臺積電近來多事之秋，于2018年6月完成管理層交班，也分別在2018年8月發(fā)生計算機病毒感染事件，和2019年1月爆發(fā)晶圓質(zhì)量瑕疵事件，但幸虧30年來，制程研發(fā)步步為營，穩(wěn)打穩(wěn)扎，保證先進制程一路領(lǐng)先。
2019年4月24日，三星電子公布了未來的投資計劃和目標，計劃在未來12年內(nèi)(1999年至2030年)投資約1200億美元加強系統(tǒng)LSI和晶圓代工業(yè)務(wù)方面的競爭力;并依靠低價搶下NVIDIA下一代GPU訂單，全然力挑臺積電。但現(xiàn)階段遭遇日本原材料禁運，抹上了一層陰影。
本文從發(fā)展歷程、生產(chǎn)基地、先進制程、封裝布局等方面來梳理三星挑戰(zhàn)臺積電的勝算。
一、發(fā)展歷程
1、臺積電
1987年2月21日成立，臺積電正式成立，開創(chuàng)純晶圓代工新模式;1988年公司營收超過新臺幣10億;1991年公司實現(xiàn)盈利新臺幣5億，此后無一年虧損;1993年營收超過新臺幣100億;1994年9月在臺灣上市，當年營收達新臺幣193億(約6億美元);1995年營收超過10億美元;1998年營收超過新臺幣500億;2000年營收首次超過1000億臺幣(新臺幣1660億);2008年營收超過100億美元(新臺幣3330億);2012年營收首次超過新臺幣5000億;2018年營收首次超過新臺幣10000億。2017年和2018年的市場占有率為56%。
作為專業(yè)集成電路制造服務(wù)業(yè)的創(chuàng)始者與領(lǐng)導者，臺積電專注為全球Fabless公司、IDM公司和系統(tǒng)集成公司提供晶圓制造服務(wù)。自創(chuàng)立開始，臺積電即持續(xù)提供客戶最先進的技術(shù)及臺積電TSMC COMPATIBLE設(shè)計服務(wù)，在提供先進的晶圓工藝技術(shù)與最佳的制造效率上已建立了良好的聲譽。
臺積電在擁有先進技術(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。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。
2、三星電子
2005年，三星電子開始進入12英寸邏輯工藝晶圓代工領(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)部門中獨立出來，成立三星電子晶圓代工，主要負責為全球客戶制造非存儲芯片，從而與以臺積電為首的純晶圓代工公司競爭。
從2005年到2009年，三星電子的年代工營收不足4億美元。到2010年啃上蘋果(Appple)，開始代工蘋果A系列處理器(包括A4、A5、A6、A7)，代工營業(yè)收入出現(xiàn)爆長，2010年整體代工收入激增至12億美元(其中蘋果A系列處理器產(chǎn)品代工收入達8億美元)。由于蘋果手機等移動終端產(chǎn)品出貨激增，三星電子的晶圓代工營收水漲船高，到2013年達到39.5億美元，當年蘋果的代工收入占到公司代工總收入的86%?？梢哉f2010年至2013年三星電子的代工營收完全是靠蘋果在支撐。
由于20納米工藝制程良率無法突破等多方面的原因，2014年三星電子失去蘋果A系列處理器訂單，蘋果A8處理器全部交由臺積電(TSMC)代工;2015年好不容易搶到A9處理器部分訂單，但由于良率和功耗控制不如臺積電，導致2016年的A10處理器又全部由臺積電包圓。由于失去蘋果這個大客戶，導致2014年和2015年晶圓代工營收出現(xiàn)下滑。
為了填補產(chǎn)能，三星電子代工部門積極出擊，搶下高通(Qualcomm)應(yīng)用處理器和服務(wù)器芯片、超微半導體(AMD)的微處理器芯片、英偉達(Nvidia)的圖形處理芯片、安霸(Ambarella)的視覺處理芯片、特斯拉(Tesla)的自駕系統(tǒng)芯片的訂單，得以彌補蘋果跑單的窘境。2016年營收達到44億美元，超過2013年的水平，創(chuàng)下三星電子晶圓代工營收的新紀錄。
根據(jù)市場研究公司IC Insights的數(shù)據(jù)顯示，三星電子2017年晶圓代工營收達46億美元，在全球晶圓代工市場以6%的市占率排名第四，前三分別是臺積電(TSMC)的56%，格芯半導體(GlobalFoundries)的9%，聯(lián)電(UMC)的8.5%;2018年晶圓代工營收達100億美元，市占率達14%，排名全球第二。
2018年三星電子排名全球第二大晶圓代工公司，并非業(yè)績大增，實乃拆分部門導致。原因是晶圓代工部門自立門戶，不再隸屬于系統(tǒng)LSI業(yè)務(wù)。所以現(xiàn)在包括處理器芯片(Exynos等)、CIS圖像傳感器、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部門營收，因此營收一路高漲，市占率一夕飆高。
二、生產(chǎn)基地
1、臺積電
目前在臺灣擁有三座12英寸超大晶圓廠、四座8英寸晶圓廠和一座6英寸晶圓廠，在中國大陸有一座12英寸晶圓廠和一座8英寸晶圓廠，在美國擁有一座8英寸晶圓廠。位于臺灣的第四座12英寸超大晶圓廠FAB18的第一期也于2019年順利投產(chǎn)。
2018年提供261種不同的制程技術(shù)，為481個客戶生產(chǎn)10436種不同產(chǎn)品，晶圓出貨量達1080萬片12英寸約當晶圓量。
2019年，臺積電預(yù)計提供約1200萬片的12英寸約當晶圓的年產(chǎn)能，其中7納米產(chǎn)能約100萬片12英寸晶圓。
3nm工廠也在計劃建設(shè)中。
2、三星電子
到2019年底，三星電子晶圓代工專屬線將增至7條，包括6條12英寸和3條8英寸。
目前，三星電子代工業(yè)務(wù)可以提供包括65納米、45納米、32/28納米HKMG、14納米FinFET、10納米FinFET、7納米FinFET EUV工藝，客戶包括蘋果、高通、超微半導體、賽靈思、英偉達、恩智浦(NXP)以及韓國本土公司Telechips等。
韓國器興(Kiheung)的S1，建成于2005年，是三星首條12英寸邏輯代工生產(chǎn)線，目前量產(chǎn)65納米至8納米低功耗芯片，產(chǎn)品主要用于計算機網(wǎng)絡(luò)、智能手機、汽車、以及日益成長的物聯(lián)網(wǎng)市場等。
美國奧斯汀(Austin)的S2是由原8英寸廠改造而來;2010年8月開始潔凈室建設(shè)，2011年4月開始12英寸邏輯產(chǎn)品投產(chǎn)，當年達產(chǎn)43000片;目前量產(chǎn)65納米至14納米產(chǎn)品。2010年設(shè)立研發(fā)中心，旨在為系統(tǒng)LSI部門開發(fā)高性能、低功耗、復雜的CPU和系統(tǒng)IP架構(gòu)和設(shè)計。
韓國華城(Hwasung)的S3，是2018年建成投產(chǎn)的12英寸邏輯生產(chǎn)線，目前主要生產(chǎn)10納米至8納米產(chǎn)品，將是三星7納米產(chǎn)品的主力生產(chǎn)廠。
韓國華城的S4，是原DRAM用產(chǎn)線FAB11進行改造，目前CMOS影像傳感器(CIS)專用生產(chǎn)線。位于華城的12英寸DRAM產(chǎn)線FAB13也正在加緊改造為CMOS影像傳感器專用生產(chǎn)線。
韓國華城的EUV專用產(chǎn)線自2018年2月開工建設(shè)以來，正在加緊建設(shè)。工廠將投資60億美元，將于2019年下半年完成建設(shè)、2020年正式投產(chǎn)。初期以7納米產(chǎn)品為主，輔以EUV光刻機。
韓國器興的8英寸晶圓代工線新FAB6于2016年開放，包括原來的FAB6、FAB7、FAB8等三個廠，涵蓋從180納米到70納米工藝節(jié)點，現(xiàn)有產(chǎn)能接近25萬片，制程技術(shù)包括嵌入式快閃記憶體(eFlash)、功率元件、影像感測器CIS，以及高電壓制程的生產(chǎn)，主要針對韓國本土的Fabless。
三、制程
1、臺積電
自1987年成立以來，臺積電一直堅持“建立內(nèi)部研發(fā)”戰(zhàn)略，為公司帶來了顯著的競爭優(yōu)勢。臺積電通過從臺灣工業(yè)技術(shù)研究院轉(zhuǎn)移3.5μm和2μm技術(shù)創(chuàng)辦公司，同時為飛利浦定制了3.0μm技術(shù)。僅僅一年之后，臺積電于1988年成功開發(fā)了自己的1.5μm技術(shù)。隨后進行了一系列持續(xù)的成功開發(fā)，包括1.2μm，1.0μm，0.8μm，0.6μm，0.5μm，0.3μm和0.25μm工藝。
1999年，臺積電發(fā)布了世界上第一個0.18μm低功耗工藝技術(shù)。從那時起，臺積電引領(lǐng)行業(yè)不斷縮小的線寬技術(shù)，從0.13μm，到90nm、65nm、40nm、28nm、20nm、16/12nm、10nm、7nm，再到今年的5nm工藝。
2018年臺積電營收超過新臺幣10000億，其中先進制程技術(shù)(28納米及以下更先進制程)的營收占整體營收的63%，而7納米的的營收占整體營收更是超過20%，成為第一大營收來源。
那么我們來看看臺積電在10納米以下工藝的布局情況。
N7：2017年4月7nm開始風險生產(chǎn)，2018年量產(chǎn)，第三季開始貢獻營收，在2018年有40多個客戶產(chǎn)品流片，預(yù)計2019年還將有100多個新產(chǎn)品流片。與10nm FinFET工藝相比，7nm FinFET具有1.6倍邏輯密度，約20%的速度提升和約40%%的功耗降低。有兩個工藝制程可選，一是針對AP，二是針對HPC(高性能計算應(yīng)用)。
N7+：2018年8月進入風險生產(chǎn)階段，2019年第三季開始量產(chǎn)，是臺積電第一個使用EUV光刻解決方案的半導體工藝技術(shù)。
N6：為強化7nm技術(shù)，提升效能/成本優(yōu)勢且加速產(chǎn)品上市時間，2019年4月份推出的6nm制程技術(shù)，采用EUV光刻解決方案，預(yù)計將在2020年第一季風險試產(chǎn)，第三季實現(xiàn)量產(chǎn)。據(jù)悉N6工藝比N7工藝提供高出18%的邏輯密度，設(shè)計規(guī)則與N7完全兼容，使其全面的設(shè)計生態(tài)系統(tǒng)得以重復使用。
N5：5nm技術(shù)于2019年3月進入風險生產(chǎn)階段，預(yù)期2020年第二季拉高產(chǎn)能并進入量產(chǎn)。主力生產(chǎn)工廠是Fab 18。與7納米制程相較，5nm芯片密度增加80%，在同一運算效能下可降低15%功耗，在同一功耗下可提升30%運算效能。
N5P：N5P(5nm+)預(yù)計2020年第一季開始試產(chǎn)，2021年進入量產(chǎn)。與5nm制程相較在同一功耗下可再提升7%運算效能，或在同一運算效能下可再降低15%功耗。
3nm：目前沒有更多3nm的技術(shù)信息，但是3納米工廠的投資案已經(jīng)宣布，計劃投資超過新臺幣6000億元在新竹寶山興建，預(yù)計2020年動工，2022年底量產(chǎn)。
2nm：2019年每下二季宣布正式啟動2nm工藝的研發(fā)，未來工廠將設(shè)置在位于新竹南方科技園。
2、三星電子
2005年三星電子進入晶圓代工業(yè);2006年首個客戶簽約65納米;2009年45納米工藝開始接單，同年11月在半導體研究所成立邏輯工藝開發(fā)團隊，以強化晶圓代工業(yè)務(wù);2010年1月首個推出32納米HKMG工藝;2014年推出第一代14納米FinFET工藝;2016年10月17日，第一代10納米FinFET工藝量產(chǎn)。
那么我們來看看三星電子在10納米以下工藝的布局情況。
8LPP：8LPP在生產(chǎn)工藝轉(zhuǎn)換為EUV(Extreme Ultra Violet)光刻技術(shù)之前，具有最大的競爭優(yōu)勢。結(jié)合三星10nm技術(shù)的關(guān)鍵工藝流程創(chuàng)新，與10LPP相比，8LPP在性能和門電路密度方面提供了額外的優(yōu)勢。2018年11月成功量產(chǎn)Exynos 9系列(9820)。
7LPP：7LPP將是第一個使用EUV光刻解決方案的半導體工藝技術(shù)。這里要強調(diào)兩點，一是通過和ASML的合作，開發(fā)出了250W最大的EUV源功率，這是EUV進入到大量生產(chǎn)中的最重要的里程碑，EUV光刻技術(shù)的部署將打破摩爾定律擴展的障礙，為單一的納米半導體技術(shù)的發(fā)展鋪平了道路;二是關(guān)鍵IP將于2019年上半年完成研發(fā)，下半年將進行投產(chǎn)。
5LPE：5LPE將采用三星獨特的智能縮放(Smart Scaling)解決方案，將其納入基于EUV的7LPP技術(shù)之上，可實現(xiàn)更大面積擴展和超低功耗優(yōu)勢。
4LPE/LPP：4LPE/LPP是三星電子最后一次應(yīng)用高度成熟和行業(yè)驗證的FinFET技術(shù)，結(jié)合此前5LPE工藝的成熟技術(shù)，芯片面積更小，性能更高，可以快速達到高良率量產(chǎn)，也方便客戶升級。
3LPP：3LPP將第一次使用全新的MBCFETTM(Multi Bridge Channel FET，多橋接通道場效應(yīng)晶體管)結(jié)構(gòu)，基于GAAFET(Gate All Around FET，環(huán)繞柵極場效應(yīng)晶體管)技術(shù)。GAAFET需要重新設(shè)計晶體管底層結(jié)構(gòu)，克服當前技術(shù)的物理、性能極限，增強柵極控制，性能大大提升。預(yù)計2020年投入風險性試產(chǎn)。
四、封裝布局
1、臺積電
2008年開始先進封裝布局。首先成立集成互連與封裝技術(shù)整合部門，2009年開始戰(zhàn)略布局三維集成電路(3D IC)系統(tǒng)整合平臺。
目前，臺積電先進封裝技術(shù)WLSI(Wafer-Level-System-Integration)平臺包括既有的CoWoS封裝、InFO封裝，以及針對PM-IC等較低端芯片的扇入型晶圓級封裝(Fan-In WLP)，還將于2021年推出系統(tǒng)級整合芯片(SoIC，System-on-integrated-chips)等封裝技術(shù)，陣容更加齊整、堅強。
CoWoS于2011年開發(fā)成功，張忠謀在第三季法說會上放言，臺積電要進軍封裝領(lǐng)域。此舉震撼半導體業(yè)界，特別是封裝業(yè);到2013年量產(chǎn)時，只有可編程邏輯門陳列供應(yīng)商賽靈思(Xilinx)一家的28納米產(chǎn)品量產(chǎn)。前CoWoS已經(jīng)獲得NVIDIA、AMD、Google、XilinX、華為海思等高端HPC芯片訂單。
InFO技術(shù)于2016 年11月首度用于iPhone 7的A10處理器。InFO技術(shù)成功應(yīng)用于追求高性價比的移動通訊市場，AP產(chǎn)品是其主要客戶。
SoIC根植于CoWoS與WoW(多晶圓堆疊，Wafer-on-Wafer)技術(shù)，SoIC特別倚重于CoW(Chip-on-wafer)設(shè)計，這對于芯片業(yè)者來說，采用的IP都已經(jīng)認證過一輪，生產(chǎn)上可以更成熟，良率也可以提升，也可以導入存儲器芯片應(yīng)用。更重要的是，SoIC能對10納米或以下的制程進行晶圓級的鍵合技術(shù)，這將有助于臺積電強化先進工藝制程的競爭力。WoW技術(shù)透過硅通孔(TSV，Through-silicon Vias)互連連接的10微米孔彼此接觸，將多層邏輯運算單元以立體方式堆疊在一起，架構(gòu)出高速、低延遲互連性能。雖然TSV互連早就運用在DRAM 及3D NAND 等存儲器的生產(chǎn)技術(shù)上，但是用在邏輯運算單元的量產(chǎn)上，卻還是首次。
2、三星電子
目前，三星電子正在全力推動FOPLP(面板級扇出型封裝，F(xiàn)an-Out Panel Level Packaging)技術(shù)，已量產(chǎn)了FOPLP-PoP與I-Cube 2.5D先進封裝技術(shù)，希望可與臺積電的InFO、CoWoS封裝分庭抗禮。
I-Cube 2.5D：目前已經(jīng)量產(chǎn)，可以實現(xiàn)4路HBM 2顯存堆棧。2020年則會推出3D SiP系統(tǒng)級封裝，適用于人工智能(AI)、高性能計算(HPC)、網(wǎng)絡(luò)和GFX，三星電子寄希望I-Cube 2.5D能和臺積電CoWoS封裝制程相抗衡。
FOPLP-PoP：針對移動終端用應(yīng)用處理器，號稱是抗衡臺積電InFO的封裝制程。2018年10月正式生產(chǎn)Galaxy Watch應(yīng)用處理器(AP)芯片。但目前看來，大規(guī)模量產(chǎn)還是不成熟。
五、結(jié)語
競技場上拼爹是不夠的，還是得憑實力說話。正如臺積電(TSMC)憑借尖端工藝技術(shù)(Technology)、優(yōu)質(zhì)服務(wù)(Service)、制造能力(Manufacture)，與客戶(Customers)建立堅實的伙伴關(guān)系，穩(wěn)定地創(chuàng)造了強而有力的成長。
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