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    •  01、突破4nm制程良率瓶颈
    •  02、3nm之争
    •  03、三星欲在2nm翻盘
    •  04、台积电的挑战
    •  05、强敌加入战团
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芯片订单有逆转之势,台积电拉响警报

2023/11/30
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作者:畅秋

近日,三星晶圆代工业务陆续传来好消息,首先,AMD正在认真考虑使用三星4nm制程产线量产新一代CPU,这表明三星4nm工艺的技术和良率水平达到了一个新的高度,完全可以与台积电4nm制程匹敌了。之前这些年,AMD最新CPU产品从来没有走出过台积电的制程产线,三星4nm制程的提升,进一步缩小了与台积电的差距,也给后者增添了压力。

不止AMD,本来都属于台积电的高性能计算(HPC)芯片和车用芯片大单,近期也在改变动向,三星不断接到AI芯片代工订单,包括用于AI服务器数据中心的GPU和CPU。

此外,Google、微软和亚马逊等互联网巨头都在开发自家的AI处理器。无论是AMD这样的芯片大厂,还是互联网巨头,越来越希望减少对单一晶圆代工先进制程的依赖,随着三星晶圆代工技术和良率的不断成熟,给这些芯片大客户提供了更多选择。

 01、突破4nm制程良率瓶颈

三星已将4nm制程良率提升到了70%左右,并重点在汽车芯片方面寻求突破。特斯拉已经将其新一代FSD芯片交由三星生产,该芯片将用于特斯拉计划于3年后量产的Hardware 5(HW 5.0)计算机

前些年,三星是特斯拉较早版本FSD芯片的代工合作伙伴,用于Model 3、Model S、Model X和Model Y等电动车,但在2022年,特斯拉转向了台积电,主要原因就是三星4nm制程的良率问题,此次,特斯拉订单回流的关键,就是三星4nm良率取得大幅度进步。从目前的情况来看,特斯拉计划同时采用台积电和三星的先进制程产线,用于量产其第五代汽车芯片。

除了良率大幅提升,三星的价格优势也很诱人。今年5月,三星董事长李在镕和特斯拉CEO马斯克会面,据悉,李在镕给出了非常优惠的价格。

除了特斯拉,今年2月,三星和Ambarella达成协议,代工生产后者用于处理Level 2-Level 4自动驾驶的CV3-AD685芯片;4月,三星还赢得了MobileyeADAS芯片订单,之前,Mobileye的相关芯片订单都是交给台积电的。

在汽车芯片站住脚后,三星先进制程将向HPC处理器进发,目标就是AMD和英伟达等大客户。

三星的4nm制程主要分为五代,逐年迭代,它们是SF4E、SF4、SF4P、SF4X和SF4A。2024年,该公司将推出其第四代4nm制程工艺SF4X,对标的是台积电的N4P制程。据悉,SF4X是专为数据中心CPU和GPU等高性能处理器量身定制的,这也是三星晶圆代工近年来第一个专门为高性能计算应用设计的工艺节点。

 02、3nm之争

台积电的3nm在2022年第四季度量产,但那时没有多少产量,直到2023年第三季度,苹果新机大规模采用3nm制程处理器后,才开始放量,不过,从目前的情况来看,台积电2023年版本的3nm制程还没有达到其规划的N3E版本水平,要到2024下半年才能进一步提升良率和成本效益。据台积电介绍,与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%,逻辑密度提升约60%、芯片密度提升30%。

三星的首个版本3nm(SF3E)制程工艺量产时间是领先台积电的,并且引入了全环绕栅极(GAA)技术,台积电3nm则仍在使用FinFET工艺。不过,三星的3nm制程订单较少,主要用于生产一些挖矿ASIC。

对于三星来说,3nm制程是其赶上台积电的机会,据报道,三星LSI部门正在开发 Exynos 2500,这是该公司首款采用3nm工艺的手机处理器,预计在2024下半年量产。如果三星自己设计的3nm制程Exynos处理器表现良好,可能会有更多客户将订单转向三星。

良率方面,目前来看,台积电的良率约为70%,三星的也提升到了60%左右。

2024年,台积电将推出升级版本的3nm工艺,也就是N3E,到那时,台积电代工的性价比也将提升,三星的3nm必须进一步优化成本效益,才能与台积电竞争。

2024下半年,三星也将推出新版本的3nm(SF3)制程,据悉,与SF4相比,在相同功率下,SF3的性能会提高22%,在相同频率和晶体管数量下,功耗可降低34%,逻辑面积减少 21%。

2025年,三星计划推出新版本的3nm制程SF3P,目标是争夺数据中心、云计算CPU和 GPU订单。

 03、三星欲在2nm翻盘

2025年,三星将推出2nm(SF2)制程,据悉,该工艺将采用背面供电技术,这样可以进一步提升性能,因为供电电路被移到芯片背面,给正面留出了集成更多晶体管的空间。

在2nm制程之后,三星将增加晶体管的纳米片数量,这样可以增强驱动电流,提高性能,因为更多的纳米片允许更多的电流流过晶体管,从而增强其开关能力和运行速度。更多的纳米片还可以更好地控制电流,有助于减少漏电流,从而降低功耗。改进的电流控制也意味着晶体管产生的热量更少,从而提高了电源效率。

台积电计划于2025年推出其2nm制程,也将采用纳米片工艺,到那时,三星已经在GAA晶体管方面拥有丰富的经验,这对晶圆代工很有利。因此,三星对2nm制程寄予厚望,希望在那时完全赶上台积电,无论是工艺技术,还是良率,可以与后者分庭抗礼。

总体来看,三星晶圆代工的SF5,SF4制程良率都达到了70%左右,基于此,2024年,有几家大客户将回归。到2025年,SF2制程很可能从台积电那里争夺更多订单。

 04、台积电的挑战

目前,台积电稳坐在全球晶圆代工龙头宝座上,但该公司一点也不敢松懈,在竞争对手不断加快追赶脚步的情况下,台积电每年在新技术、工艺的研发,以及先进产线建设方面都投入了大量资金,然而,摩尔定律的逐渐“失效”使该公司的投资回报率不如前些年那么高了。

从2023年第三季度的财报数据来看,台积电3nm、5nm产线营收上涨非常明显,特别是3nm,与2022年同期相比,今年对该公司整体营收提供了6%的贡献,而去年几乎为零。总体来看,台积电先进制程(5nm、4nm、3nm)填补了其它制程节点营收下滑所形成的空缺。

通过分析各个制程节点的营收数据。可以看出,台积电的每一个新制程工艺在出现3年后,其营收增长就停滞了,增量营收主要靠更先进的工艺来支撑。所以,该公司的营收增长几乎完全依赖于最先进制程工艺的迭代。而从10nm开始,台积电新制程工艺营收的迭代速度明显放慢了。

从7nm开始,先进制程工艺的研发难度大幅提升,主要体现在成本方面,5nm的研发成本达到90多亿美元,3nm的高成本已经吓退了台积电的传统大客户,要等到明年的新版本N3E将成本降下来后才能下单。未来,2nm、1nm等新工艺发展的难度更大,投入更高。

制程工艺迭代的速度明显放慢,未来发展的难度越来越大,这就给竞争对手提供了追赶的空间和时间。

据TrendForce统计,三星晶圆代工市场份额从2023年第一季度的9.9%上升至第二季度的11.7%,营收从27.57亿美元增加到32.34亿美元。台积电依然是该领域的霸主,但其市场份额下降至56.4%。

此外,台积电的财务也存在着一些问题。

知名半导体分析师陆行之表示:“在看到代工客户库存降低,产能利用率逐步回升,3nm手机和4nm制程AI芯片代工复苏之后,我反而开始被很多台积电退休高管询问,台积电到底怎么了?”

陆行之说,很多人问,投资美国厂有经过董事会的事先讨论吗,还是董事会已经成为橡皮图章?这几年,台积电的债务为何一路攀升?

陆行之指出,近年来,因为大规模的资本支出而开始大量发行公司债,同时,台积电大量买入其它公司发行的债券。为何在张忠谋2018年退休之后,净现金(Net cash to equity ratio =17%)和现金流没出现问题的情况下,整体负债比例从2018年的11%增加到了2023年6月的30%?

面对如此庞大又多样的公司债券及政府公债市场,台积电如何管理并应对可能的爆雷风险?从财务管理的角度来看,台积电是否已决定偏离当年张忠谋一直强调并严格执行的“财务保守”原则?

 05、强敌加入战团

自2021年以来,英特尔积极投入晶圆代工业务(IFS),特别是在先进制程方面,明显加快了迭代的节奏。与台积电形成了既竞争又合作的关系。

为了提升竞争力,英特尔要在四年内快速迭代出五个先进制程节点,目前,Intel 7制程已经量产,接下来,Intel 4将登场,后续规划将进展到Intel 3、Intel 20A与Intel 18A。

产能方面,英特尔已经陆续扩建位于美国亚利桑那州与俄勒冈州的晶圆厂,该公司还在墨西哥、爱尔兰、以色列等地设有晶圆厂,并在中国大陆和马来西亚设有封测工厂。

2022年,英特尔宣布,规划投资欧盟半导体研发及制造项目,相关投资范围横跨德国、爱尔兰、意大利、法国、波兰等地。

晶圆代工客户方面,英特尔表示,高通将采用其Intel 20A制程来生产芯片,联发科也将利用IFS的成熟制程来制造芯片。另外,AWS将是第一个采用英特尔IFS封装解决方案的客户。

当然,英特尔在晶圆代工发展道路上仍处于起步阶段,短时间内还难以对台积电和三星构成威胁。但新竞争者的加入,而且还是这样一家强敌,会分食更多原本属于台积电的蛋糕,这显然是后者不愿意看到的。

 06、结语

从目前全球晶圆代工市场的格局来看,谁掌控了先进制程(7nm及以下)技术和客户,谁就能在整体市场中占有很高的份额,典型代表就是台积电和三星,因为全球95%以上的7nm及更先进制程晶圆代工订单都被这两家瓜分了,而它们的综合市场占有率分别达到了56%和18%左右。

要追赶台积电,三星的关键点也是先进制程,而在7nm、5nm和3nm这几波竞争中,三星都明显落后。但随着技术迭代越来越难,台积电最先进制程工艺前进的脚步在放缓,同时,三星虽然落后,但其迭代的速度是在提升的。此消彼长,在可预见的2nm制程量产阶段,三星有望抗衡台积电。

对于台积电来说,技术和商业拓展,以及美国政府带来的额外负担越来越重。未来几年,台积电在全球晶圆代工市场的份额很有可能会缓慢下滑。也希望三星和英特尔的市占率能够逐步提升,毕竟,长时间的一家独大,无论是对整个市场,还是对诸多IC设计公司来说,都缺少了更多、更好的选择空间。

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