芯片江湖没有永远的老大

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近日,据半导体分析机构 IC Insights 预测,2022 年半导体行业资本支出将达到 1904 亿美元的历史新高,比三年前增长了 86%。其中台积电、三星、英特尔预计的资本支出分别将达到 420 亿美元、379 亿美元和 270 亿美元,三大巨头占据了超过 50% 的资金支出。

而在 2020 年,台积电资本支出仅为 170 亿美元,三星的半导体支出则是 32.9 万亿韩元(约合 264 亿美元),双方资本支出涨幅惊人。

此外,去年 2 月英特尔宣布 “IDM 2.0” 战略,计划重新成为全球芯片制造第一,其英特尔代工服务(IFS)吸引了亚马逊、高通等客户,加入先进制程市场争夺。

先进制程研发进度上,台积电、三星双方都宣称会在今年实现 3nm 的量产;英特尔的 Intel 4 工艺将在今年下半年就绪,还计划在 2024 年下半年完成 18A 工艺。

从台积电开创晶圆代工模式至今,全球芯片半导体产业在垂直分工合作模式下高速发展,晶圆代工业也历经几番风云变幻。

如今,新的战火正在愈燃愈旺,随着英特尔再度拾起代工大业,晶圆代工江湖或将被三大顶尖芯片制造巨头重新划分地盘。

一、英特尔称霸制程马拉松前半道,经济学维度摩尔定律已经失效

说起先进制程,就必须提到英特尔创始人之一的戈登・摩尔,他于 1965 年提出了一个延续至今的 “摩尔定律”。摩尔定律为:集成电路上所集成的晶体管密度,每隔 18-24 个月就翻一番。

为了更直观地体现集成电路性能的提升,半导体行业以晶体管的线宽(制程)来形容制造工艺的先进程度。如今,无论是晶体管线宽还是栅极长度的缩小难以跟上几何级缩小,芯片制程所代表的已非芯片内具体的物理特性,而是性能的大致体现。

摩尔定律除了是一个技术预言外,还是一个经济学的维度,它意味着用一美元所能买到的晶体管数量,每隔 18 个月翻两番。

▲摩尔定律的经济规律(图片来源:中国 360 度透视讲座,黄节 PPT)

摩尔定律的经济学维度是如今各类电子设备越来越便宜的原因,如果汽车工业也遵循摩尔定律,如今 1 美分就可以买到兰博基尼跑车。

但对于半导体行业内的玩家来说,摩尔定律的经济维度背后却是一场数十年的马拉松。

为了满足摩尔定律,半导体厂商必须每 18 个月提升一倍晶体管密度。对半导体制造来说,这意味着厂商们必须马不停蹄地完成设计、产线、系统产品的迭代和良率调教,并从现有制程中获得足够推进到下一制程的利润。

芯片制造厂商如果从这一竞赛中掉队,就意味着自身与市场上的顶尖公司出现代差,而无法获得先进制程带来的晶体管成本优势和市场定价权,从而落后于竞争对手。

随着摩尔定律的门槛越来越高,先进制程的研发、产线的建设支出成本越来越高,经济维度的摩尔定律已经失效。IBS 数据显示,最先进的 3nm 工艺开发将耗资 40 亿至 50 亿美元,而兴建一条 3nm 产线的成本约为 150-200 亿美元。从整个芯片制造行业来看,能够跟上先进制程发展的公司越来越少,只有寥寥数家能够跟上这场马拉松。

作为摩尔定律的开创者,英特尔直到 2014 年都一直领跑半导体行业。英特尔如今最大的竞争对手,则是一家成立于 1987 年的中国台湾公司。这家台湾公司用一种新的商业模式,改变了整个半导体行业的格局。

二、台积电创建代工模式,三大巨头聚首芯片制造

在台积电之前,绝大多数半导体公司都是所谓的 IDM 厂商,即自己负责从设计、生产到封装所有环节,英特尔、AMD、IBM、德州仪器等都是这样,著名的摩托罗拉也是当时最大的半导体公司之一,甚至福特汽车都有自己的半导体厂。

这样的经营模式虽然能够让公司掌握自身的生产供应,但却要背负一个半导体工厂,对于创企的生存和发展十分不利。这种情况从 60 年代开始发生改变,由于美国等地的人力成本提升,半导体产业链出现分工,封测等劳动力密集的环节向东南亚地区转移。

▲半导体产业的逐步分化(图片来源:中国 360 度透视讲座,黄节 PPT)

1987 年,张忠谋创建台积电,开辟晶圆代工模式。张忠谋曾工作于美国模拟芯片巨头德州仪器(TI),作为德州仪器的第一个华裔员工,他在德州仪器时最高任资深副总裁,是德州仪器的第三号人物。

作为少有的华人高管,张忠谋无论在技术还是商业上都有着独到之处。在技术上,张忠谋将德州仪器为 IBM 代工的电晶体良率从 2%-3% 提升至 20% 以上,甚至超过了 IBM 自有的产线。而在商业上,其通过毫不留情的降价策略,成功在当时将英特尔逼出了 TTL 市场。

▲当时媒体报道张忠谋的报纸(图片来源:中国台湾玉山科技协会 20 周年庆祝大会暨论坛,张忠谋 PPT)

根据张忠谋的说法,1984 年,他任通用仪器的总裁,一位资深行业人士想要创业成立一家半导体公司,就找到张忠谋希望获得 5000 万美元的投资。3 周后,张忠谋再给他打电话,发现他只专注芯片设计,不建半导体工厂,用自己积蓄的 500 万美元就成功创业,不再需要投资。

这是张忠谋首次听说有专门做芯片设计的公司,既然有专门做设计的公司,就可以有专门做晶圆制造的公司。他这个想法最终成就了如今的晶圆制造霸主台积电。

这种代工模式推出之初并不被看好,英特尔等公司拒绝投资,张忠谋只通过关系拿到了英特尔的一些订单勉强生存。

尽管诞生艰难,在半导体全球化的背景下,这种代工模式渐渐体现出了优越性。对于当时占据市场优势的美国半导体公司,它们可以实现轻资产的运营方式,减少自身资本支出,并获得专业芯片制造企业的工艺优势。

对于芯片代工企业来说,其自身的产线不用再跟随产品的迭代不断迁移,在一个较为通用的制程中可以持续生产,维持并改进自身的良率,从芯片制造环节获得更多的利润。

对于电子产业的下游系统厂商,它们创建时不用再考虑背负一个半导体工厂,可以灵活地选用不同的代工厂商。

此后,联电转为纯代工厂;AMD 的半导体制造业务被中东阿布扎比财团买下,成为了现在的格芯;2005 年,已成为存储芯片霸主的三星也和 IBM、特许半导体结盟,进入晶圆代工领域,代工江湖格局初定。

2019 年,北京兰璞资本创始合伙人、前英特尔中国区董事总经理黄节在中国 360 度透视讲座上评价道,这种晶圆代工的模式帮助塑造了如今华为、中兴等后来创建的企业,改变了全球电子产业的格局,是一个革命性的变化。

▲格芯全球各地的晶圆厂(图片来源:格芯官网)

三、三星、台积电争夺苹果订单,英特尔代工业务首登场

2005 年 11 月,三星在进入晶圆代工市场后,宣布了其第一个主要代工客户:高通。

2006 年 3 月,前特许半导体的 Molnar Hunter 加入三星任技术副总裁,他负责三星的代工业务。1 个月后,三星宣布在美国德州奥斯汀建设 Fab A2,并新增加一条 300mm 产线。

在三星代工部门成立初期,除了高通,苹果也是三星的主要客户。2007 年,苹果的第一款智能手机芯片 APL0098 由三星代工部门基于 90nm 工艺代工,被用于 iPhone 3G 以及一代 iPod touch 上。▲苹果 2007 年 – 2009 年四款芯片参数(图片来源:知乎用户智晓生)

之后苹果 APL0278、APL0298 和 APL2298 三款芯片分别基于三星的 65nm、65nm 和 45nm 工艺,被用于二代 iPod touch、iPhone 3GS、iPhone 3GS 及三代 iPod touch 上。

2008 年,苹果收购了芯片制造商 PA Semi,并把 IBM 的 CPU 设计经理约翰尼・斯鲁吉(Johny Srouji)挖了过来。2 年后,苹果基于三星代号 “蜂鸟” 3PC110 设计出了 A 系列的第一颗 SoC:A4,同样由三星代工

在双方合作的蜜月期,苹果不仅是三星的代工大客户,同时还是其内存芯片和显示屏的大客户。但作为两大电子巨头,双方的蜜月期并不长久。

2010 年,三星推出了第一代 Galaxy 手机 Galaxy S,其外形和 iPhone 十分类似。而在 2008~2011 年,三星智能手机全球份额增长了 6 倍、2011 年达到了 19.1% 成为全球第一,智能手机的开创者苹果却以 19% 的份额居于第二。

自己的供应商抄自己的外形,手机还比自己卖的好?2011 年,苹果把三星告上了法庭,称三星抄袭了自家产品的外观、风格等。2012 年,美国加州地方法院判决三星侵权成立,在后续的扯皮中这场官司一直打到了 2018 年。

▲三星 Galaxy S 手机(左),苹果 iPhone 4(右)

值得注意的是,在这场官司期间,苹果的 A5、A5X、A6、A7 芯片还是只能由三星来代工。为了避免对三星供应的依赖,苹果开始接触台积电。

据悉 2010 年,时任苹果运营副总裁 Jeff Williams 赴台与台积电前任董事长张忠谋及其夫人共进晚餐,在晚餐中双方谈论了一起合作的可能性。2011 年,台积电 2011 年底派出近百人的 “One Team” 奔赴美国苹果总部,解决了 A6 芯片的设计问题,并帮助苹果处理了专利认证问题。

2013 年,苹果向三星和台积电双方都下达了用于 iPhone 6 的 A8 芯片订单。最终,台积电完美实现了苹果的要求,其产品被 Jeff Williams 称为 “Perfect(完美)”。而在之后用于 iPhone 6s 和 iPhone 6s Plus 的 A9 芯片中,三星更先进的 14nm 制程在功耗和能耗中输给了台积电。

因此 A9 之后,每一代苹果芯片订单都被台积电所拿下,苹果、台积电联盟就此成立。

▲苹果 A9 芯片在手机中的示意图

这一场三星、苹果和台积电三家厂商的故事由于太过精彩,被外媒形容为 “看一部标准三角恋意大利歌剧”。

在三星和台积电暗中争夺苹果这个大客户时,英特尔也在暗自筹备代工业务。

2010 年 11 月,英特尔公布了其首个芯片代工用户美国 FPGA 创企 Achronix Semiconductor。根据双方协议,英特尔将为 Achronix Semiconductor 生产 22nm 的 FPGA。之后,又一家美国 FPGA 创企 Netronome 成为英特尔 22nm 制程的客户。

制程工艺上,英特尔继续发力。

2011 年,英特尔量产了全球第一个 3D 栅极晶体管,将芯片制程推进到 32nm,领先于台积电和三星。黄节透露,彼时,英特尔根据死亡谷理论,认为只有营收破百亿美元的公司才能赶上自己的步伐,而台积电在营收和净利上都有所不足,三星只能说有能够追赶英特尔的可能。

2013 年,英特尔代工业务迎来重要突破,FPGA 芯片巨头 Altera 和英特尔达成 14nm 的代工协议。Altera 成立于 1984 年,当时其年销售额达 40 亿 – 50 亿美元,是台积电的前五大客户,Altera 和台积电的合作时间已持续了 20 年之久。

当时台积电的举动也能够说明 Altera 的重要性。据台媒报道,在英特尔与 Altera 宣布合作时,中国台湾地区为凌晨 5 点。英特尔和 Altera 的合作宣布后不到五分钟,台积电就发布了主题为台积电与 Altera 合作关系不变的新闻稿。张忠谋也称:“倘若没有 Altera 如此优异的客户作为伙伴,就无法成就台积电今日的地位。”

据业内人士透露,这是因为台积电给予了另一家 FPGA 巨头赛灵思同样的合作地位,使得 Altera 和台积电的关系恶化。2015 年 12 月,英特尔以 167 亿美元的高价收购了 Altera 公司,成为了其公司历史上的最大交易。

一时间,英特尔在代工业务和芯片制程上风光无限,领跑半导体行业。

好景不长,虽然格芯、联电等晶圆代工厂商先后宣布暂缓 10nm 及以下工艺研发,但据传由于率先采用不成熟的 EUV(极紫外)光刻技术,英特尔同样在 10nm 节点出现停滞,其产品良率也出现问题,难以实际应用。

2016 年 10 月,三星率先宣布将在批量生产业界首款 10nm FinFET 工艺的芯片,抢下高通骁龙 835 订单,顺利量产。2017 年,三星将晶圆代工业务部门独立为一家纯晶圆代工企业,并计划在未来 5 年内取得芯片代工市场 25% 的份额。

2018 年,英特尔宣布关闭代工业务。业内专家分析称,在代工业务上,生态是最关键的因素,英特尔对于自身时间、资金的投入以及客户亲密关系的建立预估不足,低估了代工业务开展的难度。台积电和三星之间的竞争,重新成为了代工江湖的主流。

四、三星正陷入良率陷阱,英特尔誓要重夺龙头地位

为了尽快抢先推出新的制程,新的技术被不断推出并采用,其中最典型的例子就是 EUV(极紫外)光刻机。不过有时,新的技术反而会影响玩家的产品性能和良率。

2019 年,为了完成 7nm 制程,三星积极地采用了新的 EUV 光刻机,但是良率和进度都落后于台积电。相比之下,台积电 2018 年量产的 7nm 制程并没有采用 EUV 光刻机,而是同样在 2019 年推出了采用 EUV 光刻技术的 N7 + 工艺。

由于先进制程芯片的设计难度提升,其流片所需要投入的成本开始只有少数厂商能够承担。因此在苹果和台积电密切合作后,智能手机安卓阵营的芯片龙头高通就成为了台积电、三星争夺的焦点。

一段时间里,高通的反复横跳侧面证明了台积电、三星的竞争烈度。具体来说,高通骁龙 855 选择了台积电的 7nm 工艺,但据称由于代工价格等因素,之后的骁龙 865、875、888 和 888+、骁龙 8 等旗舰芯片又采用了三星的 7nm、5nm 和 4nm 工艺。

▲高通骁龙 888 和 888 + 的参数(图片来源:AnandTech)

据台媒报道,高通计划将下一代 3nm 处理器的订单交给全球晶圆代工龙头台积电,而目前正由三星代工的 4nm 骁龙 8 处理器订单也将转移到台积电。近日,韩媒也爆料称,由于自身的散热和良率问题,三星正进行内部审查。

重要客户高通再次转向台积电,对于正陷入良率问题的三星来说,可能是一个危险的信号。

同时,由于疫情和地缘政治等因素,全球发生缺芯问题,半导体市场快速扩张,制造端话语权不断变大,英特尔也重新杀回了代工江湖。

去年 2 月,英特尔的新任 CEO 基辛格上任后,宣布 “IDM 2.0” 战略,借助缺芯东风,在欧美大肆圈地建厂。

今年 1 月份,英特尔宣布在美国俄亥俄州投资 200 亿美元建设两座新的晶圆厂,计划于 2025 年投产,且未来的投资金额可能增至 1000 亿美元。之后,英特尔又启动了 10 亿美元的基金以发展代工厂创新生态系统,并正式推出了 IFS(英特尔代工服务)加速器这一生态系统联盟,为其代工服务建立上游的开放、合作生态。

▲英特尔收购高塔半导体后的代工服务与制程路线图(图片来源:英特尔 2022 年投资者大会)

今年 2 月,英特尔又宣布以 54 亿美元收购全球第九大晶圆代工厂商高塔半导体(Tower semiconductor),展现了英特尔在代工领域的决心。更有外媒透露,英特尔将开放 x86 架构授权,以吸引客户采用其代工服务。

三星、台积电同样动作频频,分别在先进封装和人才大力投资。

3 月 13 日,据韩媒报道,三星电子在 DS(半导体事业暨装置解决方案)事业部内新设立了测试与封装中心(TP) ,加大先进封装上的投资,和台积电进行竞争。

台积电则开始大力招募人才,解决芯片人才荒问题。台媒披露,台积电新一轮校招活动已启动,计划今年招聘超过 8000 名新员工。其中,硕士毕业生入职工程师的平均年薪可达 200 万新台币(约合 45 万人民币)。

台积电、三星、英特尔三大巨头即将重新会首代工江湖。

结语:三星、英特尔、台积电加大投资力度,先进制程竞争进入白热化

随着英特尔宣布在开放 x86 架构、构建生态系统联盟、更新多个业务的产品路线图等动作,其希望重新获得芯片制造领域的龙头地位。而三星的良率问题正在成为阻碍大客户加入的关键,高通、英伟达等重要客户的订单网传要重回台积电。

在摩尔定律放缓、美欧日韩中多国大力保障自身供应链安全的今天,先进制程代工江湖的划分,决定了谁能够在未来供应链中掌握主动权。同时,先进制程的研发和产线投入正越来越大,在数以百亿美元的投入后,三星、英特尔、台积电等厂商不会放弃占据代工行业龙头的可能,先进制程竞争正在进入白热化。

来源:微信公众号:芯东西 (ID:aichip001),作者:高歌,编辑:Panken

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