旺材晶片 發表於 2020-12-09 09:04:31
近年來，在半導體產業當中，最為人所津津樂道者就屬晶圓代工龍頭臺積電與競爭對手韓國三星的競爭。雙方從製程演進、客戶數量、市佔排名、資本支出，一直到市值多少都讓大家拿出來比較。目前，雖然臺積電在其市場佔有率上有過半的競爭優勢。不過，三星也非省油的燈，2019 年也宣布將投資約1,150億美元的金額，希望能在2030年超車臺積電，成為非存儲器的系統半導體製造龍頭。
面對三星如此來勢洶洶，連臺積電創辦人張忠謀都表示，三星電子是很厲害的對手，臺積電還沒有贏。因此，在可以期待的未來是臺積電與三星的競爭仍將持續，鹿死誰手也還沒有明確的答案。 臺積電發展歷史1987 年2 月成立的臺積電，開創了全球純晶圓代工的新商業模式。在當時，全球的半導體行業採取的是單一的IDM 模式，即企業內部完成晶片設計、晶片生產和測試封裝等3 個流程，當時的英特爾、三星等半導體企業都是採取這種模式。這些公司大多把針對外部的晶圓代工做為副業，主業是設計和銷售自己的產品，因此市場上沒有專業的代工服務。爾後臺積電的創立，才改變了這樣的模式。
而做為專業晶圓製造服務業的創始者與領導者，臺積電一開始就專注為全球無晶圓廠(Fabless) 企業、IDM 公司和系統整合公司提供晶圓製造服務。因此，自創立開始，臺積電即持續提供客戶最先進的技術及臺積電TSMC COMPATIBLE 設計服務，在提供先進的晶圓製程技術與最佳的製造效率上已建立了良好的聲譽。而且在擁有先進技術後，將其轉換成生產優勢，其中包括良率、可靠性、準時交貨性、充足的產能以應付客戶需求和生產周期等。而且，技術與生產上的優勢，轉換成與客戶的長期信任關係。而這樣的基礎也成為現任的臺積電董事長劉德音所一再強調的臺積電價值──「誠信正直、承諾、創新、客戶信任」。
面對客戶的需求1999 年，臺積電領先業界推出可商業量產的0.18 微米銅製程製造服務。2001 年，臺積電推出業界第一套參考設計流程（Reference DesignFlow），協助開發0.25 微米及0.18 微米的客戶降低設計障礙，以達到快速量產之目標。2005 年，領先業界成功試產65 納米製程晶片。2009 年繼40 納米製程之後的28 納米製程，臺積電決定採用與英特爾相同的Gate-last 架構，放棄IBM 的Gate-First 架構，使得當時同樣在開發28 納米製程的競爭對手聯電、三星、格羅方德都還持續在研發卡關的時刻，臺積電能在2011年正式量產28 納米製程。
▲ 臺積電製程技術演進。（Source：臺積電） 2013 年臺積電新開發的20 納米製程首次拿到蘋果的A 系列處理器的訂單，而之後的2014 年，臺積電推出在20 納米製程基礎上加入FinFET 技術而成16 納米製程，並且取得使用於搭載於蘋果iPhone 6s 和iPhone 6s+ 智慧型手機上A9 處理器的部分訂單，也就是與三星所研發出的14 納米製程技術共同打造A9 處理器。
只是後續市場一連串傳出搭載三星代工晶片的iPhone 續航能力，較搭載臺積電代工晶片的iPhone 更低的情況下，其狀況雖遭到蘋果三星否認，但是自A9 系列處理器之後，蘋果自A10系列處理器開始，直到近期最新的A14 系列處理器，蘋果就再也沒有讓三星進行代工，這也使得臺積電從此種下與三星彼此激烈競爭的火種。 2016 年臺積電正式推出10 納米製程，以及InFO 扇出型晶圓級封裝技術，使得晶片製造降低成本、加快晶片製造周期。2017 年4 月，更先進的7 納米製程開始開始大規模投產，相較於上一代的10 納米FinFET 製程技術，臺積電的7 納米製程技術在邏輯閘密度提高1.6 倍，運算速度增快約20%，功耗降低約40%。
來到2020 年，臺積電最新的5 納米製程也進入正式的量產階段。而後續的N5P 製程技術則預計於2021 年正式量產。另外，之後更先進的3 納米製程，則預計將在2022 年量產。三星發展歷史2005 年，韓國三星電子開始進入12 吋邏輯晶圓代工領域，2017 年5 月12 日，三星電子宣布調整公司業務部門，將晶圓代工業務部門從系統LSI 業務部門中獨立出來，成立三星電子晶圓代工，主要負責為全球客戶製造非存儲器的邏輯晶片，從而與龍頭臺積電進行純晶圓代工市場的競爭。
事實上，從2005 年到2009 年，三星晶圓代工業務年營收不足4 億美元，相較於臺積電在2008 年就突破100 億美元的營收，其比例天差地遠。直到2010 年開始代工蘋果A 系列處理器（包括A4、A5、A6、A7），才使得三星代工業務營收出現大幅度的成長。2010 年整體晶圓代工收入暴增至12 億美元，其中蘋果A 系列處理器產品代工收入達8 億美元。之後，隨著蘋果手機等移動終端產品的出貨熱絡，導致三星的晶圓代工業務營收水漲船高，到2013 年已經達到39.5 億美元，而當年為蘋果代工的收入佔總代工業務營收的86%，因此，可說2010 年至2013年三星晶圓代工業務營收完全是靠蘋果在支撐。
2013 年因為20 納米製程良率無法突破等多方面的原因，三星電子失去蘋果A 系列處理器訂單，當年的蘋果A8 處理器全部交由臺積電代工。2015 年好不容易再搶回蘋果A9 處理器的部分訂單，但由於產品的功耗控制不如臺積電，導致2016 年的蘋果A10 處理器訂單又全部由臺積電獨享，並且從此再也沒有再拿下過蘋果A 系列處理器的訂單。而失去蘋果這個大客戶，導致2014 年和2015 年晶圓代工營收出現下滑。
為了填補產能，三星代工業務積極出擊，2016 年搶下高通（Qualcomm）應用處理器和伺服器晶片、超微半導體（AMD）的微處理器晶片、輝達（Nvidia）的圖形處理晶片、特斯拉（Tesla）的自駕系統晶片的訂單，得以彌補蘋果跑單的窘境。2016 年營收達到44 億美元，超過2013年的水平，還創下三星晶圓代工業務營收的新紀錄。而根據市場調查機構《IC Insights》的數據顯示，三星電子2017 年晶圓代工營收達46 億美元，在全球晶圓代工市場以6% 的市佔率排名第四，其他前三名則別是臺積電的56%，格羅方德（GlobalFoundries）的9%，以及聯電（UMC）的8.5%。
2018 年三星的晶圓代工業務營收來到100 億美元，市佔率衝上14%，全球排名躍升至第二的位置。不過，當年的營收大幅攀升，並非業績的大幅成長，而乃拆分部門導致。當年三星晶圓代工業務自立門戶，不再隸屬於系統LSI 業務。所以，之後包括處理器晶片（Exynos 等）、CIS 圖像感測器、顯示驅動晶片、電源管理晶片的生產收入都算作晶圓代工業務營收，因此營收一路高漲，市佔率一夕飆高。不論如何，在三星晶圓代工業務逐漸成為集團下的金雞之後，三星隨即遇到存儲器市況反轉，加上智慧型手機市佔率節節敗退的衝擊，決心在非存儲器系統半導體業務上著力，2019 年宣布，預計投入10 年時間及約1,150 億美元的經費，在2030 年超車臺積電，登上產業龍頭。
臺積電的產能與技術目前，臺積電擁有4 座12 吋超大晶圓廠、4 座8 吋晶圓廠和1 座6 吋晶圓廠，並擁有一家百分之百持有之大陸子公司──臺積電（南京）有限公司之12 吋晶圓廠，及2 家百分之百持有子公司──WaferTech 美國子公司、臺積電（中國）有限公司之8 吋晶圓廠，再加上4 座後段封測廠。而截至2019 年為止，臺積電也提供最廣泛的先進位程、特殊製程及先進封裝等272 種製程技術，為499 個客戶生產1 萬761 種不同產品。而2020 年前3 季也繳出，收達約340億美元，較2019 年同期增加29.9%，毛利率52.8%，較2019年同期增加8.5 個百分點，稅後純益約132億美元，較2019 年同期增加63.6%。
在相關製程技術方面，自1999 年臺積電發布了世界上第一個0.18 微米低功耗製程技術之後，從那時起臺積電就引領產業不斷進行製程微縮技術，從0.13微米，到90 納米、65納米、40 納米、28 納米、20 納米、16/12 納米、10 納米、7 納米，再到2020 年的5 納米，以及接下來更先進的3 納米製程。就7 納米以下的先進位程來說，7 納米製程於2017 年4 月開始風險生產，2018 年正式量產，截至2020 年7月份為止，臺積電總共生產出了10 億個7 納米製程的晶片。 隨後7 納米加強版製程，2018 年8月進入風險生產階段，2019年第3 季開始量產，是臺積電第一個使用極紫外光(EUV) 曝光解決方案的半導體製程技術。
另外，為強化7 納米製程，提升效能與成本優勢，且加速產品上市時間，2019 年4 月份臺積電推出的6 納米製程技術，採用EUV 光刻解決方案，2020 年第1 季風險試產，第3 季正式量產。臺積電之前曾表示，6 納米製程比首代7 納米製程提供高出18% 的邏輯密度，設計規則與首代7 納米完全兼容，使其全面的設計系統得以重複使用。
而2020 年正式量產的5 納米製程，在第2 季開始拉高產能並進入量產階段。與首代7 納米製程相較，5 納米晶片密度增加80%，在同一運算效能下可降低15% 功耗，或在同一功耗下可提升30% 運算效能。至於，下一代的5 納米加強版製程，2021 年將進入量產。而改良自5 納米加強版的4 納米製程，則是預計2023年投入量產。還有，不久前臺積電才舉行廠房上梁典禮的3 納米製程，目前則是預計在2022 年下半年將進入試產階段。
三星的產能與技術三星目前總計擁有韓國器興（Kiheung）的S1、美國奧斯汀（Austin）的S2、韓國華城（Hwasung）的S3、S4 等4 座大型晶圓代工廠。其中，S1 生產量產65 納米至8 納米的低功耗晶片，S2 負責生產65 納米至14 納米產品，S3 則是10 納米、8 納米及7 納米等製程的重要生產基地，S4 則是CMOS 圖像傳感器的生產據點。另外，三星目前正在興建位於華城園區的第5 座晶圓廠，未來將是採用EUV 光刻技術的7 納米、5 納米及3 納米製程的生產據點，廠房已經於2019 年下半年完成，2020 年正式進入初期量產階段。
至於，在製程技術的發展上，三星2005 年進入晶圓代工產業，2006 年首個客戶籤約65 納米製程，2009年45 納米製程開始接單，同年11 月在半導體研究所成立邏輯製程開發團隊，強化晶圓代工業務後，2010 年1 月首個推出32 納米的HKMG 製程，2014 年再推出首代14納米FinFET 製程。之後，2016 年10 月首代10 納米FinFET 製程量產。2018 年再推出由10 納米FinFET製程改良的8 納米LPP 製程，並在當年11 月發表以該製程所生產的三星Exynos 9 系列9820 處移動處理器。 2019 年上半年，三星正式宣布首個採用EUV 光刻技術的7 納米LPP 製程正式量產，並且在當年下半年進行量產。
三星表示，相較於10 納米製程晶片，7 納米LPP 製程可縮小多達40% 的晶片面積，速度提高20%，並降低50% 的功耗。之後的5 納米LPE 製程則是採用三星獨特的智慧縮放（Smart Scaling）解決方案，將其納入基於EUV 光刻技術的7 納米LPP 製程之上，號稱邏輯效率將較前一代提升最多25%，或者是在相同性能和密度下，整體的晶片功耗將可降低20%，以及在同等功耗和密度下，性能能夠提升10%。
近期，相較於臺積電3 納米製程預計將在2022 年試產，三星也不甘示弱的提出3 納米LPP 製程，這是將第一次使用全新的MBCFETTM（Multi Bridge Channel FET，多橋接通道場效應電晶體）結構，並採用GAAFET（Gate All Around FET，環繞柵極場效應電晶體）技術。GAAFET 需要重新設計電晶體底層結構，以克服當前技術的物理、性能極限，增強柵極控制，使得性能大大提升，預計2022 年投入風險性試產。
臺積電與三星的競爭就如之前所提到的，三星在2005 年正式進入晶圓代工市場之後，在到2009 年的這幾年當中，其整體營收不過4 億美元，與2008 年營收已經破百億美元的臺積電相較，不過只是零頭而已。不過，隨著三星拿下蘋果早期的處理器代工訂單後，三星晶圓代工業務營收突飛猛進，這才意識到蘋果訂單的重要性。只是，隨著20 納米製程的發展遇上瓶頸，讓臺積電全數吃下當時蘋果A8 處理器之後，隔年好不容易有機會與臺積電共同分食蘋果A9 處理器訂單。之後卻因會能耗問題遭到果粉批評後，自A10 處理器開始就再也沒能拿下蘋果訂單，也從此埋下了與臺積電激烈競爭的種子。
另一個讓臺積電與三星始終處於激烈競爭的導火線，就出在當年臺積電前資深研發處長梁孟松離職後前去投靠三星，並且指導三星發展出優於臺積電16 納米製程的14 納米製程的事件上，這顯示臺積電過去累積多年的努力，並且投資大筆金錢的成果一夕間遭三星所追趕上。雖然事後臺積電採用法律的力量，對梁孟松進行訴訟獲得最後的勝利，但也因為基於智慧財產權與競業條款的問題，從此雙方互不相讓。
事實上，自半導體製程為縮至10納米以下之後，臺積電與三星的競爭持續不斷，不但從各製程的推出時間，再到取得客戶的數量，甚至是每年所投入的資本支出，以及到整體的市值大小都成為互相比較的項目。尤其，在當前的先進位程中，全球現階段唯三有能力在此領域發展的企業。但撇開目前仍在10 納米製程上持續為良率努力的英特爾，而能夠提供先進位程邏輯晶片代工的企業就僅剩臺積電與三星這2 家，彼此的競爭自然免不了。
只是，根據TrendForce的調研結果顯示，2020 年第3 季全球晶圓代工市場佔有率，臺積電以高達53.9% 位居龍頭，領先排名第2 的三星市佔17.4% 有3倍以上差距的情況來看，即便三星已經宣布，將在10 年內投入約1,150 億美元來發展非存儲器的系統半導體來看，平均每年也就是會投資115 億美元的金額，對照臺積電目前每年的資本支出已經超過150 億美元，2020 年甚至最高將達到170 億美元的情況下，三星砸的錢似乎還不算多。因此，這兩家企業未來的競爭是否會進一步有反轉的情況，這也將是未來大家所關心的產業話題。 來源：光刻人的世界
責任編輯：xj
原文標題：關注 | 臺積電與三星之爭 張忠謀：三星是厲害對手，臺積電還沒贏
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