晶圓代工，群雄逐鹿

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2022-07-20 15:04:18 5

在全球晶圓代工領(lǐng)域，臺(tái)積電和三星幾乎壟斷著全球接近70%的市場(chǎng)份額。

2021年，全球晶圓代工市場(chǎng)規(guī)模約為1101億美元，臺(tái)積電拿下了超過(guò)52％的市場(chǎng)份額，擁有近300種芯片制程技術(shù)，為全球近500個(gè)客戶生產(chǎn)超過(guò)1萬(wàn)種不同產(chǎn)品。

三星則排名第二，占有將近18％市場(chǎng)份額。中國(guó)大陸也有中芯國(guó)際和華虹半導(dǎo)體這兩家知名的上海晶圓代工企業(yè)。2021年，中芯國(guó)際占有將近5％的全球市場(chǎng)份額，未來(lái)發(fā)展的潛力巨大。

臺(tái)積電&聯(lián)電

代工雙雄0.13微米制程之戰(zhàn)

0.13微米，改造了臺(tái)積電。

——英偉達(dá)CEO·黃仁勛

在2000年以前，聯(lián)電與臺(tái)積電的技術(shù)和營(yíng)收差距并不大，甚至在0.18微米制程時(shí)代，聯(lián)電還曾*于臺(tái)積電，兩家公司一度被稱為臺(tái)灣“晶圓代工雙雄”。

那么兩家的差距，又是如何拉開(kāi)的？

1995年，晶圓代工模式被芯片業(yè)界接受，臺(tái)積電的訂單源源不斷，但是產(chǎn)能卻滿足不了需求，選擇開(kāi)啟訂金預(yù)購(gòu)制，這一策略引發(fā)了某些客戶的不滿。

抓住這個(gè)機(jī)會(huì)，聯(lián)電宣布轉(zhuǎn)型成為晶圓代工廠，與美國(guó)、加拿大等地的11家芯片設(shè)計(jì)公司合資成立聯(lián)誠(chéng)、聯(lián)瑞、聯(lián)嘉晶圓代工公司，被稱為“聯(lián)電模式”。然而，此舉伴隨技術(shù)外流風(fēng)險(xiǎn)，使大型芯片設(shè)計(jì)公司不愿意將晶片設(shè)計(jì)圖交給聯(lián)電代工，從而導(dǎo)致聯(lián)電的客戶群以大量的中小型芯片設(shè)計(jì)公司為主。

1996年，由于在晶圓代工廠內(nèi)設(shè)立芯片設(shè)計(jì)部門(mén)有盜用客戶設(shè)計(jì)的嫌疑，聯(lián)電又將旗下的芯片設(shè)計(jì)部門(mén)分出去成立公司，包括現(xiàn)在的聯(lián)發(fā)科技、聯(lián)詠科技、聯(lián)陽(yáng)半導(dǎo)體、智原科技等公司。由于和不同所長(zhǎng)芯片設(shè)計(jì)公司合資所采購(gòu)的芯片制造設(shè)備會(huì)有差異，“聯(lián)電模式”還面臨制造設(shè)備未統(tǒng)一化的問(wèn)題，當(dāng)一家晶圓代工廠訂單爆量時(shí)，卻不容易轉(zhuǎn)單到其他合資代工廠。

相較之下，臺(tái)積電用自己的資金自行建造工廠，不但讓國(guó)際大廠愿意將先進(jìn)制程交由臺(tái)積電代工而不用擔(dān)心其商業(yè)機(jī)密被盜取，而且更能充分發(fā)揮產(chǎn)線的產(chǎn)能。

時(shí)至2000年，聯(lián)電向國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司買(mǎi)下技術(shù)，合作開(kāi)發(fā)銅制程與低介電常數(shù)材料的0.13微米新技術(shù)，希望借此超越競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手臺(tái)積電，成為*上*個(gè)使用銅制程的晶圓代工廠商。當(dāng)時(shí)的研究表明，用銅作為連接導(dǎo)線將比傳統(tǒng)的鋁導(dǎo)線電阻低大約40％，并使芯片的速度提高15％。

彼時(shí)的臺(tái)積電認(rèn)為，國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司的技術(shù)只限于實(shí)驗(yàn)室階段，在大規(guī)模量產(chǎn)制造上并不成熟，并要求臺(tái)積電團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)銅制程技術(shù)。經(jīng)資深研發(fā)副總裁蔣尚義、余振華、梁孟松、林本堅(jiān)等留美海歸芯片專家一年多時(shí)間的攻關(guān)下，銅制程率先突破。

而正如臺(tái)積電所料，國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司的技術(shù)在制造上良率過(guò)低，導(dǎo)致聯(lián)電的0.13微米銅制程遲遲達(dá)不到量產(chǎn)水平。到了2013年下半年，0.13微米客戶訂單為臺(tái)積電帶來(lái)的營(yíng)業(yè)額比聯(lián)電多了3倍。

經(jīng)此一役，臺(tái)積電徹底確立了在半導(dǎo)體行業(yè)的地位，并逐步在此后的發(fā)展中實(shí)現(xiàn)高端芯片制程技術(shù)*。

在資本投入和研發(fā)難度的壓力下，聯(lián)電專注于12英寸晶圓的40nm以下，尤其是28nm和8英寸晶圓制程，從而與臺(tái)積電進(jìn)行差異化競(jìng)爭(zhēng)，宣布放棄7nm及以下更先進(jìn)制程的研發(fā)。

臺(tái)積電&英特爾

5納米和7納米制程的對(duì)決

仍處轉(zhuǎn)型“陣痛期”的英特爾，想要回到*梯隊(duì)仍有待時(shí)日。

——摩根士丹利·Shawn Kim

當(dāng)芯片制程進(jìn)一步發(fā)展到10nm以下時(shí)，以銅作為導(dǎo)線會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)電速率不足的問(wèn)題。因此，英特爾開(kāi)始研究用鈷來(lái)代替成熟的銅導(dǎo)方案。

2017年12月，英特爾公開(kāi)了將鈷應(yīng)用于10nm芯片最細(xì)連接線的設(shè)想，改善后的互聯(lián)線路將有助于進(jìn)一步縮小晶體管尺寸，引發(fā)業(yè)界對(duì)此的無(wú)限遐想。

然而，理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)很骨感，英特爾的7nm制程一再推遲。2020年7月，英特爾宣布，由于7nm制程工藝仍存在“缺陷”，不得不將原計(jì)劃在2021年年底上市的7nm制程芯片推遲至至少2022年中。

與此形成對(duì)比的是，臺(tái)積電在10nm和7nm制程中選擇了更為穩(wěn)妥的銅合金，并在2020年下半年實(shí)現(xiàn)5nm制程的量產(chǎn)，一舉拿下大量訂單。

英特爾長(zhǎng)期以來(lái)代表美國(guó)先進(jìn)制造業(yè)的高點(diǎn)，象征美國(guó)在關(guān)鍵技術(shù)的主導(dǎo)地位，但近年來(lái)可謂是“流年不利”，先進(jìn)半導(dǎo)體制程工藝被臺(tái)積電和三星反超。

隨著屢次帶領(lǐng)英特爾走出困境的“傳奇老兵”帕特·基爾辛格回歸團(tuán)隊(duì)，英特爾如今已進(jìn)入業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型期，大力投資建廠，豪砸26億元*單下一代EUV光刻機(jī)，試圖追回錯(cuò)失的市場(chǎng)份額，重獲新生。

臺(tái)積電&三星

蘋(píng)果處理器代工之爭(zhēng)

我們將通過(guò)全球*3納米制程來(lái)維持自己的領(lǐng)導(dǎo)地位。

——三星晶圓代工業(yè)務(wù)主管·崔世英

在晶圓代工（Foundry）市場(chǎng)，臺(tái)積電和三星是排名前二的兩大龍頭，也是代工領(lǐng)域彼此最大的對(duì)手。

2005年，三星憑借其先進(jìn)制程的優(yōu)勢(shì)切入晶圓代工領(lǐng)域，其在美國(guó)德州奧斯汀的晶圓代工廠獲得了高通的CDMA芯片訂單，為三星的晶圓代工業(yè)務(wù)起了一個(gè)好開(kāi)端，也為其贏得了蘋(píng)果2010年*自研手機(jī)芯片A4訂單，*實(shí)現(xiàn)營(yíng)業(yè)額突破4億美元。

2009年，臺(tái)積電實(shí)現(xiàn)40nm制程量產(chǎn)，又在2011年實(shí)現(xiàn)28nm量產(chǎn)，一舉實(shí)現(xiàn)*三星和聯(lián)電，并于2012年達(dá)成28nm制程市場(chǎng)占有率100%。

2012年，三星也實(shí)現(xiàn)了28nm制程量產(chǎn)，并得益于其在美國(guó)本土建廠的地理優(yōu)勢(shì)，獨(dú)吞蘋(píng)果A7訂單。

2014年，為蘋(píng)果芯片設(shè)計(jì)提供了三年協(xié)助后，臺(tái)積電幾乎拿下蘋(píng)果A8全部訂單，導(dǎo)致三星代工所屬部門(mén)*出現(xiàn)虧損，刺激三星跳過(guò)20nm制程直接沖刺14nm制程，超越臺(tái)積電的16nm制程，奪下蘋(píng)果A9超過(guò)一半的訂單。

2015年，A9“芯片門(mén)”事件爆發(fā)，有開(kāi)發(fā)者分別使用由三星和臺(tái)積電代工的A9芯片iPhone6s進(jìn)行性能測(cè)試，結(jié)果顯示三星版本的良率和功耗控制都不如臺(tái)積電，從而使臺(tái)積電囊括A9后續(xù)追加訂單和A10大部分訂單。

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圖源：MacX

然而。得益于雙供應(yīng)商策略，三星不僅依舊能拿下蘋(píng)果A系列芯片30%左右的訂單，還獲得了高通、英偉達(dá)等芯片設(shè)計(jì)頭部公司的訂單。

經(jīng)與臺(tái)積電的幾番交手，三星死磕先進(jìn)制造工藝，于2017年將晶圓代工業(yè)務(wù)部門(mén)獨(dú)立成為純晶圓代工企業(yè)，并計(jì)劃在未來(lái)5年內(nèi)取得晶圓代工市場(chǎng)25%的份額。

2020年底，三星5nm制程宣布量產(chǎn)，叫板臺(tái)積電7nm制程。

2022年6月30日，三星官宣3nm制程量產(chǎn)，是全球首家量產(chǎn)3nm芯片的公司。

三星能否借此彎道超車(chē)臺(tái)積電，仍需拭目以待。

中芯國(guó)際

“四國(guó)殺”中的國(guó)產(chǎn)芯力量

相信中芯國(guó)際十年如一日的打磨，會(huì)使得各個(gè)產(chǎn)品節(jié)點(diǎn)的效率會(huì)越來(lái)越好，中芯國(guó)際也完全有信心在同類產(chǎn)品上與*上任何公司比較。

——中芯國(guó)際CEO·趙海軍

自28nm開(kāi)始，晶圓代工就成為了一場(chǎng)“氪金”游戲，入場(chǎng)門(mén)檻為100億美元，且更為殘酷，稍有不慎就需要搖白旗投降。

自2009年開(kāi)始，格芯先后收購(gòu)了新加坡特許半導(dǎo)體，并購(gòu)了國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司的芯片制造廠，獲得了7nm制程技術(shù)。

但由于良率過(guò)低，格芯前腳將超微半導(dǎo)體公司處理器和繪圖芯片的訂單拱手讓給臺(tái)積電，后腳不堪先進(jìn)制程上的高額研發(fā)投入，最終宣布放棄7nm及更先進(jìn)技術(shù)工藝研發(fā)，正式退出高端晶圓代工競(jìng)爭(zhēng)。

至此，先進(jìn)制程研發(fā)領(lǐng)域，只剩下臺(tái)積電、三星、英特爾和中芯國(guó)際。

中芯國(guó)際在趙海軍和梁孟松的領(lǐng)導(dǎo)下，在不到一年的時(shí)間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)從28nm到14nm制程的飛躍，將14nm制程的良率提升至95%，并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

但受困于設(shè)備限制、起步較晚等方面的因素，中芯國(guó)際掌握的最先進(jìn)量產(chǎn)工藝，距離臺(tái)積電還有著不小距離。

而在28nm工藝方面，中芯國(guó)際呈現(xiàn)出了集中擴(kuò)大產(chǎn)能的景象：自2020年底以來(lái)連續(xù)三次擴(kuò)大產(chǎn)能，投資總額累計(jì)達(dá)到188.2億美元（約1200億元人民幣）。

對(duì)此，中芯國(guó)際聯(lián)合CEO趙海軍表示，2022年初上海臨港項(xiàng)目已破土動(dòng)工，北京和深圳兩個(gè)項(xiàng)目穩(wěn)步推進(jìn)，預(yù)計(jì)2022年底投入生產(chǎn)。三個(gè)新項(xiàng)目滿產(chǎn)后，將使中芯國(guó)際的總產(chǎn)能倍增。

只是，在高端芯片領(lǐng)域，中芯國(guó)際如何破局則令市場(chǎng)備受矚目。

結(jié)語(yǔ)

前沿代工的技術(shù)競(jìng)賽是一場(chǎng)馬拉松，而不是短跑沖刺。只有繼續(xù)投入研發(fā)且執(zhí)行力強(qiáng)的公司，才有希望掌握高端半導(dǎo)體制造的技術(shù)，進(jìn)而在未來(lái)贏得最大回報(bào)。

臺(tái)積電走得穩(wěn)健而踏實(shí)，英特爾欲后發(fā)制人，三星早已虎視眈眈，中芯國(guó)際奮力追逐。

這場(chǎng)先進(jìn)制程競(jìng)賽，已進(jìn)入白熱化階段。

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