3nm制程战争日趋激烈 台积电势与三星一较高下

在2020年5月，台积电就曾宣布，将在美国亚利桑纳州斥资120亿美元兴建5nm制程晶圆厂，并预计2023年正式量产。消息刺激竞争对手南韩三星，三星日前也宣布计划斥资100亿美元在美国德州奥斯汀兴建新晶圆厂，新晶圆厂并打算以3nm制程切入，力压台积电亚利桑纳州5nm厂。市场人士分析，三星举动使3nm制程的战争日趋激烈。对三星来势汹汹，台积电似乎胸有成竹，有机会能在3nm制程的竞赛中立于不败之地。

市场人士指出，虽然在5nm制程方面，三星已经赶上了台积电的脚步，于2020 年正式量产。但在3nm制程上，三星似乎还是落后给台积电的。因为相关报导指出，台积电已经为其3nm制程的晶圆厂方面投资了200亿美元。所以，为了缩短差距，三星正加紧3nm制程的研发。不过，由于3nm制程技术的难度极大，如果三星美国工厂计划生产3nm制程芯片的话，依照正常进度，目前还处于初步计划阶段的德州奥斯汀的晶圆工厂，在2023 年前还难以正式量产。相较于台积电的3nm制程将于2021年进行试产，2022年量产，这对于力求赶超台积电的三星来说，压力还是很大。所以，预计三星要量产3nm制程，则将会仍以南韩境内的旗下晶圆厂为优先。

以晶圆厂建置方面来说，台积电董事长刘德音曾经表示，3nm制程技术，于南科厂的累计投资将超过新台币2 兆元，目标是3nm制程在2022 年量产时，单月产能5.5万片起，2023年，则是达到达到10.5万片。而目前台积电在南科有3座晶圆厂，分别是晶圆14 厂、晶圆18 厂和晶圆6 厂。其中，前两座是12 吋晶圆厂，后一座是8 吋晶圆厂。晶圆18 厂是5nm制程的主要生产基地。而除了5nm制程之外，台积电3nm制程的晶圆厂，也建在南科内。2020年11月，台积电举行了南科晶圆18厂3nm制程厂新建工程上梁典礼，预计2020 年装机，并于年底试产。

至于，在三星方面，2020年初有外媒报导称，三星已开始在其新建的V1 晶圆厂中进行大规模生产，成为业界首批采用极紫外光曝光设备（EUV） 的6nm和7nm制程技术生产线，而且该工厂还被认为是三星接下来3nm制程生产的主要基地。而三星V1 晶圆厂位于韩国华城、毗邻S3 工厂。三星于2018年2月开始建造V1 晶圆厂，并于2019年下半年开始芯片的测试生产。目前，该公司还在扩大V1 晶圆厂的产能规模，也在紧锣密鼓地为3nm制程的量产积极做准备。

除了晶圆厂的建置，设备的采购也是先进制程竞争的关键。而为了如期量产3nm制程，台积电一直在加大投资力道，2021 年全年投资预估达到了280 亿美元，预计超过150 亿美元会用于3nm制程。其中，很大一部分都要用于购买半导体设备，其中主要的采购厂商包括了ASML、KLA、应用材料等，他们供应的曝光机、蚀刻机等都是制造3nm制程的重要设备。根据统计，全球排名前5 的半导体设备供应商在台积电采购中占比达75%。其中，ASML 占比1/3，是第一大设备供应商。据统计，2019 年台积电设备采购中，ASML 曝光机等设备金额约为34 亿美元，占台积电总采购额的33%，其次是应用材料，采购额约为17 亿美元，占比16%，TEL的12 亿美元则是占11%，Lam Research 为10 亿美元，占台积电采购额的9%，KLA 则是占4%。

而对于3nm制程这样尖端的制程技术来说，曝光机的重要性就愈加突出，而能提供EUV 设备的目前只有ASML 一家。因此对台积电和三星的重要性也愈加突出，双方都在尽可能地从ASML 多获得一些最先进EUV 设备。不久前ASML 执行长Peter Wennink 在财报会议上指出，5nm制程采用的EUV 光罩层数将超过10 层，3nm制程采用的EUV 光罩层数会超过20 层。因此，随着制程微缩EUV 光罩层数会明显增加，并取代深紫外光（DUV）多重曝光制程。日前ASML 公布2020 全年财报。根据数据显示，2020 年累计运交258 台曝光机，其中EUV 曝光机31 台。按照运交地区分析，台湾排名第一，占比36%，南韩排名第二，占比31%，中国排名第三，占比18%。显然的，台积电和三星订购ASML 大部分EUV 曝光机。

在先进制程中，还有一项不得不提的重点，那就是封测技术的发展。近来，台积电一直在布局先进封测厂。目前旗下有4 座先进封测厂，分别是先进封测1 厂、先进封测2 厂、先进封测3 厂和先进封测5 厂，它们位于竹科、中科、南科、龙潭等地，苗栗竹南则是预计投资新台币3，000 亿元，开始兴建第5 座先进封测厂。市场人士预估，目前台积电7nm制程芯片的封测工作已经能够自给自足，而5nm制程的也在不断扩充之中，未来针对3nm制程的封测产线也在建设当中。

而除了产能之外，在技术方面，为了满足5nm及更先进制程的需求，台积电也已建立了整合扇出型（InFO）及CoWoS 等封测产能来支援，并完成了3D IC 封装技术研发。这其中包括晶圆堆叠晶圆（WoW）及系统整合单芯片（SoIC）等技术，预计竹南厂将以3D IC 封装及测试产能为主，计划2021 年进行量产。

最后，在成败关键的客户方面，根据日前国外媒体报导，由于芯片制程技术的领先，目前已经有许多客户正在排队等待台积电的产能供应，目前已知的有包括辉达和高通正在洽谈台积电3nm制程技术的产能。而为了因应市场的需求，有消息指出，台积电共将为3nm制程准备了4 波产能，首波产能将大部分会留给多年的大客户苹果，之后3 波则将被高通、赛灵思、辉达、AMD 等厂商预订一空。因此，整体来看，除了苹果的A17 处理器、以及英特尔将外包的CPU 订单之外，包括AMD、辉达，以及2020 年转向拥抱三星5nm的高通等芯片大厂都已经预定了台积电3nm制程在2024 年之前的产能。

虽然之前有韩媒报导，三星的3nm制程也将预定在2022 年量产，时间点就是要与台积电一较高下。而就目前已进入2021 年，按照台积电的计划，今年就要进行3nm制程的风险试产，并在2022 年量产的情况下，三星预计也将势必加快脚步。因此，这两大晶圆代工厂的3nm制程战争几乎已进入倒计时的阶段，所以在接下来的一年多时间里，两家顶尖厂商预计将会提出更多的消息，值得进一步期待。
编辑：hfy