三星、台积电展开先进制程拉锯战

近日，三星电子表示将于2027年开始生产1.4nm工艺芯片。与此同时，还有消息称，TSMC启动了1.4nm芯片的工艺研发，TSMC已经将其3nm工艺研发团队转为1.4nm工艺研发团队。事实上，这并不是三星和TSMC第一次在先进制造工艺的进展中“撞车”。

今年，三星和TSMC都宣布将在2025年量产2纳米芯片。在3纳米方面，三星和TSMC都宣布今年量产。目前三星已经率先量产3nm芯片，TSMC也准备在年底前量产3nm芯片，苹果M3芯片已经提前预定了TSMC的3nm芯片工艺。

在5nm以下的制造工艺领域，只剩下最后两家，三星和TSMC，但这两家公司竞争激烈，你来我往，形成拉锯战。然而，就是这样一场拉锯战，使得摩尔定律尽管困难重重，但仍在继续延伸。

资本支出是厂商之间拔河的实力。

在5nm以下的先进工艺领域，为什么TSMC和三星能“笑”到最后？在这么困难的情况下甚至可以在先进制造领域打一场拉锯战吗？

根据DIGITIMES数据评估，采用28纳米工艺建造工厂的成本为60亿美元。但到了7nm工艺的时候，建厂成本已经增加到120多亿美元(约合人民币765亿元)。在5nm时，这个数字增加到了160亿美元(约合人民币1019亿元)。可见晶圆厂的建设成本是很高的，而且是随着芯片制造工艺逐渐萎缩的。对于5nm以下的先进工艺芯片，成本会更高。

面对这种“省钱”的业务，三星和TSMC也表现出了强大的资金实力。根据IC insights的数据，2021年，半导体行业的总资本支出为1520亿美元，其中三星电子和TSMC的总资本支出超过600亿美元，占总资本支出的近40%。

在今年6月8日的股东大会上，TSMC董事长刘德音预计，TSMC明年的资本支出将达到400亿美元。如果继续以这个速度增长，将意味着从2021年到2023年，TSMC在这三年的资本支出很可能超过此前宣布的数千亿美元，达到1100亿到1140亿美元之间。

此外，Counterpoint表示，TSMC高额资本支出的很大一部分将是3纳米和2纳米节点产能的扩张，因为英特尔和苹果等大客户对先进制造工艺的需求将在2023年后扩大。

三星在代工上的资本支出并不逊色。2021年，三星电子半导体和显示器的总资本支出达到48.22万亿韩元，其中43.57万亿韩元(约合人民币2300亿元)花费在半导体上，主要用于产能扩张和高级节点迁移。今年5月，三星电子在宣布未来5年的重大投资计划时表示，到2026年将把资本支出增加30%以上，达到450万亿韩元(约合人民币2.4万亿元)。虽然三星电子没有透露对每项业务的支持比例，但有分析师初步预测，其将在半导体领域支出超过1000亿美元。

业内专家莫墨康告诉《中国电子报》记者，三星在内存领域已经领先多年，有足够的资本投入先进制造工艺的研发。“虽然对于三星来说，代工行业并不是营收的‘主力’，与TSMC相比，其在代工领域的年营收仅为TSMC的三分之一，但三星作为全球领先的IDM厂商，拥有强大的资金支持。追求先进的制造工艺也意味着追求市场话语权，这也是三星能在先进制造领域不断‘花钱’，与TSMC竞争的主要原因之一。”莫莫康说。

强大的资本支出能力也给了三星和TSMC足够的信心，让他们在先进工艺领域来去自如。

四大核心技术成为竞争焦点。

TSMC和三星先进制造工艺之间的拉锯战主要围绕四项核心技术展开。

第一，晶体管结构。我们知道，随着芯片工艺延伸到5nm以下，原有的三边环栅FinFET晶体管结构开始出现功耗和漏电流发热的问题，这也使得四边环栅结构的GAA技术逐渐受到更多的关注。复旦大学微电子学院副院长周鹏表示，与三面栅的FinFET结构相比，GAA工艺的四面栅结构可以更好地抑制漏电流的形成，增加驱动电流，更有利于实现性能和功耗的平衡。因此，在5nm之后更小的工艺中，GAA技术更受业界的认可和青睐。

在晶体管结构方面，三星在TSMC占得先机，在其3nm芯片中采用了GAA架构，并与IBM联合推出了全新的垂直晶体管架构VTFET。众所周知，在相同的功率下，VTFET晶体管提供了FinFET晶体管两倍的性能。在同等频率下，VTFET可以节省85%的功率。此外，TSMC在GAA架构方面也取得了很大的成就。在去年12月的中国集成电路设计行业2021年会上，TSMC总经理罗振球表示，TSMC将在2nm节点采用基于GAA架构的MBCFET晶体管架构。

第二，新材料。为了解决晶体管小型化带来的量子效应、漏电、发热等问题，有效提高芯片能耗，减少芯片面积，TSMC、三星等厂商都在不断寻找新的材料来替代或补充先进工艺芯片中硅材料的不足。据了解，TSMC正在研究二硫化钨和碳纳米管等新材料，这些材料可以更有效地移动电子，并使芯片更加节能，降低计算过程中的功耗。此外，三星电子还与蔚山科学技术院合作开发了一种新材料“非晶氮化硼”。据悉，这种材料可以防止电气干扰，三星将其视为半导体小型化的关键要素之一。

第三，新型光刻设备。下一代EUV光刻机可以说是打破2nm以下先进工艺的命脉。因此，三星和TSMC都在努力寻求ASML高数值孔径极紫外光刻机。今年6月17日，TSMC首次披露，到2024年，TSMC将拥有ASML最先进的高数值孔径极紫外光刻机，用于生产GAA架构的2nm芯片，预计2025年量产。据了解，高数值孔径极紫外光刻机具有更高的光刻分辨率，可以减小芯片体积，提高密度2.9倍。几乎与此同时，有消息称三星电子从ASML获得了十余台EUV光刻机，三星也表示其2nm芯片将于2025年量产。可以看出，这些光刻机也在为2nm芯片的量产做准备。

第四，先进的封装技术。随着芯片制造工艺的演进和晶体管结构的改变，如何将芯片“密封”得更小，实现更好的互联互通，成为TSMC和三星的主要关注点。因此，近年来，TSMC在先进封装领域不断发力，相继推出CoWoS、SoIC 3D等技术，完善其在先进封装领域的布局。为了进一步扩大在先进封装领域的影响力，TSMC在2020年整合了其SoIC、InFO和CoWoS等3D IC技术平台，并将其命名为3D Fabric，可以实现各种创新的产品设计。

虽然起步较晚，但三星近年来一直在坚持不懈地研发先进的封装技术。2021年11月，三星宣布与AmkorTechnology联合开发了混合基板立方体技术。这是其最新的2.5D封装方案，大大降低了高性能计算等市场的准入门槛，让三星在先进封装领域声名鹊起。

拉锯战推动摩尔定律向前发展。

如今，三星和TSMC在先进工艺领域的竞争已经进入白热化阶段，也成为推动摩尔定律向前发展的主要动力之一。

在这场拉锯战中，三星目前处于劣势，先进工艺芯片频频陷入良品率泥潭。据悉，三星的4nm良品率只有35%，而TSMC的4nm工艺芯片良品率可以达到70%，是三星的两倍。因为良品率问题，三星代工的主要客户都在流失。比如高通把骁龙8 Gen1订单转给TSMC，后续的3nm芯片也全部委托给TSMC；英伟达RTX 40系列显卡也将采用TSMC的5纳米工艺。由于三星电子基于4nm工艺的Exynos 2200处理器良品率极低，其GPU频率从计划的1.69GHz降至1.49GHz，最终降至1.29GHz，为此，三星电子代工的大客户高通和英伟达协商按照芯片最终产量付费，而不是按晶圆付费。

TSMC在先进制造工艺领域相对成功。最近有消息称，虽然TSMC还没有量产3nm工艺，但是良品率已经达到了80%。其最大的客户苹果公司已经提前预订采用TSMC的3纳米工艺生产M3芯片。甚至有消息称，TSMC 2nm风险试产良率已经超过90%，苹果和英特尔将成为TSMC 2nm的首批客户。

莫康表示，TSMC和三星的竞争没有输赢，因为大多数代工厂商已经彻底告别了先进制造工艺的竞争，这使得许多客户不得不在TSMC和三星之间做出选择。此外，仅靠TSMC的产能很难维持一个巨大的先进工艺市场。所以，即使三星的芯片性能会频频“滑铁卢”，仍然会有大量厂商愿意尝试。

三星不可忽视的强大资本力量或许会让TSMC有所顾忌，但也成为促使TSMC不断向先进制造工艺延伸的最大动力之一。“两者之间的竞争态势恰好是摩尔定律向前发展的主要动力。”莫康说。