越来越“可怕”的台积电原创2020-01-29 12:04·半导体行业观察台积电是一家既可敬又可怕的公司，可敬的是其突破性的芯片代工模式颠覆了半导体行业的游戏规则；可敬的是其成为晶圆代工界的黄埔军校，为代工界培育了大量的人才；可敬的是其对中国半导体产业所作出的贡献。但台积电也越来越可怕，可怕在其过去数十年的霸主地位，仅一家便吞下晶圆代工的半壁江山；可怕在其对先进工艺的追逐，7nm几乎独揽生意，5nm进入量产阶段，2nm已有谋划；可怕在其早早地对先进封装技术的未雨绸缪和远见，并不断取得突破。十年磨一剑，不，半导体业可能要更久，半导体业没有弯道超车，有的只是在这个炽热和浮躁的大环境下的冷静和坚持。过去十年不断攀升的市占率台积电的专业芯片代工模式改写了半导体产业的游戏规则，长久以来，台积电一直处于晶圆代工界的老大，其市占率逐年攀升，过去十年台积电的市占率一度处于一半以上的态势，也因此格罗方德曾向欧盟和中国投诉台积电垄断。2009年台积电的市占率为45%，正值金融危机之时，已经退休4年的张忠谋重回台积电，上任之后，张忠谋带领台积电全力冲刺当时最前沿的28nm制程芯片，这一年，台积电实现了40nm量产和28nm的开发，并且开始部署20nm的研发。2010年台积电经历了强势复苏的一年，其所有晶圆代工厂满负荷运转，并实现了14%的产能提升。且40/45nm实现全面量产，28nm也开始和客户预约订单，2010年台积电的市占率上升为47%。2011年全球半导体市场增长接近于零，对台积电来说是具有挑战的一年。但台积电市占率仍增长了2%，由2010年的47％上升到49％。这主要是由于，在台积电的技术优势下，全球主要IC领导厂商与台积电、联电的关系将更为紧密，助其全球晶圆代工市场地位日益稳固。除此之外，台积电在2011年下半年率先提供28nm制程的量产技术。2012年，凭借平板电脑和智能手机等移动IC的强劲需求，台积电实现了创纪录的营收和利润，其产能迅速转向28纳米，出货量也比2011年增长了30倍。2012年台积电的市占率增长到49.5%。2013年，台积电28纳米出货量和收入快速增长，并且引入了FinFET晶体管结构，使得16纳米获得了更好的性能，除此之外，台积电还开始了10纳米工艺的研发。台积电的市占率为46％。得益于28纳米技术的强劲需求以及客户对20纳米片上系统代工的快速接受和需求提升，2014年台积电创收和利润再次达到新纪录，其市占率一举跃升到53.7%。其16nm FinFET Plus于2014年12月按计划完成技术认证，7纳米技术进入了高级开发阶段。2015年全球经济发展疲软阻碍了半导体的发展，但受益于先进工艺的发展，台积电20纳米订单增加了一倍，16纳米FinFET工艺也被成功引入，10纳米取得了良好的进展并且完成了技术认证，7纳米在产量和良率上都得到了提升。2015年台积电在晶圆代工市场的市占率上升到55%。据 IC Insights 的统计资料显示，台积电在2016年以59%的市场占有率排第一，这主要是得益于台积电通过成为世界逻辑IC行业技术和能力的可信赖提供商，10纳米取得成功量产，7纳米完成了技术认证。2017年台积电10纳米工艺订单激增，7nm量产，并抓住了移动设备、高性能计算、物联网和汽车半导体的机遇，不但在收入、净利润和每股收益上都实现了稳健的增长，还为台积电在未来几年建立了强劲的发展势头。2017 年台积电于全球晶圆代工市场的市占率高达 55.9%。根据CINNO Research 产业研究统计的晶圆代工排名中，2018年积电的市占率为53.3%。据调研机构Trendforce指出，台积电2019年第四季在代工市场的市占率为52.7%，而且2019年11月，台积电市值一举超越三星的市值，达到约2620亿美元。台积电市值显著走高，主要与全球半导体生态系统的变化有密切关系，随着手机时代的到来，高性能及高节能的应用处理器(AP) 越显重要，故台积电的高端晶圆制造技术与量产能力，将能帮助台积电在市场内取得大量订单。台积电市值走高还归因于格芯宣布放弃进军7 纳米制程，而从格芯流出的高阶晶片订单，也令台积电更为扩大在晶圆代工市场之影响力。在今年年初召开的法人说明会上，台积电总裁魏哲家预测，受惠于5G和人工智能晶片应用快速成长，台积电营收有望在2020年第一季度达到102亿-103亿美元，创出新高；全年增幅则会优于产业平均值，同样来到历史最高点。先进工艺的垄断台积电创业初期，在飞利浦的技术支持下，是以3.0um与2.5um切入市场，在当时落后Intel 2个世代。在1999-2009这十年，台积电通过高强度的资本和研发投入，工艺突飞猛进，逐渐赶超英特尔。后来随着智能手机的兴起，台积电拥抱行业最优质的客户，与华为海思、苹果、高通、苹果等客户共同成长，不断触底摩尔定律的极限，突破14nm、7nm、5nm等技术节点，也因此在先进工艺上长期处于垄断地位。在先进制程的战争中，28nm可以说是台积电甩开其他晶圆厂的一大制胜武器，28nm制程从2011年开始量产，领先竞争对手3-5年。为了充分发挥技术优势，台积电非常注重迅速扩张先进产能，也正因为如此，帮助台积电在每一个先进制程节点都能快速抢占客户资源、扩大先发优势，2012年，台积电在28nm制程工艺芯片市场的占有率接近100%。放眼整个晶圆代工行业，目前主要还剩下台积电、三星、英特尔、联电、格罗方德和中芯国际这几个头部公司，再加上联电、GlobalFoundries等主要竞争对手相继宣布放弃14nm以上节点研发，英特尔10nm工艺久久未出，台积电在先进工艺上的垄断地位更加巩固。而台积电却在先进工艺的路上愈战愈勇，28nm制程攻克之后，台积电的先进制程发展迅速。2014年台积电启动“夜鹰计划”，全力奋战10nm，研发人员实施24小时三班轮值不停休，从而大大提升了研发效率，到2016年底，台积电的10nm开始量产，2017年10纳米开始爬坡。在7nm工艺上，只有台积电和三星两家能做到，但台积电在市场份额上占据绝对优势。2019年台积电Q3季度财报会显示，台积电的先进工艺产能爆发，苹果、华为、AMD等客户都相继推出了新一代7nm芯片，包括麒麟990系列、A14及锐龙3000、RX 5700系列等，所以台积电在7nm的订单上可谓一家独大，而且7nm产能早已供不应求，交付期都从2个月延长到了6个月。在先进工艺的追逐战中，EUV光刻机是关键的一环，而在三星、台积电和英特尔三家中，台积电的EUV布局当属领先。Arete Research高级分析师Jim Fontanelli也表示，台积电在EUV领域处于领先地位，无论是所用的工具还是订购的工具，生产的商用EUV晶圆的数量，还是将EUV集成到他们未来的路线图中。据悉，今年台积电的7nm（包括EUV）晶圆产能大概在10-11万片/月。三星7nm LPP（EUV）工艺的晶圆产能大概在1万张/月，只有台积电的1/10左右。2019年10月，根据台积电联席CEO魏哲家此前公布的数据，公司的5nm工艺已经完成研发，目前正在风险试产，量产时间也提前到了今年Q1季度。目前可以确定会用5nm工艺的就有苹果、华为海思，这两家是最早首发的。后续AMD的Zen4处理器、高通的麒麟875、赛灵思的新一代FPGA也有望用上台积电的5nm工艺。5nm之后，其3nm新厂可望于明年动工，更为厉害的是，2nm工艺的研发也已经开启，预期4年后就可以投放到市场上。更先进的工艺上，台积电也走在了前列。在日前台积电召开的法人说明会上，CFO黄仁昭介绍到，对于2020年全年资本支出情况，台积电给出了150亿-160亿美元的预期，继2019年全年支出达到历史新高后，再破记录。在2020年的全部支出中，约80%将用于3nm、5nm与7nm等先进制程技术上，其余仅10%则用于包括先进封装与光罩，另外的10%则是用于特殊级制程技术上。他还指出，从细分业务来看，5nm、7nm等先进制程则或将成为台积电最强有力的增长动能。高级封装上的进击早些年，苹果iPhone处理器一直是三星独揽。但从A11开始，台积却接连独拿两代iPhone处理器订单，关键之一，就是台积电开发的全新封装技术InFO，它能让芯片与芯片之间直接连结，减少厚度，给电池或其他零件腾出宝贵的手机空间。此举也成为高级封装技术走向大规模商用的标志性事件。高级封装技术在最近几年热度不断攀升，已经成为高性能芯片的必选项，也被视作延续摩尔定律生命周期的关键。过去，晶圆代工与封装厂基本都是各司其职，但随着终端对芯片要求的提升，一方面，处理器所存在的“内存墙”问题大大限制了处理器的性能，另一方面，随着高性能处理器的架构越来越复杂，晶体管数越来越多，再加上先进半导体工艺的价格昂贵，处理器良率提升速度差强人意。为了解决这些问题，先进封装开始走上风口，而台积电很早就看到了这个需求。2011年的台积电第三季法说会上，张忠谋就宣布台积电要进军封装领域，其第一个产物，叫做CoWoS（Chip on Wafer on Substrate），就是是将逻辑芯片和DRAM放在矽中介层（interposer）上面，然后封装在基板上。两、三年后余振华领导的整合连结与封装部门顺利开发出CoWoS技术，而到了量产之后，真正下单的主要客户只有赛灵思一家，可以看出，在彼时这种技术还不能完全被一众厂商接受，主要原因是价格太高。后来台积电开发价格略微低的先进封装技术，性能比CoWoS略差一些。这也就是后来首度用在iPhone 7与7Plus的InFO封装技术。台积电的两大先进封装COWOS和InFO，这两年在市场上也取得了很大的优势，除了CoWoS和InFO这两大2.5D IC封装技术外，台积电在3D IC封装上还有SoIC 及 WoW。其SoIC 及 WoW 等3D IC先进封装也陆续试产成功。2018年台积电已完成搭载7纳米逻辑IC及第二代高频宽记忆体（HBM 2）的 CoWoS 封装量产，并借由高制造良率、更大硅中介层与封装尺寸能力的增强、以及功能丰富的矽中介层，例如内含嵌入式电容器的矽中介层，使得台积电在 CoWoS 技术上的领先地位得以更加强化。2019年10月，台积电在美国举办的开放创新平台论坛上，与ARM公司共同发布了业界首款采用CoWoS封装并获得硅晶验证的7纳米芯粒(Chiplet)系统。台积电技术发展副总经理侯永清表示，台积电的CoWoS先进封装技术及LIPINCON互连界面能协助客户将大尺寸的多核心设计分散到较小的小芯片组，以提供更优异良率与经济效益。因看好未来 5G、人工智能、高效能运算（HPC）等新应用，而且芯片设计走向异质整合及系统化设计，台积电不断扩大先进封装技术研发，去年台积电顺利试产 7nm系统整合芯片（SoIC）及 16 纳米晶圆堆叠晶圆（WoW）等 3D IC 封装制程，预期 2021 年之后进入量产。不得不说，原先不起眼的封装技术，现在俨然成为台积甩开三星、英特尔的主要差异点。在商业的推广上，台积电更是不遗余力地推广高级封装领域开放生态，包括封装技术、互联接口标准以及相关的IP，希望能给客户带来更多价值。
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6． Jirikowski GF， Sanna PP， Maciejewski-Lenoir D， et al． Reversal of diabetes insipidus in Brattleboro rats： intrahypothalamic injection of vasopressin mRNA． Science． 1992， 255 ： 996–998．
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采写：南都记者 覃仕林 通讯员 宋卓远
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