了在德州奧斯汀的工廠，目前還計(jì)劃在鄰近泰勒市興建全新工廠，為最新3nm制程技術(shù)提供代工量產(chǎn)資源，預(yù)計(jì)在2024年開始運(yùn)作。

三星之所以不遺余力地?cái)U(kuò)大其代工產(chǎn)能，是因?yàn)槿请娮哟な聵I(yè)部總裁Choi Si-young在日前活動(dòng)中明確表示了三星的目標(biāo)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(zhàn)略，即先建設(shè)無塵室，然后在市場(chǎng)需求出現(xiàn)時(shí)靈活運(yùn)營(yíng)。據(jù)了解，三星在韓國和美國已經(jīng)經(jīng)營(yíng)了五家工廠，并獲得了建造10多個(gè)晶圓廠的場(chǎng)地。

3nm代工價(jià)格驚人

臺(tái)積電

臺(tái)積電在7nm制程節(jié)點(diǎn)成功地引入了EUV（極紫外光），隨后5nm制程節(jié)點(diǎn)更是拉開了與其他代工廠之間的差距，蘋果、AMD、英偉達(dá)、聯(lián)發(fā)科、博通和高通等業(yè)界大型芯片設(shè)計(jì)公司紛紛下單。

更先進(jìn)的工藝制程意味著更高的成本，每片晶圓的價(jià)格水漲船高。按照臺(tái)積電的報(bào)價(jià)，7nm工藝的12寸晶圓大約是1萬美元一片，5nm更是超過1.6萬美元，預(yù)計(jì)明年還會(huì)上漲6%。有半導(dǎo)體從業(yè)人員表示，5nm制程節(jié)點(diǎn)的代工價(jià)格已非常高，3nm的報(bào)價(jià)已達(dá)到2萬美元，成本的拉升相當(dāng)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、蘋果的3nm手機(jī)Soc，預(yù)計(jì)面積會(huì)是70平方毫米的樣子。也就是說一塊12寸的晶圓，在不浪費(fèi)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，還要考慮到良率不可能100％。所以實(shí)際上來看，如果一塊12寸的晶圓用來制造3nm的芯片，在良率達(dá)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(xù)加上研發(fā)、流片、封裝、報(bào)損、營(yíng)銷等成本，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(jī)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。廠商也會(huì)將成本轉(zhuǎn)嫁到下游客戶，所以新款設(shè)備終端也會(huì)越來越貴。

三星

臺(tái)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。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(gòu)，臺(tái)積電則是繼續(xù)采用鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FinFET）架構(gòu)。

三星表示與原來采用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，不過需要2024年才能量產(chǎn)。

這樣的指標(biāo)很誘人，如果三星能量產(chǎn)，不會(huì)沒有廠商使用。但實(shí)際情況并不是這樣，三星的3nm并沒有公司搶著上，只能說明是有些問題的，那就是良率偏低，根本沒法大規(guī)模量產(chǎn)。

據(jù)悉，目前臺(tái)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，良率不超過20%，量產(chǎn)進(jìn)度陷入瓶頸，因此與臺(tái)積電合作關(guān)系的穩(wěn)定性也是目前多數(shù)芯片廠商考量的關(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(jù)臺(tái)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，就算是打折代工估計(jì)也要10萬美元，芯片成本要增加數(shù)倍以上，毫無競(jìng)爭(zhēng)力。

不過，最近三星與美國公司Silicon Frontline Technology擴(kuò)大合作，將提高其半導(dǎo)體晶片生產(chǎn)良率。據(jù)稱Silicon Frontline通過ESD靜電及相關(guān)技術(shù)可以減少晶圓加工中的缺陷，也就是說提高芯片的良率，兩家公司對(duì)彼此的技術(shù)合作很滿意，但具體提升多少良率還沒有相應(yīng)數(shù)據(jù)公布。

至于是否有實(shí)際收益，還要留意未來幾個(gè)月三星的晶圓代工情況，看看是否有客戶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(jì)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(xù)采用臺(tái)積電與三星多芯片制造供應(yīng)商來源的模式，加上臺(tái)積電在3nm制程上量產(chǎn)時(shí)間的繼續(xù)延遲，高通可能考慮將下一代驍龍8 Gen 3處理器交由三星來生產(chǎn)。

當(dāng)前臺(tái)積電是高通驍龍8 Gen 2 移動(dòng)處理器的獨(dú)家供應(yīng)商，由其4nm制程節(jié)點(diǎn)來生產(chǎn)，但是到了2023 年之際將有許多的不確定性。不過，當(dāng)前談驍龍8 Gen 3的情況似乎還太早，還有許多的不確定性，需要在接下來的時(shí)間持續(xù)關(guān)注。

值得注意的是，三星作為最大的存儲(chǔ)芯片制造商，三季度在存儲(chǔ)芯片方面的營(yíng)收環(huán)比下滑28.1%，導(dǎo)致他們整體的凈利潤(rùn)下滑，也導(dǎo)致將全球半導(dǎo)體銷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?cè)诎雽?dǎo)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(duì)個(gè)人電腦和智能手機(jī)的需求較預(yù)期進(jìn)一步減弱，導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心和消費(fèi)科技客戶削減訂單、庫存增加，三星正面臨更嚴(yán)峻的市場(chǎng)形勢(shì)。

潛在的競(jìng)爭(zhēng)者英特爾

根據(jù)英特爾制程工藝路線圖，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(yù)計(jì)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(xiàn)約18%的提升，預(yù)計(jì)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(duì)其設(shè)計(jì)生態(tài)系統(tǒng)加速器計(jì)劃的戰(zhàn)略性補(bǔ)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(shè)計(jì)生態(tài)系統(tǒng)計(jì)劃，以幫助代工廠客戶將硅產(chǎn)品從構(gòu)思到實(shí)施。