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從工藝制程到客戶爭奪 臺積電和三星新一輪爭奪戰開打

發布時間:2019-11-11 點擊次數:106

隨著摩爾定律逐漸走到極限,跨入到更先進的工藝之后,先進制程的技術、設備、資金壁壘極高,先進制程局限性在于流片費用、IP成本、制造成本均較高,極高的投入帶來了正反饋效應,迫使聯電、Global Foundry相繼放棄先進工藝投資,如今先進制程玩家僅剩英特爾、臺積電、三星三家。高昂的研發成本促使眾廠商不斷加大投入來滿足市場需求,據IC Insights預測,三星和臺積電第四季度的支出都將創下歷史新高。

上圖顯示了三星和臺積電2019年第四季度的資本支出趨勢。如圖所示,這兩家公司年初的支出都相對較低,然后在第二季度將支出提高到較為溫和的水平。此外,兩家公司在第三季度的電話會議上宣布,計劃將第四季度的支出提高到創紀錄的水平。

臺積電驚人大投資的背后

早在2019 Q2的法說會上,臺積電宣布今年資本支出金額將高于原訂的100億~110億美元。而到了10月的法說會,臺積電總裁魏哲家表示,決定擴大今年資本支出,預估為 140~150 億美元,較之前的預期,上調幅度接近 40%。全年 40%,這在臺積歷史堪稱罕見的調升幅度。

這驚天大投資的背后邏輯有哪些呢?

1.昂貴的EUV設備

據華爾街日報的報道,臺積電、英特爾和三星等公司都在競相生產更小、更快的處理器。但最新的制造過程需要新型的生產工具,這也正在推動物理學的發展。其中包括使用極紫外光EUV技術來制作芯片電路的系統,其寬度要比使用更常用光源時窄得多。

但是EUV設備是昂貴的,特別是如果必須為整個半導體制造廠配備EUV設備時。ASML是芯片制造商最大的EUV光刻工具供應商,其第三季度僅售出了七個EUV系統,就實現了7.43億歐元(合8.27億美元)的收入。每臺機器的成本約為1.18億美元。這樣的系統還需要其他類型的設備來進行過程控制和測試。總而言之,建造一個新的尖端芯片制造設施的成本現在已經高達數十億美元。

因此,芯片制造商打開錢包也就不足為奇了。臺積電計劃今年底在臺灣南部的科技園建設一座3nm工廠。今年將全面收購荷蘭ASML獨家生產的EUV設備。

2.滿載的客戶訂單,7nm產能吃緊

據悉,臺積電7nm產能第四季接單全滿,明年上半年同樣供不應求。業界人士分析,包括蘋果A13處理器、華為海思芯片和5G基站芯片及AMD GPU等都集中在下半年出貨,導致臺積電7nm產能緊張,交貨時間也有一定拉長,臺積電此次延長7nm產品交貨時間勢必會對眾多依賴于臺積電的企業產生不利影響。

前段時間,AMD透過電郵宣布,原定9月底上市的Ryzen 9 3950X處理器延至11月推出,盡管AMD未透露新品“遲到”的原因,但因3950X采用臺積電7nm生產,業界認為,應與臺積電7nm滿載、供不應求有關。

由于臺積電產能吃緊,NVIDIA同時選擇了三星和臺積電的7nm EUV作為自己下一代圖形核心的制程,這倒是讓他們可以在一定程度上減小受臺積電交貨時間推遲事件的影響。

雖然明年上半年智能手機進入銷售淡季,但7nm產能仍是供不應求。因為包括5G手機芯片、人工智能及高效能運算(AI/HPC)處理器、網絡處理器、繪圖芯片、中央處理器等需求強勁,而且都采用7納米制程投片。

據臺灣電子時報媒體報道稱,華為旗下海思半導體占臺積電半導體訂單比例最高。受惠于蘋果、高通、AMD、比特大陸、華為海思等7nm的強勁訂單,臺積電也在采取更為激進的戰略。

3.對先進工藝的追逐

近日,在臺積電33周年慶典上,董事長、聯席CEO劉德音談到已將最先進的2nm工藝納入了先導規劃中,明年則會量產5nm工藝。他還強調,臺積電7nm制程在臺中晶圓十五廠運作近兩年,從試產到大量生產寫下全球紀錄,也締造產出超過一百萬片12吋晶圓的全球創舉。

不僅如此,臺積電下一代的5nm工藝也同樣受寵。隨著5G的商用鐘聲逐漸敲響,臺積電的5G客戶對5nm制程需求強勁,臺積電也因此決定加速5nm產能建設。

臺積電此次大手筆擴建,會不會重蹈2010 年那次擴建 28 納米覆轍呢?對此,魏哲家在會上解釋到:“臺積電這次做了非常仔細的分析,而且 EUV 的技術門檻極高,我很有信心不會再重蹈覆轍,讓這次加碼擴建的5納米產能,未來變成累贅。”

加速5nm產能的建置,不僅有助于確保臺積電技術的領先,同時顯示出5G的需求高漲,明年營運成長看好。IC Insights分析,臺積電目前的大部分投資將用于增加7nm和5nm技術的產能。

10月31日,臺積電董事長劉德音在臺灣半導體產業協會(TSIA)年度論壇結語時表示,臺積電預計擴增8000名研發人員,投入未來20、30年的科技、材料研發以及半導體產業的基礎研究。臺積電表示是要在新竹新建研發中心,未來3nm就在此研發中心進行。

臺積電目前3nm研發符合進度,2納米也開始納入先導計劃,臺積電總裁魏哲家表示,目前臺積電制程推進還是維持每兩年推進一個世代,沒有看到任何改變跡象。臺積電董事長劉德音則表示,只要對客戶有幫助,臺積電都會做,只是不一定會按照摩爾定律的速度。

與此同時,三星也在發力投資晶圓廠,力爭在5nm和3nm GAA上追逐臺積電。
 

進擊的三星,能否迎頭趕上?

令臺積電忌憚

10月7日臺積電發布新聞稿,宣布其首度導入極紫外光(EUV)微影技術的7nm強效版制程N7+,今年第二季開始量產。短短幾個月,良率已經與第一代N7相當接近,而N7已投入量產已經超過一年。臺積電業務開發副總經理張曉強在新聞稿中指出,在EUV微影技術上的成功,不僅能具體落實客戶的領先設計,同時憑借卓越的制造能力,亦能使其大量生產的另一個絕佳證明。

在業界看來,這篇寫滿硬梆梆科技術語的稿子,是一篇不折不扣的“炫耀文”。外資分析師指出,過去此類制造資訊,臺積通常對外秘而不宣,僅與客戶分享,這回卻反常的大張旗鼓發新聞稿,向對手三星示威的意味甚濃。

據IC insights公布的數據顯示,截止到2018年底,三星的市場份額從去年的6%提升至今年14%,同比上升133.3%,成為了僅次于臺積電的第二大晶圓代工廠商。正是這種發展速度,或許才是臺積電壓力的根源所在。

從另一方面上看,臺積電自成立起的定位就是晶圓代工廠,而三星該項業務卻是從2005年才正式開始,但主要面向高端SoC領域,市占率并不高。這樣看來,三星在短短不到20年的時間里,憑借其晶圓代工技術超越格芯和聯電,穩居晶圓代工第二大龍頭的地位,其實力自然不可小覷。

三星這幾年確實分了代工的一杯羹,除了上文提到的NVIDIA選擇三星以外,高通也是,據悉,高通驍龍865芯片將采用三星7nm極紫外光(EUV)技術制造。不過三星雖然在7nm上已打開已經打開局面,但其實與臺積電的差距依然很大。

從市占來看,2019Q3臺積電營收34.59億美元,同比增長13%,全球市場份額比上一季度增長1.3個百分點,達到50.5%。而三星電子的市場份額僅增長0.5個百分點,達到18.5%。這意味著兩者之間的差距將擴大。

工藝的比較

臺積電與三星的競爭漸趨白熱化,不論是在技術面或媒體宣傳上,雙方互不相讓,究竟誰能真正勝出?主要有3大觀察重點,分別是:今年量產的7nm EUV、明年的5G平價機大戰,以及3nm的「環繞式閘極結構」(Gate-All-Around,GAA)技術。

據半導體百科公眾號此前關于臺積電和三星的工藝比較的報道,從下圖中可以看出比較有趣的是,盡管三星7LPP使用了EUV且有最小的M2P(36nm),但是7LPP的晶體管密度卻低于臺積電的7FF。臺積電采用了更小的軌數(Tracks)使得7FF的晶體管密度比7LPP略高一點,而7FFP采用SDB后密度就更加高了。臺積電的 7FF升級到有EUV的7FFP后減少了掩模數量,再加上SDB晶體管密度提高了18%。

在5nm工藝上,三星和臺積電都已開始接收5納米的風險量產訂單,它們明年也都準備大批量生產。從下圖中可以看出,在5nm節點臺積電的晶體管密度將是三星的1.37倍,但相對晶圓成本又比三星略低!

由于摩爾定律逐漸到了物理極限,3nm被認為是最后的一代硅基半導體工藝,因為1nm節點會遭遇嚴重的干擾。為了解決這個問題,三星宣布在3nm節點使用GAA環繞柵極晶體管工藝,通過使用納米片設備制造出了MBCFET(Multi-Bridge-Channel FET,多橋-通道場效應管),該技術可以顯著增強晶體管性能,主要取代FinFET晶體管技術。

在摩爾定律放緩的今天,是否是三星追逐的契機。3nm是三星押注的重點,因為這個節點業界會放棄FinFET晶體管轉向GAA晶體管,三星是第一個公布3nm GAA工藝的。在最新的5G 技術論壇上,三星指出其3 nm制程明年就完成研發階段。

不過臺積電在晶圓代工制程方面并不想讓三星走在前面,在日前SEMICON Taiwan 2019臺積電就透露出有能力達到1nm制程,且預計將在2nm制程技術上投資65億美元,并在2024年開始生產2nm的產品,重新奪回晶圓代工制程技術的話語權。

華為與臺積電的結盟

據臺灣DigiTImes報道,作為無晶圓廠制造商,華為子公司海思占據了臺積電微加工工藝訂單的最大份額。臺積電近年已成為指標性的“華為概念股”,華為海思已是臺積電僅次于蘋果的第二大客戶,占去年臺積電營收的8%,今年第一、二季更達到11%的驚人水平。

在臺積電今年第三季度的銷售額中,中國企業占20%,同期增長5%,這主要得益于其強大的盟友華為。目前,只有三星電子和臺積電推出了7納米以下的微加工工藝。而華為海思將其所有訂單都給了臺積電。有分析人士表示,臺積電也會投桃報李,優先考慮海思的訂單。因此海思轉投三星的可能性不大。

隨著華為海思與臺積電的合作加深,三星要想實現2030年的霸業宏圖可謂困難重重。除了華為,臺積電還收獲了蘋果、AMD和高通等客戶。

狠砸200億美元在半導體

本季度三星所有主力業務中,IT手機通訊、面板部門營收利潤均超去年同期水平,消費電子 品部門表現基本和去年持平。唯獨最賺錢的半導體部門,僅有3.05萬億韓元(約合人民幣184.79億元)營業利潤,同比暴跌77.66%。這對三星來說是不小的沖擊,面對持續的業績下滑,三星做了一些改革,其中就包括削減存儲芯片產能及投資,加速轉向邏輯芯片代工。

三星今年第三季度營收雖不理想,但今年仍然在半導體領域狠砸了200億美元。三星今年投資金額達到29兆韓元(約248億美元),與去年大致持平,其中包括半導體部門共投資 23.3兆韓元(約200億美元)。前段時間,三星還向ASML訂購15臺先進EUV設備,價值3萬億韓元,約合181億人民幣,交付分三年進行。

據businessKorea此前報道,三星電子還致力于根據半導體市場的最新變化確保微加工技術的安全。三星計劃在2021年大規模生產3納米產品,比臺積電提前一年。但是,與臺積電相比,該公司并沒有迅速采取行動。臺積電宣布了3納米工藝的大規模設備投資計劃,并開始了新工廠的建設。

目前,由于日本對光阻劑等半導體生產原料實施出口限制,導致三星的不確定性仍不斷增加。一位業內人士說,三星已經完成了3nm的技術研發,且正在招聘許多極紫外線制程的相關設備技術人員。

與臺積電已經宣布2納米制程的計劃不同,三星電子尚未披露2納米制程的具體計劃。

新興技術能否支持工藝繼續演進?

根據摩爾定律,集成電路不斷向更細微的尺寸發展,先進制程是集成電路制造中最為頂尖的若干節點。歷史上英特爾曾一度是先進制程的主導者,從2015 年起代工廠商臺積電與三星迅速追趕英特爾。

為了延續摩爾定律,多層次新技術各顯神通。第一個是光刻工藝:出現極紫外光刻(EUV)與自對準四重圖案化(193i SAQP)兩條技術路徑;第二是材料:少量關鍵金屬層運用鈷(Co)。三大廠商均在關鍵金屬層襯層中運用少量金屬鈷;第三是結構設計:預計2024年后芯片面積縮小的速度將明顯放緩,轉向垂直型晶體管或立體結構發展。

英特爾首席執行官Bob Swan在最近的一個電話會中提到英特爾將重返TIck-Tock兩年的計劃。他表示,英特爾的10nm產品時代已經開啟,第三季度,英特爾還交付了首批10nm Agilex FPGA。英特爾現在的關注點和精力在擴展10nm上。

按照英特爾原定計劃,在推出10nm兩年后,也就是在2021年將推出首款基于7nm的GPU,7nm將采用FinFET工藝,但英特爾5nm將采用horizontal nanosheets,3nm采用CFET。這樣看來,英特爾3nm的先進制程路線都已規劃好了。

眾廠商都在探索的5nm、3nm甚至是2nm等半導體工藝技術真的值得嗎,有些人不確定即使在5nm工藝下,它們也能從中獲得商業優勢。摩爾定律何時到達終點,臺積電創始人張忠謀說無法給確定的答覆,因為沒人知道答案。“山窮水盡疑無路,柳暗花明又一村”是對摩爾定律的最佳寫照。

更先進工藝的成功需要代工廠,EDA和設計工程師之間日益緊密的合作。不過三星和臺積電這樣大規模的投入,未來能否找到更多的客戶,5G、AI和HPC能否支撐他們工藝的繼續演進,未來是否能夠投入到臺積電所說的0.1nm,這還有待時間考驗。

本文來自半導體行業觀察,本文作為轉載分享。

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