決戰3nm —— 三星和臺積電誰會最先沖過終點線?

電子產品世界

2021年10月25日 10:34

隨著近年來芯片制造巨頭在半導體產業中的地位日益凸顯，先進制程正成為全球各國科技角力場的最前線。而最新的戰火，已經燒到3nm制程。

TrendForce數據最新顯示，目前臺積電的市場份額接近52.9%，是全球最大的芯片代工企業，而三星位居第二，市場份額為17.3%。

在近幾個季度的財報會議上，臺積電總裁魏哲家就透露，3nm晶圓片計劃今年下半年風險試產，明年可實現量產。而三星也一直對3nm工藝寄予厚望，不僅在多年前就已開始投入研發事宜，更在今年上半年宣布預備投入1160億美元研發和生產3nm制程，以期趕超臺積電。隨著3nm制程工藝的競爭大幕拉開，兩大巨頭的競爭態勢再度引發關注。

三星3nm殺到

在10月7日舉行的全球年度晶圓代工論壇上，三星公布了其最新的工藝進展和路線圖。三星代工業務負責人在本次論壇上透露，公司首批3nm芯片將于2022年上半年開始生產。3nm工藝上分為兩個版本，其中3GAE(低功耗版)將在2022年年初投入量產，3GAP(高性能版)則會在2023年年初批量生產。

三星方面表示已確保3nm制程工藝有穩定良率，計劃在明年6月份開始量產及代工相關產品，并采用新工藝：為了在半導體制程工藝上追趕上臺積電，三星在3nm工藝的研發當中率先引入了全新的GAA(Gate-all-around，環繞柵極)技術。

相比于FinFET晶體管技術，GAAFET架構的晶體管提供更好的靜電特性，這樣漏電功率會降低，從而功耗降低。三星還表示，與5nm制程相較，GAA制程技術將使得芯片面積可再減少35%，性能可提高30%或功耗降低50%。

2nm工藝沒有出現在公開路線圖上，但是三星代工市場策略高級副總裁MoonSoo Kang透露，2GAP工藝會在2025年量產。這是三星第一次透露2nm工藝的規劃，但三星也警告說，新工藝進度還要看客戶的規劃和部署。

如此雄圖，無疑也將競爭的矛頭直接指向了目前芯片制造領域的霸主——臺積電。

臺積電的強勢回應

而在三星的步步緊逼之下，臺積電自然不甘示弱。臺積電CEO魏哲家最新公開表示，臺積電3nm N3將在今年內風險性試產，2022年下半年大規模量產，2023年第一季度獲得實際收入。

臺積電N3 3nm工藝將是N5 5nm之后的全新節點，號稱經過密度可增加70％，同等功耗下性能可提升10-15％，同等性能下功耗可降低25-30％，并且使用更多層的EUV光刻(不低于N5 14層)，因此更加復雜化，整個工藝流程的工序超過1000道。

N3還會衍生出一個N3E版本，可以視為增強版，有更好的性能、功耗、良品率，同時設計和IP上完全兼容N3，2024年量產。

而臺積電的N2 2nm工藝一直比較神秘，官方此前只是確認會考慮使用GAAFET(環繞柵極場效應晶體管)，但從未明確是否真的上馬。按照魏哲家的最新說法，N2工藝將在2025年量產，并強調無論集成密度還是性能都是業內最好的，但未給出具體指標。

之前預計臺積電2nm 2024年就能量產，結果現在節奏也放緩了，和三星基本同步，就看誰的表現更好了，當然還有高昂的成本問題。

當然，在芯片沒有交付之前，一切都是計劃，而有時候計劃趕不上變化，所以最終如何，還是讓時間來證明了。

三星和臺積電的制程競爭

三星與臺積電首次在先進制程上的競爭可以追溯到14nm制程時代，當時三星因為取得了FinFET技術工藝的領先，率先推出了14nm搶走了蘋果訂單，給臺積電很大的壓力。不過，2016年蘋果A10處理器訂單又被由臺積電搶回，而三星此后再未獨自吞下過蘋果A系列處理器訂單。

需要注意的是，當時三星的整合(IDM)模式跟臺積電這種專職代工生意的廠商不同，三星自己的終端業務跟很多其芯片代工的客戶形成了競爭，這也讓一些客戶轉向臺積電。

因此，2017年5月三星正式宣布調整公司業務部門，將晶圓代工業務部門從系統LSI業務部門中獨立出來，成立三星電子晶圓代工廠，主要負責為全球客戶制造邏輯芯片，從而與臺積電進行純晶圓代工正面競爭。這讓三星在2018年的晶圓代工業務營收達到100億美元，市占率沖上14%，全球份額躍升至第二。

2019年4月，三星公布“半導體愿景2030”發展藍圖，準備在10年內投資1160億美元，錄用15000名專業人才，以期在2030年前大幅提升在晶圓代工市場競爭力，并在2030 年超越臺積電，登上產業龍頭。

目前三星的5nm芯片，已經有高通、IBM、AMD、nvidia等客戶了，如果三星真的能夠領先臺積電，預計還能夠再吸引到更多的客戶。現在，三星想采用GAA技術早于臺積電推出3nm技術。

與此同時，三星的表現也非常搶眼。第三季度初步財報顯示，受內存價格上漲、蘋果新機面板訂單原因推動，三星三季度營業利潤增長28%，創近三年來新高。第三季度營收預估為73萬億韓元，年增9%，利潤達15.8萬億韓元(約合133億美元)，略低于市場預期，但仍是2018年第三季度以來的最高單季表現。

10月14日，臺積電披露了2021年第三季度業績，報告期公司實現合并收入為新臺幣4146.7 億元（約人民幣950億元），增長11.4%。臺積電第三季5nm制程比重約18%，7nm制程比重約34%，包括5nm及7nm的先進制程比重約52%。

三星與臺積電的制程熱戰持續之際，也讓后續梯隊與兩大巨頭的差距越拉越大。除臺積電與三星外，TrendForce排名顯示，目前位居全球芯片代工份額第三至第五位的為聯電、格羅方德、中芯國際，其中，聯電與格羅方德的份額各為7%，中芯國際僅為4%。

份額的弱勢也讓在上述廠商在先進制程上的投入更趨無力。早在2018年，聯電與格羅方德其實已經相繼退出了7nm制程競爭，目前聯電的主力產線在14nm，格羅方德則為28nm，二者都選擇了更保守的競爭策略。目前在7nm及以下制程領域，全球只有臺積電與三星有能力繼續挺進，延續摩爾定律。

對于代工廠商而言，率先將先進工藝量產，并且保證性能穩定是搶占市場份額的關鍵。

目前三星在產能與良率方面和臺積電仍有一段差距，這種差距是短期內無法改變的。統計數據顯示，三星在2020年的晶圓月產能約為2.5萬片，而臺積電則為14萬片，尤其是在目前最前沿的5nm制程方面，三星晶圓月產能約為5000片，而臺積電約為9萬片。在產能方面，臺積電還具有動態調配生產線能力，可以將產能利用率提高到110%~120%，這是三星所不具備的。

在最新通報會上，臺積電表示，由于5nm需求強勁，該公司5nm系列在2021年的產能擴充計劃比2020年會翻倍，2022年將比2020年增長3.5倍以上，并在2023年達到2020年的4倍以上。

而在良率方面，臺積電的新制程接單標準是一般不低于75%，在14nm等成熟的工藝線，良率則能保證達到95%~98%。這也讓臺積電的優勢更為鞏固。

據韓國媒體引述多家供應商報道，由于三星遲遲未提高5nm的產品良率，使得三星在5nm產線的構建與客戶搶奪上也陷入被動。

不出意外的話，蘋果A16芯片以及A17芯片，都將由臺積電代工。該訂單將確保臺積電在先進工藝賽道獲得領先，當然，臺積電新工藝對于蘋果而言，也有相當大吸引力。

雖然三星制程工藝緊咬臺積電，但業內人士都明白，就效果而言，三星和臺積電水準并不是很接近。

并且今年今年芯片產能緊張，供應鏈服務費用全面上漲，但臺積電只給蘋果費用上調了3%，對比之下，其他廠商都是上調15%到20%。

按照三星半導體業務占據三星電子36%的份額計算，三星半導體芯片的勢頭就已經非常強勁了，更何況在今年三星半導體業務占據整個三星營收利潤的一半左右。這樣來看，在2021年三星芯片代工廠確實是一大亮點，而且還有望延續到2022年，不至于讓臺積電一枝獨秀。

不得不說，自10nm、7nm工藝三星落后于臺積電后，三星就已經與臺積電杠上了，而到了5nm芯片工藝三星又屢次受到挫敗，如今為了趕超臺積電，三星在3nm芯片工藝又和臺積電杠上了，而且這一次在先進制程工藝上三星有點要跑贏臺積電意思。

總的來說，雖然3nm芯片還沒有出來，談三星趕超臺積電為之尚早，但如果三星能在3nm芯片工藝扳回，那意味著全球芯片很可能將再次迎來變局。未來芯片代工領域一哥的位置，也極有可能會易主。大家認為呢？