製程戰爭——台積電篇_風聞

這是一個關於晶圓代工廠的系列文章，筆者把最近幾年的製程發展與市場狀況進行整理，第一戰先看看台積電(TSMC)的發展。

眾所周知，台積電是全球最有份量，也最重要的晶圓代工廠，可以説整個半導體制程與電子終端產品的發展都與台積電脱不了關係。而依靠着製程優勢，以及整個半導體產業的快速發展所帶動的需求下，台積電也的確在過去十幾年享受高利潤與高成長，雖然不到躺着賺的地步，但本業獲利比絕大部分的競爭對手來得豐厚。

台積電的發展其實肇因於IC設計的風潮興起，許多IC設計公司搶不到代工產能，因為當初代工業務多半是由IDM(Integrated Device Manufacturer)廠兼着做，而IDM廠首先考量的是自己的產能需求，其次才是外來客户。

另外，部分IDM廠手腳不乾淨，比如説偷偷複製了客户所設計的IC線路，然後轉化成自己的產品，客户往往在自己的產品量產前，就已經看到掛着其他品牌的同樣功能芯片已經出現在市面上，而當初歐美專利與智慧財產的保護也不是那麼周到，因此多數只能啞巴吃黃蓮，有苦説不出。

為此，張忠謀提出純晶圓代工經營模式，不設計自己的品牌產品，也不介入客户的市場，並以最高的道德標準來自律，致力維護客户的技術專利與智慧財產，這些堅持證明，在行業裏面採用高道德標準是走得通的路，反觀那些專靠偷拐搶騙的公司，不論中間曾有多少輝煌，最後結果往往都是悽慘收場。

台積電是全球首創的純晶圓代工服務提供者，不過這個名號其實差一點點就不保。聯電（UMC）前董事長曹興誠其實也有意要開啓同樣的業務模式，不過後來被張忠謀搶先一步，但也幸好是由張忠謀開創，這個業務模式，以及台積電才得以蓬勃發展至今。

紛亂的2019年台積電仍不悲觀

2019年，全球半導體行業普遍因為中美之間的貿易糾紛而有了衰退，台積電處在這個趨勢之下，當華為這類大客户在營運上遇到了困難，理論上也無法全身而退才對，然而從第一季營收來看，似乎並非如此。

台積電第一季營收不如預期的原因並非貿易糾紛影響。由於台積電在1月底發生Fab14廠晶圓受到污染，導致良率下降，使得營收較原本的預估減少約5.5億美元，然而如果把這些因污染導致的損失折算回去，台積電的業績實際上仍有相當大幅度成長。

當然，2019下半年才是貿易糾紛效應開始發酵的時間點，台積電自己的預估也不是那麼樂觀，不過考慮到整體產業狀況的變化，客户有起有落，其實筆者認為，台積電仍可維持成長。

華為雖然在貿易糾紛中首當其衝，預估下半年手機和電信設備出貨都會明顯下滑，作為台積電最大的客户之一，這部分當然會影響到台積電的部分營收。但是從另一方面來看，若市場需求總量穩定，那麼理論上華為失去的市場空間將會由其他品牌遞補。

尤其在手機芯片市場，可以説麒麟跌倒了，驍龍就起飛，蘋果也會跟着紅。

另一方面，比特幣漲回萬點，預期也會帶動另一波相關礦機芯片的需求，由於加密貨幣過去將近一年時間低迷，基本上這部分的收入已經不再是台積電關注的方向，但如果比特幣的能維持在現有的價格區間，甚至繼續往上漲，那麼預期相關的需求也會回籠，帶動台積電的出貨需求。

目前比特幣多數作為躲避風險之用，因此在某些高風險市場的交易量激增，是其最近大漲的根本原因，而造成風險的貿易衝突若不解決，包括幣值與相關產業鏈的持續看漲也是合理的走勢。

由於芯片面積與能效的優勢，挖礦芯片基本上都已經進入7nm世代，而這個製程到2020年之前，都僅有台積電能夠提供。

而在其他邏輯芯片客户方面，從包括蘋果、NVIDIA、AMD、高通、華為、博通等幾個主要客户觀察，蘋果、高通可能會因為華為受傷而受益，而AMD則是在Computex中發表了未來產品佈局，推動市場預期樂觀，其產品全線走向7nm，性能有了極大的提升，而最大敵手英特爾10nm產品佈局恐怕來不及反應，AMD氣勢和市場需求預期也會持續升温，帶動其在台積電的下單狀況。

NVIDIA雖傳言下一代產品可能會選擇三星代工，但三星過去製程進展一向喊得很樂觀，但實際表現卻欠佳，尤其在關鍵的良率提升上總是未能滿足客户。

三星在7nm使出了老招，也就是砍價接單的方式來對抗台積電，同時計價方式預期也是以可用芯片為基準，而非台積電的整片晶圓計價。但三星在良率提升上面一直有很大的問題，即便代工收費便宜，但新產品推出後的熱賣期卻往往難以滿足客户的產能需求，畢竟良率的提升才能帶來有效產能。

也因此，如果NVIDIA轉投三星，那麼有可能會因為可預期的產能短缺而在這一波把過去幾年時間好不容易累積下來的市場份額吐回去給AMD。

不過華為跌倒，影響的不只是華為自己，以華為為主要客户的幾家半導體廠商，包括博通、Qorvo、Skyworks、Maxlinear、Cree、Inphi、Lumentum、NeoPhotonics等公司，都會遭遇一定的衝擊，而博通也是台積電前幾大客户之一，博通在前段時間下調財測，不僅股市大跌，也連累台積電的股市表現。不過台積電股價在當天就拉回原本的價位，市場認為博通的影響可能還是有限。

雖然2019年預期風波不斷，導致不同客户需求消長不一，但是在抓到AMD這種關鍵客户，且整體需求仍能維持成長的情況下，台積電未來的市場發展應不至於悲觀。

台積電製程技術發展史

從製程發展的腳步來看，台積電也不是沒有跌跤過，早在2009年，台積電就因為40nm發展不順，使得公司營運瀕臨虧損，不過緊接而來的28nm，卻因為路線選擇的變更，使其成為台積電有史以來最成功的製程之一。

由於台積電在28nm時放棄來自IBM的Gate-First結構，改採用與英特爾相同的Gate-last結構。

通過Gate-last技術之助，28nm良率得以突破，並於2011年正式宣佈量產，而同時期競爭廠商，包含聯電(UMC)、三星(Samsung)、格羅方德(GlobalFoundries)都還卡在Gate-first技術，製程技術和台積電落差無法縮短，只能在65/40nm方案彼此削價競爭，當初高端芯片設計廠商代工廠的選擇可説除了台積電以外就沒有第二選擇，也因此台積電在28nm上的優勢維持了數年之久，該製程亦可説是對台積電歷年營收貢獻最大的製程之一。

但隨後從 2011 年投入的20nm就不是那麼順利了，這部分主要是製程規格上不盡人意導致客户的不捧場。該製程在 2013 年底正式量產，然而作為半代製程， 20nm 未能承接其在 28nm 的市場地位，原本的產能需求預估也不斷下修，從頭到尾只有少數兩三家有采用該製程。

就結果論，20nm 製程最大的客户就是蘋果，其次為高通，但蘋果與高通處境天差地遠。與蘋果在市場上持續呼風喚雨的狀況不同，高通的 20nm 製程推出產品後，反而大大的衝擊了獲利。

台積電的 20nm 是由 28nm 改進而來，最大的差別在於採用了雙重顯影， FEOL（front-end-of-line）部分與 28nm 基本維持一致，因此在 Die size 與功耗方面的改善有限，差別大約只有 10~15% 左右。

也因為 20nm 改善幅度實在太小，台積電的傳統大客户 NVIDIA 與 AMD 都選擇等待 1xnm 製程。然而台積電的 20nm 對產業而言還是有其象徵意義，除了創下台積電單一製程最少客户的紀錄之外，也是首個採用雙重顯影的製程。作為 16nm 的先期練兵制程，20nm 表現其實已經算相當不錯。

進入 16nm 製程之後，台積電仍持續沿用 20nm 機台，雖然 20 nm 機台多數也是沿用舊機台而來，但是在機台結構方面有了相當大的改良與升級。我們都知道 16nm 是在 20nm 的基礎上加入 FinFET 技術而成，20nm 製程作為半代製程，其實是為了 16nm 做的前期投資與試產，蘋果善用此半代製程的特性獲得成功，而高通則是因為對製程、架構的配合認知不足，結果就是賠了夫人又折兵，不僅賠上自己的利潤，也讓整個高端 Android 智能型手機產業難以抗衡 iOS 生態的發展。

台積電發展之路雖有波折，但總是能夠轉危為安。除了製程發展少數幾次不順以外，最大的危機就是梁孟松事件的發生。三星14nm的成功可以歸功於梁孟松的叛變，當初梁孟松被台積電逼走後，轉而前往三星赴任，並帶領三星晶圓代工突破瓶頸。

面對三星14nm 的挑戰，台積電的 16nm 乍看之下有點不夠力，除了時程較晚，同架構 die size （晶粒尺寸）也大於競爭對手。

但台積電用蘋果 A9 證明了自己的強處，其量產芯片體質要比三星來得穩定許多，三星版 A9 多半需要更高的電壓才有辦法達到與台積電版相若的性能與穩定度表現，就好比過去我們玩 CPU 超頻，體質差的 CPU 大多要加電壓並強化散熱一樣的道理。而這也代表三星版的 A9 不僅更耗電，温度也更高，這點也在不少實際測試中獲得證實。

不過三星仍依靠終端需求優勢，搶下台積電最大客户之一高通，未來在存儲器與儲存的整合封裝技術也將成為強大的競爭武器；仰賴三星的製程授權達到 14nm 量產能力的 Global Foundry 也拿回 AMD 的芯片訂單，換句話説，三星雖然輸了面子，但整個市場佈局向泛三星平台傾斜，16/14nm 製程戰爭中，三星的市場份額要比台積電略大。

面對10nm 製程競賽，台積電在 2014 年發動夜鷹計劃，用三班輪流、24 小時燃燒新鮮肝臟來換製程的優勢，而台積電在 10nm 製程會導入三重顯影，雖然可降低機台部分的投資，但由於工序更復雜，在整體制造成本方面比雙重顯影高出不少，雖然透過 EUV（Extreme Ultra Violet）機台，只需顯影一次，工序可大幅精簡，但2016年時 EUV  顯影技術還不成熟，除了曝光速度太慢，其他需要配合升級的地方太多，台積電期望藉由已經成熟的顯影技術，加上龐大的新鮮肝臟庫存，滿足客户量產時程需求，而 EUV 真正導入要等到第二代7nm 技術才有可能。

台積電10nm 在 2016 年底投產，雖然市場最初預估三星可能會在10nm世代的製程戰爭中延續其14nm製程的優勢，但台積電使出了關鍵的一招，也就是InFO扇出形晶圓級封裝技術，一舉扭轉了劣勢，通過其更優秀的成本控制與芯片厚度表現，成功取得多數蘋果訂單。

扇出型晶圓級封裝技術早在2010年就已經被英特爾發展出來，最初用在英特爾的移動方案上，但可惜的是，英特爾並未堅持下去，反而台積電接手該技術的研發，並推出完全版的InFO封裝技術，該封裝技術的最大好處就是降低成本，不同於傳統封裝技術只能一次完成一個封裝，InFO的批次式製程表示在重組晶圓上的所有晶粒均可同時加工，就像晶圓代工的前段製程。此可降低成本、加快芯片製造週期，在製程良率達到最佳水平時效率尤其明顯。根據研究機構的數據，InFO的封裝成本可比FCBGA低20%。

雖然當初三星也有自己的ePoP封裝技術，可以把更多芯片功能包進同一顆芯片中，但可兼容的芯片組件有限，比如説內存或存儲芯片就只能用三星自己的產品，缺乏彈性，而且ePoP成本昂貴，封裝尺寸較厚，散熱表現也較差，因此除了三星自家的方案以外，客户多不採用。

後來台積電7nm採用多重顯影配合InFO技術，不僅包下了蘋果的全部產能，也讓失去的高通訂單重新回籠。而更重要的是，快速成長中的AMD也全面投向台積電的懷抱。這些都成為推動台積電業績成長的重要支柱。

10nm之後，憑藉着更高的良率，以及獨家的封裝技術幫助，台積電越走越順，反而三星在一直在良率和技術規格方面，不斷落後，而當台積電推出7nm，三星卻只能把10nm的小改款重新命名為8nm推出，雖然後者數字只差了1，但實際規格上卻天差地遠，由於10nm的技術基礎和7nm截然不同，三星的8nm主要目的就是低價承接過去在10nm產線的客户，而以其實際表現，比如説三星最新基於8nm的Exynos 9820，與基於7nm的高通Snapdragon 855和華為的麒麟980，在能耗效率表現上就明顯差了一大截。

7nm之後的路？

台積電預計在今年下半年開始量產第二代7nm產品，與第一代的最大差別，在於使用了EUV機台，工序可以大幅減少，不過在芯片的電氣特性上改進有限，主要就是密度更高，耗電更低。屬於正常程度的改進，並沒有天差地遠的改變。

而三星7nm原本規劃要直上EUV機台，並在2018年宣稱即將量產，但其公佈的最新時程規劃中，三星的7nm製程仍需要到2020年才有機會量產，若以同樣基於EUV機台的7nm技術，三星仍晚了台積電1年。也因此，三星企圖以直上EUV來彎道超車的美夢，也正式宣告破碎。

雖然三星在7nm世代吃了鱉，但三星仍不放棄，其晶圓代工技術瞄準了未來的5nm與3nm。

三星的5nm和7nm同步發展，這點和台積電差不多。畢竟5nm可以説是現有材料和製程技術下的極限，7nm使用的EUV機台還是可以沿用，但要進一步微縮的話，在晶體管材料和結構就必須有所變革，否則很難再繼續下去。

台積電的5nm預期要在2020年量產，目前已經在進行風險試產，而三星則沒有公佈其5nm具體的量產時程，但如果以其7nm的時程預估，恐怕也不會早於2021年。

台積電3nm建廠已經開始，技術研發也早就在進行，而相較於三星的高調，台積電並沒有過多的揭露其技術底細，但基本上還是會以GAA(Gate All Around)為基礎，而台積電也同樣預估3nm的量產時程會在2022年。

三星的紙面3nm技術發佈看起來相當具有説服力，但是搭配過去三星的量產時程承諾，其實又有點令人質疑。但不可否認的是，三星和台積電基本上都已經是屬於晶圓製造的第一線技術領導者，二者的差別還是在於技術細節的掌握以及市場化的能力。

然而展望未來，3nm這個世代恐怕會是繼16nm後的長壽製程，3nm之後，還需要在芯片結構與機台技術上有更進一步的發展。而根據設備大廠ASML的計劃，第二代EUV機台，也就是高於0.5數值孔徑(numerical aperture，NA)

的新一代EUV機台可能會在2024年現身，屆時2nm以下的製程產品將可能會採用該機台生產。

高數值孔徑的機台可以有效減少曝光次數，對於降低芯片生產流程複雜度與成本有很大的幫助，也能更有效地推動更高製程節點的發展。而GAA預期仍將在2nm以下的製程節點發揮作用。

封裝技術的進一步發展

封裝已經成為晶圓代工服務的一部份，為了滿足更多的市場需求，台積電的InFO封裝技術也發展出不同的應用類型，包含整合10nm邏輯芯片及DRAM的整合扇出層疊封裝（InFO-PoP），整合12nm系統單晶片及8層HBM2存儲器的CoWoS封裝等均進入量產，此外亦推出整合多顆單晶片的整合扇出暨基板封裝（InFO-oS）、整合扇出存儲器基板封裝（InFO-MS）、整合扇出天線封裝（InFO-AIP）等新技術，滿足未來在人工智能及高效能運算、5G通訊等不同市場需求。

三星在封裝技術方面跌了一跤，目前根據其透露的信息，三星也已經在InFO相關封裝技術投入更多研發資源，希望能夠追上台積電的腳步。

未來研發將在專用晶圓廠進行，不佔用產能

過去台積電包括先進製程技術開發、前瞻技術研究、設計與技術平台發展全聚集在其竹科總部的12廠，因此不時要與生產晶圓廠搶資源，隨着規模逐漸擴大，有必要興建專用的研發中心，將研發人力與專用研發晶圓廠合而為一。

為此，台積電將在竹科興建兩座研發專用的晶圓廠，預計2020年初展開建廠，一年內完成。