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三星和台积电又杠上了
作为全球芯片业的前三强，以及晶圆代工业的前两强，三星与台积电一直不缺乏故事和新闻。就在本周，这两家备受业界关注的明星企业又不由自主地被摆在了擂台上。首先看财报，台积电公告了9月营收，达到1526.85亿元新台币，受惠苹果iPhone新机进入拉货旺季，营收月增11%，年增19.7%，首度冲破1500亿元大关，改写历史新高。从整个第三季度来看，受惠5nm、7nm先进制程应用驱动，台积电估计第三季度营收将达146-149亿美元，季增9.8-12.1%，以新台币计算，第三季度营收估4073.4-4157.1亿元，这是该公司单季营收首度突破4000亿元，毛利率预估为49.5-51.5%。三星表现同样抢眼，该公司公布了第三季度初步财报，受内存价格上涨、苹果新机面板订单推动，第三季度营业利润增长28%，为三年来新高。三星第三季度营收估计为73万亿韩元，年增9%，营业利益为15.8万亿韩元（约合133亿美元），略低于Refinitiv统计分析师预期的16.1万亿韩元，但仍是2018年第三季度以来的最高单季表现。Cape投资证券分析师Park Sung-soon表示，三星半导体业务受惠于存储器报价和出货量提升，以及晶圆代工获利能力大幅上升，该部门营业利益将较去年同期增长约79%。半导体业务占三星今年上半年营业利益的一半左右。除了营收表现同样优秀，在先进制程方面，三星也在本周发出重磅消息，欲与行业龙头台积电一较高下。目前，拥有先进制程技术的芯片厂商仅剩台积电、三星电子和英特尔，其中，台积电的先进制程工艺、市占率遥遥领先，使得三星在近些年一直处于苦苦追赶的状态。三星在10月7日的晶圆代工论坛上表示，2022上半年会推出3nm制程，台积电的3nm是在2022下半年才会推出。据悉，三星的3nm将采用环绕闸极技术（Gate-All-Around，GAA），台积电则延用FinFET，2nm制程才会导入GAA技术。三星表示，预计2022年推出第一代3nm的3GAE技术，2023年推出新一代3GAP技术，2025年2nm的2GAP制程投产，而台积电的2nm预计于2024年推出，早于三星。三星强调，与5nm制程相比，三星首颗3nm制程GAA技术芯片面积将缩小35%，性能提高 30% 或功耗降低 50%。三星表示，3nm良率正在逼近4nm制程。这样看来，三星的晶圆代工业务有望成为2022年的一个亮点，不至于让台积电一枝独秀。台积电官方消息显示，其3nm基于最先进的EUV技术，可以减少曝光机光罩缺陷及制程堆栈误差，芯片良率符合预期，并降低整体成本，2nm制程将会进一步改善EUV技术的质量与成本。产能方面，台积电南科厂3nm的单月产能计划为5.5万片起，2023年，有望达到10.5万片。三星还没有相应的产能规划。
近一年来，随着已量产先进制程技术不断成熟，三星加紧了追赶台积电的脚步，无论是7nm，还是5nm，争夺似乎越来越激烈。
产能方面，首先看7nm制程，有统计显示，在2020年，三星每月的产能约为2.5万片晶圆，而台积电每月约为14万片，而在5nm方面，双方的差距更大，三星每月约为5000片晶圆，而台积电每月约为9万片。而在制程工艺方面，三星一直在追赶台积电，特别是在5nm方面，三星的低功耗版本5LPE性能比7nm的提升了10％，而在相同的时钟和复杂度下，功耗可降低20％。据悉，5LPE在原始工艺中增加了几个新模块，包括具有智能扩散中断（Smart Diffusion Break：SDB）隔离结构的FinFET，以提供额外的性能，第一代灵活的触点设置（三星的技术类似于英特尔的COAG，有源栅上的触点），可用于低功耗的鳍式器件。三星表示，5LPE在很大程度上与7LPP兼容，这样，5LPE设计可以重新使用至少一些为原始工艺设计的IP，从而降低了成本并加快了上市时间。但是，对于可以充分利用SDB等优势的IP，三星建议重新设计。另外，三星代工负责人表示，该公司已完成第二代5nm和第一代4nm产品的设计。客户方面，2020年，三星将其晶圆代工厂产能的60％用于其公司内部使用，主要用于智能手机的Exynos芯片。其余产能分给客户，包括高通（20％），另外20％由英伟达、IBM和英特尔瓜分。而随着三星在2021年增加7nm、5nm等制程的产能，其自用比例将会下降，可能降至50％，更多满足客户需求。台积电方面，7nm产能已经非常稳健，在此基础上，不仅是5nm，该公司还在6nm制程方面不断进行拓展，台积电还还发布了6nm RF（N6RF）制程，将先进的N6逻辑制程所具备的功耗、效能、面积优势带入到5G射频（RF）与WiFi 6/6e解决方案。相较于前一世代的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以下及毫米波频段的5G射频收发器研发，可大幅降低功耗和面积。5nm方面，台积电表示，由于客户对5nm需求强劲，该公司5nm系列在2021年的产能扩充计划比2020年会翻倍，2022年比2020年增长3.5倍以上，并在2023年达到2020年的4倍以上.台积电还推出了5nm的最新版本－N5A制程，目标在于满足汽车应用对于运算能力日益增加的需求，例如支持人工智能的驾驶辅助及数字车辆座舱。
先进制程工艺对封装提出了更高要求，或者说，先进封装在一定程度上可以弥补制程工艺的不足。因此，最近几年，台积电和三星不断在3D先进封装技术方面加大投入，争取把更多的先进技术掌握在自己手中。在台积电2021 线上技术研讨会期间，该公司披露了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。台积电指出，针对高性能运算应用，将于2021年提供更大的光罩尺寸，以支持整合型扇出暨封装基板（InFO_oS）和CoWoSR封装方案，运用范围更大的布局规划来整合“小芯片”及高带宽内存。此外，系统整合芯片方面，芯片堆栈于晶圆之上的版本预计今年完成7nm的验证，并于2022年在崭新的全自动化晶圆厂开始生产。针对移动应用，台积电则推出了InFO_B解决方案，将移动处理器整合于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动态随机存取内存堆栈。台积电还将先进封装的业务拓展到了日本，这也需要一笔可观的投资。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“小芯片”和3D封装技术。三星研发的3D封装技术为X-Cube，该技术利用TSV封装，可让多个芯片进行堆叠，制造出单一的逻辑芯片。三星在7nm制程的测试过程中，利用TSV 技术将SRAM 堆叠在逻辑芯片顶部，这也使得在电路板的配置上，可在更小的面积上装载更多的存储单元。X-Cube还有诸多优点，如芯片间的信号传递距离更短，以及将数据传送、能量效率提升到最高。三星表示，X-Cube可让芯片工程师在进行定制化解决方案的设计过程中，能享有更多弹性，也更贴近他们的特殊需求。
三星与台积电的全面竞争要追溯到早些年14nm制程的量产。2015~2016年，随着三星先进制程，特别是14nm的逐步成熟，其从台积电那里夺得了不少大客户订单，收入颇丰。彼时的智能手机市场处于平台期（开始出现衰退，但对相关产业链的影响有滞后效应），对于相关芯片的需求量还是比较旺盛。这两方面的因素，使得三星晶圆代工业务在2016年出现了大幅度的增长。而到了2016~2017年，随着台积电先进制程的进一步成熟，三星部分大订单又被台积电抢了回去；此外，全球智能手机市场全面衰退，其负面效应也开始显现，对相关先进制程芯片的需求大减。这两个因素导致三星晶圆代工业务在2017年销售额同比增幅（4%）大幅下降。2018年初，在韩国首尔举办的三星晶圆代工论坛上，三星相关负责人表示：“今年的目标是到年底，将晶圆代工的市占率从第四名提升到第二名，超越联电和格芯。未来则打算超越台积电”。目前来看，该公司实现了第一阶段的目标，坐稳了晶圆代工二哥的位置，但要实现超越台积电的目标，难度很大。
半导体制造技术步入14/16nm节点之后，需要采用FinFET工艺来抑制晶体管漏电和可控度降低的问题，由此导致技术开发难度和资本投入都大幅度增加，因此这一门槛也被视为先进制程技术的准入标准。从发展历史来看，台积电的28nm制程从2011年开始量产，领先竞争对手3~5 年，并从2014年开始量产16/20nm的，之后就进入了快速增长期，到2015年两种制程的占比已经达到49%。台积电为了充分发挥技术优势，非常注重先进制程量产后的迅速扩容。如台积电的130nm制程在2003年投入量产后，其营收占比仅用一年时间就从0陡升到28%；28nm制程的营收占比在2011年投入量产后，同样只用了一年就从2%爬升到22%。迅速扩张先进产能帮助台积电在每一个先进制程节点都能快速抢占客户资源、扩大先发优势，并使其产能结构明显优于同业竞争对手，这样，更高的产品附加值带来了更高的毛利率。三星方面，由于是IDM，其设备投入和资源要优先服务于三星电子的DRAM和NAND Flash等存储产品的生产，能够分配给晶圆代工部门的资源相对有限。三星晶圆代工部门另一个问题是行业竞争问题，三星业务范围广泛，诸如苹果、高通等主要客户本身也是三星电子的竞争对手，即便知识产权和专利得到良好保护，也不能保证供应链的灵活自主和上层竞争带来的影响。比如苹果的A4~A7系列处理器均在三星代工，2011年双方爆发系列专利诉讼后，苹果将A8转单至台积电代工，A9分别交由台积电和三星代工，A10又全部由台积电代工。由于上述原因，三星晶圆代工部门虽然在制程技术的进展上和台积电不分伯仲，但其背景决定了它很难成为晶圆代工领域的巨无霸。因此，三星于2017年决定将晶圆代工业务独立出来，以进一步提升其市场竞争力。不过，就目前来看，实际进展和效果不明显。
