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芯片代工的无限战争:从7nm到抢单大战,三星十年缠斗台积电

智东西(公众号:zhidxcom)文 | 韦世玮

导语:今年动荡的半导体市场中野心暗涌,而这将是一场纯芯片代工巨头台积电和全产业链电子巨头三星之间的强势较劲。

三星电子和台积电两大芯片代工巨头之间的火药味已经越来越浓了,这场持续近十年的拉锯战如烈火烹油般愈演愈烈。

今年6月,拓墣产业研究院发布2019年Q2全球十大晶圆代工厂排行榜,数据显示,在芯片代工市场整体下滑的局势下,头部玩家也不堪重压,2019年第二季度10大厂商总营收为153.6亿美元,同比下降8%。

其中,台积电以75.53亿美元的营收位居第一,市场份额高达49.2%,盘踞着芯片代工市场半壁江山,三星电子则以27.73亿美元营收紧随其后,市场份额为18%。

虽然三星电子的市场份额离台积电还有不少差距,但相比之下,纵观分别凭13.36亿美元和11.6亿美元位列第三、第四的格芯与联电,三星电子成为唯二份额破10%,且能与台积电对台较劲的玩家。

实际上,台积电与三星电子之间的博弈相持已久,本来在制程工艺上还有英特尔这个不可小看的劲敌,但近年来它在制程竞赛上的表现并不积极,一派坐山观虎斗之态,因此三星电子和台积电之间的缠斗在业界显得更加耀眼。(芯片终极战事!谁是制程之王?)

订单争夺赛中,前段时间三星电子吞下英伟达下一代GPU肥单,并有传闻它也将高通骁龙865订单收入囊中。而彭博社和Digitimes在今年5月陆续报道,台积电凭借先进的7nm EUV(N7+)制程,紧握苹果A13处理器和华为海思的麒麟985订单。

芯片制程大战中,三星电子的7nm制程与台积电相比虽面世较晚,但在今年8月7日,三星电子正式发布了全球首颗采用7nm EUV工艺制成的Exynos 9825芯片。台积电则在今年5月宣布已开始量产采用EUV光刻技术的N7+,并计划在2020年量产3nm。

如今,距戈登·摩尔提出的“摩尔定律”已过去了54年,关于“摩尔定律已死”的论调也已传声数年。

这次,智东西将目光聚焦在台积电和三星电子的十年拉锯战,通过深度调查,看清两家芯片代工巨头之间的对战背后的芯片产业大局。在这个特殊的时间点,可以看到台积电和三星电子的芯片代工战已经搅动从芯片到5G、消费电子多个产业,其手法和细节远比想象中复杂和精彩。


▲三星电子与台积电市场争夺战关键点

一、芯片代工抢单拉锯战

说起台积电和三星电子的芯片代工之战,必然绕不开双方竞抢商业订单的话题。

其实早在2014年,双方就已开始在相互抢夺代工话语权。当时,一路在制程工艺研发上不断超速跃进的台积电,已然拥有了和三星电子对抗的实力,并顺利用28nm工艺从后者手中抢获了苹果的iPhone A8订单,三星电子只能抱着32nm制程遗憾退场。

转眼到2015年,三星电子因其14nm芯片工艺的突飞猛进,并开出比台积电更低的代工费用,抢回高通、AMD和NVIDIA等不少大客户订单。

然而,当时全球手机市场正开始略显衰退之色,并在2016年出现颓势,市场高端智能手机需求下滑,导致高端芯片的需求也随之减少。

但已经在先前一波对抗中尝到甜头的三星电子并不满足于此。于是,它将目光重新放在了苹果iPhone芯片这块肥肉上。

原本苹果在2015年推出iPhone 6s时,其A9芯片的代工订单是由台积电和三星电子分食。

▲iPhone A9芯片

但别忘了,与台积电只专注代工芯片制造不同,三星电子的整体业务十分广泛,芯片代工只是其中的一小部分,更别说它在移动终端也有庞大的智能手机业务。这意味着,三星电子的芯片也自产自销。

但是,一向不喜欢把鸡蛋都放在一个篮子里的苹果公司感到了危机。

一方面,从2011年起,苹果和三星电子就因专利战陷入了长达七年的官司泥沼,主要围绕产品的实用和设计方面。虽然三星电子曾在2015年同意向苹果赔付5.48亿美元,但双方并未真正和解,再次进入上诉流程。

另一方面,在2012年,三星电子的竞争力不断提升,不仅成为了苹果iPad最大的屏幕供应商之一,还垄断了iPad的NAND闪存、DRAM内存和其他核心配件,在一台均价560美元的iPad供应链中占据了36%的份额。

与此同时,当时的台积电与三星电子相比,前者不仅在芯片制程工艺、封装工艺和出货量上都更为成熟,成本也更低,自然成为了苹果的优选。

基于这不可避免的多元竞争关系,苹果和三星电子彻底分手,将三星电子芯片代工拒之门外。随后,苹果2016年iPhone 7/7 Plus的A10 Fusion芯片、2017年iPhone 8/X的A11 Bionic芯片,这些代工订单基本由台积电独食,分别采用了16nm制程和10nm制程。


▲iPhone A11 Bionoc芯片

面对这笔得而复失的肥单,三星电子也不是没有努力过。

可三星电子未曾料到,2017年5月,台积电宣布其7nm制程工艺成功试产,并将于2018年开始量产,而当时三星电子要完成7nm工艺的研发也得等到一年后了。

随后6月,64岁的三星电子CEO权五铉亲自赴美拜访苹果高层,想要借双方在OLED屏幕方面的合作关系,试图在苹果A12处理器的订单上分一杯羹。

但事实证明,当时台积电的7nm制程工艺无论是在能效、功耗还是运算速率上,均优于三星电子。不仅是苹果,就连华为海思、高通、英特尔和联发科等都纷纷投入台积电怀抱,三星电子抢单计划流产。

在7nm上吃了亏的三星电子,在2018年4月正式完成7nm制程的研发,随后便在10月宣布了7nm EUV工艺的量产计划。


▲三星Exynos芯片

起初,由于三星电子的7nm EUV工艺技术不够成熟,一度未曾被市场认可。直到今年,三星电子的这一尴尬境况才稍见好转。

三星电子凭借着7nm EUV工艺技术和低价抢单手段,先是在今年6月抢下了英伟达大单,负责生产英伟达计划于明年推出的下一代GPU。随后又有产业链消息传言,三星电子重新获得高通骁龙865处理器订单,并将在今年年底前实现量产。

另一方面,彭博社曾在今年5月报道称,台积电将继续独食苹果A13处理器,准备进行大规模量产,此外Digitimes也在5月透露,台积电准备在第三季度开始量产华为麒麟985。

虽然,这些都表明台积电的手里还有几张分量十足的底牌,但对三星电子来说,今年可是它首次在7nm领域抢下台积电的大客户订单。

这也意味着,三星电子和台积电的芯片代工抢单大战再次打响。

二、三星电子扩大代工业务,直追台积电

实际上,曾经三星电子的芯片代工业务一直“寄人篱下”,并不是一个独立的部门。

2017年之前,三星电子的半导体帝国主要运营着存储芯片和非存储芯片两大部门。其中,后者又被称为S.LSI(System LSI),主要负责IC设计和Fab芯片代工,为其客户和自家的智能手机生产芯片。

但在移动终端厂商们看来,他们与三星电子之间存在的竞争关系,在三星电子的这种业务结构下存在着较大的商业风险。因此,三星电子芯片代工业务的发展一直受到阻碍。

2016年,三星电子的半导体业务营收以401.04亿美元位居世界第二,市场占有率达11.7%,仅次于英特尔。然而,三星电子的芯片代工部门在这一年的营收为44亿美元。

为了进一步扩大自身的芯片代工业务,提高半导体市场的竞争力,2017年5月,三星电子宣布将组建一个新的芯片代工业务部门,主要为高通和英伟达等客户提供芯片代工服务,其中包括移动处理器和其他非存储芯片。

不仅如此,2018年初,三星电子相关负责人曾放出狠话,表示要在2018年底实现超越联电和格芯,跃升芯片代工市场份额第二的目标,并在未来直逼台积电。

那时,台积电已在芯片代工领域驰骋多年。

据拓墣产业研究院公布的数据显示,2017年台积电的营收为320.4亿美元,以55.9%的市场份额稳坐第一。而当时排名第四的三星电子,芯片代工业务的营收为43.98亿美元,市场占有率7.7%。

有趣的是,在这十大代工厂中,只有三星电子是唯一的IDM(Integrated Design Manufacturing ,整合组件制造商)厂商,虽远不及台积电,但也是全球最大的IDM代工厂。

▲拓璞产业研究院发布2017年全球前十大晶圆代工厂排名

那么三星电子在2018年是否达成了目标呢?

实际上,2018年上半年,三星电子的晶圆代工业务营收为21.64亿美元,同比降低2.2%,市场占有率为7.4%。反观一哥台积电,上半年营收163.08亿美元,相当于7个半三星电子,并瓜分着56.1%的市场占有率。


▲拓璞产业研究院发布2018年上半年全球前十大晶圆代工厂排名

但市场调研机构IC Insights统计,三星电子的芯片代工业务营收在2018年将增长至100亿美元,以14%的市场占有率超越位列第二的格芯。同时,台积电的营收也将达到347.65亿美元。

值得注意的是,IC Insights的报告还指出,三星电子市场占有率的迅速提高主要得益于芯片代工部门的独立,把其自产自销的Exynos芯片归在了芯片代工业务的营收中。

然而事实证明,三星电子不仅做到了,并且其营收还势如破竹般增长,将格芯和联电甩在了后头。

截至今年6月,拓璞产业研究院发布2019年Q2全球前10大晶圆代工营收数据。数据显示,当下全球芯片代工需求仍在下滑,台积电Q2营收达75.53亿美元,同比降低4%,市场占有率达49.2%。

三星电子Q2营收为27.73亿美元,同比降低9%,市场占有率为18%,仅次于台积电。而本季度的格芯、联电以及中芯,其市场占有率均未达10%。


▲拓璞产业研究院发布2019年Q2全球前十大晶圆代工厂排名

目前看来,台积电在全球的芯片代工市场中,仍然无出其右,而三星电子则是一支最有机会在未来市场中挑战台积电的潜力股。

但需要注意的是,今年第一季度中,台积电和三星电子的市场占有率分别为48.1%和19.1%。如此看来,这两季度以来,两者之间的差距不仅没有缩小,反而呈小幅拉大之势。

三、7nm制程领域大战激烈

如今,在全球芯片代工市场中,7nm制程技术是战况最为激烈的一处战场,也仅剩下台积电和三星电子双方对峙,上演了一场又一场“神仙打架”。

率先在7nm领域取得优势的台积电,在2018年实现量产后,凭这一技术陆续将苹果A12、华为麒麟980和高通骁龙855大客户订单收入囊中。

今年6月,台积电总裁魏哲家在上海技术论坛上表示,台积电作为全球第一家大规模量产7nm工艺的晶圆代工产,目前市面上所有采用7nm制程工艺的芯片全都是由台积电生产。

据台积电2019年第二季度数据显示,该公司今年Q2营收77.46亿美元,其中7nm芯片的出货量就占了芯片业务总营收的21%,位列第二。第一则是16nm制程,占比23%。


▲台积电2019年Q2财报中芯片制程营收分布

诚然,在7nm这一节点上落后的三星电子,几乎就只能和自己玩。

直到2018年,三星电子才正式完成7nm制程研发。但不甘心让台积电一家独大的它,便随后在10月宣布量产7nm EUV计划,并将在2020年1月实现正式量产。

凭借这项7nm EUV技术,三星电子纷纷拉客,终于在今年抢回了英特尔的芯片大单。

EUV(Extreme Ultraviolet Lithography)又称极紫外光刻,是一种采用13.5nm长的极紫外光作为光源的光刻技术,对光照强度、能耗效率和精度等都有极高要求。

现在,大多数芯片生产使用的都是一种名为DUV(深紫外光刻)的技术,波长193nm。但随着半导体工艺的发展,芯片晶体管的面积和密度越来越接近物理极限,DUV技术在制造芯片时会产生严重的衍射现象,难以推进着制程工艺的进步,因此EUV技术就成为突破这一瓶颈的关键。

但目前,全球仅有荷兰公司ASML掌握着高端光刻机的核心技术,设备的造价成本十分高昂,并且该公司在今年年初表示,2019年仅出货30台EUV设备,每台售价超过1.2亿美元,几乎是DUV光刻机价格的2倍。

这么看来,能够抢到一台EUV光刻机设备无疑是对芯片代工厂实力和财力的双重考验。


▲ASML生产的第四代EUV光刻机

去年,ASML公开了EUV光刻机的预定情况,各大厂商共预定了21台光刻机,其中台积电占了10台,三星则占了6台。而这,也将成为它们在7nm制程竞赛中拔得头筹的关键。

三星电子官方表示,其7nm EUV工艺相较于自己的10nm,不仅能将芯片面积减少约40%,还能提升50%能效,并和其他7nm工艺相比,能效也将提升10%。

紧接着在今年8月7日,三星电子公布了采用7nm EUV工艺的Exynos 9825芯片。官方称,该芯片性能将提升20%至30%,同时耗电量也将减少30%至50%。

值得一提的是,三星电子推出的Exynos 9825也是全球首颗7nm EUV芯片。

另一方面,早在今年5月,就有报道称台积电已开始量产7nm+ EUV,并由华为麒麟985先行,同时苹果的A13芯片也瞄准了这一技术。

虽然双方都并未官宣将采用台积电的7nm+ EUV技术,但就目前来看,台积电和三星电子在7nm EUV制程的对决上,三星电子确实以Exynos 9825占了先机。


▲三星Exynos 9825芯片

四、7nm制程以下,抢先攻克物理极限

其实,在7nm以下的制程工艺方面,三星电子和台积电也照样打得火热,但以口水战为主的成分更大。

今年6月,台积电正式官宣6nm工艺,其采用EUV技术,晶体管密度相比7nm提升了18%。同时,该工艺预计在2020年第1季度进入试产阶段。

在5nm制程方面,2018年6月,台积电宣布将投资250亿美元研发5nm工艺,并在今年3月进入了风险试产阶段,预计将在明年2月实现量产。

此外,台积电也早把3nm工艺的研发提上日程。今年7月,官方表示3nm制程正处于早期研发阶段,其尺寸将比前一代缩小30%,预计将在2020年实现量产。

甚至在2nm工艺节点上,台积电同样布下了局。今年6月,台积电宣布正式启动2nm工艺研发,预计将于2024年投产。

三星电子也不甘落后,它在前段时间公布了最新的芯片代工计划路线图,其6nm、5nm和4nm工艺也将接踵而至。


▲三星最新公布的芯片制程路线图

路线图显示,三星电子首先计划将在今年下半年量产6nm LPP(6nm Low Power Plus),该工艺作为三星电子7nm LPP的加强版,其晶体管密度也将提升10%,并实现更低功耗。

其次,5nm LPE(5nm Low Power Early)将在今年内完成流片,并于明年上半年投入量产。5LPE不管是在性能、功耗还是核心面积上都将得到一定的提升。

同时,4nm LPE(4nm Low Power Early)将会在今年内完成设计,并将在2020年实现首次流片,2021年投入量产。

三星电子表示,这三项工艺技术,实际上是在其7LPP工艺的基础上不断推进得来的。

同样,三星电子也将其工艺研发的触手伸向了3nm节点。此前2018年12月,三星电子曾表示其3nm工艺已完成性能验证,将在2020年实现大规模量产。

▲台积电与三星电子的芯片制程之战节点

结语:两大芯片代工巨头迎来新竞赛浪潮

如今,三星电子和台积电在芯片代工领域仍在持续火拼。

一方面,三星电子虽然在过去几年与大客户订单失之交臂,但今年凭7nm EUV工艺强势抢单英伟达后,也意味着其向台积电重新宣战。

另一方面,台积电一直以来坐拥着芯片代工市场的半壁江山。三星电子自重新调整其半导体业务结构后,一路突破重围,其市场份额也从全球第四斩杀到仅次于台积电的地位。

在芯片制程领域,7nm及以下领域虽仅剩台积电和三星电子对打,但双方在制程上的不断研发和力争量产,也将是一场漫长而激烈的抢食战。

与此同时,这也是纯芯片代工巨头和全产业链电子巨头之间的一场对决。

台积电作为芯片代工模式的首创者,自1987年创立以来,经过了32年的发展,已然成为全球最大的芯片代工企业。

而三星电子想要将公司业务布局全产业链的野心也日益明显,一边忙着推进其智能手机等移动终端的业务发展,一边也不忘提高自身在半导体领域的竞争力。

虽然,今年全球政治和经济的摩擦影响了芯片代工市场的需求,各大芯片代工厂商营收同比均成下滑之势,但整体芯片市场随着芯片AI化和云端AI芯片的创新,其发展势头仍较可观。

芯片代工领域的头部玩家格局亦未定型,各方玩家还在不停厮杀。

特别是韩国半导体产业也正面临着危急关头,以三星电子为首的韩系玩家不甘落后,它们既不想继续受到日本在半导体原材料方面的限制,同时三星电子作为全产业链的电子巨头,也不想输给代工厂。

无论是芯片代工一哥台积电,还是全产业链电子巨头三星电子,它们都希望在芯片制程技术的研发和量产落地中先夺优势,并顺势而上进一步刮分市场。

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