臺(tái)積電和三星統(tǒng)治的5nm晶圓代工江湖，很可能出現(xiàn)第三家競(jìng)爭(zhēng)者

上周，有消息稱，英特爾正在考慮重新設(shè)定其制程節(jié)點(diǎn)的命名規(guī)則，有可能完全拋棄之前的做法。如果此消息屬實(shí)的話，則英特爾這樣做是完全合乎情理的，因?yàn)樵?a target="_blank">公司在不久前宣布要大規(guī)模邁入晶圓代工市場(chǎng)，而該市場(chǎng)的商業(yè)運(yùn)作模式與傳統(tǒng)的IDM有很大區(qū)別，IDM主要生產(chǎn)自家芯片，而晶圓代工則是為市場(chǎng)上的多家廠商生產(chǎn)芯片，情況要復(fù)雜的多，就制程節(jié)點(diǎn)而言，必須要有一套可以被市場(chǎng)快速接受的命名方法和規(guī)則，而當(dāng)下的晶圓代工市場(chǎng)，特別是最先進(jìn)制程，由臺(tái)積電和三星把持，廣大客戶已經(jīng)習(xí)慣了這套命名規(guī)則，其實(shí)際上也成為了業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)。后來(lái)者進(jìn)入該領(lǐng)域，就不得不向這樣的規(guī)則靠攏，才能更好的爭(zhēng)取到客戶，并提供便利的服務(wù)。

英特爾的10nm制程已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，其晶體管密度達(dá)到了100.8MTr/平方毫米，與臺(tái)積電7nm相當(dāng)。而被前者寄予厚望的7nm制程還未量產(chǎn)，最新消息顯示，英特爾采用7nm制程節(jié)點(diǎn)工藝的Meteor Lake計(jì)算芯片預(yù)計(jì)在2021年第二季度開始tape in。實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，恐怕要等到2022年了。而從技術(shù)指標(biāo)來(lái)看，英特爾的7nm相當(dāng)于臺(tái)積電和三星的5nm，這一點(diǎn)，ASML公司有過相應(yīng)的說(shuō)明。

英特爾宣布大規(guī)模進(jìn)入晶圓代工市場(chǎng)的時(shí)間點(diǎn)，正是其7nm制程即將實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的時(shí)段。而如果該公司真的修改制程節(jié)點(diǎn)命名規(guī)則的話，則所作的文章重點(diǎn)應(yīng)該是現(xiàn)在的7nm制程上，屆時(shí)，如果將7nm改為5nm或類似表述的話，正好趕上其新建晶圓廠建設(shè)完成，工藝研發(fā)順利的話，也會(huì)在那個(gè)時(shí)間段內(nèi)完成，到時(shí)（大概是2022年），臺(tái)積電和三星統(tǒng)治的5nm晶圓代工江湖，很可能出現(xiàn)第三家競(jìng)爭(zhēng)者，也就是英特爾。

全產(chǎn)業(yè)鏈聚焦5nm

當(dāng)下，5nm晶圓代工市場(chǎng)依然由臺(tái)積電主導(dǎo)，三星正在緊追，英特爾也緊盯該市場(chǎng)。未來(lái)幾年，全球先進(jìn)制程（10nm以下）市場(chǎng)產(chǎn)能總體呈現(xiàn)供不應(yīng)求的狀態(tài)，英特爾有望以5nm為起點(diǎn)，在全球晶圓代工市場(chǎng)的先進(jìn)制程領(lǐng)域向臺(tái)積電和三星發(fā)起一波沖擊。

產(chǎn)能供不應(yīng)求，市場(chǎng)需求不斷增長(zhǎng)，這樣的市場(chǎng)，不僅吸引著英特爾這樣的IDM龍頭入場(chǎng)，產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)上的廠商都紛紛發(fā)力，爭(zhēng)取在這一巨大市場(chǎng)分得一杯羹。

半導(dǎo)體設(shè)備方面，就在本周，中國(guó)中微公司董事長(zhǎng)尹志堯表示，該公司開發(fā)的12英寸晶圓等離子刻蝕設(shè)備，已經(jīng)進(jìn)入了客戶的5nm制程生產(chǎn)線。等離子體刻蝕機(jī)是芯片制造中的一種關(guān)鍵設(shè)備，用來(lái)在芯片上進(jìn)行微觀雕刻，每個(gè)線條和深孔的加工精度都是頭發(fā)絲直徑的幾千分之一到上萬(wàn)分之一，精度控制要求非常高。

在EUV光刻機(jī)方面，全球僅有ASML一家公司掌握著EUV光刻機(jī)的核心技術(shù)，這也是5nm制程必需的設(shè)備，但EUV光刻機(jī)的成本十分高昂，每臺(tái)售價(jià)高達(dá)1.2億美元，幾乎是DUV光刻機(jī)價(jià)格的2倍。

根據(jù)ASML公司發(fā)布的財(cái)報(bào)，2019全年共出貨了26臺(tái)EUV光刻機(jī)，2020年交付了30多臺(tái)EUV光刻機(jī)，2021年則會(huì)達(dá)到45-50臺(tái)的交付量。這其中很大一部分都供給了臺(tái)積電，用于擴(kuò)充5nm，以及7nm產(chǎn)能。

作為當(dāng)下5nm制程產(chǎn)能的領(lǐng)導(dǎo)者，臺(tái)積電被多家芯片廠商追捧。最近，又有一批5nm芯片將在今年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，還有的在研發(fā)當(dāng)中，有望在2022和2023年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，到時(shí)候，加入戰(zhàn)團(tuán)的英特爾，有望從晶圓代工兩強(qiáng)臺(tái)積電和三星那里爭(zhēng)到一些訂單。

臺(tái)積電5nm制程的最大客戶是蘋果，據(jù)報(bào)道，臺(tái)積電將會(huì)在今年5月開始為蘋果生產(chǎn)A15處理器，搭載于今年9月份即將亮相的手機(jī)iPhone 13。據(jù)悉，蘋果A15芯片將繼續(xù)采用5nm工藝打造，整體性能表現(xiàn)可能與上代A14差別不大，但是由于臺(tái)積電工藝技術(shù)的提升，在功耗和發(fā)熱方面將有所改善。

華為海思原本是臺(tái)積電5nm制程的第二大客戶，但由于受到美國(guó)制裁，海思無(wú)法獲得臺(tái)積電的晶圓代工支持，空出的相關(guān)產(chǎn)能也受到了眾多芯片廠商的追捧，其中，AMD成為了大戶，有望緊跟蘋果之后，成為臺(tái)積電5nm制程的第二大客戶。

也就是在本周，采用5nm制程的AMD Zen4架構(gòu)處理器再次曝光。

在Zen3 Vermeer之后，銳龍CPU家族規(guī)劃了Zen3+ Warhol和Zen4 Raphael。Zen3+的變化包括6nm工藝、延續(xù)AMD4接口和對(duì)PCIe 4.0、DDR4內(nèi)存的支持；Zen4的變化就更大了，包括5nm工藝、對(duì)PCIe 5.0、DDR5內(nèi)存的支持、新的AM5接口等，另外，消息稱Zen4 Raphael還將首次集成Navi2 GPU單元。

有猜測(cè)稱，Zen4 Raphael之所以能集成GPU，原因在于接口變化、5nm制程工藝晶體管密度更大、I/O Die升級(jí)到6nm等，從而為GPU留下空間。

Zen4 Raphael將是業(yè)界首個(gè)5nm制程的x86處理器。而Zen 4架構(gòu)的EPYC霄龍?zhí)幚砥鞯陌l(fā)布時(shí)間將會(huì)在2021年或者2022年初。Zen 4對(duì)AMD來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，因?yàn)榇?hào)為“熱那亞”的數(shù)據(jù)中心處理器將會(huì)采用全新的SP5接口，新的接口將顯著改變處理器的I/O，并支持新的DDR5內(nèi)存標(biāo)準(zhǔn)和PCIe 5.0標(biāo)準(zhǔn)。

2020年3月，AMD公布了GPU發(fā)展路線圖，不僅包含了Radeon RX 5700 XT RDNA，還闡述了RDNA 2和RDNA 3。其中，RDNA 3在功能方面能夠得到的消息還比較少，但從整體目標(biāo)來(lái)看，AMD仍然希望能夠持續(xù)提高每瓦功率性能，功耗仍然是GPU總體性能的瓶頸，而更先進(jìn)的制程工藝有助于提升功率效率。鑒于即將發(fā)布的RDNA 2可能不再局限于臺(tái)積電的EUV 7nm+工藝，那么RDNA 3可能會(huì)采用臺(tái)積電的5nm制程工藝。

近期，三星的5nm制程也有訂單入賬，3月下旬，高通公司公布了下一款驍龍 7 系列處理器，名稱為驍龍780G 5G，采用三星 5nm 工藝，代號(hào) SM7350-AB。驍龍780G SoC 基于八核架構(gòu)，是驍龍 768G 的繼任者，將瞄準(zhǔn)低預(yù)算的5G智能手機(jī)。

另一大手機(jī)處理器廠商聯(lián)發(fā)科也不甘示弱，該公司在2020年憑借天璣處理器的強(qiáng)勁表現(xiàn)，打了個(gè)漂亮的翻身仗，還成為國(guó)內(nèi)最大手機(jī)處理器供應(yīng)商。不久前，聯(lián)發(fā)科還發(fā)布了2021年開年產(chǎn)品——天璣1200/1100系列5G芯片，但該系列只是針對(duì)前代產(chǎn)品的小幅升級(jí)版，并未帶來(lái)真正的旗艦芯片。

近日，最新報(bào)道顯示，聯(lián)發(fā)科首款5nm制程芯片將于今年第四季度正式投產(chǎn)，并于明年初正式發(fā)布，是一款專門針對(duì)高端市場(chǎng)的旗艦產(chǎn)品。

此前有消息稱，聯(lián)發(fā)科5nm芯片將會(huì)被命名為天璣2000，目前已經(jīng)獲得了多家國(guó)內(nèi)手機(jī)廠商的訂單，明年上半年就會(huì)有搭載這款芯片的產(chǎn)品問世。

聯(lián)發(fā)科CEO蔡力行曾公開透露，其5nm旗艦芯片將由臺(tái)積電打造，目前已經(jīng)接近流片。據(jù)悉，聯(lián)發(fā)科已經(jīng)向臺(tái)積電預(yù)定了至少每月2萬(wàn)片的5nm制程產(chǎn)能，以此來(lái)打造天璣2000系列旗艦處理器。

谷歌自研手機(jī)芯片已經(jīng)不是什么秘密了。本周，有消息稱，預(yù)計(jì)今年發(fā)布的Pixel 6手機(jī)將搭載首批谷歌自研的處理器，其研發(fā)代號(hào)為Whitechapel。其實(shí)，早在去年，谷歌就曝光了要自研芯片的消息，當(dāng)時(shí)自研的芯片已經(jīng)植入手機(jī)開始了長(zhǎng)測(cè)，該芯片由谷歌和三星Exynos團(tuán)隊(duì)合作打造。有財(cái)經(jīng)媒體爆料，去年12月Whitechapel已經(jīng)流片，采用三星5nm LPE工藝，8核ARM架構(gòu)，主要單元包括CPU、GPU和NPU。

以上談到的是5nm制程的晶圓代工廠、半導(dǎo)體設(shè)備，以及眾多芯片客戶，要想實(shí)現(xiàn)相應(yīng)芯片產(chǎn)品的量產(chǎn)，除了以上這些因素，相應(yīng)的半導(dǎo)體材料、配件，以及各種服務(wù)工作也是不可或缺的，需要產(chǎn)業(yè)鏈上的合作伙伴共同參與完成。

5nm及更先進(jìn)制程的發(fā)展，并不能單純依靠核心工藝的創(chuàng)新與EUV設(shè)備的加持。從材料角度來(lái)說(shuō)，光刻膠等半導(dǎo)體材料的創(chuàng)新也是制程演進(jìn)的關(guān)鍵所在。

2019年，日韓之間的半導(dǎo)體材料大戰(zhàn)爆發(fā)，韓國(guó)用于制造半導(dǎo)體和零部件設(shè)備的光刻膠、高純度氟化氫和含氟聚酰亞胺三大半導(dǎo)體材料，均遭到日本的出口限制，對(duì)韓國(guó)部分重要的產(chǎn)業(yè)發(fā)展造成了不小的影響。

光刻膠則是這三類半導(dǎo)體材料中的重中之重。

在芯片制造過程中，曝光、顯影和刻蝕等重要工藝步驟都與光刻膠有關(guān)，耗時(shí)占總工藝時(shí)長(zhǎng)的40%至60%，成本也占整個(gè)芯片制造成本的35%。

有機(jī)光刻膠主要用于90nm到7nm的芯片制造，但隨著制程推進(jìn)到5nm，將開始需要無(wú)機(jī)光刻膠。

目前來(lái)看，中高端光刻膠產(chǎn)品主要還是掌控在日本廠商手中，臺(tái)積電與日本合作伙伴保持著緊密的聯(lián)系。

對(duì)于中國(guó)大陸的半導(dǎo)體材料廠商來(lái)說(shuō)，機(jī)會(huì)也越來(lái)越多，如安集微電子、江豐電子等都是臺(tái)積電的供應(yīng)商。2016-2018年，安集微電子來(lái)自臺(tái)積電的收入占比依次是10.7%、9.7%、8.1%，但安集微主要為臺(tái)積電成熟制程提供拋光液等產(chǎn)品。江豐電子的重要客戶中也包括臺(tái)積電，其鉭靶材及環(huán)件已在應(yīng)用于臺(tái)積電7nm芯片中。但要想打入其5nm制程供應(yīng)鏈，大陸半導(dǎo)體材料廠商還需要再努力。

掩模方面，家登是臺(tái)積電掩模傳送盒的獨(dú)家供貨商，隨著臺(tái)積電在7nm導(dǎo)入EUV，加上5nm量產(chǎn)，EUV掩模傳送盒出貨可望倍增，且導(dǎo)入EUV后，掩?？善毓獯螖?shù)為原先四分之一，帶動(dòng)掩模傳送盒需求進(jìn)一步提升。

除了家登之外，臺(tái)積電相關(guān)設(shè)備與周邊材料供貨商，還包括承包無(wú)塵室工程廠漢唐、帆宣，以及晶圓可靠性等分析的閎康、應(yīng)材備品代工廠京鼎、后段濕式制程設(shè)備弘塑、辛耘，和相關(guān)自動(dòng)化及接口設(shè)備的迅得、信纮科等。

在設(shè)備維護(hù)中，可運(yùn)用AI進(jìn)行預(yù)測(cè)性維護(hù)。與此同時(shí)，臺(tái)積電也利用深度學(xué)習(xí)方法進(jìn)行自動(dòng)化影像識(shí)別，對(duì)缺陷進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確查詢，這方面，迅得獲得了7nm及5nm生產(chǎn)線自動(dòng)化系統(tǒng)訂單。

對(duì)于測(cè)試來(lái)說(shuō)，任何晶圓有錯(cuò)誤就會(huì)直接報(bào)廢，同時(shí)也會(huì)按照小批量處理原則給客戶提供風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告。而針對(duì)可靠性測(cè)試，如果有任何die fail，旁邊4個(gè)臨近die也會(huì)fail，邊緣的die良率低的話也會(huì)fail。臺(tái)積電改善了抽測(cè)方式，以確保不會(huì)發(fā)生故障。

結(jié)語(yǔ)

5nm制程產(chǎn)能正處于爬坡階段，產(chǎn)業(yè)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)都在積極配合晶圓代工廠，未來(lái)有很大的增長(zhǎng)空間。在這種情況下，如果未來(lái)兩年內(nèi)，英特爾真的改變制程節(jié)點(diǎn)命名規(guī)則的話，將會(huì)在5nm這一節(jié)點(diǎn)上給臺(tái)積電和三星帶來(lái)一些競(jìng)爭(zhēng)壓力，雖說(shuō)很難取得較大的市場(chǎng)份額，但以英特爾的體量及其雄厚的財(cái)力，必定會(huì)給5nm制程產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)上的廠商帶來(lái)更多的盈利機(jī)會(huì)和空間。從這一點(diǎn)來(lái)講，還是值得期待的。

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