台積電,三星,英特爾良率和先進製程的比較

先進製程良率

我的書中有關台積電的內容

我在最近的兩本書裡,都討論過台積電(美股代碼:TSM)這家公司;包括了:

在《超級成長股投資法則》一書中:

  • 2-4節,整個小節專門介紹介紹台積電這家公司
  • 3-3節,分析科技公司的業務發展以掌握關鍵產業的脈動

在《10倍股法則》一書中:

  • 3-2節,整個小節專門介紹包括台積電和全球的半導體供應鏈

為何要談先進製程?半導體因為走向垂直分工,已經很少有半導體商會有自己的工廠進行製造。關於這部份,可以參見我的另一篇部落格文章《常見的6大半導體投資迷思》的說明。加上晶片功能愈來愈強大和複雜,使得必需有更進步的製造技衠才能應付晶片設計商對晶片性能設計上的要求。

但問題是同時具有技術能力和資金,可以達到上述的所謂的能應付晶片設計商對晶片性能設計上的要求的晶元代工廠就變得很少。目前也只剩台積電(美股代碼:TSM),三星,以及英特爾(美股代碼:INTC)三家有此能耐。但英特爾近年自顧不暇;因此只有台積電和三星能提供高階的晶元代工服務。

先進製程

何謂先進製程?

產業界目前一般簡單地以16奈米製程為分界,16奈米以下屬先進製程。其中一個主要的原因是除了台積電,三星,和英特爾之外,其它的晶元代工商(主要是聯電,格芯,中芯)在多種因素和考量下(包括技術,資金,禁運),皆停留在 14奈米的製程節點上。

先進製程並沒有固定的節點的定義,7-8年前,14奈米算是先進製程,但隨時間的演進和技術的成熟和成本的降低,現在很少人會把14奈米算是先進製程了。以目前的晶片製造技而言,12奈米(含)以下都算先進製程。但最保守的說法,以目前而言,10奈米(含)以下的節點製程技術都沒有爭議是先進製程。

美國商務部為了對中國晶片實施禁運,2023年3月21 日正式發布「防止不當使用晶片法案補助」(Preventing the Improper Use of CHIPS Act Funding)細則,並針對傳統晶片作出定義。列出的規範明確指出28奈米或以上的製程是傳統晶片。換句話說,28奈米或以下的製程就算是先進製程。

台積電的定義

就2022年之後而言,台積電在每一季的財報發表時,都會特別標註台積電所謂的先進製程只包括4奈米和7奈米的製程。但請注意,在2020年時,台積電在每一季的財報中標註的先進製程是包括了4奈米,7奈米,和16奈米的製程。

總之,隨時間的演進和技術的推進,先進製程所定義的奈米數值界線會愈來愈小,因此是個變動值。

進入門檻太高

門檻有那些?

建廠成本

每個廠至少需要美金百億起跳,這還是最低的基本數字,以會隨著製程技術提高,以及通膨逐年增加。光是百億美金,就沒有多少上市公司有這份能耐了。建好後,原料和設備還需另計,每年還需要維修費,以及定期的升級費用。這一堆加起來,會對企業的資本投資形成龐大的壓力。

花費時間

從建廠開始到進入商業量產,一切順利至少也要三到五年。半導體是景氣循環的行業,弄不好廠蓋好後,需求就開始減緩。

政治因素

中國大陸的中芯,大部份的人都知道它有人才,有資金,還有市場,加上訂單,都符合追求先進製程的完美條件。但是在以美國為首的西方國家害怕中國超越西方世界,實施半導體關鍵設備禁運的現實情形下,造成中芯的7奈米先進製程已經拖延了好幾年,都無法量產。

只剩三家有能力

先進製程的進入門檻實在太高,幾乎大部份的晶元代工廠都主動宣布不再追逐先進製程,只提供成本較低的成熟製程的代工服務。但聯電(美股代碼:UMC)最近因為晶元代工市場火熱,又表示,正在「衡量」是否重新進入先進製程。

目前只有三家,台積電,三星,英特爾,有能耐提供先進製程────原因很多,以後有機會再談。

台積電壟斷進製程的市場

我在我的《超級成長股投資法則》一書裡面2-4的第144頁曾展示過一張圖,根據目前的最新資料,台積電壟斷全球約75%以上的晶元代工「先進製程」市場。而先進製程的代工利潤比成熟製程高多了,這很容易理解。更可怕的是,客戶找不到替代方案。

三星電子力有未逮

有讀者可能會不表同意地說,不是還有三星嗎?怎麼會沒有其它替代方案。三星很有雄心壯志,國家的支持,自身的半導體技術實力,三星集團龐大的資金和資源,以及南韓半導體的強大生態系統;的確是台積電長期以來最強大的對手。大部份的人都忘了,才7-8年前而已,三星原本在晶元代工和半導體先進製程的市佔和技術實力上,原本都超前台積電非常多。

非技術層面的困境

三星電⼦曾在三年前野⼼勃勃地宣布,要在2030年前成為系統半導體業的全球霸主,現在卻遭受處理晶片和晶圓代⼯等業務成⻑緩慢的困擾,重要決策也因實際掌⾨⼈副董事⻑李在鎔官司纏⾝⽽卡關。

南韓司法部的五年禁令,李在鎔在2027年前不得重返三星電子的管理層。三星電子的所有重⼤計畫,關鍵決策,重大的資本投資,以及併購;全都因為群龍無首,全部停擺。

技術層面的困境

但三星在先進製程上,目前碰到許多的問題。大家可參考我的《超級成長股投資法則》一書裡面3-3的第176頁的討論,其中所提過的許多客戶吃過虧的案例就知道了。

英特爾積極追趕

英特爾的雄心

英特爾打算在未來4-5年內,在先進製程的製造能力上,就一舉超越台積電。但是由於過去的記錄不佳,一再放羊。因此即使上個月新任執行長又再度強調英特爾的這份超越台積電的雄心計劃,但各方反應似乎不怎麼熱烈。

未來計劃,英特爾第一,三星第二,台積電最保守

根據目前三家公司「各自公開的」未來先進製程發展的計劃:英特爾第一,三星第二,台積電最保守。但這是各自的計劃,至於最後是否按計劃實施,成真的機會多高,沒有人說得準。

建議讀者看一下三家公司的計劃,我在部落格的文章《台積電,英特爾,三星未來晶片的新製程路線圖對照》裡面有個圖表,列出了這三家公司從過去,到未來2025年之前;以及各公司從目前製程到未來2奈米的時程。

三方先進製程良率的數字

先進製程良率的數字三星的先進製程良率很差,和台積電不在同一個等級上。或許我們應該說,是台積電太過優秀,把先進製程的良率,拉得和台積電成熟製程良率的差距很接近,這是很難得的能耐。

2奈米良率

台積電在2025年5月時公開表示:2 奈米進展順利,良率是超過 80%,預期 2025 年量產。

台積電和三星的3奈米比較

據Digitimes Research研究指出,在3奈米製程節點上,三星的電晶體密度為1.7億個,台積電的電晶體密度則達2.9億個,足足多了1.7倍。另外,從極紫外光機(EUV)的使用量來看,目前全球有65%的極紫外光機都是台積電所使用,三星用量不到20%,且三星還要將取得的極紫外光機分配給記憶體生產,市場預估三星2023年時在3奈米的月產能可能不到一萬片。

根據南韓媒體 BusinessKorea在2023年4月中旬的報導指出,台積電目前 3 奈米製程技術的良率,相較更早投產的 4 奈米 (N4) 製程技術仍有段差距。相較於 3 奈米製程技術的最高 63% 良率,台積電 4 奈米製程技術良率目前預計在 80% 左右。三星的 4 奈米製程技術良率,最少達到了 70% 的水準,已接近台積電 4 奈米製程技術 80% 的良率。

但請注意:三星電子的 3 奈米製程技術採用GAA 電晶體架構;但是台積電 3 奈米製程目前仍採用鰭式場效應電晶體架構 (FinFET) 。

台積電的良率

3奈米已在2022年底商業化量產,當時媒體報導3奈米良率預估落在60%至70%,甚至是 75%-80%。台積電2022年底在南科晶圓18廠新建工程基地舉行3奈米量產暨擴廠典禮中,董事長劉德音就提到3奈米製程的良率與5奈米相當;這是相當難得的成就,因為3奈米是剛量產的新製程。

但2023年7月中旬,媒體報導,市場傳聞蘋果的 A17 Bionic 和 M3 處理器已經獲得台積電 90% 的 3 奈米製程產能。不過,因為台積電目前 3 奈米製程的良率僅為 55%,距離正常的良率還有一段距離的情況下,台積電將只向蘋果收取真定成功可用晶片的費用,而不是標準晶圓價格的收費方式。

例如台積電5奈米良率才量產1個多月就能由50%衝上80%,7奈米試產時良率就超過七成,4奈米的良率也超過70%。

三星的良率

三星的4奈米良率在2022年中期,已從35%經過大幅改善至接近60%;在2023年更有媒體表示已經推至75%。2024年2月時市場的消息,韓國三星旗艦手機處理器 Exynos 2400,採 4LPP+ 製程後,良率約 60%,雖還是比不上台積電良率達 70% 的 N4P 製程,但較一年多前自家只 25% 良率進步不少。

三星的3奈米良率最高才只有30%,2022年4月份媒體透露的消息說三星基於GAA的3奈米工藝良率才在10%~20%之間,比預期低得多。但有媒體在2023年表示,良率已經推至60%,甚至有媒體報導的數字高達65%。

為了克服3奈米良率的問題,媒體報導三星正尋求Silicon Frontline Technology的協助,以提高 3 奈米 GAA 良率。但為找Silicon Frontline Technology呢?主要是要克服因利用這家公司所有的技術,從水質和靜電放電預防技術方面降低生產過程缺點,以提高晶圓良率。

英特爾的良率

2020年7月在英特爾公布2020年第二季財報。財報透露,由於7奈米製程良率不理想,英特爾7 奈米CPU產品較先前預期延後約6個月。這是英特爾關於製程良率典型的回答方式,外界只知知道良率不佳,但英特爾從未曾公佈過任何製程實際的良率數字。

但大家要特別注意的是:市場上對英特爾的時程和良率多會先抱持懷疑的看法,原因是英特爾先前的記錄實在不佳───英特爾的14奈米製程由宣布成功試產到真正客戶能在市場上買到,前後被延遲了7年 (2014–2020),這才是英特爾現在最大的問題

良率對晶元製造的重要性

簡單一句話,您可以以如此想:良率就等於利潤率!

價格說話

晶元代工的價碼如何?

目前先進製程晶圓代工價格介於7,000~15,000美元,成熟製程晶圓代工平均價格則為3,200美元左右。

台積電擁有漲價的權力

我個人分析認為,這一點對利潤的影響最顯而易見,這也是為什麼台積電在2021年敢冒天下之大不諱,在沒有任何徵兆的情形下,突然宣布調漲代工費20%,而且立刻實。並於2022年5月再宣布將於2023 年起再全面漲價 5%至8%──── 這就是很少企業能擁有的競爭力「漲價的權力」。

先進製程良率

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