制程战争——台积电篇

这是一个关于晶圆代工厂的系列文章，笔者把最近几年的制程发展与市场状况进行整理，第一战先看看台积电(TSMC)的发展。

众所周知，台积电是全球最有份量，也最重要的晶圆代工厂，可以说整个半导体制程与电子终端产品的发展都与台积电脱不了关系。而依靠着制程优势，以及整个半导体产业的快速发展所带动的需求下，台积电也的确在过去十几年享受高利润与高成长，虽然不到躺着赚的地步，但本业获利比绝大部分的竞争对手来得丰厚。

台积电的发展其实肇因于IC设计的风潮兴起，许多IC设计公司抢不到代工产能，因为当初代工业务多半是由IDM(Integrated Device Manufacturer)厂兼着做，而IDM厂首先考量的是自己的产能需求，其次才是外来客户。

另外，部分IDM厂手脚不干净，比如说偷偷复制了客户所设计的IC线路，然后转化成自己的产品，客户往往在自己的产品量产前，就已经看到挂着其他品牌的同样功能芯片已经出现在市面上，而当初欧美专利与智慧财产的保护也不是那么周到，因此多数只能哑巴吃黄莲，有苦说不出。

为此，张忠谋提出纯晶圆代工经营模式，不设计自己的品牌产品，也不介入客户的市场，并以最高的道德标准来自律，致力维护客户的技术专利与智慧财产，这些坚持证明，在行业里面采用高道德标准是走得通的路，反观那些专靠偷拐抢骗的公司，不论中间曾有多少辉煌，最后结果往往都是凄惨收场。

台积电是全球首创的纯晶圆代工服务提供者，不过这个名号其实差一点点就不保。联电（UMC）前董事长曹兴诚其实也有意要开启同样的业务模式，不过后来被张忠谋抢先一步，但也幸好是由张忠谋开创，这个业务模式，以及台积电才得以蓬勃发展至今。

纷乱的2019年台积电仍不悲观

2019年，全球半导体行业普遍因为中美之间的贸易纠纷而有了衰退，台积电处在这个趋势之下，当华为这类大客户在营运上遇到了困难，理论上也无法全身而退才对，然而从第一季营收来看，似乎并非如此。

台积电第一季营收不如预期的原因并非贸易纠纷影响。由于台积电在1月底发生Fab14厂晶圆受到污染，导致良率下降，使得营收较原本的预估减少约5.5亿美元，然而如果把这些因污染导致的损失折算回去，台积电的业绩实际上仍有相当大幅度成长。

当然，2019下半年才是贸易纠纷效应开始发酵的时间点，台积电自己的预估也不是那么乐观，不过考虑到整体产业状况的变化，客户有起有落，其实笔者认为，台积电仍可维持成长。

华为虽然在贸易纠纷中首当其冲，预估下半年手机和电信设备出货都会明显下滑，作为台积电最大的客户之一，这部分当然会影响到台积电的部分营收。但是从另一方面来看，若市场需求总量稳定，那么理论上华为失去的市场空间将会由其他品牌递补。

尤其在手机芯片市场，可以说麒麟跌倒了，骁龙就起飞，苹果也会跟着红。

另一方面，比特币涨回万点，预期也会带动另一波相关矿机芯片的需求，由于加密货币过去将近一年时间低迷，基本上这部分的收入已经不再是台积电关注的方向，但如果比特币的能维持在现有的价格区间，甚至继续往上涨，那么预期相关的需求也会回笼，带动台积电的出货需求。

目前比特币多数作为躲避风险之用，因此在某些高风险市场的交易量激增，是其最近大涨的根本原因，而造成风险的贸易冲突若不解决，包括币值与相关产业链的持续看涨也是合理的走势。

由于芯片面积与能效的优势，挖矿芯片基本上都已经进入7nm世代，而这个制程到2020年之前，都仅有台积电能够提供。

而在其他逻辑芯片客户方面，从包括苹果、NVIDIA、AMD、高通、华为、博通等几个主要客户观察，苹果、高通可能会因为华为受伤而受益，而AMD则是在Computex中发表了未来产品布局，推动市场预期乐观，其产品全线走向7nm，性能有了极大的提升，而最大敌手英特尔10nm产品布局恐怕来不及反应，AMD气势和市场需求预期也会持续升温，带动其在台积电的下单状况。

NVIDIA虽传言下一代产品可能会选择三星代工，但三星过去制程进展一向喊得很乐观，但实际表现却欠佳，尤其在关键的良率提升上总是未能满足客户。

三星在7nm使出了老招，也就是砍价接单的方式来对抗台积电，同时计价方式预期也是以可用芯片为基准，而非台积电的整片晶圆计价。但三星在良率提升上面一直有很大的问题，即便代工收费便宜，但新产品推出后的热卖期却往往难以满足客户的产能需求，毕竟良率的提升才能带来有效产能。

也因此，如果NVIDIA转投三星，那么有可能会因为可预期的产能短缺而在这一波把过去几年时间好不容易累积下来的市场份额吐回去给AMD。

不过华为跌倒，影响的不只是华为自己，以华为为主要客户的几家半导体厂商，包括博通、Qorvo、Skyworks、Maxlinear、Cree、Inphi、Lumentum、NeoPhotonics等公司，都会遭遇一定的冲击，而博通也是台积电前几大客户之一，博通在前段时间下调财测，不仅股市大跌，也连累台积电的股市表现。不过台积电股价在当天就拉回原本的价位，市场认为博通的影响可能还是有限。

虽然2019年预期风波不断，导致不同客户需求消长不一，但是在抓到AMD这种关键客户，且整体需求仍能维持成长的情况下，台积电未来的市场发展应不至于悲观。

台积电制程技术发展史

从制程发展的脚步来看，台积电也不是没有跌跤过，早在2009年，台积电就因为40nm发展不顺，使得公司营运濒临亏损，不过紧接而来的28nm，却因为路线选择的变更，使其成为台积电有史以来最成功的制程之一。

由于台积电在28nm时放弃来自IBM的Gate-First结构，改采用与英特尔相同的Gate-last结构。

通过Gate-last技术之助，28nm良率得以突破，并于2011年正式宣布量产，而同时期竞争厂商，包含联电(UMC)、三星(Samsung)、格罗方德(GlobalFoundries)都还卡在Gate-first技术，制程技术和台积电落差无法缩短，只能在65/40nm方案彼此削价竞争，当初高端芯片设计厂商代工厂的选择可说除了台积电以外就没有第二选择，也因此台积电在28nm上的优势维持了数年之久，该制程亦可说是对台积电历年营收贡献最大的制程之一。

但随后从 2011 年投入的20nm就不是那么顺利了，这部分主要是制程规格上不尽人意导致客户的不捧场。该制程在 2013 年底正式量产，然而作为半代制程， 20nm 未能承接其在 28nm 的市场地位，原本的产能需求预估也不断下修，从头到尾只有少数两三家有采用该制程。

就结果论，20nm 制程最大的客户就是苹果，其次为高通，但苹果与高通处境天差地远。与苹果在市场上持续呼风唤雨的状况不同，高通的 20nm 制程推出产品后，反而大大的冲击了获利。

台积电的 20nm 是由 28nm 改进而来，最大的差别在于采用了双重显影， FEOL（front-end-of-line）部分与 28nm 基本维持一致，因此在 Die size 与功耗方面的改善有限，差别大约只有 10~15% 左右。

也因为 20nm 改善幅度实在太小，台积电的传统大客户 NVIDIA 与 AMD 都选择等待 1xnm 制程。然而台积电的 20nm 对产业而言还是有其象征意义，除了创下台积电单一制程最少客户的纪录之外，也是首个采用双重显影的制程。作为 16nm 的先期练兵制程，20nm 表现其实已经算相当不错。

进入 16nm 制程之后，台积电仍持续沿用 20nm 机台，虽然 20 nm 机台多数也是沿用旧机台而来，但是在机台结构方面有了相当大的改良与升级。我们都知道 16nm 是在 20nm 的基础上加入 FinFET 技术而成，20nm 制程作为半代制程，其实是为了 16nm 做的前期投资与试产，苹果善用此半代制程的特性获得成功，而高通则是因为对制程、架构的配合认知不足，结果就是赔了夫人又折兵，不仅赔上自己的利润，也让整个高端 Android 智能型手机产业难以抗衡 iOS 生态的发展。

台积电发展之路虽有波折，但总是能够转危为安。除了制程发展少数几次不顺以外，最大的危机就是梁孟松事件的发生。三星14nm的成功可以归功于梁孟松的叛变，当初梁孟松被台积电逼走后，转而前往三星赴任，并带领三星晶圆代工突破瓶颈。

面对三星14nm 的挑战，台积电的 16nm 乍看之下有点不够力，除了时程较晚，同架构 die size （晶粒尺寸）也大于竞争对手。

但台积电用苹果 A9 证明了自己的强处，其量产芯片体质要比三星来得稳定许多，三星版 A9 多半需要更高的电压才有办法达到与台积电版相若的性能与稳定度表现，就好比过去我们玩 CPU 超频，体质差的 CPU 大多要加电压并强化散热一样的道理。而这也代表三星版的 A9 不仅更耗电，温度也更高，这点也在不少实际测试中获得证实。

不过三星仍依靠终端需求优势，抢下台积电最大客户之一高通，未来在存储器与储存的整合封装技术也将成为强大的竞争武器；仰赖三星的制程授权达到 14nm 量产能力的 Global Foundry 也拿回 AMD 的芯片订单，换句话说，三星虽然输了面子，但整个市场布局向泛三星平台倾斜，16/14nm 制程战争中，三星的市场份额要比台积电略大。

面对10nm 制程竞赛，台积电在 2014 年发动夜鹰计划，用三班轮流、24 小时燃烧新鲜肝脏来换制程的优势，而台积电在 10nm 制程会导入三重显影，虽然可降低机台部分的投资，但由于工序更复杂，在整体制造成本方面比双重显影高出不少，虽然透过 EUV（Extreme Ultra Violet）机台，只需显影一次，工序可大幅精简，但2016年时 EUV  显影技术还不成熟，除了曝光速度太慢，其他需要配合升级的地方太多，台积电期望藉由已经成熟的显影技术，加上庞大的新鲜肝脏库存，满足客户量产时程需求，而 EUV 真正导入要等到第二代7nm 技术才有可能。

台积电10nm 在 2016 年底投产，虽然市场最初预估三星可能会在10nm世代的制程战争中延续其14nm制程的优势，但台积电使出了关键的一招，也就是InFO扇出形晶圆级封装技术，一举扭转了劣势，通过其更优秀的成本控制与芯片厚度表现，成功取得多数苹果订单。

扇出型晶圆级封装技术早在2010年就已经被英特尔发展出来，最初用在英特尔的移动方案上，但可惜的是，英特尔并未坚持下去，反而台积电接手该技术的研发，并推出完全版的InFO封装技术，该封装技术的最大好处就是降低成本，不同于传统封装技术只能一次完成一个封装，InFO的批次式制程表示在重组晶圆上的所有晶粒均可同时加工，就像晶圆代工的前段制程。此可降低成本、加快芯片制造周期，在制程良率达到最佳水平时效率尤其明显。根据研究机构的数据，InFO的封装成本可比FCBGA低20%。

虽然当初三星也有自己的ePoP封装技术，可以把更多芯片功能包进同一颗芯片中，但可兼容的芯片组件有限，比如说内存或存储芯片就只能用三星自己的产品，缺乏弹性，而且ePoP成本昂贵，封装尺寸较厚，散热表现也较差，因此除了三星自家的方案以外，客户多不采用。

后来台积电7nm采用多重显影配合InFO技术，不仅包下了苹果的全部产能，也让失去的高通订单重新回笼。而更重要的是，快速成长中的AMD也全面投向台积电的怀抱。这些都成为推动台积电业绩成长的重要支柱。

10nm之后，凭借着更高的良率，以及独家的封装技术帮助，台积电越走越顺，反而三星在一直在良率和技术规格方面，不断落后，而当台积电推出7nm，三星却只能把10nm的小改款重新命名为8nm推出，虽然后者数字只差了1，但实际规格上却天差地远，由于10nm的技术基础和7nm截然不同，三星的8nm主要目的就是低价承接过去在10nm产线的客户，而以其实际表现，比如说三星最新基于8nm的Exynos 9820，与基于7nm的高通Snapdragon 855和华为的麒麟980，在能耗效率表现上就明显差了一大截。

7nm之后的路？

台积电预计在今年下半年开始量产第二代7nm产品，与第一代的最大差别，在于使用了EUV机台，工序可以大幅减少，不过在芯片的电气特性上改进有限，主要就是密度更高，耗电更低。属于正常程度的改进，并没有天差地远的改变。

而三星7nm原本规划要直上EUV机台，并在2018年宣称即将量产，但其公布的最新时程规划中，三星的7nm制程仍需要到2020年才有机会量产，若以同样基于EUV机台的7nm技术，三星仍晚了台积电1年。也因此，三星企图以直上EUV来弯道超车的美梦，也正式宣告破碎。

虽然三星在7nm世代吃了鳖，但三星仍不放弃，其晶圆代工技术瞄准了未来的5nm与3nm。

三星的5nm和7nm同步发展，这点和台积电差不多。毕竟5nm可以说是现有材料和制程技术下的极限，7nm使用的EUV机台还是可以沿用，但要进一步微缩的话，在晶体管材料和结构就必须有所变革，否则很难再继续下去。

台积电的5nm预期要在2020年量产，目前已经在进行风险试产，而三星则没有公布其5nm具体的量产时程，但如果以其7nm的时程预估，恐怕也不会早于2021年。

台积电3nm建厂已经开始，技术研发也早就在进行，而相较于三星的高调，台积电并没有过多的揭露其技术底细，但基本上还是会以GAA(Gate All Around)为基础，而台积电也同样预估3nm的量产时程会在2022年。

三星的纸面3nm技术发布看起来相当具有说服力，但是搭配过去三星的量产时程承诺，其实又有点令人质疑。但不可否认的是，三星和台积电基本上都已经是属于晶圆制造的第一线技术领导者，二者的差别还是在于技术细节的掌握以及市场化的能力。

然而展望未来，3nm这个世代恐怕会是继16nm后的长寿制程，3nm之后，还需要在芯片结构与机台技术上有更进一步的发展。而根据设备大厂ASML的计划，第二代EUV机台，也就是高于0.5数值孔径(numerical aperture，NA)

的新一代EUV机台可能会在2024年现身，届时2nm以下的制程产品将可能会采用该机台生产。

高数值孔径的机台可以有效减少曝光次数，对于降低芯片生产流程复杂度与成本有很大的帮助，也能更有效地推动更高制程节点的发展。而GAA预期仍将在2nm以下的制程节点发挥作用。

封装技术的进一步发展

封装已经成为晶圆代工服务的一部份，为了满足更多的市场需求，台积电的InFO封装技术也发展出不同的应用类型，包含整合10nm逻辑芯片及DRAM的整合扇出层叠封装（InFO-PoP），整合12nm系统单晶片及8层HBM2存储器的CoWoS封装等均进入量产，此外亦推出整合多颗单晶片的整合扇出暨基板封装（InFO-oS）、整合扇出存储器基板封装（InFO-MS）、整合扇出天线封装（InFO-AIP）等新技术，满足未来在人工智能及高效能运算、5G通讯等不同市场需求。

三星在封装技术方面跌了一跤，目前根据其透露的信息，三星也已经在InFO相关封装技术投入更多研发资源，希望能够追上台积电的脚步。

未来研发将在专用晶圆厂进行，不占用产能

过去台积电包括先进制程技术开发、前瞻技术研究、设计与技术平台发展全聚集在其竹科总部的12厂，因此不时要与生产晶圆厂抢资源，随着规模逐渐扩大，有必要兴建专用的研发中心，将研发人力与专用研发晶圆厂合而为一。

为此，台积电将在竹科兴建两座研发专用的晶圆厂，预计2020年初展开建厂，一年内完成。