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晶圆代工,群雄逐鹿

发布时间:2022-07-20作者来源:芯师爷浏览:1706


在全球晶圆代工领域,台积电和三星几乎垄断着全球接近70%的市场份额。


2021年,全球晶圆代工市场规模约为1101亿美元,台积电拿下了超过52%的市场份额,拥有近300种芯片制程技术,为全球近500个客户生产超过1万种不同产品。


三星则排名第二,占有将近18%市场份额。中国大陆也有中芯国际和华虹半导体这两家知名的上海晶圆代工企业。2021年,中芯国际占有将近5%的全球市场份额,未来发展的潜力巨大。


1

台积电&联电

代工双雄0.13微米制程之战


0.13微米,改造了台积电。


——英伟达CEO·黄仁勋



在2000年以前,联电与台积电的技术和营收差距并不大,甚至在0.18微米制程时代,联电还曾领先于台积电,两家公司一度被称为台湾“晶圆代工双雄”


那么两家的差距,又是如何拉开的?


1995年,晶圆代工模式被芯片业界接受,台积电的订单源源不断,但是产能却满足不了需求,选择开启订金预购制,这一策略引发了某些客户的不满。


抓住这个机会,联电宣布转型成为晶圆代工厂,与美国、加拿大等地的11家芯片设计公司合资成立联诚、联瑞、联嘉晶圆代工公司,被称为“联电模式”。然而,此举伴随技术外流风险,使大型芯片设计公司不愿意将晶片设计图交给联电代工,从而导致联电的客户群以大量的中小型芯片设计公司为主。


1996年,由于在晶圆代工厂内设立芯片设计部门有盗用客户设计的嫌疑,联电又将旗下的芯片设计部门分出去成立公司,包括现在的联发科技、联咏科技、联阳半导体、智原科技等公司。由于和不同所长芯片设计公司合资所采购的芯片制造设备会有差异,“联电模式”还面临制造设备未统一化的问题,当一家晶圆代工厂订单爆量时,却不容易转单到其他合资代工厂。


相较之下,台积电用自己的资金自行建造工厂,不但让国际大厂愿意将先进制程交由台积电代工而不用担心其商业机密被盗取,而且更能充分发挥产线的产能。


时至2000年,联电向国际商业机器公司买下技术,合作开发铜制程与低介电常数材料的0.13微米新技术,希望借此超越竞争对手台积电,成为世界上[敏感词]个使用铜制程的晶圆代工厂商。当时的研究表明,用铜作为连接导线将比传统的铝导线电阻低大约40%,并使芯片的速度提高15%。


彼时的台积电认为,国际商业机器公司的技术只限于实验室阶段,在大规模量产制造上并不成熟,并要求台积电团队自主研发铜制程技术。经资深研发副总裁蒋尚义、余振华、梁孟松、林本坚等留美海归芯片专家一年多时间的攻关下,铜制程率先突破。


而正如台积电所料,国际商业机器公司的技术在制造上良率过低,导致联电的0.13微米铜制程迟迟达不到量产水平。到了2013年下半年,0.13微米客户订单为台积电带来的营业额比联电多了3倍。


经此一役,台积电彻底确立了在半导体行业的地位,并逐步在此后的发展中实现高端芯片制程技术领先


在资本投入和研发难度的压力下,联电专注于12英寸晶圆的40nm以下,尤其是28nm和8英寸晶圆制程,从而与台积电进行差异化竞争,宣布放弃7nm及以下更先进制程的研发


2

台积电&英特尔

5纳米和7纳米制程的对决


仍处转型“阵痛期”的英特尔,想要回到[敏感词]梯队仍有待时日。


——摩根士丹利·Shawn Kim



当芯片制程进一步发展到10nm以下时,以铜作为导线会出现导电速率不足的问题。因此,英特尔开始研究用钴来代替成熟的铜导方案。


2017年12月,英特尔公开了将钴应用于10nm芯片最细连接线的设想,改善后的互联线路将有助于进一步缩小晶体管尺寸,引发业界对此的无限遐想。


然而,理想很丰满,现实很骨感,英特尔的7nm制程一再推迟。2020年7月,英特尔宣布,由于7nm制程工艺仍存在“缺陷”,不得不将原计划在2021年年底上市的7nm制程芯片推迟至至少2022年中。


与此形成对比的是,台积电在10nm和7nm制程中选择了更为稳妥的铜合金,并在2020年下半年实现5nm制程的量产,一举拿下大量订单。


英特尔长期以来代表美国先进制造业的高点,象征美国在关键技术的主导地位,但近年来可谓是“流年不利”,先进半导体制程工艺被台积电和三星反超。


随着屡次带领英特尔走出困境的“传奇老兵”帕特·基尔辛格回归团队,英特尔如今已进入业务转型期,大力投资建厂,豪砸26亿元抢单下一代EUV光刻机,试图追回错失的市场份额,重获新生。


3

台积电&三星

苹果处理器代工之争


我们将通过全球[敏感词]3纳米制程来维持自己的领导地位。


——三星晶圆代工业务主管·崔世英




在晶圆代工(Foundry)市场,台积电和三星是排名前二的两大龙头,也是代工领域彼此[敏感词]的对手。


2005年,三星凭借其先进制程的优势切入晶圆代工领域,其在美国德州奥斯汀的晶圆代工厂获得了高通的CDMA芯片订单,为三星的晶圆代工业务起了一个好开端,也为其赢得了苹果2010年[敏感词]自研手机芯片A4订单,首次实现营业额突破4亿美元。

2009年,台积电实现40nm制程量产,又在2011年实现28nm量产,一举实现领先三星和联电,并于2012年达成28nm制程市场占有率100%。

2012年,三星也实现了28nm制程量产,并得益于其在美国本土建厂的地理优势,独吞苹果A7订单。

2014年,为苹果芯片设计提供了三年协助后,台积电几乎拿下苹果A8全部订单,导致三星代工所属部门首次出现亏损,刺激三星跳过20nm制程直接冲刺14nm制程,超越台积电的16nm制程,夺下苹果A9超过一半的订单。

2015年,A9“芯片门”事件爆发,有开发者分别使用由三星和台积电代工的A9芯片iPhone6s进行性能测试,结果显示三星版本的良率和功耗控制都不如台积电,从而使台积电囊括A9后续追加订单和A10大部分订单。

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图源:MacX



然而。得益于双供应商策略,三星不仅依旧能拿下苹果A系列芯片30%左右的订单,还获得了高通、英伟达等芯片设计头部公司的订单。


经与台积电的几番交手,三星死磕先进制造工艺,于2017年将晶圆代工业务部门独立成为纯晶圆代工企业,并计划在未来5年内取得晶圆代工市场25%的份额。


2020年底,三星5nm制程宣布量产,叫板台积电7nm制程。


2022年6月30日,星官宣3nm制程量产,是全球[敏感词]量产3nm芯片的公司


三星能否借此弯道超车台积电,仍需拭目以待。


4

中芯国际

“四国杀”中的国产芯力量


相信中芯国际十年如一日的打磨,会使得各个产品节点的效率会越来越好,中芯国际也完全有信心在同类产品上与世界上任何公司比较。


——中芯国际CEO·赵海军




自28nm开始,晶圆代工就成为了一场“氪金”游戏,入场门槛为100亿美元,且更为残酷,稍有不慎就需要摇白旗投降。


自2009年开始,格芯先后收购了新加坡特许半导体,并购了国际商业机器公司的芯片制造厂,获得了7nm制程技术。


但由于良率过低,格芯前脚将超微半导体公司处理器和绘图芯片的订单拱手让给台积电,后脚不堪先进制程上的高额研发投入,最终宣布放弃7nm及更先进技术工艺研发,正式退出高端晶圆代工竞争。


至此,先进制程研发领域,只剩下台积电、三星、英特尔和中芯国际


中芯国际在赵海军和梁孟松的领导下,在不到一年的时间内,实现从28nm到14nm制程的飞跃,将14nm制程的良率提升至95%,并实现量产。


但受困于设备限制、起步较晚等方面的因素,中芯国际掌握的[敏感词]量产工艺,距离台积电还有着不小距离。


而在28nm工艺方面,中芯国际呈现出了集中扩大产能的景象:自2020年底以来连续三次扩大产能,投资总额累计达到188.2亿美元(约1200亿元人民币)。


对此,中芯国际联合CEO赵海军表示,2022年初上海临港项目已破土动工,北京和深圳两个项目稳步推进,预计2022年底投入生产。三个新项目满产后,将使中芯国际的总产能倍增。


只是,在高端芯片领域,中芯国际如何破局则令市场备受瞩目。


5

结语

前沿代工的技术竞赛是一场马拉松,而不是短跑冲刺。只有继续投入研发且执行力强的公司,才有希望掌握高端半导体制造的技术,进而在未来赢得[敏感词]回报。


台积电走得稳健而踏实,英特尔欲后发制人,三星早已虎视眈眈,中芯国际奋力追逐。


这场先进制程竞赛,已进入白热化阶段

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