台積電是一家既可敬又可怕的企業,可敬的是其突破性的芯片代工模式顛覆了半導體行業的遊戲規則;可敬的是其成爲晶圓代工界的黃埔軍校,爲代工界培育了大量的人才;可敬的是其對中國半導體産業所作出的貢獻。但台積電也越來越可怕,可怕在其過去數十年的霸主地位,僅一家便吞下晶圓代工的半壁江山;可怕在其對先進工藝的追逐,7nm幾乎獨攬生意,5nm進入量産階段,2nm已有謀劃;可怕在其早早地對先進封裝技術的未雨綢缪和遠見,並不斷取得突破。
十年磨一劍,不,半導體業可能要更久,半導體業沒有彎道超車,有的只是在這個熾熱和浮躁的大環境下的冷靜和堅持。
過去十年不斷攀升的市占率
台積電的專業芯片代工模式改寫了半導體産業的遊戲規則,長久以來,台積電一直處于晶圓代工界的老大,其市占率逐年攀升,過去十年台積電的市占率一度處于一半以上的態勢,也因此格羅方德曾向歐盟和中國投訴台積電壟斷。
2009年台積電的市占率爲45%,正值金融危機之時,已經退休4年的張忠謀重回台積電,上任之後,張忠謀帶領台積電全力沖刺當時最前沿的28nm制程芯片,這一年,台積電實現了40nm量産和28nm的開發,並且開始部署20nm的研發。
2010年台積電經曆了強勢複蘇的一年,其所有晶圓代工廠滿負荷運轉,並實現了14%的産能提升。且40/45nm實現全面量産,28nm也開始和客戶預約訂單,2010年台積電的市占率上升爲47%。
2011年全球半導體市場增長接近于零,對台積電來說是具有挑戰的一年。但台積電市占率仍增長了2%,由2010年的47%上升到49%。這主要是由于,在台積電的技術優勢下,全球主要IC領導廠商與台積電、聯電的關系將更爲緊密,助其全球晶圓代工市場地位日益穩固。除此之外,台積電在2011年下半年率先提供28nm制程的量産技術。
2012年,憑借平板電腦和智能手機等移動IC的強勁需求,台積電實現了創紀錄的營收和利潤,其産能迅速轉向28納米,出貨量也比2011年增長了30倍。2012年台積電的市占率增長到49.5%。
2013年,台積電28納米出貨量和收入快速增長,並且引入了FinFET晶體管結構,使得16納米獲得了更好的性能,除此之外,台積電還開始了10納米工藝的研發。台積電的市占率爲46%。
得益于28納米技術的強勁需求以及客戶對20納米片上系統代工的快速接受和需求提升,2014年台積電創收和利潤再次達到新紀錄,其市占率一舉躍升到53.7%。其16nm FinFET Plus于2014年12月按計劃完成技術認證,7納米技術進入了高級開發階段。
2015年全球經濟發展疲軟阻礙了半導體的發展,但受益于先進工藝的發展,台積電20納米訂單增加了一倍,16納米FinFET工藝也被成功引入,10納米取得了良好的進展並且完成了技術認證,7納米在産量和良率上都得到了提升。2015年台積電在晶圓代工市場的市占率上升到55%。
據 IC Insights 的統計資料顯示,台積電在2016年以59%的市場占有率排第一,這主要是得益于台積電通過成爲世界邏輯IC行業技術和能力的可信賴提供商,10納米取得成功量産,7納米完成了技術認證。
2017年台積電10納米工藝訂單激增,7nm量産,並抓住了移動設備、高性能計算、物聯網和汽車半導體的機遇,不但在收入、淨利潤和每股收益上都實現了穩健的增長,還爲台積電在未來幾年建立了強勁的發展勢頭。2017 年台積電于全球晶圓代工市場的市占率高達 55.9%。
根據CINNO Research 産業研究統計的晶圓代工排名中,2018年積電的市占率爲53.3%。據調研機構Trendforce指出,台積電2019年第四季在代工市場的市占率爲52.7%,而且2019年11月,台積電市值一舉超越三星的市值,達到約2620億美元。
台積電市值顯著走高,主要與全球半導體生態系統的變化有密切關系,隨著手機時代的到來,高性能及高節能的應用處理器(AP) 越顯重要,故台積電的高端晶圓制造技術與量産能力,將能幫助台積電在市場內取得大量訂單。台積電市值走高還歸因于格芯宣布放棄進軍7 納米制程,而從格芯流出的高階晶片訂單,也令台積電更爲擴大在晶圓代工市場之影響力。
在今年年初召開的法人說明會上,台積電總裁魏哲家預測,受惠于5G和人工智能晶片應用快速成長,台積電營收有望在2020年第一季度達到102億-103億美元,創出新高;全年增幅則會優于産業平均值,同樣來到曆史最高點。
先進工藝的壟斷
台積電創業初期,在飛利浦的技術支持下,是以3.0um與2.5um切入市場,在當時落後Intel 2個世代。在1999-2009這十年,台積電通過高強度的資本和研發投入,工藝突飛猛進,逐漸趕超英特爾。後來隨著智能手機的興起,台積電擁抱行業最優質的客戶,與華爲海思、蘋果、高通、蘋果等客戶共同成長,不斷觸底摩爾定律的極限,突破14nm、7nm、5nm等技術節點,也因此在先進工藝上長期處于壟斷地位。
在先進制程的戰爭中,28nm可以說是台積電甩開其他晶圓廠的一大制勝武器,28nm制程從2011年開始量産,領先競爭對手3-5年。爲了充分發揮技術優勢,台積電非常注重迅速擴張先進産能,也正因爲如此,幫助台積電在每一個先進制程節點都能快速搶占客戶資源、擴大先發優勢,2012年,台積電在28nm制程工藝芯片市場的占有率接近100%。
放眼整個晶圓代工行業,目前主要還剩下台積電、三星、英特爾、聯電、格羅方德和中芯國際這幾個頭部企業,再加上聯電、GlobalFoundries等主要競爭對手相繼宣布放棄14nm以上節點研發,英特爾10nm工藝久久未出,台積電在先進工藝上的壟斷地位更加鞏固。
而台積電卻在先進工藝的路上愈戰愈勇,28nm制程攻克之後,台積電的先進制程發展迅速。2014年台積電啓動“夜鷹計劃”,全力奮戰10nm,研發人員實施24小時三班輪值不停休,從而大大提升了研發效率,到2016年底,台積電的10nm開始量産,2017年10納米開始爬坡。
在7nm工藝上,只有台積電和三星兩家能做到,但台積電在市場份額上占據絕對優勢。2019年台積電Q3季度財報會顯示,台積電的先進工藝産能爆發,蘋果、華爲、AMD等客戶都相繼推出了新一代7nm芯片,包括麒麟990系列、A14及銳龍3000、RX 5700系列等,所以台積電在7nm的訂單上可謂一家獨大,而且7nm産能早已供不應求,交付期都從2個月延長到了6個月。
在先進工藝的追逐戰中,EUV光刻機是關鍵的一環,而在三星、台積電和英特爾三家中,台積電的EUV布局當屬領先。Arete Research高級分析師Jim Fontanelli也表示,台積電在EUV領域處于領先地位,無論是所用的工具還是訂購的工具,生産的商用EUV晶圓的數量,還是將EUV集成到他們未來的路線圖中。據悉,今年台積電的7nm(包括EUV)晶圓産能大概在10-11萬片/月。三星7nm LPP(EUV)工藝的晶圓産能大概在1萬張/月,只有台積電的1/10左右。
2019年10月,根據台積電聯席CEO魏哲家此前公布的數據,公司的5nm工藝已經完成研發,目前正在風險試産,量産時間也提前到了今年Q1季度。目前可以確定會用5nm工藝的就有蘋果、華爲海思,這兩家是最早首發的。後續AMD的Zen4處理器、高通的麒麟875、賽靈思的新一代FPGA也有望用上台積電的5nm工藝。
5nm之後,其3nm新廠可望于明年動工,更爲厲害的是,2nm工藝的研發也已經開啓,預期4年後就可以投放到市場上。更先進的工藝上,台積電也走在了前列。
在日前台積電召開的法人說明會上,CFO黃仁昭介紹到,對于2020年全年資本支出情況,台積電給出了150億-160億美元的預期,繼2019年全年支出達到曆史新高後,再破記錄。在2020年的全部支出中,約80%將用于3nm、5nm與7nm等先進制程技術上,其余僅10%則用于包括先進封裝與光罩,另外的10%則是用于特殊級制程技術上。他還指出,從細分業務來看,5nm、7nm等先進制程則或將成爲台積電最強有力的增長動能。
高級封裝上的進擊
早些年,蘋果iPhone處理器一直是三星獨攬。但從A11開始,台積卻接連獨拿兩代iPhone處理器訂單,關鍵之一,就是台積電開發的全新封裝技術InFO,它能讓芯片與芯片之間直接連結,減少厚度,給電池或其他零件騰出寶貴的手機空間。此舉也成爲高級封裝技術走向大規模商用的標志性事件。
高級封裝技術在最近幾年熱度不斷攀升,已經成爲高性能芯片的必選項,也被視作延續摩爾定律生命周期的關鍵。過去,晶圓代工與封裝廠基本都是各司其職,但隨著終端對芯片要求的提升,一方面,處理器所存在的“內存牆”問題大大限制了處理器的性能,另一方面,隨著高性能處理器的架構越來越複雜,晶體管數越來越多,再加上先進半導體工藝的價格昂貴,處理器良率提升速度差強人意。
爲了解決這些問題,先進封裝開始走上風口,而台積電很早就看到了這個需求。2011年的台積電第三季法說會上,張忠謀就宣布台積電要進軍封裝領域,其第一個産品,叫做CoWoS(Chip on Wafer on Substrate),就是是將邏輯芯片和DRAM放在矽中介層(interposer)上面,然後封裝在基板上。
兩、三年後余振華領導的整合連結與封裝部門順利開發出CoWoS技術,而到了量産之後,真正下單的主要客戶只有賽靈思一家,可以看出,在彼時這種技術還不能完全被一衆廠商接受,主要原因是價格太高。後來台積電開發價格略微低的先進封裝技術,性能比CoWoS略差一些。這也就是後來首度用在iPhone 7與7Plus的InFO封裝技術。
台積電的兩大先進封裝COWOS和InFO,這兩年在市場上也取得了很大的優勢,除了CoWoS和InFO這兩大2.5D IC封裝技術外,台積電在3D IC封裝上還有SoIC 及 WoW。其SoIC 及 WoW 等3D IC先進封裝也陸續試産成功。
2018年台積電已完成搭載7納米邏輯IC及第二代高頻寬記憶體(HBM 2)的 CoWoS 封裝量産,並借由高制造良率、更大硅中介層與封裝尺寸能力的增強、以及功能豐富的矽中介層,例如內含嵌入式電容器的矽中介層,使得台積電在 CoWoS 技術上的領先地位得以更加強化。
2019年10月,台積電在美國舉辦的開放創新平台論壇上,與ARM公司共同發布了業界首款采用CoWoS封裝並獲得硅晶驗證的7納米芯粒(Chiplet)系統。台積電技術發展副總經理侯永清表示,台積電的CoWoS先進封裝技術及LIPINCON互連界面能協助客戶將大尺寸的多核心設計分散到較小的小芯片組,以提供更優異良率與經濟效益。
因看好未來 5G、人工智能、高效能運算(HPC)等新應用,而且芯片設計走向異質整合及系統化設計,台積電不斷擴大先進封裝技術研發,去年台積電順利試産 7nm系統整合芯片(SoIC)及 16 納米晶圓堆疊晶圓(WoW)等 3D IC 封裝制程,預期 2021 年之後進入量産。
不得不說,原先不起眼的封裝技術,現在俨然成爲台積甩開三星、英特爾的主要差異點。在商業的推廣上,台積電更是不遺余力地推廣高級封裝領域開放生態,包括封裝技術、互聯接口標准以及相關的IP,希望能給客戶帶來更多價值。