2021年，全球先進(jìn)代工混戰(zhàn)元年

集微網(wǎng)消息，目前全球領(lǐng)先的晶圓代工廠正為新一輪、高成本和高收益的技術(shù)競賽摩拳擦掌，全球整個(gè)半導(dǎo)體制造領(lǐng)域有可能面臨結(jié)構(gòu)性重組，對此，知名半導(dǎo)體技術(shù)分析社區(qū)semiengineering撰文分析了全球先進(jìn)芯片制造企業(yè)面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

3月份，英特爾(INTC.US)通過“IDM2.0”計(jì)劃宣布重新進(jìn)入代工業(yè)務(wù)，并且將自己的目標(biāo)設(shè)定為在未來追上并趕超三星和臺(tái)積電(TSM.US)的龍頭地位。目前該公司計(jì)劃在成熟工藝節(jié)點(diǎn)上試點(diǎn)代工，并準(zhǔn)備在今年建造兩個(gè)新工廠，資本支出預(yù)算定為200億美元。

緊接著在4月份的早些時(shí)候，臺(tái)積電做出了回應(yīng)，提高了“賭注”，將其資本支出預(yù)算從先前計(jì)劃的280億美元增加到300億美元，臺(tái)積電還計(jì)劃在未來三年內(nèi)總共支出1000億美元。這一系列事件讓業(yè)界彷佛就回到了十年前，當(dāng)時(shí)各家晶圓代工廠開始了資本支出和技術(shù)大比拼，以贏得業(yè)界領(lǐng)導(dǎo)地位。與過去一樣，由于目前市場的各種不確定性依然存在，目前尚不清楚是否所有的玩家都能兌現(xiàn)他們所許下的承諾。

晶圓代工市場是一個(gè)龐大但分散的業(yè)務(wù)，其中大約有二十多家企業(yè)在多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)競爭。前端市場尤其活躍，代工廠為外部客戶制造世界上最先進(jìn)的芯片。

全球晶圓代工廠營收以及市場份額（@trendforce）

十年前，全球領(lǐng)先的晶圓代工廠有六家，但是隨著晶圓廠規(guī)模和技術(shù)成本在時(shí)間的推移下逐步上升，這一細(xì)分市場經(jīng)歷了一輪又一輪的淘汰賽。如今，三星和臺(tái)積電是僅有的兩家能夠在最先進(jìn)的工藝節(jié)點(diǎn)（即7nm和5nm）以及3nm的研發(fā)中能繼續(xù)保持前進(jìn)的企業(yè)。

一段時(shí)間以來，人們一直希望在市場上有更多的領(lǐng)先的晶圓代工廠為客戶提供更多的選擇，理論上他們的競爭可以把價(jià)格降下來。然而，當(dāng)今對于芯片的強(qiáng)勁需求在很多情況下會(huì)導(dǎo)致芯片產(chǎn)能短缺。晶圓和芯片的價(jià)格在每個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)上都在上漲。

英特爾重新進(jìn)入代工業(yè)務(wù)可能會(huì)填補(bǔ)某些市場空白，但仍有很多事情需要被厘清。早在2010年，英特爾最初進(jìn)入代工業(yè)務(wù)時(shí)，這塊業(yè)務(wù)就未能很好地展開。八年后，它徹底退出了代工市場。當(dāng)時(shí)，英特爾在10納米制程上遇到了瓶頸，逐漸被臺(tái)積電和三星拉開了技術(shù)代差。

今天，在新管理層的領(lǐng)導(dǎo)下，英特爾力圖縮小差距，但困難重重。Semiconductor advisors總裁羅伯特·梅爾（Robert Maire）指出：“在很多方面我都懷疑英特爾能否達(dá)到如期的目標(biāo)。第一，他們目前落后于臺(tái)積電，若要趕上臺(tái)積電，前提是臺(tái)積電要犯錯(cuò)，或者英特爾要花比臺(tái)積電更多的海量的錢，無論哪種情況都將是困難的。市場上當(dāng)然希望擁有三個(gè)領(lǐng)先的代工廠，英特爾有這個(gè)潛力，但目前的大局面在接下來的兩三年內(nèi)不改變。就算是要在未來四五年取得突破，這對英特爾來說也要求太高了?！?/p>

很顯然，代工市場需要關(guān)注整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的動(dòng)向。

不少分析師稱，英特爾新的代工廠部門將提供22nm制程，甚至可能提供14nm制程服務(wù)，估計(jì)要到2023年才能代工量產(chǎn)7nm制程的產(chǎn)品。與此同時(shí)，臺(tái)積電和三星也在追加各種在美國本土設(shè)廠的計(jì)劃，值得注意的是，這幾個(gè)高端玩家都在把大量資金投入到先進(jìn)封裝環(huán)節(jié)中，盡可能榨取芯片工藝和性能提升。

IBS首席執(zhí)行官Handel Jones表示，在AI、汽車、移動(dòng)設(shè)備、電腦服務(wù)器和其他產(chǎn)品的需求推動(dòng)下，全球晶圓代工市場銷售規(guī)模預(yù)計(jì)將從2020年的779億美元增長到2021年的917億美元。多年來，代工廠商已經(jīng)為許多不同技術(shù)市場的客戶提供了第三方制造服務(wù)，如各種模擬芯片，CMOS圖像傳感器，MEMS和射頻芯片等等。

WikiChip的David Schor解釋說，對于每個(gè)細(xì)分市場，代工廠都開發(fā)一種工藝技術(shù)，該工藝技術(shù)“集中指向代工廠針對某一類型半導(dǎo)體產(chǎn)品的具體某個(gè)特殊的制造流程”。多家供應(yīng)商，如臺(tái)積電、格芯、三星、中芯國際等都有自己特別擅長的領(lǐng)域。

1987年，以臺(tái)積電為首的代工廠開啟了芯片設(shè)計(jì)與制造大分流的時(shí)代，對原有傳統(tǒng)的IDM模式構(gòu)成了嚴(yán)重挑戰(zhàn)。

IDM和工藝相對落后的代工廠試圖跟上摩爾定律的步伐，每18至24個(gè)月使晶體管密度增加一倍，隨著時(shí)間的推移，制造環(huán)節(jié)需要一種具有更高晶體管密度的新工藝技術(shù)。

根據(jù)IBS提供的數(shù)據(jù)，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上，芯片制造商都可以將晶體管規(guī)格擴(kuò)展0.7倍，從而使該行業(yè)在相同功率下將性能提高40%，并將面積減小50%。反過來，這使得半導(dǎo)體制造商可以在設(shè)備上封裝更多的晶體管。

2001年，有18家半導(dǎo)體企業(yè)擁有可以處理130nm芯片的晶圓廠，這在當(dāng)時(shí)是最先進(jìn)的工藝。當(dāng)時(shí)，幾家代工廠在晶圓廠中成熟的節(jié)點(diǎn)上為其他公司生產(chǎn)芯片，甚至還負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)某一特定類型的芯片。

到2010年，晶圓廠和工藝成本大幅上升。由于無力承擔(dān)這些費(fèi)用，許多IDM轉(zhuǎn)向了“fab-lite”（輕型IDM）模式。他們在自己的工廠中生產(chǎn)一些芯片，同時(shí)將一些生產(chǎn)外包給代工廠。許多IDM繼續(xù)在自己的工廠中生產(chǎn)設(shè)備，而一些IDM則索性完全轉(zhuǎn)型，關(guān)閉了制造部門。

下一個(gè)重大變化發(fā)生在20nm節(jié)點(diǎn)上。當(dāng)時(shí)傳統(tǒng)的平面二維結(jié)構(gòu)的晶體管已經(jīng)不能滿足需求，鰭式場效應(yīng)晶體管（FinFET）應(yīng)運(yùn)而生，英特爾在2011年推出了22nm的FinFET。三年后，晶圓代工廠又推出了16nm / 14nm的FinFET。

從Planar到FinFET

Lam Research項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Nerissa Draeger說：“在傳統(tǒng)晶體管結(jié)構(gòu)中，控制電流通過的閘門，只能在閘門的一側(cè)控制電路的接通與斷開，屬于平面的結(jié)構(gòu)。在FinFET的架構(gòu)中，閘門成類似魚鰭的叉狀3D架構(gòu)，可于電路的兩側(cè)控制電路的接通與斷開。”

但是FinFET也很難在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上制造和擴(kuò)展。因此，工藝研發(fā)成本猛增。

因此，一個(gè)節(jié)點(diǎn)每向前邁進(jìn)一大步，需要從之前的18個(gè)月延長到如今的30個(gè)月或更長時(shí)間。

盡管如此，隨著FinFET的推出，英特爾擴(kuò)大了其在微處理器市場的領(lǐng)先地位。為了將技術(shù)運(yùn)用到新市場中，英特爾于2011年進(jìn)入代工業(yè)務(wù)。該公司取得了一些成功。當(dāng)時(shí)，英特爾基于其22nm finFET工藝為供應(yīng)商生產(chǎn)FPGA產(chǎn)品。后來，英特爾生產(chǎn)了Altera的14nm FPGA（2015年，英特爾收購了Altera）。

臺(tái)積電當(dāng)時(shí)仍主導(dǎo)著晶圓代工市場，而格芯、三星、中芯國際、聯(lián)電和其他代工廠也占有一定的市場份額，英特爾的代工份額雖然很小，但由于其技術(shù)領(lǐng)先地位而不容小覷。

當(dāng)英特爾在2016年首次推出其10nm finFET工藝時(shí)，情況發(fā)生了變化。該公司在10nm上遇到了幾次交貨延遲，最終在2019年上市的時(shí)候比預(yù)期晚了兩年多。

Cowen的分析師在最近的一份報(bào)告中指出，芯片工藝在10nm節(jié)點(diǎn)上進(jìn)入了全球代工大混戰(zhàn)。2018年，臺(tái)積電發(fā)布了全球首個(gè)7nm FinFET工藝。后來，三星出貨了7nm（按照晶體管密度計(jì)算，相當(dāng)于英特爾的10nm）。

在更先進(jìn)工藝的研發(fā)上，英特爾的競爭對手突然站穩(wěn)了腳跟。2018年是關(guān)鍵的一年。格芯和聯(lián)電出于成本考慮，停止了7nm研發(fā)工作，不過這兩者仍然活躍在16nm / 14nm市場上，同樣在2018年左右，英特爾或多或少退出了代工業(yè)務(wù)。Robert Maire說：“他們失敗的原因之一沒有在代工業(yè)務(wù)上長期耕耘的心態(tài)，他們是IDM，也許他們有些自大。他們的目的不是要以客戶服務(wù)為導(dǎo)向，而代工廠完全要以客戶服務(wù)為導(dǎo)向?！?nbsp;

今天的代工市場依然充滿著各種新的挑戰(zhàn)。例如，從2021年開始，汽車芯片短缺現(xiàn)象愈演愈烈。汽車芯片主要涉及在8英寸和12英寸成熟工藝設(shè)備，而目前，8英寸晶圓的產(chǎn)能非常緊張。Gartner分析師Samuel Wang表示：“總體而言，8英寸的短缺持續(xù)的時(shí)間比預(yù)期的要長得多。自去年第三季度以來，晶圓代工廠商已經(jīng)把晶圓價(jià)格連續(xù)提高了三倍。諸多設(shè)計(jì)公司在和代工廠議價(jià)，以確保其2022年晶圓分配。自去年第三季度以來，7nm和5nm一直沒有短缺。從那時(shí)起，蘋果公司將芯片工藝從7nm提高到了5nm。三星的8nm節(jié)點(diǎn)短缺，這給英偉達(dá)和高通公司帶來了一些麻煩?！?/p>

據(jù)美國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)（SIA）稱，全球92%的先進(jìn)制程的芯片都由臺(tái)積電生產(chǎn)，因此，SIA敦促美國政府為美國先進(jìn)晶圓廠的發(fā)展提供補(bǔ)貼。IBS的分析師Jones說：“晶圓產(chǎn)能短缺和對亞洲過度依賴的擔(dān)憂是美國擴(kuò)大晶圓廠產(chǎn)能的兩個(gè)主要推動(dòng)力?！?/p>

IC Insights提供的數(shù)據(jù)顯示，2020年，臺(tái)積電在中國臺(tái)灣臺(tái)南新建了新的晶圓廠工廠，新的Fab 18工廠的第1和第2階段正在批量生產(chǎn)中，第3-6階段的設(shè)施正在建設(shè)中。臺(tái)積電表示，第1-3階段的目標(biāo)產(chǎn)品是5nm制程，而第4-6階段的目標(biāo)是3nm制程。

臺(tái)積電最近的一項(xiàng)重大舉措是宣布計(jì)劃在亞利桑那州建造一座新的中型5nm晶圓廠，計(jì)劃于2024年投產(chǎn)。不過有報(bào)道稱，在亞利桑那州建廠的規(guī)模比預(yù)計(jì)要大。Maire說：“有傳言說他們可能想建造覆蓋各種制程的全配套的大型晶圓廠?！?/p>

英特爾看到了機(jī)會(huì)。為了解決供應(yīng)鏈問題，英特爾將為歐洲和美國的晶圓廠提供代工。英特爾新任首席執(zhí)行官帕特·基辛格（Pat Gelsinger）在最近的一次活動(dòng)中表示：“每個(gè)行業(yè)的數(shù)字化都會(huì)以驚人的速度推動(dòng)對半導(dǎo)體行業(yè)的需求，最關(guān)鍵之處在于獲得制造能力。”英特爾在現(xiàn)有晶圓廠的基礎(chǔ)上計(jì)劃在亞利桑那州建造兩座新晶圓廠，耗資200億美元。

不過，英特爾的代工策略很復(fù)雜。隨著自己的代工業(yè)務(wù)的發(fā)展，該公司將繼續(xù)將其部分芯片生產(chǎn)外包給有競爭力的代工廠，臺(tái)積電總裁兼首席執(zhí)行官魏哲家說：“英特爾是我們的重要客戶，我們的關(guān)系既有合作又有競爭。”

同時(shí)，在其新的代工業(yè)務(wù)中，英特爾在22nm finFET成熟工藝領(lǐng)域提供代工服務(wù)，包括先進(jìn)封裝技術(shù)。除此之外，英特爾并沒有透露更多具體的代工計(jì)劃。在一份研究報(bào)告中，Cowen的分析師Matthew Ramsay推測，英特爾很有可能把現(xiàn)有的14nm甚至7nm工藝也投放到代工市場：“英特爾的14nm可以說是有史以來最成熟的工藝，產(chǎn)量也很高，英特爾最有吸引力的選擇是利用自己現(xiàn)有的14nm的產(chǎn)能逐步發(fā)展成為規(guī)?；拇S?！?/p>

22nm是英特爾在十多年前推出的成熟工藝，28nm節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用場景也非常廣闊，包括AI，射頻類半導(dǎo)體和可穿戴電子產(chǎn)品。

22nm比28nm具有更高的性能，但比14nm便宜，臺(tái)積電、聯(lián)電和格芯目前在22nm節(jié)點(diǎn)上展開激烈競爭，而且22nm和28nm場景應(yīng)用有很多重合之處，比如汽車芯片。聯(lián)華電子業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁Walter Ng說：“目前汽車芯片增長迅速，涵蓋了從0.35微米分立MOSFET器件到28nm / 22nm ADAS產(chǎn)品，以及介于兩者之間的所有工藝技術(shù)，例如車身和底盤控制等等?！?/p>

14nm工藝的潛在客戶是那些之前利用代工廠生產(chǎn)16nm至65nm產(chǎn)品的客戶。根據(jù)Gartner提供的數(shù)據(jù)，總體上，16nm至65nm的晶圓代工有著350億美元的市場，占2020年晶圓代工總收入的46%。

目前尚不清楚英特爾是否會(huì)把14nm節(jié)點(diǎn)納入代工范圍，該公司也有可能會(huì)涉足7nm / 5nm甚至制程更高的先進(jìn)晶圓代工廠。魏哲家說：“在智能手機(jī)和高性能計(jì)算（HPC）應(yīng)用的推動(dòng)下，5nm芯片需求繼續(xù)強(qiáng)勁，我們預(yù)計(jì)5nm將在2021年為臺(tái)積電貢獻(xiàn)約20%的營收?！?/p>

前沿技術(shù)芯片的需求巨大。D2S首席執(zhí)行官Aki Fujimura表示：“芯片工藝正在走進(jìn)一個(gè)岔路口，超算的需求（包括深度學(xué)習(xí)和其他應(yīng)用程序）正在推動(dòng)對來自3nm和2nm以及更高算能的芯片走入市場?！?/p>

但是，7nm以及更高工藝的芯片的功耗和性能優(yōu)勢邊際效應(yīng)看似并不像以往那樣突出。TEL集成解決方案規(guī)劃副總裁Kazuya Okubo在最近的一次演講中說：“更高工藝的芯片性能考驗(yàn)企業(yè)的研發(fā)投入和規(guī)模化經(jīng)營態(tài)勢?！?/p>

對客戶來說，先進(jìn)制程的代工廠選擇寥寥無幾，只有三星和臺(tái)積電等極少數(shù)選擇。

英特爾完全有機(jī)會(huì)在先進(jìn)的代工業(yè)務(wù)中與臺(tái)積電和三星競爭，這取決于英特爾提供7nm及以上工藝的能力。（英特爾的7nm相當(dāng)于很多代工廠的5nm。）

但是，英特爾的7nm技術(shù)起步并不穩(wěn)。當(dāng)公司最初決定向7nm方向進(jìn)發(fā)之時(shí)，波長大致為13.5nm的EUV光刻機(jī)技術(shù)尚未成熟，用波長為193nm的氟化氬準(zhǔn)分子激光（ArF excimer laser）光刻機(jī)客觀上拖延了英特爾的7nm技術(shù)。

從Planar到GAA

EUV技術(shù)目前已經(jīng)趨近成熟，根據(jù)KeyBanc Capital Markets的說法，現(xiàn)在，英特爾計(jì)劃在2021年推出7nm產(chǎn)品，盡管要等到2023年上半年才能實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

Ramsay說：“重新回到7nm軌道的路途并不平坦，英特爾多年來一直在尋找適合自己的研發(fā)節(jié)奏?！?/p>

簡而言之，英特爾在芯片工藝制造方面依然落后于競爭對手。三星和臺(tái)積電在兩到三年前就已經(jīng)布局EUV研發(fā)7nm技術(shù)，目前他們已經(jīng)積攢了不少經(jīng)驗(yàn)，兩家也都在交付各自的5nm FinFET工藝芯片，即將推出3nm工藝芯片。

IBS的Jones說：“臺(tái)積電計(jì)劃在2022年第三季度為蘋果公司提供3nm FinFET芯片，而三星計(jì)劃在2022年第四季度開始量產(chǎn)其第一代3nm GAA，在各自的路線圖上，臺(tái)積電計(jì)劃將FinFET擴(kuò)展到3nm，然后在2023/2024年擴(kuò)展到下一代晶體管結(jié)構(gòu)，稱為2nm的GAA。相比之下，三星正從5nm的FinFET進(jìn)化到到3nm的GAA。

三星宣布了3nm工藝，明確會(huì)放棄FinFET晶體管，轉(zhuǎn)向GAA環(huán)繞柵極晶體管技術(shù)，進(jìn)而又有消息披露，英特爾在5nm節(jié)點(diǎn)將會(huì)放棄FinFET，也要轉(zhuǎn)向GAA。IC Insights表示：“三星和臺(tái)積電的總支出在未來三年內(nèi)會(huì)超過500億美元，對于任何一家公司來說，要在領(lǐng)先的邏輯芯片上趕上這兩家公司都將是極其困難的。”

不過，英特爾可以通過其他方式縮小差距。通常，為了推進(jìn)設(shè)計(jì)，業(yè)界會(huì)使用ASIC技術(shù)將不同的功能集成到單個(gè)芯片上。但是在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行擴(kuò)展變得越來越困難，成本越來越高，并且擴(kuò)展所帶來的功率/性能優(yōu)勢正在縮小。

因此，客戶正在尋找替代方案——先進(jìn)封裝，這也是諸多IC供應(yīng)商、代工廠和封測廠用以逼近摩爾定律極限的手段。據(jù)稱，英特爾正在開發(fā)代號為Sapphire Rapids的服務(wù)器CPU，采用全新的10nm制造工藝，內(nèi)部有四個(gè)chiplet小芯片整合封裝組成，目標(biāo)是把Sapphire Rapids打造為抗衡AMD的AMD EPYC的旗艦型處理器。

小芯片（chiplet）策略和先進(jìn)封裝密切相關(guān)。在未來，工藝程度更高的芯片都會(huì)向著先進(jìn)封裝進(jìn)一步靠攏。

本文選編自微信公眾號“半導(dǎo)體投資聯(lián)盟”，作者隱德來希；智通財(cái)經(jīng)編輯：林喵。