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文｜半導體行業(yè)觀察
過去十年里，三星可謂是處于世界之巔。眾所周知，三星是一家多元化的公司，在DRAM、手機SoC、代工、面板等多個領(lǐng)域都有技術(shù)和一定的產(chǎn)品優(yōu)勢。但是近幾年，早期推動三星增長的業(yè)務(wù)正在受到各種挑戰(zhàn)，各種直接和間接的證據(jù)表明三星的半導體業(yè)務(wù)正在苦苦掙扎。三星的代工業(yè)務(wù)增長速度不及臺積電，而其節(jié)點良率也未能達到預期；1α DRAM 制造工藝落后于競爭對手幾個月；手機旗艦SoC的性能也不敵與其競爭對手。近日，三星宣布其3nm已率先進入量產(chǎn)階段，在摩爾定律可預見的未來，3nm是可預見的“最后”或者“尚具經(jīng)濟價值”的節(jié)點。三星能否在3nm打開一個新增長窗口呢？
首先在存儲領(lǐng)域，三星仍然是存儲芯片當之無愧的王者，但正面臨著SK海力士和美光的多路猛追。根據(jù)Strategy Analytics (SA) 的數(shù)據(jù)，截至今年第一季度，按收入計算，三星在全球存儲芯片市場的份額為46%，其次是SK海力士，占24%。
DRAM是三星的搖錢樹。過去30 年，DRAM是個“大起大落”的市場，從近期來看，2019 年DRAM產(chǎn)值下滑37%，2021年卻緊接著大增42%，高度波動的周期讓DRAM主要供應(yīng)商數(shù)量，從1990年代中期的20家，銳減至今日主要的3家。去年三星、SK海力士和美光的市占率分別為43.6%、27.7%、22.8%，合計約占高達94%。其中三星DRAM去年銷售額近419 億美元；SK海力士銷售額達266 億美元，年增39%。
1994-2022年DRAM市場銷售額比較（圖源：IC insights）
五年前，三星的DRAM在密度、性能、成本結(jié)構(gòu)上要優(yōu)于美光和SK海力士。據(jù)行業(yè)媒體semianalysis報道，在1α代，三星雖然已經(jīng)量產(chǎn)了一段時間，但產(chǎn)能還未提上來，而美光已能將其所有產(chǎn)能轉(zhuǎn)移到1α代（僅使用DUV），因此在DRAM方面具有成本優(yōu)勢。SK Hynix在去年10月發(fā)布速度較原先產(chǎn)品增至2倍以上的DDR5 DRAM、搶先三星一步拿到全球首款的頭銜。MoneyDJ新聞報道中指出，據(jù)半導體業(yè)界關(guān)系人士指出，過去三星與對手之間還有1年左右的技術(shù)差距，不過據(jù)分析、目前該差距已縮小至0.5年以內(nèi)(6個月以內(nèi))。
其次在手機SoC領(lǐng)域，曾經(jīng)三星的Exynos芯片也是風靡一時。但這幾年三星旗下自研的Exynos系列處理器一直飽受批評，早前更有網(wǎng)民聯(lián)署要求三星放棄在Galaxy手機上Exynos系列處理器。今年三星發(fā)布了新款旗艦芯片Exynos 2200，但據(jù)報道，三星的Exynos 2200的產(chǎn)量極低。
近期韓國網(wǎng)友@GaryeonHan在Twitter平臺暗示，三星已放棄Exynos系列芯片的研發(fā)。分析師郭明琪也稱，該公司很可能從高通公司為其下一個S系列旗艦機采購單一的處理器。"S23可能不會采用三星4nm制造的Exynos 2300，因為它在各方面都無法與SM8550競爭，"他在Twitter上寫道，這將是三星的一個重大轉(zhuǎn)變。多年來，該公司在其旗艦手機中同時使用驍龍和Exynos SoC。
手機整機方面，國內(nèi)手機品牌小米OV等這幾年發(fā)展迅速，根據(jù)IDC的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2021年全球智能手機出貨量達13.548億，同比增長5.7%。整體來看，三星依舊穩(wěn)居榜首，市占率20.1%，同比增長6%。但是國內(nèi)廠商的增速也較快，例如排名第三的小米市占率14.1%，同比增長29.3%；oppo和vivo的全球市占率分別為9.9%和9.5%，同比增長分別為20.1%和14.8%。
2021年全球智能手機出貨量（圖源：IDC）
面板領(lǐng)域三星也敗下陣來，據(jù)韓國顯示器產(chǎn)業(yè)協(xié)會(Korea Display Industry Association)公布的數(shù)據(jù)顯示，以營收計算，2021年中國面板廠商占據(jù)全球市場的41.5%，超越韓國面板廠的33.2%，這終結(jié)了韓國17年面板霸主地位。其中在LCD面板方面，中國LCD面板占據(jù)全球市場的50.7%，遠高于韓國的14.6%，三星近年來持續(xù)流失其市場份額，其市占率已從2014年的22%縮水至2022年的2%左右，目前三星已經(jīng)全面退出LCD面板業(yè)務(wù)；未來，三星將專注于發(fā)展nm量子點（Quantum Dot）OLED業(yè)務(wù)，在這方面，國內(nèi)的天馬、京東方等，大舉投資擴產(chǎn)用于智能手機和平板電腦的OLED面板，OLED面板也正在追趕。
最后在晶圓代工領(lǐng)域，三星在先進工藝節(jié)點的技術(shù)競賽中也落后于臺積電。據(jù)TrendForce數(shù)據(jù)顯示，臺積電的晶圓代工市占為56.3%，遠高于第二名16.3%的三星。并且三星最大的兩個客戶高通和英偉達已經(jīng)流向臺積電。7月13日，據(jù)分析師郭明錤發(fā)布推文稱“我的最新調(diào)查顯示，臺積電將是高通在2023年和2024年5G旗艦芯片的獨家供應(yīng)商，這對兩家公司來說，是一個超級雙贏局面。”郭明錤還表示，“高通一直是三星最重要先進制程客戶，高通此舉代表臺積電先進制程優(yōu)勢將顯著領(lǐng)先三星至少至2025年。”
2022年Q1全球前十大晶圓代工排名（圖源：TrendForce）
此外，SK海力士正大力開拓代工業(yè)務(wù)，這也將于三星在代工領(lǐng)域展開一定的競爭。2021年10月，SK海力士宣布將以5760億韓元（4.92億美元）收購晶圓代工廠Key Foundry，這家8英寸晶圓代工廠商主要生產(chǎn)電源管理、顯示驅(qū)動和微控制器（MCU）等芯片。近日，該交易已獲中方批準，預示著收購已進入尾聲，、收購完成后，SK海力士的晶圓代工產(chǎn)能將提升一倍，并成為僅次于三星的韓國第二大代工廠，很可能躋身全球十大晶圓代工廠商之列。
兩家的競爭還體現(xiàn)在人才方面的爭奪戰(zhàn)中，三星與SK海力士為搶半導體人才，正在上演一場加薪戰(zhàn)。根據(jù)韓國《亞洲日報》6月30日的報導，為吸引優(yōu)秀人才，韓國半導體巨頭三星電子和SK海力士透過調(diào)薪展開搶人大戰(zhàn)，員工起薪已超過5000萬韓元（約30萬人民幣）。去年3月三星電子將員工起薪由4450萬韓元上調(diào)至4800萬韓元，同年6月，SK海力士將起薪上調(diào)至5050萬韓元。今年4月，三星電子再次將起薪上調(diào)至5150萬韓元，2年間上調(diào)700萬韓元，超越SK海力士，預期SK海力士將在年中再次調(diào)薪以超過三星電子。除此之外，韓國兩大巨頭在績效獎金發(fā)放上也不甘示弱。
面對重重挑戰(zhàn)，分析師稱，三星需要進行大規(guī)模的企業(yè)并購，才能突破困境。但是李在镕由于司法部的五年禁令，在2027年前不得重返管理層，群龍無首之下，三星也無法做出重大決策，而且目前也沒有合適的標的。在這樣的背景下，三星需要新的增長動力。3nm對于三星來說是至關(guān)重要的一環(huán)。
6月30日，三星宣布成為全球首家已經(jīng)開始量產(chǎn)3nm制程芯片的廠商。三星表示其初代3nm制程比起5nm 產(chǎn)品功耗降低45%、效能提升16%、節(jié)點面積減少16%；第二代3nm制程更會降低50% 功耗、擁有30% 效能提升，并減少35%節(jié)點面積。
但卻被外媒質(zhì)疑首家客戶是誰？這個問題非常重要，因為芯片工藝的先進度是晶圓廠技術(shù)能力的關(guān)鍵指標，但客戶方能證明廠商的技術(shù)實力，給晶圓廠帶來實際的營收。有專家表示，三星首個量產(chǎn)3nm的象征意義大于實際意義，對臺積電影響不大，畢竟蘋果和英特爾等重大客戶都已經(jīng)選擇了臺積電。
三星并未透露3nm芯片的客戶名單，只是表示這些芯片將用于高性能計算應(yīng)用。有供應(yīng)商和其他消息人士稱，三星這些運算芯片的首批客戶，將包括中國大陸的加密貨幣礦商，但由于近來加密貨幣價值崩跌，這些客戶可能無法長期依賴。這些芯片將在開發(fā)制造技術(shù)的華城園區(qū)制造，而不是在最新建造的平澤廠量產(chǎn)，因此也被觀察家懷疑生產(chǎn)規(guī)模不大。
接下來的問題是三星是否有能力保證使用 3nm級芯片的大批量生產(chǎn)并提高良率，這對以后的商業(yè)成功至關(guān)重要。三星還沒有詳細說明3nm新芯片的產(chǎn)能。此前據(jù)《商業(yè)郵報》的一份報告稱，三星 3nm 工藝節(jié)點的產(chǎn)量仍遠低于公司的目標。雖然三星代工廠的全環(huán)柵極 (GAA) 晶體管架構(gòu)首次推出其 3 nm節(jié)點，使其比臺積電（臺積電將推出其 2 nm節(jié)點的 GAA 架構(gòu)）領(lǐng)先，但三星代工廠在其早期 3 nm生產(chǎn)中的良率一直處于10%至 20%的范圍。
不過如果三星在3nm的良率上能達標，那么其或?qū)⒅匦芦@得一定的競爭地位。當下疫情和缺芯使得各國清楚了供應(yīng)鏈的脆弱性，也希望減少對單一國家半導體生產(chǎn)上的依賴，前段時間美國總統(tǒng)拜登前去參觀了三星生產(chǎn)3nm芯片的工廠。如果三星的3nm良率穩(wěn)定，那么它將有機會收獲美國一波利潤豐厚的企業(yè)客戶中贏回更多的訂單。
三星在 2017-2020 年期間花費了932億美元用于擴大其內(nèi)存和代工部門的半導體產(chǎn)能，超過了英特爾和臺積電的投資。此外，該公司還斥資數(shù)十億美元研究和開發(fā)新的工藝技術(shù)?？梢钥闯?，三星在新工藝以及3nm上的投資巨大。早在2019年4月30日，李在镕在位于京畿道華城的工廠宣布，“將在包括晶圓代工在內(nèi)的系統(tǒng)半導體領(lǐng)域拿下第一名。”為此，三星宣布了一項重大計劃，2030年前光是在系統(tǒng)半導體產(chǎn)業(yè)就要投資133兆韓元（1,050億美元）。該公司去年并表示，將再注資38兆韓元。
在3nm的競爭中，臺積電是三星的一大勁敵。此前據(jù)SemiWiki的報道，臺積電的3nm技術(shù)就進展順利，而且良率良好。
臺積電在日前召開的年度技術(shù)論壇上，宣布3nm將于下半年面世，實際芯片將于2023年初交付給客戶。并談到了將在未來幾年推出的四種 N3 衍生制造工藝（總共五個 3 納米級節(jié)點）——N3E、N3P、N3S 和 N3X。這些 N3衍生工藝旨在為超高性能應(yīng)用提供改進的工藝窗口、更高的性能、增加的晶體管密度和增強的電壓。同時，臺積電還推出支援N3的TSMC FINFLEX技術(shù)。這是臺積電的“秘密武器”，極大地增強了他們的設(shè)計靈活性，并允許芯片設(shè)計人員精確優(yōu)化性能、功耗和成本。
該FinFlex技術(shù)將允許芯片設(shè)計人員在一個模塊內(nèi)混合和匹配不同類型的FinFET，以精確定制性能、功耗和面積。對于像 CPU 內(nèi)核這樣的復雜結(jié)構(gòu)，這樣的優(yōu)化提供了很多提高內(nèi)核性能的機會，同時仍然優(yōu)化了裸片尺寸。
在此需要再說明一點的是，在3nm技術(shù)的演進中，三星采用的GAA技術(shù)，臺積電則繼續(xù)采用FinFET工藝。臺積電以其相當保守的工藝技術(shù)開發(fā)方法以及新工具的使用而聞名，這為其客戶提供了很多可預測性，這點也可以從使用EUV光刻機中看出，2018年三星開始部署EUV光刻來生產(chǎn)7nm，而臺積電在2018年并未將 EUV設(shè)備用于其 N7 節(jié)點，僅在原始工藝的問題得到解決或至少確定以及 EUV 工具成熟后，才在 2019 年為其后續(xù)的 N7+ 技術(shù)提供EUV層。
FinFET運用立體的結(jié)構(gòu)，增加了電路閘極的接觸面積，進而讓電路更加穩(wěn)定，同時也達成了半導體制程持續(xù)微縮的目標。其實，F(xiàn)inFET晶體管走在3nm多多少少已是極限了，再向下將會遇到制程微縮而產(chǎn)生的電流控制漏電等物理極限問題，而臺積電之所以仍選擇其很大部分原因是不用變動太多的生產(chǎn)工具，也能有較具優(yōu)勢的成本結(jié)構(gòu)。特別對于客戶來說，既不用有太多設(shè)計變化還能降低生產(chǎn)成本，可以說是雙贏局面。
而三星所采用的是柵極環(huán)繞型 (Gate-all-around，GAA) 晶體管架構(gòu)，相比臺積電的FinFET晶體管，從性能上來看，基于GAA架構(gòu)的晶體管卻可以提供比FinFET更好的靜電特性，能滿足一定的柵極寬度要求。具體可表現(xiàn)為在同樣的工藝下，使用GAA工藝可將芯片尺寸做的更小。但基于GAA的3nm技術(shù)成本肯定是更高的。
現(xiàn)在來看，加上了FinFlex技術(shù)，或?qū)⑹沟门_積電的FinFET技術(shù)路線贏面更大。
平面晶體管、FinFET與GAA FET對比示意圖
法人表示，看好臺積電的3納米節(jié)點，將在先進制程市場獨霸2-3年，通吃AI和HPC訂單。目前臺積電的3納米客戶方面不僅預期有蘋果、英特爾率先采用，其他如NVIDIA、高通、AMD與聯(lián)發(fā)科也已排隊預約產(chǎn)能。大摩分析師Charlie Chan日前發(fā)表報告稱，臺積電在2023年的3nm芯片代工市場上幾乎是壟斷性的，市場份額接近100%。
從工廠方面來看，中國臺灣南科18廠四至六期是臺積電3nm量產(chǎn)基地。6月中旬據(jù)外媒報道，三星正在臺南的生產(chǎn)中心再建4座價值100億美元的工廠，都將用來生產(chǎn)3納米芯片。臺積電CEO魏哲家在今年一季度的財報分析師電話會議上曾透露，在3nm制程的量產(chǎn)上，預計量產(chǎn)后第一年的投片量，將高于7nm和5nm制程同期。
除了臺積電，英特爾重回先進制程的雄心十足。在2022年投資者大會上，英特爾曾表示Intel 4（7nm）預計在2022年下半年投產(chǎn)；Intel 3（第二代7nm）預計在2023年下半年投產(chǎn)；Intel 20A（5nm）將于2024年投產(chǎn)；Intel 18A（第二代5nm）預計在2025年投產(chǎn)。如果英特爾繼續(xù)走上正軌，按照路線圖明年發(fā)布Intel 3，那么他們就將擁有一個在密度和性能上具有競爭力的代工工藝，而且英特爾已經(jīng)開放了其代工事業(yè)。
英特爾的工藝路線圖（圖源：Anandtech）
不過英特爾的3nm工藝似乎還遙遙無期。所以目前在3nm芯片的生產(chǎn)上，英特爾選擇了臺積電。此前基辛格曾親自到臺積電商定此事。然而近期全球PC需求崩跌嚴重，所以英特爾也不得不修整出貨與營運目標，或?qū)⒅匦律逃懏a(chǎn)能規(guī)劃。臺積電總裁魏哲家在今年初的法說會上談及了與Intel合作原則，其表示與IDM半導體公司以開放及公平態(tài)度合作，IDM廠亦為臺積電客戶之一，臺積電于資本開支中已做相關(guān)考量，臺積電不會過度依賴單一客戶及單一產(chǎn)品。
但是值得一提的是，英特爾的3nm節(jié)點似乎比臺積還要高。根據(jù)Digitimes去年對臺積電、三星、Intel在相同命名的半導體制程工藝節(jié)點上的晶體管密度問題進行的研究報告分析，到了3nm節(jié)點，臺積電的晶體管密度大約是2.9億個/mm²，三星只有1.7億個/mm²，英特爾將達到5.2億個/mm²。英特爾的晶體管密度比臺積電高出了超過79%，達到了三星2倍以上。因此就摩爾定律關(guān)注的晶體管密度指標來看，在同一制程工藝節(jié)點上，英特爾相比臺積電、三星更新一代的制程工藝具有一定的優(yōu)勢。
3nm無疑是摩爾定律接近尾聲的情況下，晶圓廠之間（三星）看得見的背水一戰(zhàn)。但是3nm開發(fā)過程之久，所需EUV及其他先進設(shè)備之貴，業(yè)界也是有目共睹的，因此3nm芯片晶圓代工報價、晶圓廠何時開始獲利也將看點十足。三星能否在3nm迎來新的爆發(fā)點，前途還未知。
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