芯片江湖没有永远的老大
2022-03-15 22:09

芯片江湖没有永远的老大

本文来自微信公众号:芯东西 (ID:aichip001),作者:高歌,编辑:Panken,头图来自:视觉中国


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,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,还有一个经济学的维度,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150亿-200亿美元。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,则是成立于1987年的台积电,这家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,张忠谋只是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。


▲苹果2007年-2009年四款芯片参数(图片来源:知乎用户智晓生)


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。


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,手机还比自己卖得好?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。


五、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,先进制程竞争正进入白热化。


本文来自微信公众号:芯东西 (ID:aichip001),作者:高歌,编辑:Panken

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