台積電為英特爾開3nm專線將是「一劑毒藥」?

作者 : Challey,EE Times China

1月13日有消息稱台積電計畫在其台灣新竹市寶山區的新生產基地專門開闢新產線為英特爾生產3nm晶片。據消息人士稱,英特爾希望台積電利用3nm製程,為其生產CPU和GPU。

2021年12月13日英特爾(Intel)執行長Pat Gelsinger乘坐私人專機訪台,以「經濟泡泡」專案模式入境,與台積電(TSMC)高層洽談。當時就傳出,英特爾要求台積電為其開闢單獨的3nm產線,但有專家認為:這可能是一劑「毒藥」。 訪台目的:3nm專線 儘管一個月前雙方對於那次行程和洽談內容嚴格保密,但業界報導Gelsinger來台主要目的是與台積電討論晶圓代工合作事宜。由於高效能運算(HPC)市場的高速成長,英特爾的CPU和GPU需求強勁,設計上已朝向小晶片(chiplets)或晶片塊(tiles,亦稱瓦片式晶片)的方向發展,雖然英特爾就算已宣佈建廠擴產,但自有產能仍不足以滿足未來需求,因此英特爾希望爭取到未來2~3年更多台積電先進製程產能,涵蓋製程包括7nm與最佳化後的6nm、5nm和最佳化後的4nm,以及3nm等。 特別是最新的3nm製程,英特爾提出了一個要求:希望能與蘋果(Apple)一樣,台積電能夠為英特爾建造一條3nm產能特供專線。台積電真的會答應嗎?據報導,台積電當時以要求繳納訂金的方式與英特爾就此問題進行了談判。因此,本文將從3nm專線的造價、銷售價格,回收週期、市場競爭等多方面進行分析。 3nm訂單由來 3nm訂單其實是英特爾前執行長Bob Swan與台積電達成,台積電還派出上千名工程師配合;但在Gelsinger上任後,為了爭取美國政府補貼而批評台積電,讓台積電產生疑慮,Gelsinger前來就是要修補關係,並預期3nm訂單將在2024年出貨。 台積電3nm晶片工廠 台積電於2018年底就開始投資195億美元在台南南台灣科學園區建造第一座3nm晶片製造工廠。  

台積電Fab 18是主要的3nm生產工廠。

  當時此舉是基於台積電的最大客戶需求,包括蘋果、華為、Google、Nvidia等對未來10年3nm晶片的速度和效率提升的前景看好而設立。3nm晶片主要應用是雲端運算、人工智慧(AI)和5G。 2021年12月,據報導,台積電已在其位於台灣南部的Fab 18中啟動了使用N3 (即3nm製程)技術試產晶片。與5nm製程相比,3nm技術將提供高達70%的邏輯密度增益,在相同功率下高達15%的速度提升,以及在相同速度下高達30%的功耗降低。可以說3nm性能更強、功耗更低、體積更小。N3技術將為行動和HPC應用提供完整的平台支援,預計2021年將獲得多個客戶產品流片。此外,批量生產的目標是2022年下半年。 3nm產線成本 代工成本一般來說,隨著製程節點的增加成本會大幅增加。根據IBS的資料,對於代工廠而言,3nm製程開發將耗資40~50億美元,而建設一條3nm生產線的成本約為15~200億美元。普通晶片企業,光進行3nm設計就需花費5.9億美元。 晶圓成本:根據CEST的模型,在5nm節點上建構的單個300mm晶圓的成本約為17,800美元,而7nm節點為9,346美元。以此推論,在3nm節點上建構的單個晶圓的成本可能會達到30,000美元左右。 光罩成本:在16/14nm製程中,使用的光罩成本在500萬美元左右。到了7nm製程,光罩成本迅速上升到1,500萬美元。但在7nm以下,傳統的DUV微影將被EUV微影取代,使用的光罩數量會減少。因此,5nm和10nm製程使用的光罩數量大致相同。然而,由於採用了更先進的製程技術,整體光罩成本仍然增加。 EUV微影機:7nm及以下先進製造製程。EUV技術是目前唯一的選擇。荷蘭ASML是全球唯一一家EUV微影機製造公司。根據ASML財報數據,截至2021年7月4日,ASML的EUV微影機均價高達1.535億歐元,ASML即將推出第二代EUV微影機,價格可能超過3億美元。 3nm晶圓產能及價格 3nm工廠的月晶圓產量初期估計為3,000~5,000片;不過最新消息顯示,台積電3nm製程發展超預期,預計月產能1萬至3萬片;到2022年年中,台積電的3nm晶片產能將達到每月5萬至6萬片;2023年將擴大至10.5萬片。 2020年第三季,台積電5nm晶圓的單價達到16,988美元。據台積電公開聲明,2022年一季起開始調漲晶圓代工報價,最高階7nm以下(7nm、5nm)製程將調漲10%,16nm以上的成熟製程將調漲10~20%,漲價後的5nm晶圓價格在18,686美元左右。 作為一個新製程,3nm技術研發和產線前期投入大,加上晶片短缺的局面,預計其晶圓價格在3萬美元左右。 3nm晶圓營收 由於目前晶片處於供不應求的狀態。依台積電2022年每月量產5萬片,每片3萬美元,每個月的3nm晶圓收入粗略估計15億美元。依照2023年以後的產能(10.5萬片/月),每月3nm晶圓收入估計在30億美元。台積電2021年各季度的利潤如下圖。     粗略估計晶圓的毛利達到60%,最終利潤率約40%。3nm晶圓在2023年後的月度淨利潤約12億美元,一年約144億美元。因此,投資一條3nm產線需要200億美元,估計在2年內回收成本,5年內利潤達到平均預期(40%)。 英特爾與台積電的競合 來自英特爾的威脅與日俱增。台積電和三星(Samsung)之間的競爭正值美國正試圖提高國內晶片產量以對抗中國日益增長的影響力之際,作為此類努力的一部分,英特爾在3月宣佈了一項200億美元的投資計畫,以建立兩家新的晶片製造工廠並進軍代工業務。  

英特爾啟動強化代工業務計畫。

  分析師表示,英特爾憑藉其最先進的技術進軍代工市場,將對正在努力縮小與台積電差距的三星造成特別打擊。Gelsinger在2021年12月初表示,它的目標是到2025年透過大力投資該業務成為世界頂級代工企業。他表示,該公司已經獲得了高通(Qualcomm)和其他半導體公司的客戶。 2nm技術的競爭 自Gelsinger在2021年2月接任英特爾執行長以來,半導體製造商之間的競爭一直在升溫,他承諾將徹底改革公司的戰略,讓英特爾重新成為產業領導者。在英特爾技術路線中的2nm製程節點上,Gelsinger表示,將強化對先進晶片製造技術的競爭。 據媒體報導,台積電於2021年7月獲得政府批准,計畫在新竹寶山鎮建設2nm晶圓廠。台積電在2022年初開始建設,將於2023年開始安裝生產設備,於2024年實現量產,台積電的2nm製程將首先應用於蘋果新的iPhone系列智慧型手機。 台積電相信可超越英特爾新產品線 台積電總裁暨副董事長魏哲家表示,他相信台積電的晶片代工技術能夠超越英特爾。根據技術出版物SDXCentral的一份報告,當被要求對英特爾的未來製程技術發表評論時,魏哲家表示,台積電的2nm製程節點定於2025年發佈,將提供無與倫比的電晶體密度和性能。「我們有信心保持我們的技術領先地位,」他說。 台業界:或變成一劑毒藥 工研院產科國際所研究總監楊瑞臨指出,英特爾目前面對AMD、Nvidia的強力競爭,為了避免進一步遭吞食市佔率,英特爾必須在先進製程方面有長足的進展,這時候台積電就成為關鍵,過去競爭對手依賴台積電的先進製程製造晶片趕超英特爾,英特爾則是在今年8月的構架日宣佈將採用台積電7nm、6nm,以及5nm製程生產新品。 楊瑞臨認為,雙方的競合關係,將取決於英特爾先進製程發展,若發展順利,將降溫與台積電的合作關係,反之亦然。此外,基於風險考察,英特爾目前市佔率仍高達8成,若給台積電下單是否有能力消化,讓AMD、Nvidia可能也在產能排擠產生疑慮,借此尋找第二家供應商,將成為台積電的風險所在。 因此,若台積電答應英特爾的3nm產能專線,雖說短期內可能帶來更多營收,但中長期看則可能變成一劑「毒藥」。 結語 在晶片代工領域,還有一大巨頭:三星。根據三星規劃的2030年願景,計畫投資總額為133兆韓元(1,160億美元),成為全球最大的代工企業。在代工領域,英特爾與台積電和三星均有合作,而台積電與三星卻一直處於競爭態勢中。 毫無疑問,英特爾一定會在與台積電的合作中會不斷的加快自己的IDM 2.0戰略。是否真的答應為英特爾設立獨立的3nm產線,無論是從經濟利益,還是競爭合作,相信台積電會有自己的評估。不過,其中有一點,英特爾為了自己的戰略(目標)而不斷改變(甚至是態度)的方式,值得學習。 本文原刊登於EE Times China網站          

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  1. 強沈 志表示:

    重點是美國政府下命令敢不從嗎?