臺積電和三星的“3nm之爭”：誰率先降低代工價格，誰就會是贏家

2022年已經(jīng)接近尾聲，3nm制程的競爭似乎也進入到了白熱化階段，臺積電和三星誰先真正實現(xiàn)3nm制程的量產(chǎn)，一直都是產(chǎn)業(yè)的焦點。雖然需要用到3nm芯片的廠商少之又少，但這并不妨礙它是巨頭爭相追逐的對象，畢竟對于整個半導體產(chǎn)業(yè)來說，搶先掌握先進工藝是占領市場最關鍵的部分。

3nm進展如何

臺積電

臺積電作為全球晶圓代工的龍頭企業(yè)，今年憑借著第三季度6131億新臺幣的銷售額，有望取代老牌巨頭三星、英特爾成為全球半導體一哥。據(jù)市場調研機構Strategy Analytics最新報告，2022年第三季度臺積電代工總收益超過了200億美元，甚至超過了其他所有廠商（包括三星）的總和。

最新消息顯示臺積電3nm制程邁入沖刺階段，已明確表明其3nm工藝具有高良率，并且客戶的N3需求已經(jīng)超過了臺積電的供應能力，部分原因來自機臺交付問題。此外，臺積電還預計在2023年N3將達到全面利用，將占明年晶圓營收的4%-6%。

隨著3nm產(chǎn)能在明年逐季開出，包括蘋果、英特爾、高通等大客戶亦會導入量產(chǎn)，將成為臺積電2023年營收較今年成長的主要動能。據(jù)彭博報道，蘋果新款的M2芯片處理器更是有可能獨占臺積電3nm代工的大訂單。

臺積電方面還透露N3E作為第二代3nm工藝制程，有著更好的效能、功耗和良率，性能相比5nm提升18％、功耗降低34％、密度增加70％。并且，N3E開發(fā)進度較計劃提前，大規(guī)模量產(chǎn)時間預計在明年二季度到三季度，很可能2023年iPhone 15系列所搭載的A17芯片就會采用該工藝。

另外值得注意的是，臺積電計劃將N3技術芯片生產(chǎn)帶到它美國亞利桑那州5nm晶圓廠的傳聞，前兩天臺積電創(chuàng)始人張忠謀首次給出了肯定的答復。不過并未透露美國3nm晶圓廠建廠計劃的投資規(guī)模，以及會在何時啟動。

雖然美國今年通過了配套有超過520億美元補貼的“芯片法案”，但對于臺積電來說在美國制造芯片的成本仍要更高，然而這并不是從商業(yè)成本考慮的決策 —— 臺積電赴美建先進制程晶圓廠，也在一定程度上順應了美國客戶的供應來源地分散化的供應鏈安全需求。

根據(jù)最新的預計，今年臺積電主要客戶的營收占比依次為蘋果(25.4%)、AMD(9.2%)、聯(lián)發(fā)科(8.2%)、博通(8.1%)、高通(7.6%)、英特爾(7.2%)、英偉達(5.8%)，這前七大客戶中六家都是美國客戶，這也正是促使臺積電赴美建5nm/3nm晶圓廠的重要因素。

三星

在3nm制程量產(chǎn)方面，三星比臺積電率先曝出消息，據(jù)報道三星6月30日率先開始采用3nm制程工藝為相關的客戶代工晶圓，首批晶圓在7月25日發(fā)貨。然而除了一家做礦機芯片的中國公司試水之外，大型半導體廠商中還在觀望，還有沒有任何一家確定要采用三星的3nm工藝。

雖然三星看似在3nm制程節(jié)點上先行一步，但實際生產(chǎn)上并非一帆風順。而此前也是由于三星在4/5nm工藝上糟糕的良品率和表現(xiàn)，才迫使高通這樣的大客戶將旗艦SoC訂單轉投到臺積電。

在未來的技術路線發(fā)展上，三星電子計劃在2024年推出第二代3nm工藝技術的半導體芯片（SF3）。三星電子表示，其第二代3nm芯片的晶體管將比第一代3nm芯片小20%，這將為智能手機、個人電腦、云服務器和可穿戴設備帶來更小、更節(jié)能的芯片。

此外，三星還計劃積極爭取美國境內晶圓代工市場。除了在德州奧斯汀的工廠，目前還計劃在鄰近泰勒市興建全新工廠，為最新3nm制程技術提供代工量產(chǎn)資源，預計在2024年開始運作。

三星之所以不遺余力地擴大其代工產(chǎn)能，是因為三星電子代工事業(yè)部總裁Choi Si-young在日前活動中明確表示了三星的目標是2027年將產(chǎn)能提高兩倍以上。為此，三星推行了“殼牌優(yōu)先”戰(zhàn)略，即先建設無塵室，然后在市場需求出現(xiàn)時靈活運營。據(jù)了解，三星在韓國和美國已經(jīng)經(jīng)營了五家工廠，并獲得了建造10多個晶圓廠的場地。

3nm代工價格驚人

臺積電

臺積電在7nm制程節(jié)點成功地引入了EUV（極紫外光），隨后5nm制程節(jié)點更是拉開了與其他代工廠之間的差距，蘋果、AMD、英偉達、聯(lián)發(fā)科、博通和高通等業(yè)界大型芯片設計公司紛紛下單。

更先進的工藝制程意味著更高的成本，每片晶圓的價格水漲船高。按照臺積電的報價，7nm工藝的12寸晶圓大約是1萬美元一片，5nm更是超過1.6萬美元，預計明年還會上漲6%。有半導體從業(yè)人員表示，5nm制程節(jié)點的代工價格已非常高，3nm的報價已達到2萬美元，成本的拉升相當明顯。

一塊12寸的晶圓，其晶圓面積約為70659平方毫米，而一塊3nm的芯片，例如高通、蘋果的3nm手機Soc，預計面積會是70平方毫米的樣子。也就是說一塊12寸的晶圓，在不浪費任何邊角料、100％良率的情況下，也就是只能切割出1000顆左右的芯片。

但晶圓是圓的，芯片是方的，一定會有邊角料留下來，還要考慮到良率不可能100％。所以實際上來看，如果一塊12寸的晶圓用來制造3nm的芯片，在良率達到80％以及去邊角料后，最終能夠切割出完整可用的成品芯片也就是600-700顆左右。

如果后續(xù)加上研發(fā)、流片、封裝、報損、營銷等成本，一顆3nm芯片的成本至少需要1000美元以上，所以只有高端檔手機Soc、電腦CPU、GPU這樣的高價值產(chǎn)品，才有可能用得起3nm工藝。廠商也會將成本轉嫁到下游客戶，所以新款設備終端也會越來越貴。

三星

臺積電、三星是全球唯二能生產(chǎn)3nm工藝芯片的公司，卻走的是不同的路線。三星電子的3nm制程工藝率先采用全環(huán)繞柵極（GAA）晶體管架構，臺積電則是繼續(xù)采用鰭式場效應晶體管（FinFET）架構。

三星表示與原來采用FinFET的5nm工藝相比，初代3nm制程（GAE）在功耗、性能和面積（PPA）方面有不同程度的改進，其面積減少了16%、性能提高23%、功耗降低45%。到了第二代3nm制程（GAP）面積減少了35%、性能提高30%、功耗降低50%，效果更好，不過需要2024年才能量產(chǎn)。

這樣的指標很誘人，如果三星能量產(chǎn)，不會沒有廠商使用。但實際情況并不是這樣，三星的3nm并沒有公司搶著上，只能說明是有些問題的，那就是良率偏低，根本沒法大規(guī)模量產(chǎn)。

據(jù)悉，目前臺積電先進制程代工價一直上漲的原因之一就是 —— 三星電子5/4nm及3nm制程良率較低，其中三星3nm制程自量產(chǎn)以來，良率不超過20%，量產(chǎn)進度陷入瓶頸，因此與臺積電合作關系的穩(wěn)定性也是目前多數(shù)芯片廠商考量的關鍵點。

三星3nm工藝的代工價格目前不清楚是多少，但根據(jù)臺積電3nm制程的生產(chǎn)成本，三星以20%的良率用于生產(chǎn)的話，就算是打折代工估計也要10萬美元，芯片成本要增加數(shù)倍以上，毫無競爭力。

不過，最近三星與美國公司Silicon Frontline Technology擴大合作，將提高其半導體晶片生產(chǎn)良率。據(jù)稱Silicon Frontline通過ESD靜電及相關技術可以減少晶圓加工中的缺陷，也就是說提高芯片的良率，兩家公司對彼此的技術合作很滿意，但具體提升多少良率還沒有相應數(shù)據(jù)公布。

至于是否有實際收益，還要留意未來幾個月三星的晶圓代工情況，看看是否有客戶愿意下訂單采用三星的先進工藝。有消息指出，如果三星的計劃取得成效，高通可能會重新選擇三星，在一些SoC上采用雙代工廠的做法，以便更好地控制產(chǎn)能和成本。

由于此前高通已經(jīng)表明將持續(xù)采用臺積電與三星多芯片制造供應商來源的模式，加上臺積電在3nm制程上量產(chǎn)時間的繼續(xù)延遲，高通可能考慮將下一代驍龍8 Gen 3處理器交由三星來生產(chǎn)。

當前臺積電是高通驍龍8 Gen 2 移動處理器的獨家供應商，由其4nm制程節(jié)點來生產(chǎn)，但是到了2023 年之際將有許多的不確定性。不過，當前談驍龍8 Gen 3的情況似乎還太早，還有許多的不確定性，需要在接下來的時間持續(xù)關注。

值得注意的是，三星作為最大的存儲芯片制造商，三季度在存儲芯片方面的營收環(huán)比下滑28.1%，導致他們整體的凈利潤下滑，也導致將全球半導體銷冠的寶座拱手讓給了英特爾。英特爾三季度的營收雖同比也大幅下滑，但他們在半導體方面148.51億美元的營收，只是略低于上一季度的148.65億美元，高于三星電子的146億美元。

此外，三星近期也頻頻警告，由于對個人電腦和智能手機的需求較預期進一步減弱，導致數(shù)據(jù)中心和消費科技客戶削減訂單、庫存增加，三星正面臨更嚴峻的市場形勢。

潛在的競爭者英特爾

根據(jù)英特爾制程工藝路線圖，英特爾Intel 7正在生產(chǎn)并批量出貨，Intel 4將采用EUV技術，預計2022年下半年投產(chǎn)，其晶體管的每瓦性能將提高約20%；而Intel 3作為英特爾代工服務的重點，將提供I/O Fin和高密度單元，以及更多EUV的使用和更好的晶體管和互連，每瓦性能實現(xiàn)約18%的提升，預計2023年下半年投產(chǎn)。

就在近期，英特爾還成立了晶圓代工新聯(lián)盟 USMAG（美國軍事、航空航天和政府）聯(lián)盟，作為對其設計生態(tài)系統(tǒng)加速器計劃的戰(zhàn)略性補充，初始成員包括Cadence、Synopsys、Siemens Digital Industries Software、Intrinsix和Trusted Semiconductor Solutions等芯片巨頭。就在今年2月，英特爾代工服務（IFS）啟動了其加速器設計生態(tài)系統(tǒng)計劃，以幫助代工廠客戶將硅產(chǎn)品從構思到實施。