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台积电包揽全球50%光刻机,未来的高端芯片制造与大陆无关?
2022-10-05

圆晶代工厂台积电(TSM.US)正迎来“春天”。

国际电子消费巨头苹果自主研发、采用5nm制程、代号“Lifuka”的图像处理器(GPU)研发正在按计划推进,量产之后将用在iMac上。而这款芯片,将交给台积电生产。

苹果另一款自研ARM处理器的MacBook和iMac机型,将用上台积电的5nm工艺。

iPhone 12系列的A14处理器,也将由台积电代工。

最新消息显示,苹果向台积电追加了2020Q4的A13、A12处理器芯片大约7万~8万片,将后者四季度7nm芯片总投片量推高到17万~18万片的规模。

给台积电带来业务增长的不仅仅是苹果。

联发科受中国手机厂商订单量提高的影响,2020Q4向台积电追加了2万~2.5万片7nm芯片的订单。

芯片巨头

高通也据传将会把订单转给台积电,原因是高通原本交由三星代工的5nm产品开发进度出现了问题。

在上周召开的台积电技术研讨会上,该公司声称,

公司拥有约60%的EUV晶圆累计生产量,即为产业链贡献了流程的芯片产能。

2020Q2,台积电的营收达到了3106.29亿新台币(约合105.85亿美元),同比增长28.86%;持续经营活动现金流净额达到1703.35亿新台币(约合58.04亿美元),同比增幅为44.64%。

专业机构预测,台积电还有望在2020Q3录得

约53.9%的市占率,以及约113.5亿美元的营收,成为全球圆晶代工厂无可辩驳的龙头。

数据来源:产业研究机构TrendForce集邦咨询旗下拓墣产业研究院

上马尖端技术研发,台积电一骑绝尘

说起台积电这个名字,中国大陆的读者应该不会感到陌生。

台积电此前表示2020年9月14日之后不再向华为高端芯片代工服务,由此带来的后果大家都知道了——由于没有其他代工厂可以进行生产,华为的麒麟系列高端芯片成了“绝唱”。

台积电却没有受到太大影响,2020Q3的5nm剩余产能都将转给其他用户,包括苹果、高通、AMD、联发科等等。

如今台积电忙得货都接不完,为了完成华为的剩余订单,还要24小时不停歇生产,甚至还要设法腾挪其他客户的产能。

谁让人家在技术上做到了全球顶尖呢?

台积电的3nm芯片还没开始量产,2nm工艺研发中心就开始建设了。

这座研发中心将会拥有一条先进的生产线,同时配套以8000名工程师;为配合2nm工艺的研发,台积电还被爆料一口气购买了2台光刻机。台积电预测他们已安装了全世界约50%的激活光刻机机器。

据外媒的初步预计,公司2020年全年资本支出将进一步提升,达到160亿美元左右。

更不得了的是,台积电的一名高管还在网上透露,称台积电已开始利用人工智能和机器学习技术,主要用于芯片生产过程中的数据处理。

“台积电已在他们的设备中部署了大量的传感器,确保任何有用的数据都能被收集,他们利用人工智能和机器学习将数据转化为相关的信息,改善他们的芯片生产,他们不浪费任何一个学习的机会。”

这名高管说道。

大陆与台积电至少差6年

台积电创始人张忠谋曾表示,在制程方面的竞争不是花很多钱、投入举国之力就能做成的,因此大陆很难像台积电一样早出顶尖水平的芯片。

对中国企业来说,“制裁”的巴掌真的很痛。就连家大业大且头铁的华为,都承认未来将在美国的施压下艰难度日。

如今大陆积极向台积电看齐,力求补齐高端制造产业链的空白。

2008年中国大陆启动的“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品(核高基)”国家科技重大专项,期望于芯片、软件及电子器件领域,追赶全球技术。

大陆目前最领先的圆晶厂中芯国际,就是申请到该专项补贴的公司之一。无论是资本支出、营收还是市占率,中芯国际在全球范围内都排在了第五的位置。

目前公司基于Fin-FET设计生产的14nm芯片已经完成了出货;与台积电7nm技术相近的芯片工艺也正在研发中。

根据高盛的预测,中芯国际2022年可升级到7nm工艺,2024年下半年升级到5nm工艺。

大陆消费者常常对中芯国际给予厚望,希望它能取代台积电的位置,向华为供应高端芯片,缓解供应链受到“制裁”的危机。

但中芯国际要赶上台积电,不是这么容易的。

“假如一家公司在一个行业发展得很久,积累的经验就比新的竞争者多,只要自己不糟蹋机会,就可以长期保持优势。”台积电创始人张忠谋在采访中说。

随着芯片制造工艺不断向高端发展,其研发成本将会越来越高。

研发16nm芯片的制造工艺,大约需要16.43美元的研发成本,10nm为16.37美元,7nm成本18.26美元,5nm和3nm分别涨到23.57美元、30.45美元。

半导体行业的“摩尔定律”指出,集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过24个月便会增加一倍。换言之,处理器的性能每隔2年翻一倍。

这样算下来,已经实现了5nm芯片量产的台积电,

其技术已经领先中芯国际快6年了。

要赶上这6年里落下的脚步,谈何容易?况且这还没算上台积电也在向前飞奔的速度。

在这6年终,充裕的营收和高额的研发费用,将为台积电向前发展带来更强劲的动能。

2020H1台积电研发费用录得498.62亿新台币(约合17亿美元),同比增长19.26%,占营收比重达到8%。

2020H1中芯国际研发费用占营收比重达到17.58%之高,但数额仅为3.24亿美元,且同比不过增长了2.4%。

大陆的光刻机之痛

与此同时,一些技术上的硬伤,目前大陆企业始终无法克服。

结合ASML的声明和台积电的内部采购单,台积电预测公司已安装全球约50%的激活光刻机。而中芯国际一台都没有。

如果中芯国际不能拿到极紫外光刻机(EUV),公司的芯片生产工艺,将被卡在7/8nm的水平。

用于生产7纳米及更先进制程芯片的EUV光刻机,目前只有荷兰的阿斯麦(ASML)公司能生产,每台机器的售价往往超过1亿美元。

然而,由于《瓦森纳协定》的存在和美国的多次干预,该公司没有出售给中国公司,凭白让中芯国际在光刻机上花费了1.2亿美元和2年的时间。

其实大陆也有公司买到了ASML的光刻机,但这件事说来话长……

2019年12月,弘芯半导体高调为“首台高端光刻机设备”进厂举行仪式。虽然官方没有公布具体信息,但可以确定是一台ASML光刻机,售价也是数千万美元级别的。

武汉弘芯半导体在业内拥有一定的名气,因为号称拥有先进的技术,原定于2020年将开始7nm芯片的自主研发。

弘芯甚至聘请了多位半导体产业大咖,包括曾就职于台积电的元老级人物蒋尚义,他曾经带领台积电先后攻克多项核心技术。

但后来,这台光刻机被扒出不是EUV光刻机,而是DUV(深紫外光光刻机),通常用来生产14nm芯片,并不是台积电用来制造5nm芯片用的尖端产品。

更讽刺的是,2020年7月,武汉弘芯半导体项目因资金供应存在问题项目可能停摆。

而这台吸引了国人目光的光刻机,也被抵押了。

面对技术封锁,华为坐不住了。

有消息显示,华为正在着手研发自己的光刻机,力求突围。

社交媒体上关于华为光刻机专利的消息,包括一项“通过光的移动,而不是机械移动来实现光刻精度”的专利,是一大技术创新。

华为还在网上公开发布了光刻工艺工程师的职位,并在全国范围内频繁挖人。

光刻机虽极其复杂且精妙,却并非遥不可及。

2018年8月份,清华大学的研究团研发出了双工作台光刻机,使得中国成为全球第2个具备开发双工作台光刻机的国家;

2019年4月,武汉光电国家技术研究中心甘棕松团队采用远场光学的办法,成功刻出9nm宽的线段;

2020年7月,中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研发出了一种新型5nm超高精度激光光刻加工方法。

美国半导体产业调查公司VLSI Research总裁里斯托·普哈卡(Risto Puhakka)认为,针对EUV光刻机零部件的研究非常之多,但他认为中国大陆仍未制造出可以开展生产的光刻机。

“自主研发光刻机将是漫长的过程。我不是说不可能,但这是一条漫长且艰难的道路。”他说。

小结

多亏了懂王的“制裁”,大陆企业方才梦中惊醒,发现自己所处的位置已经快要看不见台积电的尾灯了。

但如今才开始追赶,可能会面临诸多的难题,甚至有可能花很大力气研发出来了高端芯片,市场却又被更高端、成本更低廉的芯片抢占,于是连变现的空间都被压缩殆尽。

“你已经积累了很多经验,这些经验给你带来创新和降低成本的机会,利用这个机会,就会在技术和成本削减方面,继续领先于你的竞争对手。”

台积电创始人张忠谋认为,不管是工艺,还是成本,都不是用很大的投资就很快可以获得的,所以大陆需要时间才能赶上。

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