【專欄】台積電、三星、英特爾,半導體三雄先進製程爭霸戰,EUV掌握度成勝出關鍵
【專欄】台積電、三星、英特爾,半導體三雄先進製程爭霸戰,EUV掌握度成勝出關鍵

半導體先進製程投資龐大,1座月產能2萬片的晶圓廠,投資金額超過百億美金。

除了龐大資本支出的障礙外,技術能力更是一道難於跨越的障礙,必須累積多年經營晶圓廠生產的經驗,一步一腳印,方能跨過鴻溝。彎道超車,一蹴可及,現實上是難以實現。

目前全球有能力生產10奈米以下製程的半導體公司只有台積電、三星電子及英特爾三大公司。這三大半導體公司都有超過30年的半導體生產以及開發新製程的經驗,是行業中的佼佼者。

以2021年的營業額來看,三星電子半導體營業額為788億美元,英特爾營業額為747億美元(不計NAND營業額),台積電的營業額達568.2億美元,分居全球前三大。

從資本支出來看,預估2022年這三家公司的資本支出,三星電子晶圓代工部分約120億美元,英特爾約280億美元,台積電約420億美元。台積電的資本支出領先英特爾及三星電子,顯現台積電積極建立5奈米、3奈米產能,而且進度領先。

從先進製程的量產進度來看,目前台積電處於領先地位,台積電的7奈米、5奈米系列先進製程,不僅最早量產,而且良率、性能優越,因此訂單持續增加,台積電7奈米、5奈米系列的產能,全球第一。

台積電
圖/ 台積電

台積電預定今年下半年,將開始量產3奈米製程,目前已有蘋果公司、英特爾預定產能,他們將是台積電3奈米製程的首批客戶。台積電3奈米製程沿用「鰭式場效電晶體」(FinFET) 結構,沒有採用「全環繞閘極」(GAA)結構。

半導體製程從14/16奈米起,原本平面的「場效電晶體」(FET)結構,在技術上已無法使用。胡正明博士及其同事發明FinFET結構,將原本平面的FET結構,改成立體的FinFET結構,讓半導體製程可延續微縮,從14/16奈米、10奈米、7奈米,一路往下到5奈米。

進入3奈米,FinFET結構面臨較多的障礙,三星電子「大膽」採用GAA結構,而台積電則持續使用FinFET結構。不過台積電也有創新,在3奈米製程推出FinFlex技術,將3奈米製程的效能、功耗效率及密度等進一步提升。FinFlex讓IC設計工程師在設計IC時,有很大的彈性,藉由不同「鰭」數的組合,可以有高效能、低功耗、高密度等,不同的區塊,設計在同一顆IC內。

三星電子宣稱今年上半年將開始量產採用GAA結構的3奈米製程,三星今年的3奈米製程為第一代GAA(GAE (GAA Early)),2023年方會推出第二代GAA (GAA Plus) 3奈米製程,因此三星電子3奈米的實際量產時程應落在2023年。

三星電子力圖在3奈米超越台積電,盡管號稱上半年量產,不過三星電子似乎還沒有外部客戶下單,客戶們可能觀望三星電子的3奈米進入「真正」量產後,性能的表現再決定是否下單。高通、超微、輝達、聯發科等,皆已預定在台積電3奈米製程投片。

英特爾製程技術目前較台積電、三星電子落後,目前Intel 7(原10奈米)已進入量產,下一代的Intel 4(原7奈米),預計於今年下半年量產。

Intel 4(相當於台積電4奈米)是英特爾首度使用EUV(極紫外光)微影機的製程,也是英特爾在先進製程延宕多年後,終於奮力趕上,加入先進製程的第一梯隊。

intelligent manufacturing
圖/ unsplash

繼Intel 4後,英特爾宣稱將於2023年開始量產Intel 3 (相當於台積電3奈米),如果能實現,則僅稍落後於台積電的3奈米量產進度。

2024年上半年英特爾將量產Intel 20A (相當於台積電2奈米),這已經超越台積電的進度(台積電預定2025年量產2奈米製程)。尤有甚者,英特爾預定於2024年下半年量產Intel 18A,同一年推出兩代新製程,英特爾真是「厲害」。

從今年下半年算起,到2024年年底,短短2年半間,英特爾將推出Intel 4、Intel 3、Intel 20A、Intel 18A 4個新製程技術節點,這是何其艱難的任務,實現的難度很高。

英特爾今年下半年才開始在量產製程中使用EUV,英特爾使用EUV的經驗恐怕無法與台積電、三星電子比擬。英特爾執行長,一再強調英特爾將率先取得「高數值孔徑」(High NA) EUV,因此可以在先進製程節點的開發領先競爭者。

這好比是取得「倚天劍」「屠龍刀」後就可「號令天下」,然而若沒有一身「傲人的武功」光靠「神兵利器」是無法成為「武林第一人」。

「工欲善必先利其器」,微影設備是半導體重要的設備,晶片的電子線路皆必須使用微影設備。EUV微影設備是進入7奈米以下的製程節點,不可或缺的設備。EUV試生產的重要設備,EUV設備數量的多寡,攸關產能大小,EUV設備愈多,代表產能愈大。

目前台積電擁有全球最多的EUV,預估到今年底共有84台。三星電子急起直追,副會長李在鎔二度拜訪EUV供應商艾斯摩爾(ASML),希望能取得更多的EUV,預估到今年底可望共有51台EUV,不過部分EUV必須供DRAM廠使用。

英特爾是EUV的後進,雖然即起直追,到今年底EUV只有約有20台左右,因此開出的先進產能恐不敷應用。

ASML是全球EUV唯一的供應商。ASML於1984年,由荷蘭「飛利浦」與「ASMI」合資創立,因此與台積電有「裙帶關係」。「飛利浦」是台積電的創始大股東,同時也是技術提供者,因此台積電採購微影曝光設備時,皆會對ASML「特別照顧」。

2004年以前,ASML在微影曝光設備的市占率,落在尼康(Nikon)、佳能(Canon)之後。2002年是ASML的轉捩點,這一年,半導體製程進展到65奈米,往下發展時遇到瓶頸。193奈米波長的「深紫外光微影機」(DUV)已無法擔當製程節點往下發展的任務,當時主流的解決方案是發展157奈米波長的微影機,業界投資10億美元研發此設備。

2002年,台積電的林本堅博士在「國際微影討論會」提出「浸潤式微影技術」概念,將鏡頭浸潤在水中,利用水的折射,可將193奈米深紫外光,縮短到134奈米。當時只有ASML被林博士說服,與台積電共同開發浸潤式微影機,並於2003年年底推出原型機。

ASML掌握浸潤式微影設備先機,50奈米以下的製程節點皆必須使用浸潤式微影設備,ASML終於取得「微影設備」龍頭供應商的地位。台積電與ASML的深厚關係,與歷史淵源,使台積電能夠獲得ASML的全力支援。

2012年,ASML為了發展EUV及18吋晶圓的微影設備,邀請半導體公司投資,以籌措開發資金。英特爾、台積電及三星電子決定投資ASML。

英特爾投資25.09億歐元,取得ASML15%股權,同時承諾未來5年共投入2.76億歐元支持ASML研發計畫。

台積電投資8.38億歐元,取得ASML 5%股權,同時承諾未來5年共投入2.76億歐元支持ASML研發計畫。

三星電子投資5.03億歐元,取得ASML 3%股權,同時承諾未來5年共投入2.76億歐元支持ASML研發計畫。

在這三大半導體公司的支援下,ASML得以開發出EUV微影設備。不過ASML也沒虧待這三大公司,在ASML股價大漲之際,三大公司大量出脫持股,投資得到回報,同時也與ASML結下深厚的情誼。

台積電與ASML除了歷史淵源的情誼外,台積電也是ASML開發新設備的合作夥伴。從EUV機台的原型機、測試機等,都需要台積電試用,提供改良意見,沒有台積電的幫忙,ASML無法單獨完成EUV機器的開發。台積電是ASML的夥伴及客戶,兩者深厚的情誼是台積電很自然地可以得到ASML優先供應EUV的禮遇。

台積電預計於2024年取得ASML「高數值孔徑」EUV,用於開發客戶所需相關基礎設施,為進入2奈米製程鋪路。

艾司摩爾 ASML EUV全球技術培訓中心
圖/ 簡永昌攝影

台積電預計於2025年量產2奈米製程節點,採用GAA結構,此節點有兩項創[新,一為「奈米片電晶體」 (Nanosheet transistor),另一項為「背電軌」 (backside power rail)。

台積電2奈米N2製程節點,與3奈米N3E比較,在相同能耗下,N2比N3E快15%。在相同速度下,N2比N3E節省25-30%能耗。晶片密度N2為N3E的1.1倍以上。

7奈米、5奈米這兩個製程節點,台積電領先三星電子及英特爾,台積電囊括大部分的訂單。三星電子主要的客戶為高通及輝達,近來由於良率、性能問題,高通、輝達將下一代新產品轉向台積電下單。

3奈米是三星電子向台積電挑戰的「擂台」,早在2020年三星電子即宣稱將於2022年上半年量產3奈米GAE,今年初再次強調3奈米製程可於上半年量產,超越台積電。最新的消息是三星電子將於6月底前宣布開始量產3奈米製程,「一舉」超越台積電,成為先進製程的領先者。

三星電子「執著」在台積電之前開始量產3奈米晶圓,然而卻未傳出有外部客戶下單,初期的代工客戶為三星電子的系統IC部門。先前傳出三星電子3奈米製程良率僅10-20%左右,近期可能尚無法大幅改善。為了趕進度,只要良率有提升,就可宣布量產。三星電子這種「量產」,可能與台積電的「風險試產」階段相當。反正客戶是自家人,將之稱為「量產」又何妨。

三星電子的企圖心不容小覷,盡管現階段尚落後台積電一大段,然而三星電子資源豐碩,傾全力發展晶圓代工事業後勁十足,台積電決不可掉以輕心。

不過盡管三星電子再厲害,有一項鴻溝它無法跨越。三星電子不僅矢志在2030年超越台積電成為晶圓代工的一哥,同時它也立下成為系統IC的龍頭供應商,這會成為他與客戶競爭的局面。

英特爾先進製程的代工,最快從明年開始量產Intel 3開始,不過由於產能尚未開出,最可能的是等2024年亞利桑那州的Fab 52、Fab 62,產能開出後,也順利量產Intel 20A後,英特爾方能大舉進入晶圓代工市場。英特爾宣稱高通、輝達、IBM等重量級客戶承諾在英特爾下單。

英特爾必須克服的問題是Intel 20A,能否如期量產,個人的看法是如期量產的難度很高,而且良率可能不佳。

英特爾進入晶圓代工最大的障礙是成本很高,競爭力不足。其次是不熟悉晶圓代工運作模式,在生產排程、客戶服務方面,恐無法像台積電般那麼到位。最後為與客戶競爭問題,英特爾的產品有可能與晶圓代工客戶的產品競爭。

台積電、三星電子、英特爾三大半導體公司在晶圓代工市場的競逐,大家都投入大量的資源,鹿死誰手雖然尚在未定之天,不過台積電繼續蟬聯霸主的機會應是較大。

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責任編輯:傅珮晴、吳秀樺

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每年在台灣約有超過8萬家新設公司商號的誕生,然而根據台灣網路資訊中心(TWNIC)內部統計數據顯示,真正完成網站架設、踏上數位轉型起點的新設立公司卻不到一成。這意味著絕大多數的新創團隊或微型企業,雖然正式登記成立,卻仍缺乏最基本的「數位門牌」,也就是企業的專屬域名名稱。

TWNIC 執行長余若凡指出,這看似是台灣新創團隊在數位轉型上的一個缺口,實際上卻是關鍵成長與強化自身數位資產的關鍵。「域名其實是數位轉型的起點,如果沒有自己的域名,基本上就還沒真正開始。」她強調,數位轉型已經不只是上雲端或導入 IT 設備,更進一步的是「建立數位信任」;但眼下許多新創連第一步都還沒跨出。

三大現實痛點突顯,域名是新創跨出數位轉型第一步的關鍵

余若凡觀察,許多新創公司之所以未能及早佈局域名與數位資產,主要來自三個現實因素。首先是資金有限。對於初創立的新創團隊來說,創業初期事務繁雜、資金有限,許多團隊會優先把錢投入營運,對域名或網站架設常抱持「之後再說」的心態。其次,則是缺乏整體數位策略的構想。余若凡表示,許多新設企業或新創團隊少有在成立之初就規劃品牌的數位溝通路徑,更遑論導入數位品牌策略。

最後是對「數位信任」的認知不足。余若凡提到,許多企業直到品牌被仿冒、消費者受詐騙波及時,才意識到域名的重要性。「你等到有名氣後再來搶域名就太晚了。」她特別提醒。一旦品牌名稱被他人搶先註冊,甚至被詐騙集團利用,損失往往難以挽回。

而看在余若凡的眼裏,域名對於新創企業其實有三重意義。第一,它是企業的「數位門牌」。清楚、好記的域名能讓消費者快速找到企業,也代表著品牌在網路上的官方身分。第二,它是品牌行銷的起點。她指出,你必須要有自己的家,然後再去連結各種社群平台與通路。擁有域名,可以將社群經營、搜尋流量與品牌曝光整合在一起,累積成企業的長期數位資產。第三,它也是防禦性的工具。許多企業認為「不架網站就不需要域名」,但實際上,單純註冊域名就能防止他人搶註或利用相似網址詐騙,成本只要幾百元,卻能省下未來更多麻煩。

台灣網路資訊中心 余若凡執行長
圖/ 數位時代

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