2021年11月25日 | 3nm鏖战正酣 代工双雄台积电和三星谁会胜出？

5nm之后，晶圆代工竞争开始走向更先进制程的3nm节点。当前，在先进制程的竞争上，已形成三星、台积电、英特尔三分天下的局面。而从3nm来看，三星和台积电之间的争夺尤为激烈。

关于3nm的进度，台积电方面表示，3nm制程进展符合进度，于今年试产，并将于2022年下半年量产。三星电子则宣布将于2022年上半年开始生产首批3nm芯片，第二代3nm芯片预计将于2023年开始生产。

从时间上看，三星3nm将领先台积电大约半年时间，其欲借3nm反超台积电的心思显而易见。综合来看，两者的实力究竟如何？本文将从技术、资金、产能、客户等方面展开，以期反映两者大致的实力概貌。

技术路线

台积电和三星在3nm最大的不同在于技术选择上。

台积电3nm制程将继续采用FinFET（鳍式场效晶体管）技术。为何台积电会做此选择？分析认为，一方面正是由于其研发团队将 FinFET 的性能提高到了新的高度，与 5nm 相比， 3nm 在速度上有10%~15%的提升，功耗有25~30%的降低，而逻辑密度则提高 1.7 倍，SRAM 密度也将提升 20%；另一方面是由于3nm可以在 2022年下半年量产，这样能让下单客户实现技术的快速升级，率先推出领先的产品。

三星方面，为了在半导体制程工艺上追赶上台积电，在3nm工艺的研发当中率先引入了全新的GAA(Gate-all-around，环绕栅极)技术。

据了解，基于GAA的FET（GAAFET）有多种形式，大多数研究都是基于纳米线的GAAFET，它们具有较小的沟道宽度。这些类型的GAAFET通常用于低功耗设计，但很难制造出来。另一种实现方式是使沟道像水平铺放的纸一样，通过增加沟道面积来为性能和尺寸带来好处。三星称其基于纳米片的GAAFET为多桥沟道FET或MBCFET，该技术可以显著增强晶体管性能，主要取代FinFET晶体管技术。

相比于FinFET晶体管技术，GAAFET架构的晶体管提供更好的静电特性，这样漏电功率会降低，从而功耗降低。三星表示，与5nm制程相较，GAA制程技术将使得芯片面积可再减少35%，性能可提高30%或功耗降低50%。

三星3nm工艺上分为两个版本，其中3GAE(低功耗版)将在2022年年初投入量产，3GAP(高性能版)则会在2023年年初批量生产。

研发实力

要想在芯片制程工艺方面保持领先，也就意味着需要在研发方面投入大量的资金。

台积电的研发投入一直稳定增长。根据台积电财报，2019年，研发支出为29.59亿美元。2020年，台积电为了追求5纳米及更先进的3纳米工艺，研发支出更是大增26%，一举突破30亿美元，达到37.2亿美元。而从台积电4月15日发布的一季度财报来看，其今年在研发上的投入将会更高，一季度10.96亿美元的研发支出，明显高于去年的平均水平。

资本支出方面，台积电于今年1月14日发布消息称，计划将今年的资本支出增加至250亿美元到280亿美元之间，IC Insights 估计，台积电平均单季度资本支出将约69 亿美元，较2020 年第4 季度支出倍增。

在这方面，三星同样不甘落后。三星的研发支出逐年大幅增加，其2020年研发支出为55亿美元。

资本支出方面，据IC Insights报告显示，自2017年以来，三星的半导体资本支出一直非常强劲，2018年的支出达到216亿美元，2019年达到193亿美元，去年达到281亿美元。数据显示，三星在2017-2020年期间资本支出总额为932亿美元。尽管三星尚未为其2021年的支出提供指导，但IC Insights估计该公司的支出将基本与2020年持平。

此外，2019年4月，三星公布“半导体愿景2030”发展蓝图，准备在10年内投资1160亿美元，录用15000名专业人才，以期在2030年前大幅提升在晶圆代工市场竞争力，并在2030 年超越台积电，登上产业龙头。

光刻机

除了技术研发，对代工厂商而言，还需要设备方面投入大量的资金，这其中又以光刻机的支出最为昂贵。

光刻机是生产制造芯片的必要设备，尤其是生产制造7nm以下制程的芯片，必须要用到EUV光刻机。而ASML是目前全球唯一能制造EUV光刻机的厂商，包括台积电、三星、英特尔先进芯片制程工艺量产所需的极紫外光刻机，均由ASML提供。根据ASML财报披露，一季度来自光刻机的收入共 31.29 亿欧元，EUV光刻机占 36%，也就是为 11.26 亿欧元，光刻机的平均价格为 1.6 亿欧元。

数据显示，截止到2020年底，ASML已经出货100台EUV光刻机，但三星仅获得30台EUV光刻机，相比之下，台积电在EUV光刻机方面却稳如泰山，消息称，其已经安装超70台EUV光刻机，是三星的两倍之多。不仅如此，在EUV光刻机交付、安装方面，ASML往往是优先供货台积电。

此前曾有报道称，为应对新制程工艺产能扩大的需求，台积电极紫外光刻机的累计采购量在今年将超过50台，预计今年可获得18台。姑且按照每台1.6亿欧元估算，13 套 EUV可能使台积电花费高达 20.8亿欧元（约合23.4亿美元）。

为了赢得未来，上文提到的三星为期十年、总投资高达1160亿美元的方案中，为促进晶圆代工业务的发展，其中最核心的能力就是攻克EUV光刻技术。

早于2019年，三星就花费170亿美元，在韩国京畿道华城建造EUV工厂。三星还专门为华城工厂购置了15台EUV光刻机（分3年时间交货），ASML公司的EUV光刻机，仅一台售价就高达1.72亿美元，一下豪置15台，可见三星在晶圆代工领域翻身的决心。

2020年年初，有外媒报道称，三星已开始其新建的V1晶圆工厂的大规模生产，成为业内首批完全使用6LPP和7LPP制造工艺的纯极紫外光刻（EUV）生产线。而该工厂还被认为是三星3nm制程的主阵地。而据今年2月21日消息，三星电子在一份文件中表示，将提早扩大位于京畿道华城的芯片工厂V1生产线来扩大其EUV专用生产线的产能，三星正抓紧为3nm量产做准备。

产能方面

对于代工厂商而言，率先将先进工艺量产，并且保证性能稳定是抢占市场份额的关键。

台积电的3nm制程技术最快会在2022年投产，并且计划在2022年下半年即可量产 ，实际应用产品则预期会在2023年推出。而台积电目前在美国亚利桑那州投资建造新厂会以5nm制程技术生产为主，而3nm制程技术则会以位于中国台湾地区南部科学工业园区建造厂房提供。

台积电董事长刘德音曾经表示，在3nm制程上，于南科厂的累计投资将超过 2万亿元新台币，目标是3nm量产时，12英寸晶圆月产能超过60万片。而据Digitimes报道，台积电3nm芯片在2022年下半年开始量产，单月产能5.5万片起，2023年，将达到10.5万片。

在产能方面，台积电具有动态调配生产线能力，可以将产能利用率提高到110~120％。而在良率方面，台积电的新制程接单标准是一般不低于75%，在14nm等成熟的工艺线，良率则能保证达到95%~98%，这也让台积电的优势更为巩固。简而言之，台积电的竞争力不只来自核心工艺，它的整套内部管理制度才是保证产能与良率的关键。

三星方面，由于自家业务原因，能开放给别人的产能比不上纯做晶圆代工的台积电。目前三星在产能与良率方面和台积电仍有一段差距。知名研究机构The Information Network预测，台积电领先三星在晶圆代工的先进制程产能规模约242%至460%不等。

统计数据显示，三星在2020年的晶圆月产能约为2.5万片，而台积电则为14万片，尤其是在目前最前沿的5nm制程方面，三星晶圆月产能约为5000片，而台积电约为9万片。

在最新通报会上，台积电表示，由于5nm需求强劲，该公司5nm系列在2021年的产能扩充计划比2020年会翻倍，2022年将比2020年增长3.5倍以上，并在2023年达到2020年的4倍以上。

而据韩国媒体引述多家供应商报道，由于三星迟迟未提高5nm的产品良率，使得三星在5nm产线的构建与客户抢夺上也陷入被动。 

客户订单

近段时间以来，频传台积电和三星3nm首家客户的消息。据消息称，苹果已经成为台积电3nm制程的首批客户，预先承包了台积电3nm制程的初期产能，同时英特尔也将采用台积电3nm制程生产图形芯片、服务器处理器。

而处理器大厂AMD可能成为三星代工业务首家3nm制程客户，原因是合作伙伴台积电与苹果关系密切，使AMD考虑选择三星交付3纳米制程订单。除了AMD，高通也对三星3nm制程感兴趣。

目前，两家的3nm客户名单还未正式公布。但从现有客户来看，台积电的客户几乎覆盖了全球顶级半导体巨头，包括苹果、AMD、高通、Marvel、联发科、英伟达等都是其主要客户。

图：台积电客户营收占比，数据来源：The Information Network

过去三星的晶圆代工服务一直卡在无法有效扩大客户群，除了自家三星电子的订单以外，能接到的外部订单寥寥可数。近年来，三星陆续拿下谷歌和思科，高通和英伟达等重大客户。如果三星在3nm真的能够领先台积电，预计还能够再吸引到更多的客户。

结语：TrendForce数据最新显示，目前台积电的市场份额接近52.9%，是全球最大的芯片代工企业，而三星位居第二，市场份额为17.3%，三星与台积电的差异依旧明显。三星能否凭借3nm打赢这场翻身仗？或许明年就会有分晓。