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在摩爾定律的催化下,晶圓代工廠版圖恐將越來越小

2018-11-07來源: 非凡創芯力 關鍵字:晶圓代工

摩爾定律的創造者戈登?摩爾本人曾說過: 他相信,在摩爾定律遇到技術障礙之前,我們會先遇到經濟障礙。幾十年來,半導體行業一直遵循著摩爾的技術微縮定律與建立經濟門檻的節奏,一步一步地往前進步。



在 20 世紀 50 年代和 60 年代芯片工廠出現的初期,幾乎每個硅谷芯片制造商都在工廠里設計與生產自己的芯片 (IDM)。 IDM 芯片廠商雖然都能藉由更大的產量來創造更多的收入,但是為建設新工廠而積累的資本,與新產品銷售的風險卻變得巨大起來。



會費百億美元的芯片廠俱樂部變得越來越小

 

Globalfoundries (格芯) 這家全球第二大的芯片代工廠,于 2018 年 8 月底宣布,將不再投資于 7 納米 (nm) 制造工廠。格芯的退出,成為繼聯電去年 7月初宣布,不參與先進技術競賽的另ㄧ家代工大廠。半導體的技術競賽代價極為昂貴,現在建造一個最先進且全新的的芯片制造廠,需要花費 100 億 美元甚至 150 億美元,將來這樣的芯片廠造價會更高達 200 - 250 億美元,而世界上只有極少數的國家與幾家公司能夠積累這樣的專業人才、知識、資金和產業鏈。



資料來源; INTEL



格芯稱這一決定是出于經濟方面的考慮,而非 7LP 面臨的任何技術障礙。放棄先進技術爭奪戰的邏輯非常簡單: 停止把大量預算投入可能永遠無法獲得回報的研發和設備,轉而投資客戶可能仍會使用多年的現有技術。今年年底之后,格芯也將停止與位于紐約奧爾巴尼的 IBM 芯片研究部門 (SUNY Polytechnic Institute) 的合作,并將與 IBM 和 AMD 重新商談供應協議。



這一決定,也讓擁有 10nm 以下的先進芯片技術工廠降到只剩三家。早在一年以前,聯電退出芯技競賽時的聲明猶言在耳: 聯電會選擇自己的戰場,要在特定技術做到最領先、最極致,做出競爭力及提高獲利率。短短的一年后,格芯也做出了類似的決定。





據研究公司 IC Insight 的資料,2017 年臺積電在芯片代工的市占率 55.9%,格芯位居第二,市占率 9.4%,聯電位居第三,三星排名第四。然而以今年上半年的資料來看,臺積電的市占率仍高達 56.1%,格芯雖仍位居第二,但市占率卻降到 9%,與排名第三的聯電市占率 8.9% 幾乎沒有差別。



臺積電統治 7nm,三星 7nm 只接了自己的單,而英特爾的芯片代工業務已經陷入兩難的境地



臺積電和三星這幾年在技術上是你追我趕,至少在半導體工藝的數字上已經逐漸甩開英特爾。臺積電在 7nm 代工幾乎拿下了所有國際大客戶的訂單,比如蘋果 iPhone A12 處理器,華為、高通、博通、Xilinx、AMD、NVIDIA 等。使得代工廠排名第二和第三的格芯與聯電因接不到高階訂單,只好相繼暫停先進工藝開發的窘境。在 7nm 節點上,臺積電已經占據了優勢地位。



更進一步的,臺積電還投資了 250 億美元,開發下一代 5nm 工藝,往后還有 3nm 工藝,計劃在 2022 年底量產。

 



從存儲器賺到盆滿缽滿的三星,更是全力以赴沖刺 EUV量產 7nm 工藝與 InFO封裝技術,意圖在 2019 年奪回蘋果的訂單。



目前,三星 7nm 工藝的訂單有很大部分是靠著三星自家產品,這其中包括手機、家電及消費性電子產品等需求所堆砌出來的。此外還有高通的驍龍 5G 芯片,畢竟三星也是高通高端方案的最大客戶。高通愿意在三星的代工廠下單,有部分也是害怕三星手機產品全面采用自有的 Exynos 方案,如果不配合,掉單也是很有可能的事情。



除了技術方面的競爭外,三星也因良率偏低的問題,其收費方式不以單片芯片計價,而是以良品芯片作為計價標準,讓客戶比較不用擔心因良率低而需付出額外的成本。但即便如此,韓國以外的芯片設計客戶多半還是半信半疑,不敢輕易下單。



三星抓不到國際大客戶的最大原因是難以取得客戶的信任。三星過去的經營風格,一直以來都是為取得關鍵技術而不擇手段而聞名,與其合作的廠商幾乎都面臨產品或技術被 “參考” 的的命運,即便是蘋果也難以幸免。



英特爾曾在芯技競賽中居於領先地位,10nm 工藝一拖再拖,除了自家的處理器業務外,代工客戶數量一直沒有增加,甚至將面臨無客戶的尷尬局面。至于英特爾的代工業務是否分家,已經陷入了兩難的境地。這對一向自傲于全球半導體霸主,且技術至少領先競爭對手 3 年的英特爾而言,顯然是極不尋常的瓶頸關卡。



英特爾的制造策略長久以來一直是以快速地采用最新的工藝技術,大量的資本投入,堆高競爭門檻。最終逼得對手 AMD 分家,成立格芯芯片代工制造廠。分析英特爾的營收大部分,也來自于先進制程節點的貢獻。至于舊有的生產設施,要不進行更新,要不就是關廠收攤。



相較而言,純代工廠所追求的是另一套截然不同的優化策略。盡管臺積電也年年支出高額資本在開發先進工藝技術上,但從臺積電的技術工藝營收占比來分析,就可以知道臺積電最先進的 10nm,或 7nm 工藝在所有的營收進帳中,只有部分的占比。



芯技爭霸 預見中芯國際的成長與限制

 

以往的迷思,稍具規模的 IC 設計公司除了主要的芯片代工廠外,一定會尋找第二供應商,以降低區域或壟斷的風險。但是以現今的實際狀況來看,7nm 芯片幾乎就是高階 CPU、GPU 與 FPGA 等,才玩得起的技術。而擁有這些芯片設計能力的大廠,即使非不得已,也不愿意選擇 IDM 分家的代工廠來生產他們的產品。畢竟產品或技術被 "參考" 的結果,將造成這些 IC 設計大廠長期的競爭風險。臺積電經曾歷過無預警斷電或跳電、地震與機臺病毒等,不可控因素或人為疏失所造成的重大損失。然而,IC 設計大廠們對臺積電的黏著度還是非常的高。主要是所有設計大廠的競爭產品都在臺積電,發生風險的機率相同,再加上價格的透明性,并不會造成壟斷抬價或上市時程上的差異所帶來的競爭劣勢。



想想看,全球現在僅存的高端芯片供應商就只臺積電一家,但卻也沒聽說 IC 設計大廠排隊要去三星投片,建立第二供應商的急迫性與傳聞。由此可以大膽猜測,除非三星的工藝技術超前臺積電一代,否則短期內其市占率很難有大幅攀升的機會。臺積電也因為已囊括所有設計大廠最先進的產品,最進 AMD 7nm 的轉單,將再度推升臺積電的市占,而對格芯來說卻是失去了營收的助力。



要窺看未來芯片代工市場的變化,就要先掌握近年來 IC 設計產業的成長動態。全球前十大 IC 設計公司集中在美國、臺灣、新加坡和中國。歐洲 IC 設計公司方面,2017 年只占了全球市場市占率的 2%,而在日本或南韓等地,IC 設計企業并不流行。



中國的 IC 設計廠商家數成長快速,而且敢于采用最先進的芯片制造工藝生產自家的產品,在全球 IC 設計市場中扮演重要的角色。自 2010 年以來,IC 設計市場成長比例,大部分都是來自中國廠商的貢獻。中國的 IC 設計從 2010 年市場占有率為 5%,到了 2017 年已經成長到了 11%。





近期中興通訊事件以及中美貿易戰的爆發,中國為積極擺脫半導體晶片需仰賴進口,進一步改由國產芯片取代的情況下,急需先進的技術來解決長期的 "缺芯" 問題。



值此風口浪尖之際,中芯國際的 14nm 技術開發在梁孟松帶領下傳出了好消息。



不同于格芯與聯電退出 14nm 以下的芯技競賽,中芯國際的 14nm FinFET 工藝技術已接近研發完成,進入客戶導入階段。而且更加大舉投資在下一代 7nm 的研發,自荷商艾司摩爾 (ASML) 買來中國首臺極紫外線光刻機的消息曝光之后,過去阻礙中國半導體發展的關鍵的設備取得的枷鎖,似乎正逐漸地被打開。與此同時,聯同兩大政府產業基金共同投資 102.4 億美元,以加快 14nm 及以下先進制程的研發與量產計畫,擴建天津廠使最終達到每月量產 3.5 萬片的目標。



中國這幾年積極布局與投資在 5G 通訊、人工智能與物聯網的硬件、韌件與軟件的應用產品開發與布建。期望藉由全球 5G 通訊大規模啟用后,能快速提升國產半導體芯片的產品多元性、技術性、高值性與進口替代。中芯國際也是是中國所依靠的牽頭企業,帶領國產半導體材料商、設備商與設計公司,邁向全產業鏈自主生產目標。倘若 14nm FinFET 正式進入量產與加速擴大 28nm 產能,中國市場上交由海外代工的部分產品將會被引導而轉回由中芯國際代工,其市占率的提升將不能小覷。



中芯未來能否超 (三) 星追聯 (電) 趕格 (芯),取決于未來貿易戰的規模與美國的國防授權法案的落實速度。尤其值得注意的是,美國參眾兩院高票通過的國防授權法案,不只確立了中、美成為戰略對手的現實外,也表明了美國國內政治菁英動員及集結的完成。從中興案、嚴審外資對美國企業并購與投資、調漲國際郵資,與 ASML 被要求不得聘雇中國人等幾個端倪,可以看出美國已逐步出手干預自由市場的運作機制,與先進技術的輸出限制。由此推測,美國 IC 設計企業對于高端芯片的代工選擇,將不只是價格與地緣的經濟因素考量,而會改以政治考量為優先。



這是中芯

[1] [2]

關鍵字:晶圓代工

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