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晶圆代工:三星PK台积电,谁的胜算大?

时间:2019-08-16 作者:赵元闯 阅读:
台积电近来多事之秋,于2018年6月完成管理层交班,也分别在2018年8月发生计算机病毒感染事件,和2019年1月爆发晶圆质量瑕疵事件;2019年4月24日,三星电子公布了未来的投资计划和目标,并依靠低价抢下NVIDIA下一代GPU订单,全然力挑台积电,但现阶段遭遇日本原材料禁运。本文从发展历程、生产基地、先进制程、封装布局等方面来梳理三星挑战台积电的胜算。

台积电近来多事之秋,于2018年6月完成管理层交班,也分别在2018年8月发生计算机病毒感染事件,和2019年1月爆发晶圆质量瑕疵事件,但幸亏30年来,制程研发步步为营,稳打稳扎,保证先进制程一路领先。CN3EETC-电子工程专辑

2019年4月24日,三星电子公布了未来的投资计划和目标,计划在未来12年内(2019年至2030年)投资约1200亿美元加强系统LSI和晶圆代工业务方面的竞争力;并依靠低价抢下NVIDIA下一代GPU订单,全然力挑台积电。但现阶段遭遇日本原材料禁运,抹上了一层阴影。CN3EETC-电子工程专辑

本文从发展历程、生产基地、先进制程、封装布局等方面来梳理三星挑战台积电的胜算。CN3EETC-电子工程专辑

一、发展历程

1、台积电CN3EETC-电子工程专辑

1987年2月21日成立,台积电正式成立,开创纯晶圆代工新模式;1988年公司营收超过新台币10亿;1991年公司实现盈利新台币5亿,此后无一年亏损;1993年营收超过新台币100亿;1994年9月在台湾上市,当年营收达新台币193亿(约6亿美元);1995年营收超过10亿美元;1998年营收超过新台币500亿;2000年营收首次超过1000亿台币(新台币1660亿);2008年营收超过100亿美元(新台币3330亿);2012年营收首次超过新台币5000亿;2018年营收首次超过新台币10000亿。2017年和2018年的市场占有率为56%。CN3EETC-电子工程专辑

作为专业集成电路制造服务业的创始者与领导者,台积电专注为全球Fabless公司、IDM公司和系统集成公司提供晶圆制造服务。自创立开始,台积电即持续提供客户最先进的技术及台积电TSMC COMPATIBLE设计服务,在提供先进的晶圆工艺技术与最佳的制造效率上已建立了良好的声誉。CN3EETC-电子工程专辑

台积电在拥有先进技术后,将其转换成生产优势,其中包括良率、可靠性、准时交货性、充足的产能以应付客户需求和生产周期等。技术与生产上的优势,转换成与客户的长期信任关系。CN3EETC-电子工程专辑

2、三星电子CN3EETC-电子工程专辑

2005年,三星电子开始进入12英寸逻辑工艺晶圆代工领域,2017年5月12日,三星电子宣布调整公司业务部门,将晶圆代工业务部门从系统LSI业务部门中独立出来,成立三星电子晶圆代工,主要负责为全球客户制造非存储芯片,从而与以台积电为首的纯晶圆代工公司竞争。CN3EETC-电子工程专辑

从2005年到2009年,三星电子的年代工营收不足4亿美元。到2010年啃上苹果(Appple),开始代工苹果A系列处理器(包括A4、A5、A6、A7),代工营业收入出现爆长,2010年整体代工收入激增至12亿美元(其中苹果A系列处理器产品代工收入达8亿美元)。由于苹果手机等移动终端产品出货激增,三星电子的晶圆代工营收水涨船高,到2013年达到39.5亿美元,当年苹果的代工收入占到公司代工总收入的86%。可以说2010年至2013年三星电子的代工营收完全是靠苹果在支撑。CN3EETC-电子工程专辑

由于20纳米工艺制程良率无法突破等多方面的原因,2014年三星电子失去苹果A系列处理器订单,苹果A8处理器全部交由台积电(TSMC)代工;2015年好不容易抢到A9处理器部分订单,但由于良率和功耗控制不如台积电,导致2016年的A10处理器又全部由台积电包圆。由于失去苹果这个大客户,导致2014年和2015年晶圆代工营收出现下滑。CN3EETC-电子工程专辑

为了填补产能,三星电子代工部门积极出击,抢下高通(Qualcomm)应用处理器和服务器芯片、超微半导体(AMD)的微处理器芯片、英伟达(Nvidia)的图形处理芯片、安霸(Ambarella)的视觉处理芯片、特斯拉(Tesla)的自驾系统芯片的订单,得以弥补苹果跑单的窘境。2016年营收达到44亿美元,超过2013年的水平,创下三星电子晶圆代工营收的新纪录。CN3EETC-电子工程专辑

根据市场研究公司IC Insights的数据显示,三星电子2017年晶圆代工营收达46亿美元,在全球晶圆代工市场以6%的市占率排名第四,前三分别是台积电(TSMC)的56%,格芯半导体(GlobalFoundries)的9%,联电(UMC)的8.5%;2018年晶圆代工营收达100亿美元,市占率达14%,排名全球第二。CN3EETC-电子工程专辑

2018年三星电子排名全球第二大晶圆代工公司,并非业绩大增,实乃拆分部门导致。原因是晶圆代工部门自立门户,不再隶属于系统LSI业务。所以现在包括处理器芯片(Exynos等)、CIS图像传感器、显示驱动芯片、电源管理芯片的生产收入都算作晶圆代工部门营收,因此营收一路高涨,市占率一夕飙高。CN3EETC-电子工程专辑

二、生产基地

1、台积电CN3EETC-电子工程专辑

目前在台湾拥有三座12英寸超大晶圆厂、四座8英寸晶圆厂和一座6英寸晶圆厂,在中国大陆有一座12英寸晶圆厂和一座8英寸晶圆厂,在美国拥有一座8英寸晶圆厂。位于台湾的第四座12英寸超大晶圆厂FAB18的第一期也于2019年顺利投产。CN3EETC-电子工程专辑

CN3EETC-电子工程专辑

2018年提供261种不同的制程技术,为481个客户生产10436种不同产品,晶圆出货量达1080万片12英寸约当晶圆量。CN3EETC-电子工程专辑

2019年,台积电预计提供约1200万片的12英寸约当晶圆的年产能,其中7纳米产能约100万片12英寸晶圆。CN3EETC-电子工程专辑

3nm工厂也在计划建设中。CN3EETC-电子工程专辑

2、三星电子CN3EETC-电子工程专辑

到2019年底,三星电子晶圆代工专属线将增至7条,包括6条12英寸和3条8英寸。CN3EETC-电子工程专辑

目前,三星电子代工业务可以提供包括65纳米、45纳米、32/28纳米HKMG、14纳米FinFET、10纳米FinFET、7纳米FinFET EUV工艺,客户包括苹果、高通、超微半导体、赛灵思、英伟达、恩智浦(NXP)以及韩国本土公司Telechips等。CN3EETC-电子工程专辑

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韩国器兴(Kiheung)的S1,建成于2005年,是三星首条12英寸逻辑代工生产线,目前量产65纳米至8纳米低功耗芯片,产品主要用于计算机网络、智能手机汽车、以及日益成长的物联网市场等。CN3EETC-电子工程专辑

美国奥斯汀(Austin)的S2是由原8英寸厂改造而来;2010年8月开始洁净室建设,2011年4月开始12英寸逻辑产品投产,当年达产43000片;目前量产65纳米至14纳米产品。2010年设立研发中心,旨在为系统LSI部门开发高性能、低功耗、复杂的CPU和系统IP架构和设计。CN3EETC-电子工程专辑

韩国华城(Hwasung)的S3,是2018年建成投产的12英寸逻辑生产线,目前主要生产10纳米至8纳米产品,将是三星7纳米产品的主力生产厂。CN3EETC-电子工程专辑

韩国华城的S4,是原DRAM用产线FAB11进行改造,目前CMOS影像传感器(CIS)专用生产线。位于华城的12英寸DRAM产线FAB13也正在加紧改造为CMOS影像传感器专用生产线。CN3EETC-电子工程专辑

韩国华城的EUV专用产线自2018年2月开工建设以来,正在加紧建设。工厂将投资60亿美元,将于2019年下半年完成建设、2020年正式投产。初期以7纳米产品为主,辅以EUV光刻机。CN3EETC-电子工程专辑

韩国器兴的8英寸晶圆代工线新FAB6于2016年开放,包括原来的FAB6、FAB7、FAB8等三个厂,涵盖从180纳米到70纳米工艺节点,现有产能接近25万片,制程技术包括嵌入式快闪记忆体(eFlash)、功率元件、影像感测器CIS,以及高电压制程的生产,主要针对韩国本土的Fabless。CN3EETC-电子工程专辑

三、制程

1、台积电CN3EETC-电子工程专辑

自1987年成立以来,台积电一直坚持“建立内部研发”战略,为公司带来了显着的竞争优势。台积电通过从台湾工业技术研究院转移3.5μm和2μm技术创办公司,同时为飞利浦定制了3.0μm技术。仅仅一年之后,台积电于1988年成功开发了自己的1.5μm技术。随后进行了一系列持续的成功开发,包括1.2μm,1.0μm,0.8μm,0.6μm,0.5μm,0.3μm和0.25μm工艺。CN3EETC-电子工程专辑

1999年,台积电发布了世界上第一个0.18μm低功耗工艺技术。从那时起,台积电引领行业不断缩小的线宽技术,从0.13μm,到90nm、65nm、40nm、28nm、20nm、16/12nm、10nm、7nm,再到今年的5nm工艺。CN3EETC-电子工程专辑

2018年台积电营收超过新台币10000亿,其中先进制程技术(28纳米及以下更先进制程)的营收占整体营收的63%,而7纳米的的营收占整体营收更是超过20%,成为第一大营收来源。CN3EETC-电子工程专辑

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那么我们来看看台积电在10纳米以下工艺的布局情况。CN3EETC-电子工程专辑

N7:2017年4月7nm开始风险生产,2018年量产,第三季开始贡献营收,在2018年有40多个客户产品流片,预计2019年还将有100多个新产品流片。与10nm FinFET工艺相比,7nm FinFET具有1.6倍逻辑密度,约20%的速度提升和约40%%的功耗降低。有两个工艺制程可选,一是针对AP,二是针对HPC(高性能计算应用)。CN3EETC-电子工程专辑

N7+:2018年8月进入风险生产阶段,2019年第三季开始量产,是台积电第一个使用EUV光刻解决方案的半导体工艺技术。CN3EETC-电子工程专辑

N6:为强化7nm技术,提升效能/成本优势且加速产品上市时间,2019年4月份推出的6nm制程技术,采用EUV光刻解决方案,预计将在2020年第一季风险试产,第三季实现量产。据悉N6工艺比N7工艺提供高出18%的逻辑密度,设计规则与N7完全兼容,使其全面的设计生态系统得以重复使用。CN3EETC-电子工程专辑

N5:5nm技术于2019年3月进入风险生产阶段,预期2020年第二季拉高产能并进入量产。主力生产工厂是Fab 18。与7纳米制程相较,5nm芯片密度增加80%,在同一运算效能下可降低15%功耗,在同一功耗下可提升30%运算效能。CN3EETC-电子工程专辑

N5P:N5P(5nm+)预计2020年第一季开始试产,2021年进入量产。与5nm制程相较在同一功耗下可再提升7%运算效能,或在同一运算效能下可再降低15%功耗。CN3EETC-电子工程专辑

3nm:目前没有更多3nm的技术信息,但是3纳米工厂的投资案已经宣布,计划投资超过新台币6000亿元在新竹宝山兴建,预计2020年动工,2022年底量产。CN3EETC-电子工程专辑

2nm:2019年每下二季宣布正式启动2nm工艺的研发,未来工厂将设置在位于新竹南方科技园。CN3EETC-电子工程专辑

2、三星电子CN3EETC-电子工程专辑

2005年三星电子进入晶圆代工业;2006年首个客户签约65纳米;2009年45纳米工艺开始接单,同年11月在半导体研究所成立逻辑工艺开发团队,以强化晶圆代工业务;2010年1月首个推出32纳米HKMG工艺;2014年推出第一代14纳米FinFET工艺;2016年10月17日,第一代10纳米FinFET工艺量产。CN3EETC-电子工程专辑

那么我们来看看三星电子在10纳米以下工艺的布局情况。CN3EETC-电子工程专辑

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8LPP:8LPP在生产工艺转换为EUV(Extreme Ultra Violet)光刻技术之前,具有最大的竞争优势。结合三星10nm技术的关键工艺流程创新,与10LPP相比,8LPP在性能和门电路密度方面提供了额外的优势。2018年11月成功量产Exynos 9系列(9820)。CN3EETC-电子工程专辑

7LPP:7LPP将是第一个使用EUV光刻解决方案的半导体工艺技术。这里要强调两点,一是通过和ASML的合作,开发出了250W最大的EUV源功率,这是EUV进入到大量生产中的最重要的里程碑,EUV光刻技术的部署将打破摩尔定律扩展的障碍,为单一的纳米半导体技术的发展铺平了道路;二是关键IP将于2019年上半年完成研发,下半年将进行投产。CN3EETC-电子工程专辑

5LPE:5LPE将采用三星独特的智能缩放(Smart Scaling)解决方案,将其纳入基于EUV的7LPP技术之上,可实现更大面积扩展和超低功耗优势。CN3EETC-电子工程专辑

4LPE/LPP:4LPE/LPP是三星电子最后一次应用高度成熟和行业验证的FinFET技术,结合此前5LPE工艺的成熟技术,芯片面积更小,性能更高,可以快速达到高良率量产,也方便客户升级。CN3EETC-电子工程专辑

3LPP:3LPP将第一次使用全新的MBCFETTM(Multi Bridge Channel FET,多桥接通道场效应晶体管)结构,基于GAAFET(Gate All Around FET,环绕栅极场效应晶体管)技术。GAAFET需要重新设计晶体管底层结构,克服当前技术的物理、性能极限,增强栅极控制,性能大大提升。预计2020年投入风险性试产。CN3EETC-电子工程专辑

四、封装布局

1、台积电CN3EETC-电子工程专辑

2008年开始先进封装布局。首先成立集成互连与封装技术整合部门,2009年开始战略布局三维集成电路(3D IC)系统整合平台。CN3EETC-电子工程专辑

目前,台积电先进封装技术WLSI(Wafer-Level-System-Integration)平台包括既有的CoWoS封装、InFO封装,以及针对PM-IC等较低端芯片的扇入型晶圆级封装(Fan-In WLP),还将于2021年推出系统级整合芯片(SoIC,System-on-integrated-chips)等封装技术,阵容更加齐整、坚强。CN3EETC-电子工程专辑

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CoWoS于2011年开发成功,张忠谋在第三季法说会上放言,台积电要进军封装领域。此举震撼半导体业界,特别是封装业;到2013年量产时,只有可编程逻辑门陈列供应商赛灵思(Xilinx)一家的28纳米产品量产。前CoWoS已经获得NVIDIA、AMD、Google、XilinX、华为海思等高端HPC芯片订单。CN3EETC-电子工程专辑

InFO技术于2016 年11月首度用于iPhone 7的A10处理器。InFO技术成功应用于追求高性价比的移动通讯市场,AP产品是其主要客户。CN3EETC-电子工程专辑

SoIC根植于CoWoS与WoW(多晶圆堆叠,Wafer-on-Wafer)技术,SoIC特别倚重于CoW(Chip-on-wafer)设计,这对于芯片业者来说,采用的IP都已经认证过一轮,生产上可以更成熟,良率也可以提升,也可以导入存储器芯片应用。更重要的是,SoIC能对10纳米或以下的制程进行晶圆级的键合技术,这将有助于台积电强化先进工艺制程的竞争力。WoW技术透过硅通孔(TSV,Through-silicon Vias)互连连接的10微米孔彼此接触,将多层逻辑运算单元以立体方式堆叠在一起,架构出高速、低延迟互连性能。虽然TSV互连早就运用在DRAM 及3D NAND 等存储器的生产技术上,但是用在逻辑运算单元的量产上,却还是首次。CN3EETC-电子工程专辑

2、三星电子CN3EETC-电子工程专辑

目前,三星电子正在全力推动FOPLP(面板级扇出型封装,Fan-Out Panel Level Packaging)技术,已量产了FOPLP-PoP与I-Cube 2.5D先进封装技术,希望可与台积电的InFO、CoWoS封装分庭抗礼。CN3EETC-电子工程专辑

I-Cube 2.5D:目前已经量产,可以实现4路HBM 2显存堆栈。2020年则会推出3D SiP系统级封装,适用于人工智能AI)、高性能计算(HPC)、网络和GFX,三星电子寄希望I-Cube 2.5D能和台积电CoWoS封装制程相抗衡。CN3EETC-电子工程专辑

FOPLP-PoP:针对移动终端用应用处理器,号称是抗衡台积电InFO的封装制程。2018年10月正式生产Galaxy Watch应用处理器(AP)芯片。但目前看来,大规模量产还是不成熟。CN3EETC-电子工程专辑

五、结语

竞技场上拼爹是不够的,还是得凭实力说话。正如台积电(TSMC)凭借尖端工艺技术(Technology)、优质服务(Service)、制造能力(Manufacture),与客户(Customers)建立坚实的伙伴关系,稳定地创造了强而有力的成长。CN3EETC-电子工程专辑

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