三星電子代工業(yè)務(wù)總裁Si-young Choi在三星晶圓代工論壇作主旨演講
在5nm以下制程領(lǐng)域中，僅剩下了三星和臺積電最后兩家企業(yè)，但這兩家企業(yè)的競爭仍十分激烈，你來我往，形成了拉鋸戰(zhàn)。而正是這樣的拉鋸戰(zhàn)，促使摩爾定律在重重困難之下，仍不斷按照一定速度向前延伸。
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在5nm以下先進(jìn)制程領(lǐng)域，為何臺積電、三星這兩家企業(yè)能“笑”到最后？甚至還能在如此艱難的先進(jìn)制程領(lǐng)域打起拉鋸戰(zhàn)？
根據(jù)DIGITIMES數(shù)據(jù)評估，28nm工藝建廠花費為60億美元（約合人民幣382億元）。然而到7nm工藝時，建廠成本卻增長至120多億美元（約合人民幣765億元）。到5nm時，這一數(shù)字更是增長至160億美元（約合人民幣1019億元）。可見，晶圓廠的建設(shè)成本十分高昂，且隨著芯片制程的逐漸縮小不斷攀升。對于5nm以下的先進(jìn)制程芯片而言，成本更加高昂。
面對如此“砸錢”的買賣，三星、臺積電也展示出了強大的資金實力。IC insights的數(shù)據(jù)顯示，2021年半導(dǎo)體行業(yè)資本支出合計為1520億美元，三星電子和臺積電的資本支出合計超過了600億美元，占總資本支出的近40%。
在今年6月8日舉辦的股東大會上，臺積電董事長劉德音預(yù)計，明年臺積電資本支出會達(dá)到400億美元。如果按此速度繼續(xù)增長，將意味著臺積電2021—2023年的資本支出極有可能超過此前宣布的3年千億美元，達(dá)到1100億美元～1140億美元之間（約合7391億～7660億人民幣）。
臺積電2019年—2022年資本支出（數(shù)據(jù)來源：根據(jù)公開資料整理）
此外，Counterpoint稱，臺積電高額的資本支出將有很大一部分是對3nm和2nm節(jié)點產(chǎn)能的擴建，因為英特爾和蘋果等大客戶在2023年后對先進(jìn)制程的需求比較大。
在代工方面的資本支出，三星也毫不遜色。2021年，三星電子半導(dǎo)體與顯示總資本支出達(dá)48.22萬億韓元（約合2500億人民幣），其中用于半導(dǎo)體的有43.57萬億韓元（約合2300億人民幣），其資金主要集中用于產(chǎn)能擴張和先進(jìn)節(jié)點的遷移。今年5月，三星電子宣布未來5年重大投資計劃中表示，在2026年前，將資本支出增加30%以上，達(dá)450萬億韓元（約合2.4萬億人民幣）。雖然三星電子沒有透露各業(yè)務(wù)的支持占比，但有分析師初步預(yù)測，其在半導(dǎo)體領(lǐng)域?qū)⒅С龀|美元。
業(yè)內(nèi)專家莫大康向《中國電子報》記者表示，三星多年來在存儲器領(lǐng)域獨占鰲頭，有足夠的資本投入在先進(jìn)制程的研發(fā)中。“雖然對于三星而言，代工行業(yè)并不是其營收的‘主力軍’，與臺積電相比，其代工領(lǐng)域一年的營收只有臺積電的1/3，但三星作為全球龍頭IDM廠商，且擁有雄厚的資金支持，追求先進(jìn)制程也意味著追求市場的話語權(quán)，這也是三星能不斷在先進(jìn)制程領(lǐng)域‘砸錢’并與臺積電不斷抗衡的主要原因之一。”莫大康說。
強大的資本支出能力，也給了三星、臺積電足夠的底氣，使其能夠在先進(jìn)制程領(lǐng)域你來我往。
四大核心技術(shù)成競爭焦點
臺積電、三星在先進(jìn)制程的拉鋸戰(zhàn)中，主要圍繞四大核心技術(shù)展開競爭。
其一，晶體管結(jié)構(gòu)。據(jù)了解，隨著芯片制程延伸到5nm以下，原本采用的三面圍柵的FinFET晶體管結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)漏電流所導(dǎo)致的功耗與發(fā)熱問題，這也使得采用四面環(huán)柵結(jié)構(gòu)的GAA技術(shù)逐漸受到更多關(guān)注。復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院副院長周鵬表示，相較于三面圍柵的FinFET結(jié)構(gòu)，GAA技術(shù)的四面環(huán)柵結(jié)構(gòu)可以更好地抑制漏電流的形成以及增大驅(qū)動電流，進(jìn)而更有利于實現(xiàn)性能和功耗之間的平衡。因此，GAA技術(shù)在5nm之后更小的制程中，更受到業(yè)界的認(rèn)可和青睞。
在晶體管結(jié)構(gòu)方面，三星先臺積電一步，在其3nm芯片中便開始采用GAA架構(gòu)，還與IBM聯(lián)合推出了一種新的垂直晶體管架構(gòu)VTFET。據(jù)了解，在同等功率下，VTFET晶體管提供了FinFET晶體管2倍的性能，而在等效頻率下，VTFET可以節(jié)省85%的功率。此外，臺積電也在GAA架構(gòu)中不斷有所建樹，在去年12月的中國集成電路設(shè)計業(yè)2021年年會上，臺積電（中國）總經(jīng)理羅振球稱，臺積電將在2nm節(jié)點中采用基于GAA架構(gòu)的MBCFET晶體管架構(gòu)。
三星電子晶體管結(jié)構(gòu)路線圖（來源：三星電子）
其二，新材料。為了解決晶體管微縮后帶來的量子效應(yīng)、漏電發(fā)熱等問題，并有效提升芯片能耗、減小芯片面積，臺積電、三星等廠商開始不斷尋找能夠在先進(jìn)制程芯片中替代或者補充硅材料不足的新材料。據(jù)了解，臺積電正在研究二硫化鎢（WuS2）和碳納米管等新材料，這些材料能夠更有效地移動電子，并讓芯片在計算過程中更加節(jié)能，降低功耗。此外，三星電子也與蔚山科技學(xué)院合作開發(fā)出新材料“非晶氮化硼（a-BN）”。據(jù)悉，該材料能夠起到阻止電干擾的作用，三星將其視為半導(dǎo)體小型化的關(guān)鍵元素之一。
其三，新的光刻設(shè)備。下一代EUV光刻機可謂是攻破2nm以下先進(jìn)制程的命脈，因此，三星、臺積電均開始奮力尋求ASML高數(shù)值孔徑極紫外光刻機。今年6月17日，臺積電舉行的技術(shù)論壇上首次披露，到2024年臺積電將擁有ASML最先進(jìn)的高數(shù)值孔徑極紫外光刻機，用于生產(chǎn)GAA架構(gòu)的2nm芯片，并預(yù)計在2025年量產(chǎn)。據(jù)了解，高數(shù)值孔徑極紫外光刻機具備更高的光刻分辨率，能夠?qū)⑿酒w積縮小的同時，密度增加2.9倍。幾乎同一時間，有報道稱三星電子從ASML獲得了十多臺EUV光刻機，且三星同樣表示其2nm芯片將于2025年量產(chǎn)，可見這幾臺光刻機也在為2nm芯片的量產(chǎn)做準(zhǔn)備。
其四，先進(jìn)封裝技術(shù)。隨著芯片制程的演進(jìn)和晶體管結(jié)構(gòu)的改變，如何能將芯片“封”得更小，并實現(xiàn)更優(yōu)質(zhì)的互聯(lián)也成為臺積電、三星的主攻點。因此，近年來，臺積電也在先進(jìn)封裝領(lǐng)域不斷發(fā)力，接連推出了CoWoS、SOIC 3D等技術(shù)，完善其在先進(jìn)封裝領(lǐng)域的布局。為了進(jìn)一步擴大其在先進(jìn)封裝上影響，2020年臺積電將其旗下SoIC、InFO及CoWoS 等3D IC技術(shù)平臺進(jìn)行了整合，并命名為3D Fabric。據(jù)臺積電介紹，在產(chǎn)品設(shè)計方面，3D Fabric提供了最大的彈性，整合邏輯Chiplet、高帶寬內(nèi)存(HBM)、特殊制程芯片，可全方位實現(xiàn)各種創(chuàng)新產(chǎn)品設(shè)計。
盡管起步較晚，但三星近年來一直堅持不懈地研發(fā)先進(jìn)封裝技術(shù)。2021年11月，三星宣布已與AmkorTechnology聯(lián)合開發(fā)出混合基板立方體（H-Cube）技術(shù)，這是其最新的2.5D封裝解決方案，大大降低了高性能計算等市場的準(zhǔn)入門檻，使得三星在先進(jìn)封裝領(lǐng)域名聲大震。
拉鋸戰(zhàn)推動摩爾定律不斷前行
如今，三星和臺積電在先進(jìn)制程領(lǐng)域的競爭已經(jīng)進(jìn)入了白熱化階段，也成為推動摩爾定律繼續(xù)前行的主要動力之一。
在這場拉鋸戰(zhàn)中，三星目前處于劣勢，且先進(jìn)制程芯片頻頻陷于良率的泥沼。據(jù)悉，三星4nm良率僅為35%，而臺積電4nm制程工藝芯片的良率可達(dá)到70%，是三星的兩倍。因為良率問題，三星晶圓代工的主要客戶正在流失。例如，高通將驍龍8 Gen1訂單轉(zhuǎn)向臺積電生產(chǎn)，后續(xù)3nm芯片也全量委托給臺積電；英偉達(dá)RTX 40系列顯卡也將采用臺積電5nm制程。由于三星電子基于4nm制程的Exynos 2200處理器良率表現(xiàn)十分之低，其GPU頻率從計劃的1.69GHz削減到1.49GHz，最終減少到1.29GHz。為此，三星電子代工的大客戶高通和英偉達(dá)已經(jīng)協(xié)商按照芯片最終產(chǎn)量付費，而非按晶圓付費。
臺積電在先進(jìn)制程領(lǐng)域相對順利。近期有消息稱，盡管如今還未量產(chǎn)3nm工藝，臺積電3nm良率已達(dá)80%，其最大的客戶蘋果，已經(jīng)提前預(yù)定其M3芯片采用臺積電3nm制程。甚至有消息稱，臺積電2nm的風(fēng)險試產(chǎn)良率也已超過了90%，蘋果和英特爾等巨頭企業(yè)，也將作為臺積電2nm的首批客戶。
臺積電先進(jìn)制程演變路徑
莫大康表示，臺積電、三星之間的競爭也沒有絕對的輸贏之分，因為絕大部分晶圓代工廠商已經(jīng)完全告別了先進(jìn)制程的競賽，使得諸多客戶只能在臺積電和三星之間進(jìn)行“非此即彼”的選擇，而臺積電一家的產(chǎn)能，也難以維持龐大的先進(jìn)制程市場。因此，哪怕三星的芯片會頻頻陷入性能“滑鐵盧”的風(fēng)險，也依舊會有大批廠商愿意去“嘗嘗螃蟹”。
這樣的競爭態(tài)勢，恰巧成為了推動摩爾定力繼續(xù)前行的主要動力。“雖然，三星在產(chǎn)品良率以及客戶訂單量方面三星不如臺積電，但是對于臺積電而言，并不是無所顧忌。三星背后不可忽視的強大資本力量，是臺積電最顧忌的方面之一。此外，正是因為三星追得緊，所以這也成為了敦促臺積電不斷向先進(jìn)制程延伸的最大動力之一。二者的拉鋸戰(zhàn)，也成為了推動摩爾定力繼續(xù)前行的動力。”莫大康表示。