台积电vs三星产能及技术详细对比,张忠谋:三星很厉害,我们还没赢!

2020-12-02 13:22:57 来源:technews(台)作者:Atkinson
近年来,在半导体产业当中,最为人所津津乐道者就属晶圆代工龙头台积电与竞争对手韩国三星的竞争。双方从制程演进、客户数量、市占排名、资本支出,一直到市值多少都让大家拿出来比较。目前,虽然台积电在其市场占有率上有过半的竞争优势。不过,三星也非省油的灯,2019 年也宣布将投资约1,150 亿美元)的金额,希望能在2030年超车台积电,成为非存储器的系统半导体制造龙头。面对三星如此来势汹汹,连台积电创办人张忠谋都表示,三星电子是很厉害的对手,台积电还没有赢。因此,在可以期待的未来是台积电与三星的竞争仍将持续,鹿死谁手也还没有明确的答案。

台积电发展历史

1987 年2 月成立的台积电,开创了全球纯晶圆代工的新商业模式。在当时,全球的半导体行业采取的是单一的IDM 模式,即企业内部完成芯片设计、芯片生产和测试封装等3 个流程,当时的英特尔、三星等半导体企业都是采取这种模式。这些公司大多把针对外部的晶圆代工做为副业,主业是设计和销售自己的产品,因此市场上没有专业的代工服务。尔后台积电的创立,才改变了这样的模式。

而做为专业晶圆制造服务业的创始者与领导者,台积电一开始就专注为全球无晶圆厂(Fabless) 企业、IDM 公司和系统整合公司提供晶圆制造服务。因此,自创立开始,台积电即持续提供客户最先进的技术及台积电TSMC COMPATIBLE 设计服务,在提供先进的晶圆制程技术与最佳的制造效率上已建立了良好的声誉。而且在拥有先进技术后,将其转换成生产优势,其中包括良率、可靠性、准时交货性、充足的产能以应付客户需求和生产周期等。而且,技术与生产上的优势,转换成与客户的长期信任关系。而这样的基础也成为现任的台积电董事长刘德音所一再强调的台积电价值──「诚信正直、承诺、创新、客户信任」。

面对客户的需求1999 年,台积电领先业界推出可商业量产的0.18 微米铜制程制造服务。2001 年,台积电推出业界第一套参考设计流程(Reference DesignFlow),协助开发0.25 微米及0.18 微米的客户降低设计障碍,以达到快速量产之目标。2005 年,领先业界成功试产65 纳米制程芯片。2009 年继40 纳米制程之后的28 纳米制程,台积电决定采用与英特尔相同的Gate-last 架构,放弃IBM 的Gate-First 架构,使得当时同样在开发28 纳米制程的竞争对手联电、三星、格罗方德都还持续在研发卡关的时刻,台积电能在2011年正式量产28 纳米制程。


台积电制程技术演进。(Source:台积电

2013 年台积电新开发的20 纳米制程首次拿到苹果的A 系列处理器的订单,而之后的2014 年,台积电推出在20 纳米制程基础上加入FinFET 技术而成16 纳米制程,并且取得使用于搭载于苹果iPhone 6s 和iPhone 6s+ 智能手机上A9 处理器的部分订单,也就是与三星所研发出的14 纳米制程技术共同打造A9 处理器。只是后续市场一连串传出搭载三星代工芯片的iPhone 续航能力,较搭载台积电代工芯片的iPhone 更低的情况下,其状况虽遭到苹果三星否认,但是自A9 系列处理器之后,苹果自A10系列处理器开始,直到近期最新的A14 系列处理器,苹果就再也没有让三星进行代工,这也使得台积电从此种下与三星彼此激烈竞争的火种。

2016 年台积电正式推出10 纳米制程,以及InFO 扇出型晶圆级封装技术,使得芯片制造降低成本、加快芯片制造周期。2017 年4 月,更先进的7 纳米制程开始开始大规模投产,相较于上一代的10 纳米FinFET 制程技术,台积电的7 纳米制程技术在逻辑闸密度提高1.6 倍,运算速度增快约20%,功耗降低约40%。来到2020 年,台积电最新的5 纳米制程也进入正式的量产阶段。而后续的N5P 制程技术则预计于2021 年正式量产。另外,之后更先进的3 纳米制程,则预计将在2022 年量产。

三星发展历史

2005 年,韩国三星电子开始进入12 吋逻辑晶圆代工领域,2017 年5 月12 日,三星电子宣布调整公司业务部门,将晶圆代工业务部门从系统LSI 业务部门中独立出来,成立三星电子晶圆代工,主要负责为全球客户制造非存储器的逻辑芯片,从而与龙头台积电进行纯晶圆代工市场的竞争。

事实上,从2005 年到2009 年,三星晶圆代工业务年营收不足4 亿美元,相较于台积电在2008 年就突破100 亿美元的营收,其比例天差地远。直到2010 年开始代工苹果A 系列处理器(包括A4、A5、A6、A7),才使得三星代工业务营收出现大幅度的成长。2010 年整体晶圆代工收入暴增至12 亿美元,其中苹果A 系列处理器产品代工收入达8 亿美元。之后,随着苹果手机等移动终端产品的出货热络,导致三星的晶圆代工业务营收水涨船高,到2013 年已经达到39.5 亿美元,而当年为苹果代工的收入占总代工业务营收的86%,因此,可说2010 年至2013年三星晶圆代工业务营收完全是靠苹果在支撑。

2013 年因为20 纳米制程良率无法突破等多方面的原因,三星电子失去苹果A 系列处理器订单,当年的苹果A8 处理器全部交由台积电代工。2015 年好不容易再抢回苹果A9 处理器的部分订单,但由于产品的功耗控制不如台积电,导致2016 年的苹果A10 处理器订单又全部由台积电独享,并且从此再也没有再拿下过苹果A 系列处理器的订单。而失去苹果这个大客户,导致2014 年和2015 年晶圆代工营收出现下滑。

为了填补产能,三星代工业务积极出击,2016 年抢下高通(Qualcomm)应用处理器和伺服器芯片、超微半导体AMD)的微处理器芯片、辉达(Nvidia)的图形处理芯片、特斯拉(Tesla)的自驾系统芯片的订单,得以弥补苹果跑单的窘境。2016 年营收达到44 亿美元,超过2013年的水平,还创下三星晶圆代工业务营收的新纪录。而根据市场调查机构《IC Insights》的数据显示,三星电子2017 年晶圆代工营收达46 亿美元,在全球晶圆代工市场以6% 的市占率排名第四,其他前三名则别是台积电的56%,格罗方德(GlobalFoundries)的9%,以及联电(UMC)的8.5%。

2018 年三星的晶圆代工业务营收来到100 亿美元,市占率冲上14%,全球排名跃升至第二的位置。不过,当年的营收大幅攀升,并非业绩的大幅成长,而乃拆分部门导致。当年三星晶圆代工业务自立门户,不再隶属于系统LSI 业务。所以,之后包括处理器芯片(Exynos 等)、CIS 图像感测器、显示驱动芯片电源管理芯片的生产收入都算作晶圆代工业务营收,因此营收一路高涨,市占率一夕飙高。不论如何,在三星晶圆代工业务逐渐成为集团下的金鸡之后,三星随即遇到存储器市况反转,加上智能手机市占率节节败退的冲击,决心在非存储器系统半导体业务上着力,2019 年宣布,预计投入10 年时间及约1,150 亿美元的经费,在2030 年超车台积电,登上产业龙头。

台积电的产能与技术

目前,台积电拥有4 座12 吋超大晶圆厂、4 座8 吋晶圆厂和1 座6 吋晶圆厂,并拥有一家百分之百持有之大陆子公司──台积电(南京)有限公司之12 吋晶圆厂,及2 家百分之百持有子公司──WaferTech 美国子公司、台积电(中国)有限公司之8 吋晶圆厂,再加上4 座后段封测厂。而截至2019 年为止,台积电也提供最广泛的先进制程、特殊制程及先进封装等272 种制程技术,为499 个客户生产1 万761 种不同产品。而2020 年前3 季也缴出,收达约340亿美元,较2019 年同期增加29.9%,毛利率52.8%,较2019年同期增加8.5 个百分点,税后纯益约132亿美元,较2019 年同期增加63.6%。

在相关制程技术方面,自1999 年台积电发布了世界上第一个0.18 微米低功耗制程技术之后,从那时起台积电就引领产业不断进行制程微缩技术,从0.13微米,到90 纳米、65纳米、40 纳米、28 纳米、20 纳米、16/12 纳米、10 纳米、7 纳米,再到2020 年的5 纳米,以及接下来更先进的3 纳米制程。就7 纳米以下的先进制程来说,7 纳米制程于2017 年4 月开始风险生产,2018 年正式量产,截至2020 年7月份为止,台积电总共生产出了10 亿个7 纳米制程的芯片

随后7 纳米加强版制程,2018 年8月进入风险生产阶段,2019年第3 季开始量产,是台积电第一个使用极紫外光(EUV) 曝光解决方案的半导体制程技术。另外,为强化7 纳米制程,提升效能与成本优势,且加速产品上市时间,2019 年4 月份台积电推出的6 纳米制程技术,采用EUV 光刻解决方案,2020 年第1 季风险试产,第3 季正式量产。台积电之前曾表示,6 纳米制程比首代7 纳米制程提供高出18% 的逻辑密度,设计规则与首代7 纳米完全兼容,使其全面的设计系统得以重复使用。

而2020 年正式量产的5 纳米制程,在第2 季开始拉高产能并进入量产阶段。与首代7 纳米制程相较,5 纳米芯片密度增加80%,在同一运算效能下可降低15% 功耗,或在同一功耗下可提升30% 运算效能。至于,下一代的5 纳米加强版制程,2021 年将进入量产。而改良自5 纳米加强版的4 纳米制程,则是预计2023年投入量产。还有,不久前台积电才举行厂房上梁典礼的3 纳米制程,目前则是预计在2022 年下半年将进入试产阶段。

三星的产能与技术

三星目前总计拥有韩国器兴(Kiheung)的S1、美国奥斯汀(Austin)的S2、韩国华城(Hwasung)的S3、S4 等4 座大型晶圆代工厂。其中,S1 生产量产65 纳米至8 纳米的低功耗芯片,S2 负责生产65 纳米至14 纳米产品,S3 则是10 纳米、8 纳米及7 纳米等制程的重要生产基地,S4 则是CMOS 图像传感器的生产据点。另外,三星目前正在兴建位于华城园区的第5 座晶圆厂,未来将是采用EUV 光刻技术的7 纳米、5 纳米及3 纳米制程的生产据点,厂房已经于2019 年下半年完成,2020 年正式进入初期量产阶段。

至于,在制程技术的发展上,三星2005 年进入晶圆代工产业,2006 年首个客户签约65 纳米制程,2009年45 纳米制程开始接单,同年11 月在半导体研究所成立逻辑制程开发团队,强化晶圆代工业务后,2010 年1 月首个推出32 纳米的HKMG 制程,2014 年再推出首代14纳米FinFET 制程。之后,2016 年10 月首代10 纳米FinFET 制程量产。2018 年再推出由10 纳米FinFET制程改良的8 纳米LPP 制程,并在当年11 月发表以该制程所生产的三星Exynos 9 系列9820 处移动处理器

2019 年上半年,三星正式宣布首个采用EUV 光刻技术的7 纳米LPP 制程正式量产,并且在当年下半年进行量产。三星表示,相较于10 纳米制程芯片,7 纳米LPP 制程可缩小多达40% 的芯片面积,速度提高20%,并降低50% 的功耗。之后的5 纳米LPE 制程则是采用三星独特的智慧缩放(Smart Scaling)解决方案,将其纳入基于EUV 光刻技术的7 纳米LPP 制程之上,号称逻辑效率将较前一代提升最多25%,或者是在相同性能和密度下,整体的芯片功耗将可降低20%,以及在同等功耗和密度下,性能能够提升10%。

近期,相较于台积电3 纳米制程预计将在2022 年试产,三星也不甘示弱的提出3 纳米LPP 制程,这是将第一次使用全新的MBCFETTM(Multi Bridge Channel FET,多桥接通道场效应电晶体)结构,并采用GAAFET(Gate All Around FET,环绕栅极场效应电晶体)技术。GAAFET 需要重新设计电晶体底层结构,以克服当前技术的物理、性能极限,增强栅极控制,使得性能大大提升,预计2022 年投入风险性试产。

台积电与三星的竞争

就如之前所提到的,三星在2005 年正式进入晶圆代工市场之后,在到2009 年的这几年当中,其整体营收不过4 亿美元,与2008 年营收已经破百亿美元的台积电相较,不过只是零头而已。不过,随着三星拿下苹果早期的处理器代工订单后,三星晶圆代工业务营收突飞猛进,这才意识到苹果订单的重要性。只是,随着20 纳米制程的发展遇上瓶颈,让台积电全数吃下当时苹果A8 处理器之后,隔年好不容易有机会与台积电共同分食苹果A9 处理器订单。之后却因会能耗问题遭到果粉批评后,自A10 处理器开始就再也没能拿下苹果订单,也从此埋下了与台积电激烈竞争的种子。

另一个让台积电与三星始终处于激烈竞争的导火线,就出在当年台积电前资深研发处长梁孟松离职后前去投靠三星,并且指导三星发展出优于台积电16 纳米制程的14 纳米制程的事件上,这显示台积电过去累积多年的努力,并且投资大笔金钱的成果一夕间遭三星所追赶上。虽然事后台积电采用法律的力量,对梁孟松进行诉讼获得最后的胜利,但也因为基于知识产权与竞业条款的问题,从此双方互不相让。

事实上,自半导体制程为缩至10 纳米以下之后,台积电与三星的竞争持续不断,不但从各制程的推出时间,再到取得客户的数量,甚至是每年所投入的资本支出,以及到整体的市值大小都成为互相比较的项目。尤其,在当前的先进制程中,全球现阶段唯三有能力在此领域发展的企业。但撇开目前仍在10 纳米制程上持续为良率努力的英特尔,而能够提供先进制程逻辑芯片代工的企业就仅剩台积电与三星这2 家,彼此的竞争自然免不了。

只是,根据TrendForce的调研结果显示,2020 年第3 季全球晶圆代工市场占有率,台积电以高达53.9% 位居龙头,领先排名第2 的三星市占17.4% 有3倍以上差距的情况来看,即便三星已经宣布,将在10 年内投入约1,150 亿美元来发展非存储器的系统半导体来看,平均每年也就是会投资115 亿美元的金额,对照台积电目前每年的资本支出已经超过150 亿美元,2020 年甚至最高将达到170 亿美元的情况下,三星砸的钱似乎还不算多。因此,这两家企业未来的竞争是否会进一步有反转的情况,这也将是未来大家所关心的产业话题。

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