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「三国杀」将至,三星欲在新战场给台积电沉重一击

多出一个竞争对手,相对而言,对三星是有利的,毕竟,领先一方想要稳定的局面,而落后一方则更希望出现较大的变化,乱中取胜。
2023-09-18 17:05 · 微信公众号:半导体产业纵横  畅秋   
   

从今年*季度开始,电子半导体产业链下游需求低迷状况肉眼可见地传导至晶圆代工业,实际上,从2022年第四季度开始,全球晶圆代工业就进入了下行周期,在2023年第二季度,虽然各大晶圆代工厂的营收表现有所好转,但总体依然低迷,特别是成熟制程,降价情况较为普遍,各家厂商的产能利用率普遍下滑,压力增大,只能靠调整价格来争取更多订单。

晶圆代工进入低迷期,这种状况往往蕴藏着商机,特别是对排名靠后的厂商来说,有机会超越排名靠前的厂商,三星就是这么想的。

据TrendForce统计,今年*季度,三星晶圆代工业务全球市场占比为9.9%,到了第二季度,市占率上升到了11.7%,营收从*季度的27.57亿美元增加到32.34 亿美元。*的台积电,市占率则从60.1%下降至56.4%。这给了三星很大信心。

最近,三星联合首席执行官Kyung Kye-hyun在首尔国立大学的一次讲座上表示,该公司在美国德克萨斯州泰勒市的晶圆厂将成为美国的*个量产先进制程芯片的工厂,将在2024年开始大规模生产4nm芯片,*于台积电在亚利桑那州的新建晶圆厂,因为后者工期延迟,预计要到2025年才能量产。在这一点上,三星认为击败了台积电。

今年5月,三星电子半导体业务主管庆桂显也曾表示:“老实说,我们的晶圆代工技术落后于台积电,三星4nm制程落后台积电两年,3nm落后一年左右,一旦台积电加入我们的2nm科技竞赛,三星将*,我们能在未来5年内超越台积电。客户偏好我们的GAA(Gate All Around)技术,几乎所有大客户都在跟我们合作,但我不能透露客户名称,三星的晶圆代工客户群正在扩充。”

可见,三星赶超台积电的信心正在增加,之所以如此,是由多方面的因素决定的,包括先进制程演进越来越难,进展速度减缓,自然就会给追赶者带来机会,另外,台积电美国晶圆厂进展不顺利,也是不能忽视的原因,当然,最重要的因素还是三星的先进制程(4nm和3nm)在量产、良率等方面的进展。

01 4nm

2020年,台积电N5(5nm)制程量产后,陆续发布了升级版的N5P、N4P和N4X等,因此,台积电的4nm是5nm的强化版,在2022年全面量产,比三星更成熟,并且正在替代5nm的地位,成为营收主力,2022年第四季度,5nm和4nm制程营收占台积电总营收的32%。

相比之下,虽然三星晶圆代工业务在2021年就量产了*代4nm制程(SF4E,之后几代分别是SF4、SF4P、SF4X和SF4A),但工艺并不成熟,良率很低,有为了先台积电一步而仓促上马的嫌疑,导致三星*客户高通把订单转给了台积电。2022下半年,为了提升4nm成熟度,三星调度旗下NAND Flash产线相关人员支持4nm代工生产,并在第四季度将月产能提升至2万片晶圆。

2023上半年,三星开始量产第三代4nm制程(SF4P)芯片,在性能、功耗、芯片面积方面的表现都有所提升,目标就是从台积电那里争夺高通、AMD、英伟达等大客户的订单。

据报道,截至今年4月,三星4nm产线的良率约为60%,而台积电的为70%-80%。

高通主打中高端市场的Snapdragon 7 Gen 1芯片采用三星4nm制程生产,但由于良率和效能表现不如台积电,高通将新款Snapdragon 7+ Gen 1芯片转投入台积电4nm产线。

今年7月,据韩国媒体报道,三星4nm良率已经提升至75%,与台积电持平,在这种情况下,三星获得了更多大客户订单。据悉,继取代台积电,为英特尔旗下Mobileye生产芯片后,将再分食刚交由台积电代工的特斯拉下一代全自动辅助驾驶(FSD)芯片大单,韩国产业人士指出,特斯拉下一代FSD芯片将由三星4nm生产,用于特斯拉计划3年后量产的Hardware 5(HW 5.0)系统。

前些年,三星曾为特斯拉较早版本的FSD芯片代工,用于Model 3、Model S、Model X和Model Y等电动车,但特斯拉2022年转投向了台积电,因为那时三星的4nm制程良率落后台积电太多。

韩国产业人士指出,现在,特斯拉计划同时和台积电、三星合作,或完全把台积电的订单转向三星,量产这款第五代汽车芯片,至于下一代汽车芯片,估计特斯拉将订单分配给这两家晶圆代工厂同时生产的可能性很高。

02 3nm

台积电的*代3nm在2022年第四季度量产,但由于成本太高,且良率低,量产规模很有限,当时,在业界形成了“干打雷,不下雨”的效果,今年下半年,随着新版本N3E走向成熟,苹果新机采用的A17处理器开始大规模量产,使得台积电的3nm制程在2023下半年放量了。 

台积电表示,N3E制程对该公司全年营收的贡献率为4~6%。

为追赶台积电,在2022年推出SF3E的基础上,三星在今年6月的VLSI国际会议上发布了最新版本的3nm制程(SF3)。SF3制程将采用3nm GAP技术。

SF3(3GAP)工艺技术是SF3E(3GAE)工艺的增强版本,并基于三星的多桥通道场效应晶体管(MBCFET)技术。不过,三星似乎不愿意将SF3与SF3E进行比较,或许是对这一版本还不够自信吧,而是与SF4(4LPP,4nm低功耗增强版)进行了比较,称在相同功耗条件下,SF3的性能提升了22%,在相同的时钟频率和晶体管数量条件下,功耗降低了34%,逻辑面积减少了21%。

三星还表示,SF3可提供更好的设计灵活性,主要通过改变MBCFET器件的纳米片通道宽度来实现。

到目前为止,无论是三星自家的LSI部门,还是找三星代工的客户,都没有正式推出基于SF3E工艺的商用高性能处理器,只有用于加密货币的挖矿芯片采用了三星的SF3E,但产量有限,且这种类型的芯片在业界没有什么说服力。

接下来,我们就期待三星的新版本SF3工艺了,不过,2023年是没戏了,要等到2024年才能看到效果。

台积电的3nm(N3)制程,在经历了2022年的“雷声大,雨点小”之后,2023下半年,终于迎来了大规模量产时刻,此次,采用升级版本的N3E后,成本和功耗都得到了有效控制,苹果刚发布的新机旗舰所使用的A17 Pro处理器就是用N3E制造的。

A17 Pro拥有190亿个晶体管,上一代的A16(4nm制程)是160亿个,再向前追溯,A15(升级版5nm)有150亿个晶体管,A14(5nm)有118亿个晶体管,A13(升级版7nm)有85亿个晶体管。从晶体管数量和制程演进情况来看,N3E的性能提升还是比较明显的,也没有辜负台积电3nm一年来的“卧薪尝胆”。

关于3nm制程的良率,台积电方面还没有确切数字,有传闻说是55%,而据韩国经济日报和BusinessKorea报道,知名半导体分析师朴相昱指出,三星3nm良率已经提升至60%,据朴相昱分析,三星之所以能提高良率,一个很重要的原因是芯片市场低迷,晶圆厂产能利用率降低,三星可以投入更多测试晶圆用于改善良率,另外,采用环绕栅极(GAA)晶体管架构也有助于提升良率。朴相昱认为,目前,三星的3nm和4nm制程良率几乎和台积电相当。 

可以预见,2024将是3nm订单争夺的关键年,特别是对三星来说,要抓住台积电产能和良率还没优化好,被苹果一家大客户填满2023年产能,利用三星的价格优势,以及与台积电相近的良率表现,提前拿下更多如高通、英伟达、英特尔等大客户的订单。

03 2nm

2nm制程距离量产还有至少两年时间,从过去几年的发展情况来看,到了2nm,三星和台积电之间的差距就更小了,甚至是并驾齐驱。就像前文提到的,三星电子半导体业务主管庆桂显表示要再5年内超越台积电,就是要以2nm为转折点。

三星从3nm制程开始,就使用了GAA工艺技术,相比之下,台积电在2nm才开始使用该技术,三星相信这是一个很重要的优势。

采用GAA工艺生产的芯片比基于FinFET工艺的面积更小 (据悉可达45%),且功耗更低 (三星称可降低50%)。在3nm处,三星已经积累了不少关于GAA的生产经验,这对于该公司2nm制程的开发很有帮助。

另外,三星电子也在加紧建设先进封装产线,这在未来提升先进制程产品力方面很重要,台积电和英特尔都在这方面发力。

2020年,三星电子首次推出了用于7nm制程的3D堆叠封装技术X-Cube,该公司在半导体业务部门内组织了一个先进封装(AVP)业务团队,以加速下一代半导体后处理技术的研发。

可以预见,在2nm量产时,三星可以缩小与台积电的差距,是否能够超越,还需要进一步观察。

04 “三国杀”时代将至,竞争愈加复杂

眼下,除了三星和台积电,英特尔也在不断在晶圆代工业务(IFS)上面发力,为了将更多资源投入到IFS上,英特尔不惜裁撤掉了多个面向未来的项目,包括RISC-V,服务器等。近些年,在认清形势后,英特尔也不再固执地以高高在上的姿态面对先进制程发展,而是更加务实,不再轻视竞争对手,将更多的工作落到了实处,效果也是明显的,相对于前些年10nm制程的难产,英特尔7nm量产就顺利多了,目前,该公司的4nm制程进展也算顺利,并计划在2024年开始采用20A(2nm)制程制造芯片,在2025年采用18A制程制造芯片。

英特尔的发力给台积电带来了不小压力,特别是在美国,前者正在新建两座先进制程晶圆厂,未来将与台积电亚利桑那州4nm和3nm晶圆厂展开直接竞争,显然,与在中国台湾地区相比,在美国土地上生产芯片,英特尔相对于台积电的胜算就高了很多,毕竟,天时、地利、人和,都在英特尔一方。

多出一个竞争对手,相对而言,对三星是有利的,毕竟,*一方想要稳定的局面,而落后一方则更希望出现较大的变化,乱中取胜。

除了多出一个英特尔,台积电也要面对自家越来越多的问题和挑战,在全球新建晶圆厂,特别是在美国,制造的4nm和3nm芯片的成本比中国台湾至少高出50%,保守估计,产能售价也要高出20%-30%。台积电还在日本熊本新建晶圆厂,将在那里生产12nm、16nm、22nm和28nm芯片。据报道,台积电日本工厂生产的芯片成本将比中国台湾地区高出10%-15%。

这些对三星都是利好,因为该公司可以低于台积电的价格去争取更多客户订单。

就美国新建晶圆厂而言,台积电亚利桑那州工厂原计划2024年量产,但受各种问题限制,不得不推迟到2025年了。而三星位于德克萨斯州泰勒市的4nm制程(SF4X)晶圆厂确定在2024年量产,并锁定了*批客户订单,来自AI芯片设计公司Groq。单从这一点来看,三星确实在美国超越了台积电。

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