台积电,三星,英特尔良率和先进制程的比较

先进制程良率

为何要谈先进制程?半导体因为走向垂直分工,已经很少有半导体商会有自己的工厂进行制造。关于这部份,可以参见我的另一篇部落格文章《常见的6大半导体投资迷思》的说明。加上芯片功能愈来愈强大和复杂,使得必需有更进步的制造技衠才能应付芯片设计商对芯片性能设计上的要求。

但问题是同时具有技术能力和资金,可以达到上述的所谓的能应付芯片设计商对芯片性能设计上的要求的芯片代工厂就变得很少。目前也只剩台积电(美股代码:TSM),三星,以及英特尔(美股代码:INTC)三家有此能耐。但英特尔近年自顾不暇;因此只有台积电和三星能提供高阶的芯片代工服务。

先进制程

何谓先进制程?

产业界目前一般简单地以16奈米制程为分界,16奈米以下属先进制程。其中一个主要的原因是除了台积电,三星,和英特尔之外,其它的芯片代工商(主要是联电,格芯,中芯)在多种因素和考量下(包括技术,资金,禁运),皆停留在 14奈米的制程节点上。

先进制程并没有固定的节点的定义,7-8年前,14奈米算是先进制程,但随时间的演进和技术的成熟和成本的降低,现在很少人会把14奈米算是先进制程了。以目前的芯片制造技而言,12奈米(含)以下都算先进制程。但最保守的说法,以目前而言,10奈米(含)以下的节点制程技术都没有争议是先进制程。

美国商务部为了对中国芯片实施禁运,2023年3月21 日正式发布“防止不当使用芯片法案补助”(Preventing the Improper Use of CHIPS Act Funding)细则,并针对传统芯片作出定义。列出的规范明确指出28奈米或以上的制程是传统芯片。换句话说,28奈米或以下的制程就算是先进制程。

台积电的定义

就2022年之后而言,台积电在每一季的财报发表时,都会特别标注台积电所谓的先进制程只包括4奈米和7奈米的制程。但请注意,在2020年时,台积电在每一季的财报中标注的先进制程是包括了4奈米,7奈米,和16奈米的制程。

总之,随时间的演进和技术的推进,先进制程所定义的奈米数值界线会愈来愈小,因此是个变动值。

进入门槛太高

门槛有那些?

建厂成本

每个厂至少需要美金百亿起跳,这还是最低的基本数字,以会随着制程技术提高,以及通膨逐年增加。光是百亿美金,就没有多少上市公司有这份能耐了。建好后,原料和设备还需另计,每年还需要维修费,以及定期的升级费用。这一堆加起来,会对企业的资本投资形成庞大的压力。

花费时间

从建厂开始到进入商业量产,一切顺利至少也要三到五年。半导体是景气循环的行业,弄不好厂盖好后,需求就开始减缓。

政治因素

中国大陆的中芯,大部份的人都知道它有人才,有资金,还有市场,加上订单,都符合追求先进制程的完美条件。但是在以美国为首的西方国家害怕中国超越西方世界,实施半导体关键设备禁运的现实情形下,造成中芯的7奈米先进制程已经拖延了好几年,都无法量产。

只剩三家有能力

先进制程的进入门槛实在太高,几乎大部份的芯片代工厂都主动宣布不再追逐先进制程,只提供成本较低的成熟制程的代工服务。但联电(美股代码:UMC)最近因为芯片代工市场火热,又表示,正在“衡量”是否重新进入先进制程。

目前只有三家,台积电,三星,英特尔,有能耐提供先进制程────原因很多,以后有机会再谈。

台积电垄断进制程的市场

我在我的《超级成长股投资法则》一书里面2-4的第144页曾展示过一张图,根据目前的最新资料,台积电垄断全球约75%以上的芯片代工“先进制程”市场。而先进制程的代工利润比成熟制程高多了,这很容易理解。更可怕的是,客户找不到替代方案。

三星电子力有未逮

有读者可能会不表同意地说,不是还有三星吗?怎么会没有其它替代方案。三星很有雄心壮志,国家的支持,自身的半导体技术实力,三星集团庞大的资金和资源,以及韩国半导体的强大生态系统;的确是台积电长期以来最强大的对手。大部份的人都忘了,才7-8年前而已,三星原本在芯片代工和半导体先进制程的市占和技术实力上,原本都超前台积电非常多。

非技术层面的困境

三星电⼦曾在三年前野⼼勃勃地宣布,要在2030年前成为系统半导体业的全球霸主,现在却遭受处理芯片和晶圆代⼯等业务成⻑缓慢的困扰,重要决策也因实际掌⾨⼈副董事⻑李在镕官司缠⾝⽽卡关。

韩国司法部的五年禁令,李在镕在2027年前不得重返三星电子的管理层。三星电子的所有重⼤计画,关键决策,重大的资本投资,以及并购;全都因为群龙无首,全部停摆。

技术层面的困境

但三星在先进制程上,目前碰到许多的问题。大家可参考我的《超级成长股投资法则》一书里面3-3的第176页的讨论,其中所提过的许多客户吃过亏的案例就知道了。

英特尔积极追赶

英特尔的雄心

英特尔打算在未来4-5年内,在先进制程的制造能力上,就一举超越台积电。但是由于过去的记录不佳,一再放羊。因此即使上个月新任执行长又再度强调英特尔的这份超越台积电的雄心计划,但各方反应似乎不怎么热烈。

未来计划,英特尔第一,三星第二,台积电最保守

根据目前三家公司“各自公开的”未来先进制程发展的计划:英特尔第一,三星第二,台积电最保守。但这是各自的计划,至于最后是否按计划实施,成真的机会多高,没有人说得准。

建议读者看一下三家公司的计划,我在部落格的文章《台积电,英特尔,三星未来芯片的新制程路线图对照》里面有个图表,列出了这三家公司从过去,到未来2025年之前;以及各公司从目前制程到未来2奈米的时程。

三方先进制程良率的数字

先进制程良率的数字三星的先进制程良率很差,和台积电不在同一个等级上。或许我们应该说,是台积电太过优秀,把先进制程的良率,拉得和台积电成熟制程良率的差距很接近,这是很难得的能耐。

台积电和三星的3奈米比较

据Digitimes Research研究指出,在3奈米制程节点上,三星的电晶体密度为1.7亿个,台积电的电晶体密度则达2.9亿个,足足多了1.7倍。另外,从极紫外光机(EUV)的使用量来看,目前全球有65%的极紫外光机都是台积电所使用,三星用量不到20%,且三星还要将取得的极紫外光机分配给内存生产,市场预估三星2023年时在3奈米的月产能可能不到一万片。

根据韩国媒体 BusinessKorea在2023年4月中旬的报导指出,台积电目前 3 奈米制程技术的良率,相较更早投产的 4 奈米 (N4) 制程技术仍有段差距。相较于 3 奈米制程技术的最高 63% 良率,台积电 4 奈米制程技术良率目前预计在 80% 左右。三星的 4 奈米制程技术良率,最少达到了 70% 的水准,已接近台积电 4 奈米制程技术 80% 的良率。

但请注意:三星电子的 3 奈米制程技术采用GAA 电晶体架构;但是台积电 3 奈米制程目前仍采用鳍式场效应电晶体架构 (FinFET) 。

台积电的良率

例如台积电5奈米良率才量产1个多月就能由50%冲上80%,7奈米试产时良率就超过七成,4奈米的良率也超过70%。

3奈米已在2022年底商业化量产,当时媒体报导3奈米良率预估落在60%至70%,甚至是 75%-80%。台积电2022年底在南科晶圆18厂新建工程基地举行3奈米量产暨扩厂典礼中,董事长刘德音就提到3奈米制程的良率与5奈米相当;这是相当难得的成就,因为3奈米是刚量产的新制程。

但2023年7月中旬,媒体报导,市场传闻苹果的 A17 Bionic 和 M3 处理器已经获得台积电 90% 的 3 奈米制程产能。不过,因为台积电目前 3 奈米制程的良率仅为 55%,距离正常的良率还有一段距离的情况下,台积电将只向苹果收取真定成功可用芯片的费用,而不是标准晶圆价格的收费方式。

三星的良率

三星的4奈米良率在2022年中期,已从35%经过大幅改善至接近60%;在2023年更有媒体表示已经推至75%。2024年2月时市场的消息,韩国三星旗舰手机处理器 Exynos 2400,采 4LPP+ 制程后,良率约 60%,虽还是比不上台积电良率达 70% 的 N4P 制程,但较一年多前自家只 25% 良率进步不少。

三星的3奈米良率最高才只有30%,2022年4月份媒体透露的消息说三星基于GAA的3奈米工艺良率才在10%~20%之间,比预期低得多。但有媒体在2023年表示,良率已经推至60%,甚至有媒体报导的数字高达65%。

为了克服3奈米良率的问题,媒体报导三星正寻求Silicon Frontline Technology的协助,以提高 3 奈米 GAA 良率。但为找Silicon Frontline Technology呢?主要是要克服因利用这家公司所有的技术,从水质和静电放电预防技术方面降低生产过程缺点,以提高晶圆良率。

英特尔的良率

2020年7月在英特尔公布2020年第二季财报。财报透露,由于7奈米制程良率不理想,英特尔7 奈米CPU产品较先前预期延后约6个月。这是英特尔关于制程良率典型的回答方式,外界只知知道良率不佳,但英特尔从未曾公布过任何制程实际的良率数字。

但大家要特别注意的是:市场上对英特尔的时程和良率多会先抱持怀疑的看法,原因是英特尔先前的记录实在不佳───英特尔的14奈米制程由宣布成功试产到真正客户能在市场上买到,前后被延迟了7年 (2014–2020),这才是英特尔现在最大的问题

良率对芯片制造的重要性

简单一句话,您可以以如此想:良率就等于利润率!

价格说话

芯片代工的价码如何?

目前先进制程晶圆代工价格介于7,000~15,000美元,成熟制程晶圆代工平均价格则为3,200美元左右。

台积电拥有涨价的权力

我个人分析认为,这一点对利润的影响最显而易见,这也是为什么台积电在2021年敢冒天下之大不讳,在没有任何征兆的情形下,突然宣布调涨代工费20%,而且立刻实。并于2022年5月再宣布将于2023 年起再全面涨价 5%至8%──── 这就是很少企业能拥有的竞争力“涨价的权力”。

先进制程良率

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