近年來,在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)當(dāng)中,最為人所津津樂道者就屬晶圓代工龍頭臺積電與競爭對手韓國三星的競爭。雙方從制程演進(jìn)、客戶數(shù)量、市占排名、資本支出,一直到市值多少都讓大家拿出來比較。目前,雖然臺積電在其市場占有率上有過半的競爭優(yōu)勢。不過,三星也非省油的燈,2019 年也宣布將投資約1,150 億美元)的金額,希望能在2030年超車臺積電,成為非存儲器的系統(tǒng)半導(dǎo)體制造龍頭。面對三星如此來勢洶洶,連臺積電創(chuàng)辦人張忠謀都表示,三星電子是很厲害的對手,臺積電還沒有贏。因此,在可以期待的未來是臺積電與三星的競爭仍將持續(xù),鹿死誰手也還沒有明確的答案。
臺積電發(fā)展歷史
1987 年2 月成立的臺積電,開創(chuàng)了全球純晶圓代工的新商業(yè)模式。在當(dāng)時,全球的半導(dǎo)體行業(yè)采取的是單一的IDM 模式,即企業(yè)內(nèi)部完成芯片設(shè)計(jì)、芯片生產(chǎn)和測試封裝等3 個流程,當(dāng)時的英特爾、三星等半導(dǎo)體企業(yè)都是采取這種模式。這些公司大多把針對外部的晶圓代工做為副業(yè),主業(yè)是設(shè)計(jì)和銷售自己的產(chǎn)品,因此市場上沒有專業(yè)的代工服務(wù)。爾后臺積電的創(chuàng)立,才改變了這樣的模式。.
而做為專業(yè)晶圓制造服務(wù)業(yè)的創(chuàng)始者與領(lǐng)導(dǎo)者,臺積電一開始就專注為全球無晶圓廠(Fabless) 企業(yè)、IDM 公司和系統(tǒng)整合公司提供晶圓制造服務(wù)。因此,自創(chuàng)立開始,臺積電即持續(xù)提供客戶最先進(jìn)的技術(shù)及臺積電TSMC COMPATIBLE 設(shè)計(jì)服務(wù),在提供先進(jìn)的晶圓制程技術(shù)與最佳的制造效率上已建立了良好的聲譽(yù)。而且在擁有先進(jìn)技術(shù)后,將其轉(zhuǎn)換成生產(chǎn)優(yōu)勢,其中包括良率、可靠性、準(zhǔn)時交貨性、充足的產(chǎn)能以應(yīng)付客戶需求和生產(chǎn)周期等。而且,技術(shù)與生產(chǎn)上的優(yōu)勢,轉(zhuǎn)換成與客戶的長期信任關(guān)系。而這樣的基礎(chǔ)也成為現(xiàn)任的臺積電董事長劉德音所一再強(qiáng)調(diào)的臺積電價(jià)值──「誠信正直、承諾、創(chuàng)新、客戶信任」。
面對客戶的需求1999 年,臺積電領(lǐng)先業(yè)界推出可商業(yè)量產(chǎn)的0.18 微米銅制程制造服務(wù)。2001 年,臺積電推出業(yè)界第一套參考設(shè)計(jì)流程(Reference DesignFlow),協(xié)助開發(fā)0.25 微米及0.18 微米的客戶降低設(shè)計(jì)障礙,以達(dá)到快速量產(chǎn)之目標(biāo)。2005 年,領(lǐng)先業(yè)界成功試產(chǎn)65 納米制程芯片。2009 年繼40 納米制程之后的28 納米制程,臺積電決定采用與英特爾相同的Gate-last 架構(gòu),放棄IBM 的Gate-First 架構(gòu),使得當(dāng)時同樣在開發(fā)28 納米制程的競爭對手聯(lián)電、三星、格羅方德都還持續(xù)在研發(fā)卡關(guān)的時刻,臺積電能在2011年正式量產(chǎn)28 納米制程。
▲ 臺積電制程技術(shù)演進(jìn)。(Source:臺積電)
2013 年臺積電新開發(fā)的20 納米制程首次拿到蘋果的A 系列處理器的訂單,而之后的2014 年,臺積電推出在20 納米制程基礎(chǔ)上加入FinFET 技術(shù)而成16 納米制程,并且取得使用于搭載于蘋果iPhone 6s 和iPhone 6s+ 智能手機(jī)上A9 處理器的部分訂單,也就是與三星所研發(fā)出的14 納米制程技術(shù)共同打造A9 處理器。只是后續(xù)市場一連串傳出搭載三星代工芯片的iPhone 續(xù)航能力,較搭載臺積電代工芯片的iPhone 更低的情況下,其狀況雖遭到蘋果三星否認(rèn),但是自A9 系列處理器之后,蘋果自A10系列處理器開始,直到近期最新的A14 系列處理器,蘋果就再也沒有讓三星進(jìn)行代工,這也使得臺積電從此種下與三星彼此激烈競爭的火種。
2016 年臺積電正式推出10 納米制程,以及InFO 扇出型晶圓級封裝技術(shù),使得芯片制造降低成本、加快芯片制造周期。2017 年4 月,更先進(jìn)的7 納米制程開始開始大規(guī)模投產(chǎn),相較于上一代的10 納米FinFET 制程技術(shù),臺積電的7 納米制程技術(shù)在邏輯閘密度提高1.6 倍,運(yùn)算速度增快約20%,功耗降低約40%。來到2020 年,臺積電最新的5 納米制程也進(jìn)入正式的量產(chǎn)階段。而后續(xù)的N5P 制程技術(shù)則預(yù)計(jì)于2021 年正式量產(chǎn)。另外,之后更先進(jìn)的3 納米制程,則預(yù)計(jì)將在2022 年量產(chǎn)。
三星發(fā)展歷史
2005 年,韓國三星電子開始進(jìn)入12 吋邏輯晶圓代工領(lǐng)域,2017 年5 月12 日,三星電子宣布調(diào)整公司業(yè)務(wù)部門,將晶圓代工業(yè)務(wù)部門從系統(tǒng)LSI 業(yè)務(wù)部門中獨(dú)立出來,成立三星電子晶圓代工,主要負(fù)責(zé)為全球客戶制造非存儲器的邏輯芯片,從而與龍頭臺積電進(jìn)行純晶圓代工市場的競爭。
事實(shí)上,從2005 年到2009 年,三星晶圓代工業(yè)務(wù)年?duì)I收不足4 億美元,相較于臺積電在2008 年就突破100 億美元的營收,其比例天差地遠(yuǎn)。直到2010 年開始代工蘋果A 系列處理器(包括A4、A5、A6、A7),才使得三星代工業(yè)務(wù)營收出現(xiàn)大幅度的成長。2010 年整體晶圓代工收入暴增至12 億美元,其中蘋果A 系列處理器產(chǎn)品代工收入達(dá)8 億美元。之后,隨著蘋果手機(jī)等移動終端產(chǎn)品的出貨熱絡(luò),導(dǎo)致三星的晶圓代工業(yè)務(wù)營收水漲船高,到2013 年已經(jīng)達(dá)到39.5 億美元,而當(dāng)年為蘋果代工的收入占總代工業(yè)務(wù)營收的86%,因此,可說2010 年至2013年三星晶圓代工業(yè)務(wù)營收完全是靠蘋果在支撐。
2013 年因?yàn)?0 納米制程良率無法突破等多方面的原因,三星電子失去蘋果A 系列處理器訂單,當(dāng)年的蘋果A8 處理器全部交由臺積電代工。2015 年好不容易再搶回蘋果A9 處理器的部分訂單,但由于產(chǎn)品的功耗控制不如臺積電,導(dǎo)致2016 年的蘋果A10 處理器訂單又全部由臺積電獨(dú)享,并且從此再也沒有再拿下過蘋果A 系列處理器的訂單。而失去蘋果這個大客戶,導(dǎo)致2014 年和2015 年晶圓代工營收出現(xiàn)下滑。
為了填補(bǔ)產(chǎn)能,三星代工業(yè)務(wù)積極出擊,2016 年搶下高通(Qualcomm)應(yīng)用處理器和伺服器芯片、超微半導(dǎo)體(AMD)的微處理器芯片、輝達(dá)(Nvidia)的圖形處理芯片、特斯拉(Tesla)的自駕系統(tǒng)芯片的訂單,得以彌補(bǔ)蘋果跑單的窘境。2016 年?duì)I收達(dá)到44 億美元,超過2013年的水平,還創(chuàng)下三星晶圓代工業(yè)務(wù)營收的新紀(jì)錄。而根據(jù)市場調(diào)查機(jī)構(gòu)《IC Insights》的數(shù)據(jù)顯示,三星電子2017 年晶圓代工營收達(dá)46 億美元,在全球晶圓代工市場以6% 的市占率排名第四,其他前三名則別是臺積電的56%,格羅方德(GlobalFoundries)的9%,以及聯(lián)電(UMC)的8.5%。
2018 年三星的晶圓代工業(yè)務(wù)營收來到100 億美元,市占率沖上14%,全球排名躍升至第二的位置。不過,當(dāng)年的營收大幅攀升,并非業(yè)績的大幅成長,而乃拆分部門導(dǎo)致。當(dāng)年三星晶圓代工業(yè)務(wù)自立門戶,不再隸屬于系統(tǒng)LSI 業(yè)務(wù)。所以,之后包括處理器芯片(Exynos 等)、CIS 圖像感測器、顯示驅(qū)動芯片、電源管理芯片的生產(chǎn)收入都算作晶圓代工業(yè)務(wù)營收,因此營收一路高漲,市占率一夕飆高。不論如何,在三星晶圓代工業(yè)務(wù)逐漸成為集團(tuán)下的金雞之后,三星隨即遇到存儲器市況反轉(zhuǎn),加上智能手機(jī)市占率節(jié)節(jié)敗退的沖擊,決心在非存儲器系統(tǒng)半導(dǎo)體業(yè)務(wù)上著力,2019 年宣布,預(yù)計(jì)投入10 年時間及約1,150 億美元的經(jīng)費(fèi),在2030 年超車臺積電,登上產(chǎn)業(yè)龍頭。
臺積電的產(chǎn)能與技術(shù)
目前,臺積電擁有4 座12 吋超大晶圓廠、4 座8 吋晶圓廠和1 座6 吋晶圓廠,并擁有一家百分之百持有之大陸子公司──臺積電(南京)有限公司之12 吋晶圓廠,及2 家百分之百持有子公司──WaferTech 美國子公司、臺積電(中國)有限公司之8 吋晶圓廠,再加上4 座后段封測廠。而截至2019 年為止,臺積電也提供最廣泛的先進(jìn)制程、特殊制程及先進(jìn)封裝等272 種制程技術(shù),為499 個客戶生產(chǎn)1 萬761 種不同產(chǎn)品。而2020 年前3 季也繳出,收達(dá)約340億美元,較2019 年同期增加29.9%,毛利率52.8%,較2019年同期增加8.5 個百分點(diǎn),稅后純益約132億美元,較2019 年同期增加63.6%。
在相關(guān)制程技術(shù)方面,自1999 年臺積電發(fā)布了世界上第一個0.18 微米低功耗制程技術(shù)之后,從那時起臺積電就引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)不斷進(jìn)行制程微縮技術(shù),從0.13微米,到90 納米、65納米、40 納米、28 納米、20 納米、16/12 納米、10 納米、7 納米,再到2020 年的5 納米,以及接下來更先進(jìn)的3 納米制程。就7 納米以下的先進(jìn)制程來說,7 納米制程于2017 年4 月開始風(fēng)險(xiǎn)生產(chǎn),2018 年正式量產(chǎn),截至2020 年7月份為止,臺積電總共生產(chǎn)出了10 億個7 納米制程的芯片。
隨后7 納米加強(qiáng)版制程,2018 年8月進(jìn)入風(fēng)險(xiǎn)生產(chǎn)階段,2019年第3 季開始量產(chǎn),是臺積電第一個使用極紫外光(EUV) 曝光解決方案的半導(dǎo)體制程技術(shù)。另外,為強(qiáng)化7 納米制程,提升效能與成本優(yōu)勢,且加速產(chǎn)品上市時間,2019 年4 月份臺積電推出的6 納米制程技術(shù),采用EUV 光刻解決方案,2020 年第1 季風(fēng)險(xiǎn)試產(chǎn),第3 季正式量產(chǎn)。臺積電之前曾表示,6 納米制程比首代7 納米制程提供高出18% 的邏輯密度,設(shè)計(jì)規(guī)則與首代7 納米完全兼容,使其全面的設(shè)計(jì)系統(tǒng)得以重復(fù)使用。
而2020 年正式量產(chǎn)的5 納米制程,在第2 季開始拉高產(chǎn)能并進(jìn)入量產(chǎn)階段。與首代7 納米制程相較,5 納米芯片密度增加80%,在同一運(yùn)算效能下可降低15% 功耗,或在同一功耗下可提升30% 運(yùn)算效能。至于,下一代的5 納米加強(qiáng)版制程,2021 年將進(jìn)入量產(chǎn)。而改良自5 納米加強(qiáng)版的4 納米制程,則是預(yù)計(jì)2023年投入量產(chǎn)。還有,不久前臺積電才舉行廠房上梁典禮的3 納米制程,目前則是預(yù)計(jì)在2022 年下半年將進(jìn)入試產(chǎn)階段。
三星的產(chǎn)能與技術(shù)
三星目前總計(jì)擁有韓國器興(Kiheung)的S1、美國奧斯?。ˋustin)的S2、韓國華城(Hwasung)的S3、S4 等4 座大型晶圓代工廠。其中,S1 生產(chǎn)量產(chǎn)65 納米至8 納米的低功耗芯片,S2 負(fù)責(zé)生產(chǎn)65 納米至14 納米產(chǎn)品,S3 則是10 納米、8 納米及7 納米等制程的重要生產(chǎn)基地,S4 則是CMOS 圖像傳感器的生產(chǎn)據(jù)點(diǎn)。另外,三星目前正在興建位于華城園區(qū)的第5 座晶圓廠,未來將是采用EUV 光刻技術(shù)的7 納米、5 納米及3 納米制程的生產(chǎn)據(jù)點(diǎn),廠房已經(jīng)于2019 年下半年完成,2020 年正式進(jìn)入初期量產(chǎn)階段。
至于,在制程技術(shù)的發(fā)展上,三星2005 年進(jìn)入晶圓代工產(chǎn)業(yè),2006 年首個客戶簽約65 納米制程,2009年45 納米制程開始接單,同年11 月在半導(dǎo)體研究所成立邏輯制程開發(fā)團(tuán)隊(duì),強(qiáng)化晶圓代工業(yè)務(wù)后,2010 年1 月首個推出32 納米的HKMG 制程,2014 年再推出首代14納米FinFET 制程。之后,2016 年10 月首代10 納米FinFET 制程量產(chǎn)。2018 年再推出由10 納米FinFET制程改良的8 納米LPP 制程,并在當(dāng)年11 月發(fā)表以該制程所生產(chǎn)的三星Exynos 9 系列9820 處移動處理器。
2019 年上半年,三星正式宣布首個采用EUV 光刻技術(shù)的7 納米LPP 制程正式量產(chǎn),并且在當(dāng)年下半年進(jìn)行量產(chǎn)。三星表示,相較于10 納米制程芯片,7 納米LPP 制程可縮小多達(dá)40% 的芯片面積,速度提高20%,并降低50% 的功耗。之后的5 納米LPE 制程則是采用三星獨(dú)特的智慧縮放(Smart Scaling)解決方案,將其納入基于EUV 光刻技術(shù)的7 納米LPP 制程之上,號稱邏輯效率將較前一代提升最多25%,或者是在相同性能和密度下,整體的芯片功耗將可降低20%,以及在同等功耗和密度下,性能能夠提升10%。
近期,相較于臺積電3 納米制程預(yù)計(jì)將在2022 年試產(chǎn),三星也不甘示弱的提出3 納米LPP 制程,這是將第一次使用全新的MBCFETTM(Multi Bridge Channel FET,多橋接通道場效應(yīng)電晶體)結(jié)構(gòu),并采用GAAFET(Gate All Around FET,環(huán)繞柵極場效應(yīng)電晶體)技術(shù)。GAAFET 需要重新設(shè)計(jì)電晶體底層結(jié)構(gòu),以克服當(dāng)前技術(shù)的物理、性能極限,增強(qiáng)柵極控制,使得性能大大提升,預(yù)計(jì)2022 年投入風(fēng)險(xiǎn)性試產(chǎn)。
臺積電與三星的競爭
就如之前所提到的,三星在2005 年正式進(jìn)入晶圓代工市場之后,在到2009 年的這幾年當(dāng)中,其整體營收不過4 億美元,與2008 年?duì)I收已經(jīng)破百億美元的臺積電相較,不過只是零頭而已。不過,隨著三星拿下蘋果早期的處理器代工訂單后,三星晶圓代工業(yè)務(wù)營收突飛猛進(jìn),這才意識到蘋果訂單的重要性。只是,隨著20 納米制程的發(fā)展遇上瓶頸,讓臺積電全數(shù)吃下當(dāng)時蘋果A8 處理器之后,隔年好不容易有機(jī)會與臺積電共同分食蘋果A9 處理器訂單。之后卻因會能耗問題遭到果粉批評后,自A10 處理器開始就再也沒能拿下蘋果訂單,也從此埋下了與臺積電激烈競爭的種子。
另一個讓臺積電與三星始終處于激烈競爭的導(dǎo)火線,就出在當(dāng)年臺積電前資深研發(fā)處長梁孟松離職后前去投靠三星,并且指導(dǎo)三星發(fā)展出優(yōu)于臺積電16 納米制程的14 納米制程的事件上,這顯示臺積電過去累積多年的努力,并且投資大筆金錢的成果一夕間遭三星所追趕上。雖然事后臺積電采用法律的力量,對梁孟松進(jìn)行訴訟獲得最后的勝利,但也因?yàn)榛谥R產(chǎn)權(quán)與競業(yè)條款的問題,從此雙方互不相讓。
事實(shí)上,自半導(dǎo)體制程為縮至10 納米以下之后,臺積電與三星的競爭持續(xù)不斷,不但從各制程的推出時間,再到取得客戶的數(shù)量,甚至是每年所投入的資本支出,以及到整體的市值大小都成為互相比較的項(xiàng)目。尤其,在當(dāng)前的先進(jìn)制程中,全球現(xiàn)階段唯三有能力在此領(lǐng)域發(fā)展的企業(yè)。但撇開目前仍在10 納米制程上持續(xù)為良率努力的英特爾,而能夠提供先進(jìn)制程邏輯芯片代工的企業(yè)就僅剩臺積電與三星這2 家,彼此的競爭自然免不了。
只是,根據(jù)TrendForce的調(diào)研結(jié)果顯示,2020 年第3 季全球晶圓代工市場占有率,臺積電以高達(dá)53.9% 位居龍頭,領(lǐng)先排名第2 的三星市占17.4% 有3倍以上差距的情況來看,即便三星已經(jīng)宣布,將在10 年內(nèi)投入約1,150 億美元來發(fā)展非存儲器的系統(tǒng)半導(dǎo)體來看,平均每年也就是會投資115 億美元的金額,對照臺積電目前每年的資本支出已經(jīng)超過150 億美元,2020 年甚至最高將達(dá)到170 億美元的情況下,三星砸的錢似乎還不算多。因此,這兩家企業(yè)未來的競爭是否會進(jìn)一步有反轉(zhuǎn)的情況,這也將是未來大家所關(guān)心的產(chǎn)業(yè)話題。