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台积电再传捷报,对Fabless是喜是忧?

近期,晶圆代工市场又掀起了一波小高潮,尤以纯晶圆代工三强台积电、联电和格芯最为突出,特别是在营收方面,非常亮眼。

台积电方面,最新财报显示,该公司4月合并营收达1725.61亿元新台币,与去年同期的1113.15亿元相比增长55.0%,改写单月营收历史新纪录。今年前四个月累计营收6636.37亿元新台币,与去年同期的4737.25亿元相比增长40.1%,表现优于预期。台积电表示,今年第二季度,预计智能手机的季节性因素将影响部分增长幅度,但HPC运算及车用电子相关应用的市场需求将持续支持其业绩增长。

联电方面,4月营收同比增长39.16%,创单月营收新高,今年1-4月,共营收862.19亿元新台币,同比增长35.82%。该公司预计今年第二季度圆晶出货量将增加4%-5%,产品平均售价上升3%-4%,有望推动该季度营收增长4%-9%。

格芯的业绩表现同样优异,今年第一季度营收达到史上最高的19.4亿美元,毛利率增至破纪录的25.3%。该公司预估第二季度营收将介于19.55-19.85亿美元之间。财报显示,格芯第一季度车用芯片营收年增170%,年增幅居所有产品线之冠。

以上这些业绩表现,进一步凸显出晶圆代工产能的紧俏,特别是这些业内顶流企业的产能,更是被各家IC设计企业疯抢。

在这样的背景下,业界再次传出了台积电涨价的消息,该公司很可能从明年1月起进一步提升晶圆代工价格,据悉,成熟制程将上涨8~9%,先进制程涨约5%。之所以如此,一方面是因为资本支出和成本增加的压力,再有就是明年的晶圆代工市场大概率依然处于供不应求的状态,可以通过价格杠杆,对客户进行一定程度的筛选。

去年,台积电就宣布2022年全面调涨晶圆代工价格,包括16nm及更先进制程平均价格调涨8~10%,28nm及更成熟制程平均涨幅约达15%。另外,包括联电、力积电、世界先进等晶圆代工厂,也在今年第一季度针对部份到期并重新签订的长约,以及供给吃紧的成熟制程再度涨价,价格涨幅为5~10%。

相比于其它晶圆代工厂涨价,台积电在这方面是最为谨慎的,由于其处于行业霸主地位,有牵一发而动全身的影响力,该公司很少涨价,当然,这种情况存在的前提是台积电的价格在业界是最高的,这是基于其最先进的制程工艺和封装技术。因此,一旦台积电宣布涨价,都会是业界最大的新闻,也是产业风向标。

要拥有这样的影响力,必须在芯片制造工艺技术方面具备明显的领先优势,且市占率也要具有统治力。目前,在先进制程方面,能够与台积电掰一掰手腕的也只有三星了,但三星一直处于追赶状态;市占率方面,台积电已经拿到了近55%的市场份额,遥遥领先于其它厂商。在这些基础上,台积电的毛利率已经达到54%。

无敌的先进制程

在推出10nm制程之后,台积电在先进制程领域就是无敌般的存在。10nm之后,该公司在业界率先量产了7nm制程芯片,目前,台积电已经生产了超过10亿颗7nm芯片,该公司还率先推出了使用EUV技术的7nm+工艺。在7nm基础上,推出了6nm工艺,这个平台的一个主要特点是与7nm工艺平台兼容,这样,客户很容易把7nm设计移植到6nm。

2021年6月,台积电在一次技术论坛上首次发表了6nm RF(N6RF)制程,相较于前一代的16nm射频技术,N6RF晶体管的效能提升超过16%。台积电表示,N6RF制程针对6GHz以下及毫米波段的5G射频收发器提供大幅降低的功耗与面积,同时兼顾消费者所需的效能、功能与电池寿命,还强化支持WiFi 6/6e的效能与功耗效率。

2020年,台积电实现了5nm(N5)的量产,与7nm相比,新工艺的速度提升了15%,功耗降低了30%,而逻辑密度则是前者的1.8倍。在良率方面,新工艺的进展也非常顺利。与此同时,该公司还推出了增强版的N5P工艺制程,晶体管的速度提升了5%,功耗降低了10%,这给HPC带来了很好的发展机会。

此外,台积电还基于N5平台推出了N4工艺,其速度、功耗和密度都有了改善。其最大优势同样是与N5的兼容,使用5nm工艺设计的产品能够轻易地转移到4nm平台上。这也能保证台积电客户的每一代投资,都能获得更好的效益。N4在2021年第四季度试产,在2022年实现规模量产。

目前,台积电正在为3nm制程工艺量产做着准备,在这代工艺上,该公司会继续采用FinFET。与5nm相比,台积电3nm的速度将提升10%到15%,功耗将提升25%~30%,逻辑密度将是前者的1.7倍。

近日,台积电召开了2022年Q1情况说明会,总裁魏哲家表示,预估3nm将于今年下半年出货,2023年大规模量产。魏哲家称3nm营收贡献会是下一个大的成长节点,等同5nm、7nm家族。而N3E制程将在3nm量产一年之后投产,目前研发进度超出预期,可能提前投产。

2019年,台积电率先开始了2nm(N2)制程技术的研发工作。相应的技术开发中心和工厂主要设在中国台湾的新竹,规划了4个超大型晶圆厂,主要用于2nm及更先进制程的研发和生产。

台积电2019年成立了2nm专案研发团队,寻找可行路径进行开发。在考量成本、设备相容、技术成熟及效能表现等多项条件之后,决定采用以环绕栅极(Gate-all-around,GAA)制程为基础的MBCFET架构,解决FinFET因制程微缩产生电流控制漏电的物理极限问题。MBCFET和FinFET有相同的理念,不同之处在于GAA的栅极对沟道的四面包裹,源极和漏极不再和基底接触。

本周,魏哲家证实,目前台积电N2制程研发已走上正轨,晶体管结构和工艺进度都达到预期。预计台积电将在2024年末做好N2制程风险生产的准备,并在2025年末进入大批量生产,2026年,首批2nm芯片将正式投入市场。

近期,有消息传出,由于3nm研发工作已经完成,即将量产,台积电决定让3nm研发团队转战1.4 nm制程工艺开发,定于今年6月开启研发工作,投入确认技术规格的第一阶段(TV0)开发工作。

成熟制程业界第一

不仅先进制程处于领先地位,台积电在成熟制程工艺(节点≥40nm)领域同样占据市场领导地位,如下图所示。

图1、成熟制程工艺市占率,台积电排第一(来源:Counterpoint Research)

具体来看,以2022年第一季度为例,如下图所示,40nm/45nm营收约占台积电总营收的8%,65nm占5%,90nm占2%,0.11μm/0.13μm占3%,0.15μm/0.18μm占6%,0.25μm及以上占1%。这样,台积电在该季度成熟制程的合并营收占总营收的25%,还是很可观的数字。

图2、台积电2022年第一季度各制程营收占比

从历史发展来看,台积电于2004年开始从以0.11μm+制程为主的低端晶圆制造过渡到以40nm-90nm的更先进制程工艺为主的晶圆制造,并于2011年底开始从以中低端为主的晶圆制造过渡到以28nm及更先进制程工艺为主的晶圆制造。

在射频方面,为了满足客户对于5G网络高速、低延迟、以及大量物联网应用需求,台积电提供了16nm及28nm射频元件,通过提升截止频率与最大震荡频率来支持射频收发器设计,采用40nm特殊制程强化击穿电压,在来自导通电阻与断电容的乘积降低的相同效益下,支持射频切换器设计的应用。

独特的封装技术

过去十年,台积电已经推出五代不同的基板上芯片封装工艺,且涵盖了消费级与服务器芯片领域。

近些年,先进制程工艺对封装技术提出了更高要求,同时,先进封装技术也可以弥补制程工艺的不足。因此,台积电不断在3D封装技术方面加大投入。

2021年,在一次线上技术研讨会上,台积电披露了3DFabric系统整合解决方案,并将持续扩展由三维硅堆栈及先进封装技术组成的3DFabric。

针对高性能计算应用,台积电于2021年提供更大的光罩尺寸,以支持整合型扇出封装基板(InFO_oS)和CoWoS封装方案,运用范围更大的布局规划来整合Chiplet die及高带宽内存。

2021年,在HotChips33 年度会议期间,台积电介绍了其最先进的封装技术路线图,并且展示了为下一代Chiplet架构和内存设计做好准备的最新一代 CoWoS 解决方案。该公司最新的第5代CoWoS封装技术,有望将晶体管数量增至第3代封装解决方案的20倍。

图3、台积电CoWoS封装技术发展路线图

未来,台积电还将升级到第6代CoWoS 封装工艺,其特点是能够集成更多的Chiplet die和 DRAM。

针对移动应用,台积电推出了InFO_B解决方案,将移动处理器整合在轻薄精巧的封装之中,提供强化的性能和功耗效率,并且支持移动设备芯片制造厂商封装时所需的DRAM堆栈。

除了中国台湾大本营,台积电还将先进封装业务拓展到了日本,日本经产省表示,台积电将在日本茨城县筑波市设立研发据点,总经费约370亿日元,日本政府将出资总经费约5成予以支持。据悉,拥有领先封装技术的日本企业Ibiden、半导体装置厂商芝浦机械(Shibaura Machine )等与半导体有关的约20家日本企业有望参与研发,重点就是Chiplet和3D封装技术。

高水平管理

除了先进技术这个“硬件”,企业管理这个“软件”也至关重要,它会直接或间接影响企业的竞争力。

台积电在晶圆代工业能确立霸主地位,关键就是具有领先行业的技术和良率,因此,对于这种技术高度密集,且对技术依赖程度很高的行业,做好信息保密工作至关重要。台积电在防止秘密信息外泄方面有其独到见解。在该公司,技术开发由数十组工程师共同进行,还需要相关供货商密切合作,即使挖走部分工程师,想把台积电的know-how都学到手,几无可能。

在员工和产业链管理方面,台积电同样闻名业界。

首先,该公司极度重视稳定生产及生产效率,一位经手多个晶圆厂建厂案例的建造商高管表示,台积电要求他们必须严格遵守建厂进程,甚至要提前完工。台积电对于供货商在质量和危机管理方面的要求极高,只要做过台积电的生意,就能获得业界的信任。一位台积电前员工透露,公司非常重视与客户的信任关系,对于材料供货商的要求也很严格。

其次,根据前员工的说法,台积电内部每次开会,一开始与会者就要汇报前一次会议交办的未解决事项,也就是AR(action required,待完成任务或行动要求)。如果产线设备出状况,负责部门一天得开好几次会,而且每次开会时,供货商都必须提出解决方法。

再有,台积电极度重视面对面沟通。该公司会把移动电话配给供货商的工程师,即使是在半夜,只要产线有任何紧急状况,供货商工程师接电话后必须在两小时内赶到台积电产线,以确保能尽快恢复正常生产。

正是因为在制程工艺、封装技术、人才、企业管理等方面具备明显优势和先进理念,才使得台积电在全球晶圆代工业内独占鳌头,具有极大的影响力和示范作用。

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