越来越“可怕”的台积电

作者:杜芹DQ 

来源: 半导体行业观察

台积电是一家既可敬又可怕的企业,可敬的是其突破性的芯片代工模式颠覆了半导体行业的游戏规则;可敬的是其成为晶圆代工界的黄埔军校,为代工界培育了大量的人才;可敬的是其对中国半导体产业所作出的贡献。但台积电也越来越可怕,可怕在其过去数十年的霸主地位,仅一家便吞下晶圆代工的半壁江山;可怕在其对先进工艺的追逐,7nm几乎独揽生意,5nm进入量产阶段,2nm已有谋划;可怕在其早早地对先进封装技术的未雨绸缪和远见,并不断取得突破。

十年磨一剑,不,半导体业可能要更久,半导体业没有弯道超车,有的只是在这个炽热和浮躁的大环境下的冷静和坚持。

过去十年不断攀升的市占率

台积电的专业芯片代工模式改写了半导体产业的游戏规则,长久以来,台积电一直处于晶圆代工界的老大,其市占率逐年攀升,过去十年台积电的市占率一度处于一半以上的态势,也因此格罗方德曾向欧盟和中国投诉台积电垄断。

2009年台积电的市占率为45%,正值金融危机之时,已经退休4年的张忠谋重回台积电,上任之后,张忠谋带领台积电全力冲刺当时最前沿的28nm制程芯片,这一年,台积电实现了40nm量产和28nm的开发,并且开始部署20nm的研发。

2010年台积电经历了强势复苏的一年,其所有晶圆代工厂满负荷运转,并实现了14%的产能提升。且40/45nm实现全面量产,28nm也开始和客户预约订单,2010年台积电的市占率上升为47%。

2011年全球半导体市场增长接近于零,对台积电来说是具有挑战的一年。但台积电市占率仍增长了2%,由2010年的47%上升到49%。这主要是由于,在台积电的技术优势下,全球主要IC领导厂商与台积电、联电的关系将更为紧密,助其全球晶圆代工市场地位日益稳固。除此之外,台积电在2011年下半年率先提供28nm制程的量产技术。

2012年,凭借平板电脑和智能手机等移动IC的强劲需求,台积电实现了创纪录的营收和利润,其产能迅速转向28纳米,出货量也比2011年增长了30倍。2012年台积电的市占率增长到49.5%。

2013年,台积电28纳米出货量和收入快速增长,并且引入了FinFET晶体管结构,使得16纳米获得了更好的性能,除此之外,台积电还开始了10纳米工艺的研发。台积电的市占率为46%。

得益于28纳米技术的强劲需求以及客户对20纳米片上系统代工的快速接受和需求提升,2014年台积电创收和利润再次达到新纪录,其市占率一举跃升到53.7%。其16nm FinFET Plus于2014年12月按计划完成技术认证,7纳米技术进入了高级开发阶段。

2015年全球经济发展疲软阻碍了半导体的发展,但受益于先进工艺的发展,台积电20纳米订单增加了一倍,16纳米FinFET工艺也被成功引入,10纳米取得了良好的进展并且完成了技术认证,7纳米在产量和良率上都得到了提升。2015年台积电在晶圆代工市场的市占率上升到55%。

据 IC Insights 的统计资料显示,台积电在2016年以59%的市场占有率排第一,这主要是得益于台积电通过成为世界逻辑IC行业技术和能力的可信赖提供商,10纳米取得成功量产,7纳米完成了技术认证。

2017年台积电10纳米工艺订单激增,7nm量产,并抓住了移动设备、高性能计算、物联网和汽车半导体的机遇,不但在收入、净利润和每股收益上都实现了稳健的增长,还为台积电在未来几年建立了强劲的发展势头。2017 年台积电于全球晶圆代工市场的市占率高达 55.9%。

根据CINNO Research 产业研究统计的晶圆代工排名中,2018年积电的市占率为53.3%。据调研机构Trendforce指出,台积电2019年第四季在代工市场的市占率为52.7%,而且2019年11月,台积电市值一举超越三星的市值,达到约2620亿美元

台积电市值显著走高,主要与全球半导体生态系统的变化有密切关系,随着手机时代的到来,高性能及高节能的应用处理器(AP) 越显重要,故台积电的高端晶圆制造技术与量产能力,将能帮助台积电在市场内取得大量订单。台积电市值走高还归因于格芯宣布放弃进军7 纳米制程,而从格芯流出的高阶晶片订单,也令台积电更为扩大在晶圆代工市场之影响力。

在今年年初召开的法人说明会上,台积电总裁魏哲家预测,受惠于5G和人工智能晶片应用快速成长,台积电营收有望在2020年第一季度达到102亿-103亿美元,创出新高;全年增幅则会优于产业平均值,同样来到历史最高点。

先进工艺的垄断

台积电创业初期,在飞利浦的技术支持下,是以3.0um与2.5um切入市场,在当时落后Intel 2个世代。在1999-2009这十年,台积电通过高强度的资本和研发投入,工艺突飞猛进,逐渐赶超英特尔。后来随着智能手机的兴起,台积电拥抱行业最优质的客户,与华为海思、苹果、高通、苹果等客户共同成长,不断触底摩尔定律的极限,突破14nm、7nm、5nm等技术节点,也因此在先进工艺上长期处于垄断地位。

在先进制程的战争中,28nm可以说是台积电甩开其他晶圆厂的一大制胜武器,28nm制程从2011年开始量产,领先竞争对手3-5年。为了充分发挥技术优势,台积电非常注重迅速扩张先进产能,也正因为如此,帮助台积电在每一个先进制程节点都能快速抢占客户资源、扩大先发优势,2012年,台积电在28nm制程工艺芯片市场的占有率接近100%。

放眼整个晶圆代工行业,目前主要还剩下台积电、三星、英特尔、联电、格罗方德和中芯国际这几个头部企业,再加上联电、GlobalFoundries等主要竞争对手相继宣布放弃14nm以上节点研发,英特尔10nm工艺久久未出,台积电在先进工艺上的垄断地位更加巩固。

而台积电却在先进工艺的路上愈战愈勇,28nm制程攻克之后,台积电的先进制程发展迅速。2014年台积电启动“夜鹰计划”,全力奋战10nm,研发人员实施24小时三班轮值不停休,从而大大提升了研发效率,到2016年底,台积电的10nm开始量产,2017年10纳米开始爬坡。

在7nm工艺上,只有台积电和三星两家能做到,但台积电在市场份额上占据绝对优势。2019年台积电Q3季度财报会显示,台积电的先进工艺产能爆发,苹果、华为、AMD等客户都相继推出了新一代7nm芯片,包括麒麟990系列、A14及锐龙3000、RX 5700系列等,所以台积电在7nm的订单上可谓一家独大,而且7nm产能早已供不应求,交付期都从2个月延长到了6个月。

在先进工艺的追逐战中,EUV光刻机是关键的一环,而在三星、台积电和英特尔三家中,台积电的EUV布局当属领先。Arete Research高级分析师Jim Fontanelli也表示,台积电在EUV领域处于领先地位,无论是所用的工具还是订购的工具,生产的商用EUV晶圆的数量,还是将EUV集成到他们未来的路线图中。据悉,今年台积电的7nm(包括EUV)晶圆产能大概在10-11万片/月。三星7nm LPP(EUV)工艺的晶圆产能大概在1万张/月,只有台积电的1/10左右。

2019年10月,根据台积电联席CEO魏哲家此前公布的数据,公司的5nm工艺已经完成研发,目前正在风险试产,量产时间也提前到了今年Q1季度。目前可以确定会用5nm工艺的就有苹果、华为海思,这两家是最早首发的。后续AMD的Zen4处理器、高通的麒麟875、赛灵思的新一代FPGA也有望用上台积电的5nm工艺。

5nm之后,其3nm新厂可望于明年动工,更为厉害的是,2nm工艺的研发也已经开启,预期4年后就可以投放到市场上。更先进的工艺上,台积电也走在了前列。

在日前台积电召开的法人说明会上,CFO黄仁昭介绍到,对于2020年全年资本支出情况,台积电给出了150亿-160亿美元的预期,继2019年全年支出达到历史新高后,再破记录。在2020年的全部支出中,约80%将用于3nm、5nm与7nm等先进制程技术上,其余仅10%则用于包括先进封装与光罩,另外的10%则是用于特殊级制程技术上。他还指出,从细分业务来看,5nm、7nm等先进制程则或将成为台积电最强有力的增长动能。

高级封装上的进击

早些年,苹果iPhone处理器一直是三星独揽。但从A11开始,台积却接连独拿两代iPhone处理器订单,关键之一,就是台积电开发的全新封装技术InFO,它能让芯片与芯片之间直接连结,减少厚度,给电池或其他零件腾出宝贵的手机空间。此举也成为高级封装技术走向大规模商用的标志性事件。

高级封装技术在最近几年热度不断攀升,已经成为高性能芯片的必选项,也被视作延续摩尔定律生命周期的关键。过去,晶圆代工与封装厂基本都是各司其职,但随着终端对芯片要求的提升,一方面,处理器所存在的“内存墙”问题大大限制了处理器的性能,另一方面,随着高性能处理器的架构越来越复杂,晶体管数越来越多,再加上先进半导体工艺的价格昂贵,处理器良率提升速度差强人意。

为了解决这些问题,先进封装开始走上风口,而台积电很早就看到了这个需求。2011年的台积电第三季法说会上,张忠谋就宣布台积电要进军封装领域,其第一个产品,叫做CoWoS(Chip on Wafer on Substrate),就是是将逻辑芯片和DRAM放在矽中介层(interposer)上面,然后封装在基板上。

两、三年后余振华领导的整合连结与封装部门顺利开发出CoWoS技术,而到了量产之后,真正下单的主要客户只有赛灵思一家,可以看出,在彼时这种技术还不能完全被一众厂商接受,主要原因是价格太高。后来台积电开发价格略微低的先进封装技术,性能比CoWoS略差一些。这也就是后来首度用在iPhone 7与7Plus的InFO封装技术。

台积电的两大先进封装COWOS和InFO,这两年在市场上也取得了很大的优势,除了CoWoS和InFO这两大2.5D IC封装技术外,台积电在3D IC封装上还有SoIC 及 WoW。其SoIC 及 WoW 等3D IC先进封装也陆续试产成功。

2018年台积电已完成搭载7纳米逻辑IC及第二代高频宽记忆体(HBM 2)的 CoWoS 封装量产,并借由高制造良率、更大硅中介层与封装尺寸能力的增强、以及功能丰富的矽中介层,例如内含嵌入式电容器的矽中介层,使得台积电在 CoWoS 技术上的领先地位得以更加强化。

2019年10月,台积电在美国举办的开放创新平台论坛上,与ARM公司共同发布了业界首款采用CoWoS封装并获得硅晶验证的7纳米芯粒(Chiplet)系统。台积电技术发展副总经理侯永清表示,台积电的CoWoS先进封装技术及LIPINCON互连界面能协助客户将大尺寸的多核心设计分散到较小的小芯片组,以提供更优异良率与经济效益。

因看好未来 5G、人工智能、高效能运算(HPC)等新应用,而且芯片设计走向异质整合及系统化设计,台积电不断扩大先进封装技术研发,去年台积电顺利试产 7nm系统整合芯片(SoIC)及 16 纳米晶圆堆叠晶圆(WoW)等 3D IC 封装制程,预期 2021 年之后进入量产。

不得不说,原先不起眼的封装技术,现在俨然成为台积甩开三星、英特尔的主要差异点。在商业的推广上,台积电更是不遗余力地推广高级封装领域开放生态,包括封装技术、互联接口标准以及相关的IP,希望能给客户带来更多价值。

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