【收錄專題 | 半導(dǎo)體行業(yè)現(xiàn)狀、市場分析及發(fā)展前景】

　　當(dāng)下的半導(dǎo)體先進(jìn)制程領(lǐng)域中，三星、英特爾、臺(tái)積電可謂是三足鼎立，各有千秋。三星是IDM和Foundry企業(yè)，在存儲(chǔ)器領(lǐng)域長期霸占全球首位，占比約為40%，在全球代工領(lǐng)域排名第二，2021年銷售額達(dá)820億美元，躍居全球首位;英特爾是IDM企業(yè)，主要以微處理器為主，2021年銷售額達(dá)到738億美元，位居全球第二位;而臺(tái)積電是全球Foundry企業(yè)的首位，占比為54%，2021年銷售額達(dá)到565億美元。

　　現(xiàn)在，業(yè)內(nèi)總喜歡將摩爾定律作為指引,用來比較誰的工藝制程技術(shù)占先。而實(shí)際上，全球半導(dǎo)體業(yè)自22納米之后，就不再用晶體管的柵長來定義工藝尺寸了，這也導(dǎo)致當(dāng)下產(chǎn)生了很多分岐，使得三星、英特爾、臺(tái)積電之間的競爭顯得撲朔迷離。

　　臺(tái)積電一家獨(dú)大，三星與英特爾伯仲難分

　　從銷售額來說，高德納咨詢公司發(fā)布數(shù)據(jù)顯示，三星2021年半導(dǎo)體銷售額達(dá)732億美元，市場份額達(dá)12.3%。這是三星時(shí)隔三年再度力壓英特爾奪回市場份額冠軍。

　　三星本就是全球存儲(chǔ)器領(lǐng)域的王者，已經(jīng)連續(xù)霸榜多年，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021年它的DRAM市占率達(dá)到了43.6%,NAND達(dá)到了35%。

　　連臺(tái)積電創(chuàng)始人張忠謀也承認(rèn)三星如同“700磅的大猩猩”，很有實(shí)力。

　　三星在2019年曾喊出要砸下133兆韓元(約合1100億美元)發(fā)展系統(tǒng)邏輯芯片，及晶圓代工等業(yè)務(wù)，目的是要在2030年超越臺(tái)積電，搶下晶圓代工龍頭的寶座。

　　據(jù)TrendForce集邦咨詢的數(shù)據(jù)，盡管三星在2021年第四季的晶圓代工營收突破新高，達(dá)到了55.4億美元，但還是屈居第二。因?yàn)榕_(tái)積電的營收達(dá)到了驚人的157.5億美元，并且還掌握著全球超過五成的市占率，穩(wěn)居第一。

　　在競爭激烈的3納米制程工藝方面，三星和臺(tái)積電的技術(shù)路線并不相同，三星首先采用全環(huán)繞柵極晶體管(GAA)，臺(tái)積電則是繼續(xù)采用鰭式場效應(yīng)晶體管(FinFET)架構(gòu)。

　　自1993年，英特爾從日本NEC手中奪得全球銷售額第一，已經(jīng)連續(xù)稱霸近30年。在半導(dǎo)體工藝制程技術(shù)方面,英特爾2003年的應(yīng)變硅技術(shù)、2007年的HKMG技術(shù)以及2011年的3D finfet技術(shù)，對(duì)于全球半導(dǎo)體行業(yè)來說都具有著里程碑似的意義。

　　但是在2014年，從14納米finfet工藝開始，或許是因?yàn)橛⑻貭柎饲扒斑M(jìn)的步伐邁的太大了，后面就開始逐漸減速，尤其是在10納米制程工藝期間，耽誤了太長時(shí)間。

　　近日英特爾在VLSI技術(shù)研討會(huì)上，給出了有關(guān)Intel 4工藝的更多細(xì)節(jié)。

英特爾最新制程工藝路線圖(圖片來源：英特爾公司)

　　據(jù)了解，Intel 4是英特爾首個(gè)采用EUV光刻技術(shù)的工藝、相較于Intel 7，能夠?qū)崿F(xiàn)每瓦提升20%的性能。英特爾CEO帕特·基爾辛格宣布于2021年第二季度Intel 4已經(jīng)進(jìn)入tape-in階段。

　　據(jù)傳，Intel 4的性能可能在臺(tái)積電的N5及N3E之間。

　　Intel 4與TSMC N5及N3E的各項(xiàng)數(shù)組對(duì)比

　　由此可知，如果Intel 4能實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，那么英特爾與臺(tái)積電之間的工藝研發(fā)差距就將縮小到一年左右。接下來，就要看Intel 20A及Intel 18A的進(jìn)程,也就是3納米與2納米的比拼。

　　從另一方面來說，近期臺(tái)積電在美設(shè)5納米芯片制造廠，英特爾也欲重振其鼓，計(jì)劃在美國亞利桑那州投資200億美元興建兩個(gè)晶圓廠，新設(shè)代工事業(yè)部(IFS)，并且同樣計(jì)劃在2025年量產(chǎn)2納米。

　　目前，先進(jìn)工藝制程的定義并不統(tǒng)一，各有各的邏輯與說法，但近2-3年來不爭的事實(shí)是，包括英特爾在內(nèi)的全球Fabless大客戶的訂單幾乎全都落入了臺(tái)積電的囊中。因此，在現(xiàn)階段，業(yè)內(nèi)的共識(shí)都是臺(tái)積電暫時(shí)獲得領(lǐng)先，所以三星和英特爾都視臺(tái)積電為首要競爭對(duì)手，這也在情理之中。

　　在全球三足鼎立之勢下，臺(tái)積電的成功讓業(yè)界刮目相看。因?yàn)樵?020年第一季度，臺(tái)積電的營收為103.1億美元，與英特爾的198億美元相比，似乎還“遙不可及”。但在之后的9個(gè)季度中，臺(tái)積電營收一直穩(wěn)步呈線性增長;而英特爾則由于業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)問題，營收只能保持平穩(wěn)。所以在僅9個(gè)季度之后，臺(tái)積電就實(shí)現(xiàn)了趕超之勢。

　　在今年第一季度，臺(tái)積電營收為175.7億美元，而英特爾則為184億美元，雙方之間的差距已在毫厘之間。

　　今年的第二季度，臺(tái)積電在4月14日的財(cái)報(bào)中披露，預(yù)計(jì)營收為176億~182億美元，毛利潤率預(yù)計(jì)在56%-58%之間。而英特爾預(yù)計(jì)第二季度營收約180億美元，就業(yè)績預(yù)期而言，臺(tái)積電二季度的營收將有望超過英特爾。

　　如能實(shí)現(xiàn)，就將是臺(tái)積電自1986年成立以來，首次在季度營收上超過英特爾。

　　臺(tái)積電的成功非一日之功，是各種綜合因素的集中體現(xiàn)，除了有張忠謀領(lǐng)軍之外，還取決于它一直在堅(jiān)守代工文化，服務(wù)客戶第一，與半導(dǎo)體設(shè)備廠緊密合作，以及加強(qiáng)投資等等。盡管英特爾、三星也有獨(dú)到之處，但是不可否認(rèn)它們都不可能在代工領(lǐng)域如臺(tái)積電那樣的高強(qiáng)度的專注，做到集中投資。未來臺(tái)積電在全球半導(dǎo)體業(yè)中的權(quán)重因子可能還會(huì)日益增強(qiáng)。

　　所以，我的判斷未來在全球代工領(lǐng)域中，可能仍是臺(tái)積電一家獨(dú)大，而三星與英特爾可能在伯仲之間。

　　2納米誰將拔得頭籌

　　目前，先進(jìn)工藝制程已達(dá)3納米,今年下半年臺(tái)積電、三星都聲稱可能試產(chǎn)2納米。

　　對(duì)于2納米技術(shù)來說，現(xiàn)在還為時(shí)尚早。因?yàn)樗c3納米不同，架構(gòu)、新型材料以及EUV設(shè)備等尚未就緒，所以業(yè)界僅是大致預(yù)測2025年可能試產(chǎn)。

　　從結(jié)構(gòu)上來講，根據(jù)國際器件和系統(tǒng)路線圖(IRDS)的規(guī)劃，在2021～2022年以后，鰭式場效應(yīng)晶體管(FinFET)結(jié)構(gòu)將逐步被環(huán)繞式柵極(GAAFET)結(jié)構(gòu)所取代。所謂GAAFET結(jié)構(gòu)，是通過更大的柵極接觸面積提升對(duì)電晶體導(dǎo)電通道的控制能力，從而降低操作電壓、減少漏電流，有效降低芯片運(yùn)算功耗與操作溫度。

英特爾晶體管的創(chuàng)新里程碑(圖片來源：英特爾公司)

　　隨著芯片制造工藝的進(jìn)步，硅基芯片材料已無法滿足行業(yè)未來進(jìn)一步發(fā)展的需要。2納米的制作過程中或?qū)⒁胍恍┬碌牟牧希渲卸S材料(如石墨烯、過渡金屬化合物)和一維材料(如碳納米管)引人關(guān)注。就碳納米管來說，其具有極高的載流子遷移率、非常薄的主體尺寸和優(yōu)良的導(dǎo)熱性。總體而言，新材料的引入或許會(huì)給行業(yè)帶來新的變革。

　　全球市場化中的競爭是條主線，誰也不甘心落后，這也是摩爾定律的神奇所在，它可以讓企業(yè)冒著巨大投資的風(fēng)險(xiǎn)，義無反顧地去追隨它。

　　因?yàn)榘炊傻木瑁l踩空一步，有可能在競爭中出局，實(shí)際上也反映巨頭們都試圖通過實(shí)現(xiàn)差異化而掌控先機(jī)。

　　目前臺(tái)積電，三星及英特爾都有了2納米的計(jì)劃，而且時(shí)間都定在2025年左右，顯然誰能真正達(dá)成，恐怕要看客戶的公正評(píng)價(jià)了。

　　據(jù)臺(tái)積電方面消息，它的首個(gè)2納米工廠——新竹N2廠正在進(jìn)行土地取得作業(yè)，計(jì)劃于2022年第三季度動(dòng)工。據(jù)了解，新竹N2廠將分四期建設(shè)，共建設(shè)4座12英寸晶圓廠，有望在2024年為蘋果手機(jī)量產(chǎn)新一代芯片。這也是迄今為止全球首個(gè)報(bào)道的2納米生產(chǎn)線。

　　臺(tái)積電近期在線上首次披露它的N2有關(guān)技術(shù)情況如下。

　　N2制程技術(shù)：將采用嶄新的晶體管架構(gòu)Nanosheet，N2和N3E相比，在同樣功耗下速度增加15%，或是相同速度下，功耗會(huì)降低30%，同時(shí)芯片密度也將明顯進(jìn)步。

　　N2的創(chuàng)新功能：在高效能運(yùn)算平臺(tái)上，N2將提供晶圓背面的電源系統(tǒng)(backside Power)，以全力支持芯粒(Chiplet)的整合，這些創(chuàng)新可以幫客戶提升產(chǎn)品整體性能，特別是速度和功耗。整體來看，N2會(huì)更好滿足未來半導(dǎo)體產(chǎn)品創(chuàng)新應(yīng)用的需求。

　　半導(dǎo)體新材料的研發(fā)：在高速芯片設(shè)計(jì)中，低電阻和低電容的金屬變得越來越重要，臺(tái)積電正在研發(fā)一種新的制程工藝，其中將使用metal-RIE(金屬反應(yīng)離子式刻蝕)，這種新技術(shù)可以在導(dǎo)線之間形成真空(airgap)隔離，降低20%~30%導(dǎo)線的有效電容。在導(dǎo)線方面，近幾十年一直以銅為主導(dǎo)材料，當(dāng)銅導(dǎo)線的厚度非常小時(shí)，電阻值會(huì)急劇增加，這是未來半導(dǎo)體技術(shù)演進(jìn)的障礙。目前，臺(tái)積電正在研究一種新的2D材料，有機(jī)會(huì)代替銅作為導(dǎo)線。由于2D材料具備獨(dú)特的傳導(dǎo)性能，因此電阻受到導(dǎo)線變薄的影響較少，從而保證芯片的高速運(yùn)算性能。

　　另外，可能需要增加一些風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)，由于釆用了全新的架構(gòu)、新的材料,以及新的高NA EUV光刻機(jī)。另外，不可否認(rèn)的事實(shí)是，不是有了高NA EUV設(shè)備就萬事大吉，尚需光刻膠，pellicle等配套，另外定律己近終點(diǎn),各種隨機(jī)誤差都可能發(fā)生。因此，在研發(fā)2納米時(shí),即便發(fā)生一些延誤也完全是可能的。

　　筆者認(rèn)為，對(duì)于2納米技術(shù)，從工藝技術(shù)路徑方面，三巨頭可能無大的差異，都是從FinFET，走向GAA,再有一些變異，而采用的設(shè)備都一樣，均為ASML的高NA EUV光刻機(jī)。因此，從理論上講，三家都可能成功,其中的差異化在于良率、產(chǎn)能及生產(chǎn)線管理等方面。

　　結(jié)語

　　全球三足鼎立之勢從專業(yè)化角度各有所長，英特爾的微處理器、三星的存儲(chǔ)器及臺(tái)積電的代工，它是個(gè)動(dòng)態(tài)過程，此起彼伏。

　　但是從半導(dǎo)體業(yè)發(fā)展趨勢觀察，半導(dǎo)體市場在2030年可能增大到10000億美元，據(jù)英特爾CEO帕特·基辛格的說法，當(dāng)今時(shí)代的四大超級(jí)技術(shù)力量分別是：無處不在的計(jì)算、從云到邊緣的基礎(chǔ)設(shè)施、無處不在的連接以及人工智能。

　　這四大技術(shù)對(duì)于未來萬物互聯(lián)以及全球數(shù)字化時(shí)代發(fā)展都有很大的推動(dòng)作用。因此未來究竟誰能占先，可能尚不好預(yù)言，但是三強(qiáng)鼎立之勢已成定局，基本上不會(huì)有大的改變。

　　來源：中國電子報(bào)、電子信息產(chǎn)業(yè)網(wǎng)　　作者：莫大康