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晶圆代工巨头，新竞赛

2024-07-24 14:05

在这两天的台积电第二季度的法说会上，台积电宣布了一个“晶圆代工(Foundry) 2.0”的新概念。
什么叫晶圆代工2.0呢？过往的晶圆代工概念通常和晶圆成品的制造加工划等号，而台积电董事长魏哲家认为，2.0版本的晶圆代工就是包含了封装、测试、光罩制作等环节，除去存储芯片的IDM（整合元件制造商）。
更简单来说，除了芯片设计外，均可归类进晶圆代工2.0当中。
台积电指出，新定义能更充分反映不断扩展的未来市场机会，根据2.0定义，晶圆制造产业的规模在2023年达到了近2500亿美元，相较于1.0版本定义的1,150亿美元，规模大幅增加，其预估2024年晶圆制造产业同比增长近10%。
调研机构TrendForce 数据显示，旧定义的晶圆代工，台积电的Q1市占率达到了61.7%，而用新定义计算，台积电2023 年晶圆代工业务的总市占率为28%。
台积电财务长黄仁昭表示，重新定义晶圆代工原因在于，受到国际IDM厂商要进入代工市场，使得晶圆代工界线逐渐模糊，另一方面，台积电也需要不断扩大自身的代工影响力，尤其是先进封装领域。
不过，台积电也重申，会专注最先进后段技术，协助客户打造前瞻性产品，也就是说未来还是集中在先进封装相关而非涉足整个封装市场。
英特尔早在2021年就提出了IDM 2.0的战略，将自己的代工部门独立出来，开始接受来自其他无晶圆厂的订单，如今台积电提出Foundry 2.0的概念，颇有些针锋相对的感觉，尽管台积电接到了英特尔新款处理器的订单，但在代工市场上，两家厂商已是直接竞争对手。
谁才是真正的代工2.0呢？
英特尔的IDM 2.0
2021年，Pat Gelsinger接任英特尔CEO后，宣布了大胆的IDM 2.0计划，他表示，英特尔的未来目标包括了成为领先的半导体代工厂，在当时来看，这一计划有些不切实际，原因无他，英特尔在工艺节点上不仅落后于台积电，甚至还输给了三星。
英特尔清楚地认识到，自己曾引以为傲的半导体工艺技术，如今只能甘居于他人之下，而工艺的落后，反过来又影响到了自己的处理器，当传统的PC和服务器处理器市场面临更激烈的竞争时，昔日巨头亟需一场革命。
IDM 2.0战略就是这场革命，它包括了三个关键组成部分：1）扩大英特尔的制造能力，采用行业领先的工艺技术，2）扩大使用第三方代工厂能力，以满足英特尔内部需求，3）成为世界级的代工厂，目标是到2030年成为第二大代工厂。为了实现这些高目标，英特尔承诺在四年内交付五个新工艺节点，以重新获得工艺技术领导地位，并计划投资1000亿美元，通过在亚利桑那、俄亥俄和德国的现有工厂扩建和新建六个工厂来扩展产能。
首先可以明确的是，晶圆厂可能是芯片生产中的最昂贵环节，IDM和Foundry不仅需要不断投资于新的制造工艺技术，以继续提升半导体性能、密度和成本，还需要持续投资于新的制造能力。历史上，这两项开支都在指数级增长。英特尔估计，转向极紫外光刻（EUV）技术将新工厂的成本提高到约250亿美元，而下一代高数值孔径（High-NA）EUV技术将进一步增加成本，达到300亿美元，其高昂的成本实际上已经把英特尔、台积电和三星以外的厂商拒之门外了。
这也是英特尔转向代工领域的理由之一，在先进制程上，英特尔的对手实际上只有两个，这两家厂商还都位于东亚，和北美的芯片设计公司有不短的地理距离，作为美国本土厂商，英特尔具有先天优势。
但这种地缘上的优势不会直接转化成市场竞争中的优势，IDM 2.0最关键的一点就是需要英特尔转变自己的商业策略，从纯IDM转换为Foundry，三星和GlobalFoundries已经完成了这一转变，GlobalFoundries成为类似台积电的纯代工厂，而三星则分裂为产品和代工服务公司，类似于英特尔正在追求的模式。
英特尔之前也尝试向外部厂商提供代工服务，但实际竞争力有限，问题不止是出在价格上，想要用英特尔的代工服务，就需要用它专有的设计工具，并且英特尔不愿为单独的产品修改制造工艺，这基本把那些成本和功耗敏感的应用拒之于门外了，而在新战略下，英特尔开始学着像台积电这样的代工厂来思考和行动。

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不得不说，英特尔在痛定思痛后的措施很有成效。
第一个转变是英特尔不仅开放了自己的晶圆厂，还开放了英特尔的封装服务。英特尔在先进封装方面有长期的研发投资，是最早使用多芯片模块的公司之一，展示了通过硅通孔（TSV）堆叠芯片的能力，并正在引领未来高性能应用的玻璃基板使用。过去有公司希望利用英特尔在封装方面的专业知识，但英特尔拒绝了这些业务，除非同时制造所有的芯片。开放其先进封装能力是IDM 2.0下英特尔的初始代工收入增长点，并伴随着在新墨西哥和马来西亚现有设施中，特别是其嵌入式多芯片互连（EMIB）和3D Foveros封装能力的额外封装能力投资，以及在波兰的新设施。
第二个转变是交付新工艺技术并使英特尔恢复竞争力，并最终达到领导地位。为了实现这一目标，英特尔承诺在四年内交付五个新工艺节点。在今年的Intel Direct Connect大会上，英特尔交付了这一承诺，推出了第五个工艺节点18A。此外，公司还宣布了第六个主要工艺节点14A，并引入了几个专业子节点，这在代工厂中很常见，以满足不同产品和应用的各种需求。
英特尔还进一步讨论了其在每个工艺节点和先进封装方面与其他领先代工厂的比较，以展示其目前在竞争中的位置以及何时超越竞争对手。根据英特尔的说法，18A工艺节点将使公司在高性能计算（HPC）应用中重新处于领先地位，甚至在某些情况下超过竞争对手。英特尔相信14A一代将使公司在移动应用方面也领先竞争对手。英特尔计划恢复每两年一个工艺节点的正常节奏。
第三个转变，是制造能力投资的增加和投资管理方式的改变。由于各国政府希望确保未来半导体制造业的供应安全和经济增长，英特尔在俄勒冈、爱尔兰和以色列的现有设施上大肆投资，还在亚利桑那、俄亥俄和德国的新建了六个晶圆厂。大部分初始投资是在没有政府补助承诺的情况下进行的，如美国芯片法案。然而，英特尔现已获得超过500亿美元的美国和欧洲政府激励措施、客户承诺（从首批五个18A工艺节点客户开始）和金融合作伙伴。英特尔还获得了美国政府的110亿美元贷款和25%的投资税收抵免。
除了自身的产能投资外，英特尔还与Tower和联电这两家历史悠久且成功的代工厂合作。Tower将投资于安装在英特尔新墨西哥设施中的新设备，以生产模拟产品，而联电将与英特尔合作，利用亚利桑那的三个旧工厂和工艺节点，从12nm开始，支持工业物联网、移动、通信基础设施和网络等应用。
投资的另一面是如何使用当前和未来的产能。作为一个纯粹的IDM，英特尔历来通过平均每三代工艺节点改造晶圆厂来实现对物理设施投资的资本化。虽然这允许重新利用结构和基础设施，但它消除了对旧工艺节点的支持，这对许多代工客户来说非常重要。根据Omdia Research的研究，只有不到3%的所有半导体是在最新工艺节点上生产的。因此，英特尔正在从改造晶圆厂以支持新工艺节点转向维持晶圆厂以支持旧工艺节点的延长生命周期，如下图所示。这需要为新工艺节点提供额外的产能。
值得注意的是，一个晶圆厂可以支持多个工艺节点。工艺节点之间的设备高度重用。区别在于一个工艺与另一个工艺的步骤数量，如浸没式光刻与EUV光刻。然而，有些工艺节点转换需要更高的新增产能投资，如14A节点的转换，因为引入了High-NA光刻技术。英特尔认为，到2024年，新资本投资将达到顶峰。结果将是2025年开始的较低投资和较高回报，特别是随着新客户开始利用英特尔的旧工艺节点和完全折旧的工艺节点。
第四个转变，也是最令人印象深刻的，是英特尔迅速转向支持行业标准的电子设计自动化（EDA）工具。正如在Direct Connect大会上所指出的那样，英特尔现在支持来自Ansys、Cadence、Siemens和Synopsys等公司的所有行业标准EDA工具。这对于简化使用英特尔代工服务至关重要。它还克服了其他半导体供应商过去不使用英特尔作为代工厂的最大障碍之一。
第五个转变，是完成了晶圆制造部门的分离，现在它已经成为了英特尔代工厂。英特尔本周宣布了英特尔代工厂的新报告结构，包括回溯到2021年的财务重述，制定了统一的收费模式，以服务内部和外部客户，并提供了未来英特尔产品和英特尔代工组的收入和盈利预测。财务数据显示，英特尔代工厂在短期内将继续亏损，但英特尔相信，到2030年，英特尔产品（60%毛利率/40%营业利润率）和英特尔代工厂（40%毛利率/30%营业利润率）将实现更高的盈利。
使用英特尔代工厂的外部客户的一个好处是该工艺已经为英特尔产品进行了充分测试和大规模生产。这应显著减少外部客户的生产爬坡时间。英特尔预测，到2030年，外部客户在先进封装、先进EUV工艺节点和旧工艺节点上的收入将达到150亿美元，并且每个环节都将有强劲的利润率。结果，英特尔认为到2030年将恢复到两位数的投资回报率。
最后的转变，是英特尔对作为代工厂的理解。英特尔不仅仅是为外部客户提供芯片的制造和组装服务。英特尔将其视为一个系统代工厂，将提供各种服务，利用从半导体工艺技术到系统开发的广泛工程专业知识。正如英特尔CEO Gelsinger所说，“机架正在变成系统，系统正在变成芯片。”由于生成式AI工作负载对性能的需求不断增加，将处理、存储和网络放在一起的需求将越来越大。国外机构Tirias Research认为，到2030年，我们对芯片的概念将发生巨大变化。在最高性能情况下，一个“芯片”可能是一个需要2000瓦或更多功率的单一封装。这将彻底改变我们对系统架构的思考方式。
虽然2021年英特尔所提出的IDM 2.0战略中的目标还有一段相当长的路要走，但英特尔已经兑现了一部分承诺，并走在成为世界级领先半导体代工服务的道路上，目前来看，同时拥有先进制程与先进封装的英特尔，很有可能成为台积电未来的劲敌之一。
台积电的Foundry 2.0
在AI浪潮中，英伟达是最大赢家，而在数据中心计算引擎制造方面占据主导地位的台积电，也大赚一笔，如今，几乎所有的CPU、GPU、DPU、XPU和FPGA都由这家中国台湾公司所生产。
在2024年第二季度中，台积电营收增长32.8%，达到208.2亿美元，净收入增长29.2%，达到76.6亿美元，3纳米工艺收入达到31.2亿美元，同比增长83.9%。
具体到细分市场之中，HPC业务收入首次突破100亿美元，同比增长57%，达到108.3亿美元，环比增长24.7%；智能手机业务收入达到68.7亿美元，同比增长32.8%，但环比下降4.2%；5纳米技术（包括N5和N4工艺）收入为72.9亿美元，同比增长55%，环比增长4.4%；7纳米收入下滑1.8%，为35.4亿美元，环比下降1.3%；其他老工艺芯片收入为68.7亿美元，占总营收的三分之一。
从财报中可以发现，台积电的市场需求主要受到智能手机和高性能计算（HPC）业务的驱动。智能手机业务虽然在2023年经历了低迷，但在2024年有所回升，这为台积电的未来投资提供了资金支持。HPC业务的增长，尤其是AI训练和推理芯片的需求，推动了台积电在这一领域的持续投资和技术创新。
目前综合来看，台积电在AI和HPC领域的投资正在逐步显现成效。尽管台积电未具体披露AI相关收入，但预计至少占总收入的9%，约18.7亿美元，占HPC收入的17%左右，其中不单是先进制程的代工，还有如今颇受欢迎的先进封装，台积电计划在2026年进一步扩大CoWoS（硅中介层集成）封装产能，来满足市场需求，2023至2024年，台积电CoWoS封装产能已经翻倍，到2026年预计将再次翻倍。
魏哲家也在会议中详细阐述了全新的Foundry 2.0战略，他表示：“台积电的使命是成为全球逻辑IC产业的可信技术和产能提供者。AI需求的持续增长支持了对节能计算的强劲结构性需求。作为AI应用的关键推动者，客户依赖台积电提供最先进的工艺和封装技术。我们采用严格的框架来应对长期市场需求，主要关注AI、HPC和5G等行业大趋势。我们的资本投资决策基于技术领导力、灵活制造、客户信任和可持续健康的回报。为了确保投资的适当回报，我们在定价和成本上进行战略性调整。台积电正在大力投资于领先的专业和先进封装技术，以支持客户的增长并确保我们作为可信代工伙伴的地位。”

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为何台积电这一代工龙头会提出这样的一项新战略，一部分原因可能是规避风险，毕竟台积电在代工市场的份额已经到了垄断的地步，61.7%的份额意味着其他所有厂商绑一块都没它赚得多。而另一方面，这种战略也是扩大了它的增长空间，2023年纯代工市场只有1150亿美元，但是包括封装等广义上的代工市场则是2475亿美元，这块更大的蛋糕也方便台积电来“画饼”：如何继续增加销售额并在未来几年保持甚至可能扩大盈利能力。
随着摩尔定律的放缓，半导体行业的一切都变得越来越昂贵，盈利能力一直是一个挑战。从 2005 年到现在，台积电平均能够将 35% 的收入带入盈利，而且从 2021 年下半年到 2023 年上半年，台积电还获得了超越以往的表现，平均盈利达到了 41.6%。
但自 2023 年下半年以来，台积电的盈利能力一直呈略微下降趋势，它必须去寻找新的盈利增长点，这也是我们为什么一直听到台积电将提高其制造和封装服务价格的传言。
对于台积电来说，既要保障先进制程无虞，又要在先进封装开拓市场，Foundry 2.0看似是台积电喊出来的一句口号，实际上却是这家代工厂对自己的清楚认知——以客户为导向，抓住市场中一切可以发力的点，CoWoS封装能够从概念到落地，也仰赖于这一认知。
比较有意思的是，台积电并不是第一次喊出2.0的口号。早在2000年，台积电就推出了 TSMC-Online 2.0，这是首个为代工厂客户提供的个性化互联网信息服务。作为开展业务交易的一项新功能，TSMC-Online 2.0 具有一站式流片服务，使客户能够缩短实际生产时间并为客户提供最新的工艺状态控制。
台积电下一个2.0是什么，我们还不清楚，但对于它的代工竞争对手来说，Foundry 2.0并不是一个好消息。
三星的一站式代工
虽然三星没有像英特尔和台积电一样丢出一个“XX 2.0”的概念，但三星早已针对代工市场喊出了自己的口号。
早在2022年10月于圣何塞举办的SAFE论坛上，三星代工总部的设计服务团队负责人MJ Noh就在演讲中宣布了三星代工的新目标。
其指出，随着技术的发展，采用“一刀切”方法变得越来越难以实现。伟大的创意不应受到追求全能解决方案的限制。然而，公司需要获得自由，去追求自己的雄心壮志，因此他们需要一个可以依赖的代工企业，能够为其提供洞察力和灵活性，以满足各种需求，甚至是最独特的创新需求。在一个前沿技术不断突破边界的未来——从汽车到移动设备，从物联网到高性能计算和人工智能——是否有可能建立一个能够将所有一切统一在一个地方的代工厂？
其中，MJ的演讲涵盖了三星的高级设计平台如何利用2.5D和3D解决方案等技术，为客户提供能够适应未来创意规模和具体要求的一站式服务。
在之前的论坛上，三星集中介绍了其设计平台在汽车、移动设备、物联网和人工智能等多个领域的强大且广泛的能力，包括汽车领域的AEC-Q100认证和ASIL标准准备。同时，高性能计算应用的增长速度特别快，代工行业正在寻求芯粒架构的动态模块化以寻找答案。在所有这些领域，三星在寻求合作平台时，始终关注客户的优先事项：通过优化的生产周期和竞争力的功率、性能和面积（PPA）能力，如设计技术协同优化（DTCO）和系统技术协同优化（STCO），加快上市时间。最终，代工厂需要具备提供一站式尖端设计能力的能力，无需第三方专业化。当然，提供这一切并非易事。
MJ表示：“传统的芯片设计方法面临着高成本和集成因素带来的限制。即使有硅缩放，晶体管数量仍在增加，推动了可用最大光罩尺寸的极限，而对集成多种功能芯片的需求不断上升，这在设计和制造方面带来了严重的成本问题。”
他解释道，缩小晶体管尺寸永远无法满足应用日益增长的复杂性，而这正是三星通过不断进步的2.5D和3D芯粒解决方案处于领先地位的原因。
在一站式服务提出的两年多以后，这一解决方案开始因为AI大放光彩。
据韩媒近日的报道，三星基于“一站式”所推出的人工智能解决方案战略，开始吸引国内无晶圆厂（专注于半导体设计的公司）客户。三星利用其在内存、代工（半导体代工生产）、封装等各方面的优势，提供定制化的AI一站式解决方案。特别是通过加强与设计解决方案合作伙伴（DSP）的合作，力图吸引潜在客户。
7月9日，三星电子在首尔Coex举办的“2024年三星代工论坛（SFF）暨2024年SAFE（三星先进代工生态系统）论坛”上，公开了强化国内系统半导体生态系统的成果及未来支持计划。
三星电子代工业务部部长（社长）崔始荣表示：“随着AI对产品影响力的增加，特色客户数量也在增加。这些客户希望将各种想法通过半导体实现。”他解释道：“这些客户不仅需要单独的设计、设计资产（IP）、工艺、封装等解决方案，还需要将整个系统级验证整合在一起的服务。”

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因此，三星电子计划利用综合半导体企业（IDM）的优势，提供符合客户需求的综合AI解决方案一站式服务。通过强化内存、代工、封装三大业务领域之间的合作，最大化“锁定（Lock-In）效应”，防止客户在产品生产过程中流失。无晶圆厂客户使用三星的综合AI解决方案，可以将半导体开发和生产时间缩短20%。
特别是基于栅极全包围（GAA）工艺和2.5D封装技术的竞争力，强化3纳米（nm，10亿分之一米）以下的先进工艺服务。GAA是一种新一代技术，将半导体中的晶体管栅极（电流进出之门）和通道（电流流动的路径）接触面增加到四个，相比于FinFET技术，数据处理速度更快且电力效率更高。三星电子于2022年6月首次成功量产应用GAA的3nm工艺，目前正在顺利推进第二代3nm工艺。
此外，三星电子将积极支持韩国优秀的无晶圆厂在高性能计算（HPC）和AI领域快速扩大影响力。DSP为无晶圆厂设计的半导体提供代工制造的设计服务。即通过强化“三星代工-DSP-无晶圆厂”之间的合作，吸引潜在客户。
与DSP公司Gaon Chips合作，成功获得日本Preferred Networks（PFN）的2nm（SF2）基于AI加速器的订单，是三星电子与国内DSP合作的代表性成果，三星计划基于2nm工艺和2.5D先进封装（I-Cube S），量产日本Preferred Networks的AI加速器半导体。
此外，三星电子宣布将扩大多项目晶圆（MPW）服务，以支持国内无晶圆厂。MPW是一种在一片晶圆上放置多个项目芯片设计物的产品开发方式，主要用于原型制作或研究目的。无晶圆厂没有自己的生产线，因此必须通过代工厂进行原型制作。通过MPW支持，三星电子希望提前吸引有潜力的无晶圆厂客户。
今年，三星电子的MPW服务次数从4nm工艺到生产高性能电力半导体的BCD 130nm工艺，共计32次，较去年增加约10%。计划到2025年将扩展至35次。需求量大的4nm工艺今年将再增加一次。
在当天的活动中，Telechips社长李长奎、Above Semiconductor副社长朴浩镇、Rebellions首席技术官（CTO）吴振旭等人担任演讲者，分享了与三星代工的成功合作成果、愿景以及无晶圆厂行业趋势。
崔始荣强调：“三星电子可以将内存、代工和封装制造能力整合在一个组织中运营，基于这一优势，我们将为客户提供最有效和最优化的解决方案。”
与英特尔和台积电相比，三星代工在这两年由于先进制程屡屡受阻，导致它实际表现并不够亮眼，在两个打响2.0口号的巨头面前，有些黯然失色。
但三星也有自己的优势，在英特尔放弃傲腾内存后，它是唯一一个可以提供包括内存、制造和封装的代工企业，面对那些因AI而快速发展的中小型企业，它能够提供其他企业所不具备的优势。
不过美中不足的是，三星目前的HBM业务并不尽如人意，它似乎已经成为了一个中庸选手，尽管各方面不突出，但仍然有不俗的技术实力，如何让自己在擅长和不擅长的领域中做得耿拔尖，可能是这家韩国企业需要思索的问题。
白热化的代工
不论是台积电还是英特尔，抑或是三星，它们都在重金押注代工，英特尔计划2024年增加资本支出2%，达262亿美元；台积电今年资本支出预计在280亿美元至320亿美元之间。而三星在2023年用于半导体的资本支出达到了372.68亿美元。
还有消息称，台积电今年的资本支出将达到预估范围的上限，明年上限有望再增加50亿美元，达到370亿美元，有望创下史上第二高水平，庞大的支出，让其他公司难以望其项背。
而伴随着摩尔定律的放缓，代工巨头们之间的战争似乎已经到了白热化的阶段，层出不穷的新战略和持续的资本输出正在不断拉高这场战争的烈度，最后检验输赢家的标准也很简单，谁能在接下来几年中持续扩大份额，谁就是代表未来的、真正的代工2.0。
【来源：半导体行业观察】

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2025年12月17日 16:38:35