三星靜候臺(tái)積電「犯錯(cuò)」

四個(gè)月前，三星電子副董事長(zhǎng)李在镕開啟了自己的訪歐之旅，最關(guān)鍵的還是荷蘭，不僅與多名 ASML 高層舉行了會(huì)談，轉(zhuǎn)頭還向荷蘭總理要起支持：

千萬確保 ASML 穩(wěn)定供應(yīng) EUV 光刻機(jī)。

過去兩年蔓延全球的芯片短缺問題，主要還是局限在成熟制程，但問題已經(jīng)要蔓延到了先進(jìn)制程。據(jù) 6 月初 WSJ 報(bào)道 ，部分臺(tái)積電客戶收到警告，表示該公司未來兩年擴(kuò)產(chǎn)速度將不如預(yù)期，主因是包括 EUV 光刻機(jī)在內(nèi)的制造設(shè)備缺少，分析師指 2024 年先進(jìn)制程工藝的缺口可能高達(dá) 20％。

ASML EUV 光刻機(jī)零部件，圖／ASML

但 ASML 產(chǎn)能終究還是有限，甚至三星自身的戰(zhàn)略也有了變化。

據(jù) 10 月 25 日韓國(guó)經(jīng)濟(jì)新聞的報(bào)道 ，三星電子調(diào)整了戰(zhàn)略方向，將擴(kuò)大投資成熟制程工藝。三星電子半導(dǎo)體代工事業(yè)部計(jì)劃到 2024 年將傳統(tǒng)和特色工藝的數(shù)量增加 10 個(gè)以上，到 2027 年將對(duì)應(yīng)產(chǎn)能提高到 2018 年的 2．3 倍。

傳統(tǒng)工藝是 10nm～180nm 等半導(dǎo)體代工企業(yè)從過去開始進(jìn)行技術(shù)開發(fā)的過程中誕生的「標(biāo)準(zhǔn)」工藝；特色工藝是針對(duì)特定客戶需求將傳統(tǒng)工藝進(jìn)行定制化改進(jìn)。

上周還有消息傳出 ，三星考慮將旗下更多芯片委外代工，除了已有的圓晶代工伙伴聯(lián)電，還會(huì)新增世界先進(jìn)和力積電兩家協(xié)助芯片代工，主要仍是成熟制程。

在此之前，三星一直致力于在最先進(jìn)的制程上與臺(tái)積電競(jìng)爭(zhēng)。今年 6 月，三星 3nm 制程工藝正式量產(chǎn)，并首次用上全環(huán)繞柵極晶體管技術(shù)（以下簡(jiǎn)稱 GAA）。臺(tái)積電則在近日再次對(duì)外確認(rèn)，3nm 將在今年第四季度晚些時(shí)候開始量產(chǎn)，預(yù)計(jì) 2023 年開始滿載運(yùn)行。此外，臺(tái)積電還指出在 2nm 工藝上才會(huì)引入 GAA 技術(shù)。

一方面在 3nm 上「領(lǐng)先」臺(tái)積電一步，另一方面卻在加大自身和委外成熟制程的產(chǎn)能。常識(shí)告訴我們，資源有限才所以需要資源配置，三星在擴(kuò)大成熟制程工藝投資的同時(shí)，就要相對(duì)應(yīng)縮減在先進(jìn)制程上的投入比例。

這很矛盾，但首先三星在先進(jìn)制程上的「領(lǐng)先」本身就存在問題。

「虛假」的 3nm，跌倒的三星

過去幾年，芯片代工廠在制程的「文字游戲」上愈演愈烈，英特爾、三星、臺(tái)積電對(duì)外說的同一納米制程實(shí)際上相差甚大，如英特爾的 10nm 制程工藝實(shí)際相近臺(tái)積電和三星的 7nm。

三星 3nm 和臺(tái)積電 3nm 同樣存在很大的不同。從性能的角度看，三星 3nm（3GAE）工藝的晶體管密度為 1．7 億／平方毫米，大大低于臺(tái)積電 3nm（N3）工藝的 2．9 億／平方毫米，反倒更接近臺(tái)積電 5nm 和英特爾 7nm 的水平。

另一方面，三星在 3nm 節(jié)點(diǎn)首次引入 GGA 技術(shù)，有分析指該技術(shù)尚不成熟。目前尚不明晰三星引入 GGA 技術(shù)帶來的影響程度，但據(jù)中國(guó)電子報(bào)近期的報(bào)道，三星在先進(jìn)制程芯片上深陷良率的泥沼，3nm 良率僅為 35％，臺(tái)積電 3nm 良率則達(dá)到了80％。

再加上此前三星在 4nm 上工藝表現(xiàn)，更多的高端客戶都在流向臺(tái)積電，包括長(zhǎng)期選擇三星半導(dǎo)體進(jìn)行芯片代工的高通。

去年底，高通發(fā)布全新命名的驍龍 8 Gen 1，但這塊 SoC 由于在發(fā)熱和功耗上存在重大問題，很大程度上影響了 Android 旗艦在高端手機(jī)市場(chǎng)的表現(xiàn)。后續(xù)終于轉(zhuǎn)而采用臺(tái)積電 4nm 工藝代工驍龍 8 Gen 1＋，才終于在市場(chǎng)上挽回一點(diǎn)口碑和認(rèn)可。

到了下一代驍龍 8 Gen 2，高通更是直接選擇了臺(tái)積電 4nm。再加上蘋果、英偉達(dá)、AMD、聯(lián)發(fā)科等，臺(tái)積電幾乎攘括了全世界最頂尖的芯片廠商。而三星的首發(fā)客戶，卻是一家中國(guó)礦機(jī)芯片廠商 PanSemi。

對(duì)三星來說，這無疑是相當(dāng)糟糕的事情，畢竟目前新建一條 3nm 產(chǎn)線的成本約為 150－200 億美元，巨大的資金投入需要更多更高端的客戶訂單。

但三星眼下除了在臺(tái)積電的產(chǎn)能外獲得訂單，以及在價(jià)格上做出競(jìng)爭(zhēng)以爭(zhēng)取對(duì)價(jià)格更敏感的客戶，似乎只能在更先進(jìn)的 2nm 做出突破，或是在傳統(tǒng)工藝市場(chǎng)搶占臺(tái)積電的份額。

臺(tái)積電 22Q3 收入構(gòu)成，圖／臺(tái)積電

事實(shí)上，除了在先進(jìn)制程上領(lǐng)先，臺(tái)積電 46％ 的收入都來自傳統(tǒng)和特色工藝，尤其是目前市場(chǎng)占主流需求的 28nm，考慮到這些制程工藝都是臺(tái)積電過去 35 年推進(jìn)工藝過程中「留下」的，占主要成本的圓晶廠投入基本都已收回，利潤(rùn)更是可觀。

三星作為后進(jìn)者，過去的選擇是在與臺(tái)積電競(jìng)爭(zhēng)先進(jìn)工藝的同時(shí)，積累不同階段工藝，如在圖像傳感器（CMOS）方面，傳統(tǒng)使用 28nm 工藝，三星卻將用于高級(jí)圖像傳感器的 17nm 工藝，與索尼競(jìng)爭(zhēng) CMOS 市場(chǎng)。

而引導(dǎo)三星的，大概是「在 2030 年成為世界第一的半導(dǎo)體代工企業(yè)」的目標(biāo)。當(dāng)然，這也意味著需要超越臺(tái)積電。

失效的摩爾定律，領(lǐng)先者的困境

毫無疑問，臺(tái)積電不僅是全球最大的半導(dǎo)體代工企業(yè)，也在 7nm 和 5nm 的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上成為了最大的贏家。根據(jù)臺(tái)積電今年第三季度財(cái)報(bào)，7nm 和 5nm 貢獻(xiàn)的收入已經(jīng)占到了整體的 54％。

這種優(yōu)勢(shì)目前來看還會(huì)繼續(xù)延續(xù)到 3nm 節(jié)點(diǎn)。蘋果 A17 芯片基本確認(rèn)將由臺(tái)積電獨(dú)家生產(chǎn)，也有多個(gè)消息源指出 M2 系列高性能處理器也將由臺(tái)積電獨(dú)吞，此外還有高通將在 2023 年發(fā)布的旗艦芯片，甚至是英特爾的 15 代酷睿。

超能網(wǎng)引述 Twitter 用戶 ＠OneRaichu 指出，Arrow Lake－P 移動(dòng)處理器將采用英特爾自己的 20A（原英特爾 5nm）工藝，Arrow Lake－S 桌面處理器采用臺(tái)積電的 N3（3nm）工藝。

至于 2nm 的節(jié)點(diǎn)，臺(tái)積電和三星都計(jì)劃在 2025 年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，英特爾則更加激進(jìn)地將 18A（接近臺(tái)積電 2nm）工藝定在 2024 年量產(chǎn)。但隨著制程逼近物理極限，摩爾定律越來越不能指導(dǎo)整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)繼續(xù)前進(jìn)了。

1965 年，時(shí)任仙童半導(dǎo)體公司研發(fā)總監(jiān)的戈登?摩爾發(fā)文預(yù)言：

在最小成本的前提下，單個(gè)芯片上的元器件數(shù)量基本上是每一年翻一倍。并且至少在未來十年保持這個(gè)增長(zhǎng)速度，到 1975 年單個(gè)芯片上將集成 65，000 個(gè)元器件。

這段被稱為「摩爾定律」的話后來逐漸演變成：

1． 集成電路上集成的晶體管數(shù)目，每 18 個(gè)月翻一番；

2． CPU 性能每 18 個(gè)月提高一倍，或價(jià)格下降一半；

3． 同樣錢買到的計(jì)算機(jī)性能，每 18 個(gè)月翻一番。

根據(jù)臺(tái)積電的數(shù)據(jù)，摩爾定律指導(dǎo)整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越戈登·摩爾劃定的壽命，如今一個(gè) IC 設(shè)備可以容納多達(dá) 1000 億個(gè)晶體管——這已經(jīng)是極限了，即便是在蘋果 A16 小小的芯片上也能放下 160 億個(gè)晶體管。

但正如英偉達(dá) CEO 黃仁勛最近的提醒——「摩爾定律已經(jīng)死了，」逼近物理極限的制程工藝則是最后也最關(guān)鍵一堵墻。當(dāng)硅基芯片突破 1nm 之后，量子隧穿效應(yīng)將使得「電子失控」，芯片失效。事實(shí)上，量子隧穿效應(yīng) 5nm 甚至 7nm 以下就已經(jīng)存在。

與此同時(shí)，量產(chǎn)先進(jìn)制程芯片的成本越來越高。3nm 芯片的設(shè)計(jì)動(dòng)輒就要 15 億美元，到了 2nm，臺(tái)積電僅產(chǎn)能布局就計(jì)劃投入 1 萬億新臺(tái)幣（約 2290 億人民幣），超過華為 2021 年整體收入三分之一。

「臺(tái)積電可能會(huì)失敗。隨著移動(dòng)到下一個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)變得更加困難，任何人都可能跌倒，」英國(guó)《金融時(shí)報(bào)》引述經(jīng)濟(jì)歷史學(xué)家克里斯·米勒的看法稱，「或者，如果未來幾個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)的過渡比我們預(yù)期的更為艱難，臺(tái)積電的優(yōu)勢(shì)可能會(huì)變得不那么有意義。」

對(duì)后進(jìn)者來說，這是趕超臺(tái)積電——也是全球頂級(jí)水平最好的機(jī)會(huì)，至于整個(gè)行業(yè)的問題，畢竟天塌了還有個(gè)高的頂著，這大概也是強(qiáng)者的煩惱吧。