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作者：暢秋
4月下旬，臺積電發(fā)布了一種新版本4nm制程工藝——N4C，計劃在2025年上線量產(chǎn)。這款工藝產(chǎn)品的核心價值是降低了成本。
雖然臺積電的大部分精力都集中在其領(lǐng)先的制程節(jié)點上，如N3E和N2，但在未來幾年，大量芯片仍將繼續(xù)使用5nm和4nm制程。
N4C屬于該公司5nm制程系列，為了進(jìn)一步降低制造成本，N4C進(jìn)行了一些修改，包括重新構(gòu)建其標(biāo)準(zhǔn)單元和SRAM，更改一些設(shè)計規(guī)則，以及減少掩膜層數(shù)量。通過以上改進(jìn)措施，N4C能實現(xiàn)更小的芯片尺寸并降低生產(chǎn)復(fù)雜性，從而將芯片成本降低8.5%左右。
此外，N4C具有與N4P相同的晶圓級缺陷密度率，由于芯片面積減小，N4C將實現(xiàn)更高的良率，良率提高，就意味著成本下降。臺積電表示，N4C為客戶提供了多種選擇，以在成本效益和設(shè)計工作量之間找到更好的平衡。
2023下半年，臺積電為客戶量產(chǎn)了3nm制程芯片，版本是N3B，它的高成本是一個問題，在進(jìn)一步優(yōu)化3nm工藝，以降低成本的同時，臺積電又推出了N4C，充分體現(xiàn)出那些希望使用更具成本效益的FinFET制程節(jié)點客戶的心聲。隨著先進(jìn)制程工藝發(fā)展到3nm，在成本壓力面前，強如臺積電這樣的晶圓代工大廠也不得不想辦法節(jié)流，以節(jié)約資本支出。
?01財報與資本支出體現(xiàn)成本壓力
臺積電2023年第三季度的財報顯示，季度營收172.8億美金，環(huán)比增加10.2%，但同比下降14.6%。由于整體營收增長情況不佳，臺積電明顯收縮了最近3年持續(xù)高企的資本支出。
2024年4月18日，臺積電發(fā)布了2024年第一季度財報，其中，最受關(guān)注的兩項數(shù)據(jù)是營收和毛利率。在這一季度內(nèi)，該公司單片晶圓（等效12英寸）收入約為6228美元，環(huán)比下降407美元。進(jìn)入一季度，3nm出貨量下降，拉低了產(chǎn)品均價。該季度內(nèi)，臺積電平均固定成本（折舊攤銷）約為1671美元/片，環(huán)比增加73美元/片，3nm的量產(chǎn)帶動折舊攤銷總量提升，從而帶動單位固定成本增加。平均可變成本（其它制造費用）約為1252美元/片，環(huán)比下降266美元/片。
綜上，單片毛利為3305美元，環(huán)比下降214美元，單位價格減少了407美元，單位成本減少了193美元。雖然3nm的量產(chǎn)能帶動該公司出貨均價提升（提升至6000美元以上），對毛利率有正向作用，但同時，成本端的增加影響了毛利率。結(jié)合該公司對下季度的毛利率指引（51%-53%）來看，其毛利率仍將繼續(xù)在低位徘徊。另外，二季度電力成本的增加，也將對該公司毛利率產(chǎn)生影響。
從以上財報數(shù)據(jù)可以看出，臺積電面對著較大的成本壓力，必須想辦法降低成本。進(jìn)入2024年以后，傳臺積電將在原計劃的基礎(chǔ)上增加全年的資本支出（原計劃280億~320億美元），但一季度財報發(fā)布會上，該公司表示，將維持原來的資本支出計劃不變。這是臺積電對全年市況研判，以及成本控制需求綜合考量的結(jié)果。不久前，EUV光刻機龍頭ASML發(fā)布了2024年第一季度財報，營收為52.9億歐元，低于市場預(yù)期（54.7億歐元）。
本季度收入下滑，很重要的一個原因是臺積電及韓國客戶拉貨明顯放緩了。EUV和ArFi是該公司的主要收入來源，約占據(jù)其收入的70%。本季度收入的同比下滑，主要是客戶對EUV等產(chǎn)品的拉貨放緩造成的。
整體來看，ASML的財報不太理想，收入和利潤都出現(xiàn)明顯下滑。作為大客戶，臺積電對EUV設(shè)備需求的減少，直接導(dǎo)致ASML營收下滑。這也從一個側(cè)面體現(xiàn)出臺積電對成本控制的考量。為了解決成本，臺積電將工作重心放在了先進(jìn)封裝方面，因為它既能滿足客戶對先進(jìn)制程芯片的訂單需求，同時還可以節(jié)約成本，相對而言，臺積電對EUV光刻系統(tǒng)的需求減弱了。
?02更先進(jìn)制程的高成本
4nm和3nm是已經(jīng)量產(chǎn)的制程，成本已經(jīng)如此之高，正在準(zhǔn)備量產(chǎn)的2nm制程成本會更高。International Business Strategies（IBS）的分析師認(rèn)為，與3nm處理器相比，2nm芯片成本將增長約50%。
IBS估計，一個產(chǎn)能約為每月50000片晶圓（WSPM）的2nm產(chǎn)線的成本約為280億美元，而具有類似產(chǎn)能的3nm產(chǎn)線的成本約為200億美元。增加的成本，很大一部分來自于EUV光刻設(shè)備數(shù)量的增加，這將大大增加每片晶圓和每個芯片的生產(chǎn)成本，而能夠接受如此高成本芯片的廠商，只有蘋果、AMD、英偉達(dá)和高通等少數(shù)幾家。
IBS估計，2025~2026年，使用臺積電N2工藝加工單個12英寸晶圓將花費蘋果約30000美元，而基于N3工藝的晶圓成本約為20000美元。隨著對AI處理器需求的增加，英偉達(dá)在臺積電收入中的份額可能會在2024年增加，該公司已經(jīng)預(yù)訂了臺積電晶圓代工和CoWoS封裝產(chǎn)能，以確保其用于AI的優(yōu)質(zhì)處理器的穩(wěn)定供應(yīng)。
今年，AMD在臺積電總營收中的份額有望超過10%。正是有蘋果、英偉達(dá)、AMD等大客戶下單，臺積電才會大規(guī)模投資最先進(jìn)制程，否則，像3nm和2nm這樣燒錢的制程產(chǎn)線，是很難持續(xù)支撐下去的。
但是，就目前的情況來看，臺積電對2024全年的晶圓代工市場預(yù)判較為保守，認(rèn)為之前的預(yù)估過于樂觀了（之前預(yù)估該行業(yè)年增長20%左右），現(xiàn)在看來，增長率可能只有10%左右。在這種情況下，雖然有大客戶的訂單，也必須控制一下成本和資本支出了。
?03三星從臺積電的高成本中獲益
作為臺積電的最大競爭對手，三星很難在原有的競爭體系中實現(xiàn)突破，然而，這兩家在美國大規(guī)模建廠的舉動，給三星提供了機會，因為與中國臺灣地區(qū)相比，臺積電在美國制造的4nm和5nm制程芯片的成本至少高出20%~30%。
據(jù)悉，臺積電已經(jīng)開始與客戶討論美國新建晶圓廠芯片訂單并協(xié)商新定價。臺積電在日本熊本也在建晶圓廠，將在那里生產(chǎn)12nm、16nm、22nm和28nm芯片。據(jù)報道，臺積電日本工廠生產(chǎn)的芯片成本將高出10%~15%。以上這些消息對三星晶圓代工業(yè)務(wù)來說可能是一件好事，因為它可以以低于臺積電的價格提供相同制程芯片的代工服務(wù)，有望從臺積電那里搶走一些客戶訂單。
有消息稱，三星已經(jīng)接到AMD和谷歌的4nm芯片訂單，AMD的下一代CPU和GPU產(chǎn)品，以及谷歌的Tensor G3，可以使用三星改進(jìn)版本的4nm工藝制造，可實現(xiàn)更好的能效和性能。2023年，三星和Ambarella達(dá)成協(xié)議，代工生產(chǎn)后者用于處理L2~L4級自動駕駛數(shù)據(jù)的CV3-AD685芯片。此外，三星還贏得了Mobileye的ADAS芯片生產(chǎn)訂單，先前，Mobileye是在臺積電那里下單的。還有媒體報道稱，三星將再分食特斯拉下一代全自動輔助駕駛（FSD）芯片大單，據(jù)悉，下一代FSD芯片將采用三星的4nm制程生產(chǎn)。
前些年，三星是特斯拉較早版本FSD芯片的代工廠，后來，特斯拉選擇臺積電作為生產(chǎn)HW 5.0汽車芯片的主要合作伙伴，因為那時三星的4nm制程良率落后臺積電太多。產(chǎn)業(yè)觀察人士指出，近一年來，三星4nm良率大幅提升，與臺積電的區(qū)別不大了，成為爭取特斯拉訂單回籠的關(guān)鍵。2023年5月，三星執(zhí)行董事長李在镕和特斯拉CEO馬斯克會面，討論強化科技聯(lián)盟的方式時，便開始醞釀改變。
產(chǎn)業(yè)人士透露，李在镕在會議中，向馬斯克提出了難以拒絕的優(yōu)惠合約價格。面對三星4nm和3nm制程工藝水平、良率的提升，以及價格優(yōu)勢，臺積電必須在成本控制上多做些文章，否則毛利率會明顯下滑。
?04挖掘先進(jìn)封裝潛力
進(jìn)入2024年以來，由于iPhone訂單明顯減少，使得臺積電的4nm制程產(chǎn)能利用率只有70%左右?，F(xiàn)在，4nm制程之所以填不滿，并非沒有訂單，而是因為受限于先進(jìn)封裝CoWoS產(chǎn)能。
作為AI芯片大戶，英偉達(dá)的新一代GPU B200的芯片尺寸比H100大一倍，將會消耗大量的晶圓產(chǎn)能，假如封裝產(chǎn)能（CoWoS）能同步跟上的話，就有機會把臺積電4nm的產(chǎn)能拉滿。臺積電AI占比能不能快速升高，是否上調(diào)資本支出，決定因子并非先進(jìn)制程的比重，而是與CoWoS封裝的產(chǎn)能規(guī)劃緊密相關(guān)。
行業(yè)預(yù)估，臺積電2024年的芯片產(chǎn)能將達(dá)到32萬片，2025年原本預(yù)估為45萬片，現(xiàn)在外資已經(jīng)上調(diào)到60萬片/年，上調(diào)幅度超過30%。可見，先進(jìn)封裝的地位明顯提升，已經(jīng)和4nm、3nm這些先進(jìn)制程并駕齊驅(qū)了。
除了5nm以下先進(jìn)制程芯片需要CoWoS這類先進(jìn)封裝外，從成本角度考量，相對于傳統(tǒng)封裝，3D封裝技術(shù)搭配先進(jìn)制程，是可以降低總體成本的，特別是對臺積電和三星這種量級的晶圓代工來說，將Chiplet（小芯片）和3D封裝相結(jié)合，將成為一種成本較低的解決方案。
目前，AI大芯片多由臺積電代工生產(chǎn)，而從未來的發(fā)展態(tài)勢來看，AI芯片的晶體管數(shù)量會不斷增加，由于是用于數(shù)據(jù)中心和云計算，對尺寸要求不高，因此，未來的AI芯片很可能會越來越大。臺積電正在通過CoWoS封裝技術(shù)，開發(fā)比AMD的Instinct MI300X和英偉達(dá)B200面積更大的AI芯片，封裝面積達(dá)到120mm x120mm。
這里簡單介紹一下CoWoS（Chip On Wafer On Substrate），它是臺積電的一種2.5D封裝技術(shù)，由CoW和oS組合而來。先將芯片通過Chip on Wafer（CoW）的封裝制程連接至硅晶圓，再把CoW芯片與基板（Substrate）連接，整合成CoWoS。該技術(shù)的核心是將不同的芯片堆疊在同一片硅中介層，以實現(xiàn)多顆芯片互聯(lián)。在硅中介層中，臺積電使用微凸塊（μBmps）、硅通孔（TSV）等技術(shù)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)引線鍵合，用于裸片間連接，大大提高了互聯(lián)密度和數(shù)據(jù)傳輸帶寬。根據(jù)采用的不同中介層，臺積電把CoWoS封裝技術(shù)分為3種類型：CoWoS-S（Silicon Interposer）、CoWoS-R（RDL Interposer）和CoWoS-L（Local Silicon Interconnect and RDL Interposer）。
臺積電的競爭對手三星也在開發(fā)先進(jìn)封裝技術(shù)。為了與臺積電爭奪AI大芯片訂單，三星推出了FO-PLP先進(jìn)封裝技術(shù)，以吸引客戶。三星DS部門先進(jìn)封裝(AVP)團(tuán)隊正在研究將FO-PLP技術(shù)用于2.5D封裝，可將SoC和HBM整合到硅中介層，構(gòu)成完整芯片。
與CoWoS不同的是，F(xiàn)O-PLP 2.5D是在方形基板上封裝，CoWoS 2.5D采用的是圓形基板，F(xiàn)O-PLP不會有邊緣基板損耗問題，有較高生產(chǎn)率，但因要將芯片由晶圓移植到方形基板上，作業(yè)程序較復(fù)雜。若FO-PLP成功，三星就能將其晶圓代工和存儲器業(yè)務(wù)有機整合，可以為AI芯片客戶（如英偉達(dá)和AMD）提供一站式解決方案。如果能成真的話，三星將能提供有別于臺積電的差異化服務(wù)，為其爭奪訂單增加籌碼。除了2.5D，三星也在開發(fā)3D封裝技術(shù)。
據(jù)悉，該公司將使用 SAINT 技術(shù)（三星先進(jìn)互連技術(shù)），以更小的尺寸集成高性能芯片所需的內(nèi)存和處理器。知情人士表示，三星計劃推出三種SAINT技術(shù)：SAINT S，垂直堆疊SRAM芯片和CPU；SAINT D，用于CPU、GPU等處理器和DRAM的垂直封裝；SAINT L，堆疊應(yīng)用處理器。據(jù)悉，SAINT S方案已經(jīng)通過了驗證測試，消息人士稱，三星與客戶進(jìn)行進(jìn)一步測試后，將于明年推出商業(yè)服務(wù)。
?05結(jié)語
先進(jìn)制程節(jié)點已經(jīng)發(fā)展到了3nm階段，2nm也將于2025年量產(chǎn)。這么先進(jìn)的制程技術(shù)，對設(shè)備、廠房、電力、技術(shù)人員的要求很高，花費的資金不是一般晶圓廠能夠承受的，相關(guān)的芯片代工價格也不是一般IC設(shè)計公司能夠支付的。而且，隨著制程進(jìn)一步演進(jìn)，未來的1nm及以下更先進(jìn)制程的成本將高得嚇人。目前來看，這樣的高成本，就算是在最先進(jìn)制程工藝市場難求一敗的臺積電也無法完全承受，需要采取一些措施來降低成本。
同時，三星的先進(jìn)制程工藝與臺積電之間的差距越來越小，再加上其成本優(yōu)勢，臺積電的壓力不小，三星也有了贏得更多訂單的機會。隨著英特爾的加入，并不斷提升其晶圓代工市場影響力，將會給臺積電帶來更多壓力，如果不控制好成本，市占率和毛利率難以長期保持目前的水平。
下載ECAD模型
