3nm鏖戰正酣 代工雙雄臺積電和三星誰將勝出？

關于3nm的進度，臺積電方面表示，3nm制程進展符合進度，于今年試產，并將于2022年下半年量產。三星電子則宣布將于2022年上半年開始生產首批3nm芯片，第二代3nm芯片預計將于2023年開始生產。
從時間上看，三星3nm將領先臺積電大約半年時間，其欲借3nm反超臺積電的心思顯而易見。綜合來看，兩者的實力究竟如何？本文將從技術、資金、產能、客戶等方面展開，以期反映兩者大致的實力概貌。
技術路線
臺積電和三星在3nm最大的不同在于技術選擇上。
臺積電3nm制程將繼續采用FinFET（鰭式場效晶體管）技術。為何臺積電會做此選擇？分析認為，一方面正是由于其研發團隊將 FinFET 的性能提高到了新的高度，與 5nm 相比， 3nm 在速度上有10%~15%的提升，功耗有25~30%的降低，而邏輯密度則提高 1.7 倍，SRAM 密度也將提升 20%；另一方面是由于3nm可以在 2022年下半年量產，這樣能讓下單客戶實現技術的快速升級，率先推出領先的產品。
三星方面，為了在半導體制程工藝上追趕上臺積電，在3nm工藝的研發當中率先引入了全新的GAA(Gate-all-around，環繞柵極)技術。
據了解，基于GAA的FET（GAAFET）有多種形式，大多數研究都是基于納米線的GAAFET，它們具有較小的溝道寬度。這些類型的GAAFET通常用于低功耗設計，但很難制造出來。另一種實現方式是使溝道像水平鋪放的紙一樣，通過增加溝道面積來為性能和尺寸帶來好處。三星稱其基于納米片的GAAFET為多橋溝道FET或MBCFET，該技術可以顯著增強晶體管性能，主要取代FinFET晶體管技術。
相比于FinFET晶體管技術，GAAFET架構的晶體管提供更好的靜電特性，這樣漏電功率會降低，從而功耗降低。三星表示，與5nm制程相較，GAA制程技術將使得芯片面積可再減少35%，性能可提高30%或功耗降低50%。
三星3nm工藝上分為兩個版本，其中3GAE(低功耗版)將在2022年年初投入量產，3GAP(高性能版)則會在2023年年初批量生產。
研發實力
要想在芯片制程工藝方面保持領先，也就意味著需要在研發方面投入大量的資金。
臺積電的研發投入一直穩定增長。根據臺積電財報，2019年，研發支出為29.59億美元。2020年，臺積電為了追求5納米及更先進的3納米工藝，研發支出更是大增26%，一舉突破30億美元，達到37.2億美元。而從臺積電4月15日發布的一季度財報來看，其今年在研發上的投入將會更高，一季度10.96億美元的研發支出，明顯高于去年的平均水平。
資本支出方面，臺積電于今年1月14日發布消息稱，計劃將今年的資本支出增加至250億美元到280億美元之間，IC Insights 估計，臺積電平均單季度資本支出將約69 億美元，較2020 年第4 季度支出倍增。
在這方面，三星同樣不甘落后。三星的研發支出逐年大幅增加，其2020年研發支出為55億美元。
資本支出方面，據IC Insights報告顯示，自2017年以來，三星的半導體資本支出一直非常強勁，2018年的支出達到216億美元，2019年達到193億美元，去年達到281億美元。數據顯示，三星在2017-2020年期間資本支出總額為932億美元。盡管三星尚未為其2021年的支出提供指導，但IC Insights估計該公司的支出將基本與2020年持平。
此外，2019年4月，三星公布“半導體愿景2030”發展藍圖，準備在10年內投資1160億美元，錄用15000名專業人才，以期在2030年前大幅提升在晶圓代工市場競爭力，并在2030 年超越臺積電，登上產業龍頭。
光刻機
除了技術研發，對代工廠商而言，還需要設備方面投入大量的資金，這其中又以光刻機的支出最為昂貴。
光刻機是生產制造芯片的必要設備，尤其是生產制造7nm以下制程的芯片，必須要用到EUV光刻機。而ASML是目前全球唯一能制造EUV光刻機的廠商，包括臺積電、三星、英特爾先進芯片制程工藝量產所需的極紫外光刻機，均由ASML提供。根據ASML財報披露，一季度來自光刻機的收入共 31.29 億歐元，EUV光刻機占 36%，也就是為 11.26 億歐元，光刻機的平均價格為 1.6 億歐元。
數據顯示，截止到2020年底，ASML已經出貨100臺EUV光刻機，但三星僅獲得30臺EUV光刻機，相比之下，臺積電在EUV光刻機方面卻穩如泰山，消息稱，其已經安裝超70臺EUV光刻機，是三星的兩倍之多。不僅如此，在EUV光刻機交付、安裝方面，ASML往往是優先供貨臺積電。
此前曾有報道稱，為應對新制程工藝產能擴大的需求，臺積電極紫外光刻機的累計采購量在今年將超過50臺，預計今年可獲得18臺。姑且按照每臺1.6億歐元估算，13 套 EUV可能使臺積電花費高達 20.8億歐元（約合23.4億美元）。
為了贏得未來，上文提到的三星為期十年、總投資高達1160億美元的方案中，為促進晶圓代工業務的發展，其中最核心的能力就是攻克EUV光刻技術。
早于2019年，三星就花費170億美元，在韓國京畿道華城建造EUV工廠。三星還專門為華城工廠購置了15臺EUV光刻機（分3年時間交貨），ASML公司的EUV光刻機，僅一臺售價就高達1.72億美元，一下豪置15臺，可見三星在晶圓代工領域翻身的決心。
2020年年初，有外媒報道稱，三星已開始其新建的V1晶圓工廠的大規模生產，成為業內首批完全使用6LPP和7LPP制造工藝的純極紫外光刻（EUV）生產線。而該工廠還被認為是三星3nm制程的主陣地。而據今年2月21日消息，三星電子在一份文件中表示，將提早擴大位于京畿道華城的芯片工廠V1生產線來擴大其EUV專用生產線的產能，三星正抓緊為3nm量產做準備。
產能方面
對于代工廠商而言，率先將先進工藝量產，并且保證性能穩定是搶占市場份額的關鍵。
臺積電的3nm制程技術最快會在2022年投產，并且計劃在2022年下半年即可量產 ，實際應用產品則預期會在2023年推出。而臺積電目前在美國亞利桑那州投資建造新廠會以5nm制程技術生產為主，而3nm制程技術則會以位于中國臺灣地區南部科學工業園區建造廠房提供。
臺積電董事長劉德音曾經表示，在3nm制程上，于南科廠的累計投資將超過 2萬億元新臺幣，目標是3nm量產時，12英寸晶圓月產能超過60萬片。而據Digitimes報道，臺積電3nm芯片在2022年下半年開始量產，單月產能5.5萬片起，2023年，將達到10.5萬片。
在產能方面，臺積電具有動態調配生產線能力，可以將產能利用率提高到110~120％。而在良率方面，臺積電的新制程接單標準是一般不低于75%，在14nm等成熟的工藝線，良率則能保證達到95%~98%，這也讓臺積電的優勢更為鞏固。簡而言之，臺積電的競爭力不只來自核心工藝，它的整套內部管理制度才是保證產能與良率的關鍵。
三星方面，由于自家業務原因，能開放給別人的產能比不上純做晶圓代工的臺積電。目前三星在產能與良率方面和臺積電仍有一段差距。知名研究機構The Information Network預測，臺積電領先三星在晶圓代工的先進制程產能規模約242%至460%不等。
統計數據顯示，三星在2020年的晶圓月產能約為2.5萬片，而臺積電則為14萬片，尤其是在目前最前沿的5nm制程方面，三星晶圓月產能約為5000片，而臺積電約為9萬片。
在最新通報會上，臺積電表示，由于5nm需求強勁，該公司5nm系列在2021年的產能擴充計劃比2020年會翻倍，2022年將比2020年增長3.5倍以上，并在2023年達到2020年的4倍以上。
而據韓國媒體引述多家供應商報道，由于三星遲遲未提高5nm的產品良率，使得三星在5nm產線的構建與客戶搶奪上也陷入被動。 
客戶訂單
近段時間以來，頻傳臺積電和三星3nm首家客戶的消息。據消息稱，蘋果已經成為臺積電3nm制程的首批客戶，預先承包了臺積電3nm制程的初期產能，同時英特爾也將采用臺積電3nm制程生產圖形芯片、服務器處理器。
而處理器大廠AMD可能成為三星代工業務首家3nm制程客戶，原因是合作伙伴臺積電與蘋果關系密切，使AMD考慮選擇三星交付3納米制程訂單。除了AMD，高通也對三星3nm制程感興趣。
目前，兩家的3nm客戶名單還未正式公布。但從現有客戶來看，臺積電的客戶幾乎覆蓋了全球頂級半導體巨頭，包括蘋果、AMD、高通、Marvel、聯發科、英偉達等都是其主要客戶。
過去三星的晶圓代工服務一直卡在無法有效擴大客戶群，除了自家三星電子的訂單以外，能接到的外部訂單寥寥可數。近年來，三星陸續拿下谷歌和思科，高通和英偉達等重大客戶。如果三星在3nm真的能夠領先臺積電，預計還能夠再吸引到更多的客戶。
結語：TrendForce數據最新顯示，目前臺積電的市場份額接近52.9%，是全球最大的芯片代工企業，而三星位居第二，市場份額為17.3%，三星與臺積電的差異依舊明顯。三星能否憑借3nm打贏這場翻身仗？或許明年就會有分曉。

來源：愛集微

作者：木棉