【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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迎戰大缺工時代!德國凱馳在台首推「智慧自主洗地機器人」,開啟商用清潔革命
迎戰大缺工時代!德國凱馳在台首推「智慧自主洗地機器人」,開啟商用清潔革命

在少子化與高齡化的雙重夾擊下,台灣勞力結構正面臨前所未有的嚴峻挑戰,預估從2020至2030年間,15至64歲的勞動人口將減少約10.3%。「缺工」不再是短期波動,而是長期影響各行各業的結構性危機,尤以高度依賴人力的清潔產業為甚。

然而在後疫情時代,社會對場域的衛生標準只增不減,加上大型商場、交通樞紐、物流中心與高科技廠房的建設面積每年持續擴增,清潔人員招募困難且年齡漸趨中高齡,有限人力難以扛起龐大的日常清潔工作。

面對亟待填補的市場空缺,全球清潔設備領導品牌德國凱馳,憑藉深厚的專業底蘊與嚴謹的研發標準,首次在台推出「KIRA BR 50智慧自主洗地機器人」,為台灣大型商用場域提供劃時代的智慧清潔解方。

凱馳總經理李恒毅觀察,少子化與高齡化衝擊清潔產業,透過更省時省力的「人機協作」模式,可大幅減輕第一線清潔人員負擔。
凱馳總經理李恒毅觀察,少子化與高齡化衝擊清潔產業,透過更省時省力的「人機協作」模式,可大幅減輕第一線清潔人員負擔。
圖/ 數位時代

凱馳總經理李恒毅強調,「KIRA BR 50並非要取代清潔人員,而是建立更省時省力的『人機協作』模式。」在傳統模式下,清潔人員必須拖著重達數十公斤的水桶與設備,在大面積區域來回奔波,耗時費力。有了KIRA BR 50後,機器人能精準且獨立承接大面積地板的頻繁清掃與洗刷,讓清潔人員將珍貴時間與專注力轉移至桌面、扶手及高接觸頻率的精細區域清潔,大幅減輕第一線負擔。

集結百年洗地技術與智慧科技,四大特點樹立清潔標竿

事實上,市場不乏新創科技公司推出清潔機器人,但凱馳業務總監李敍均指出,大多新創公司擅長科技部分,但對於「如何把地洗乾淨」的清潔本質缺乏經驗。德國凱馳成立近百年來,早已是這方面的專家,歷經總部反覆打磨,KIRA BR 50結合凱馳的專業工藝與前沿科技,以四大特點樹立智慧清潔標竿。

凱馳業務總監李敍均指出,「KIRA BR 50智慧自主洗地機器人」經過德國總部嚴格打磨才正式問世,展現德國工藝的嚴謹與專業。
凱馳業務總監李敍均指出,「KIRA BR 50智慧自主洗地機器人」經過德國總部嚴格打磨才正式問世,展現德國工藝的嚴謹與專業。
圖/ 數位時代

首先是「高效清潔」,相較一般清潔機器人使用盤刷,容易讓污垢在地面旋轉滯留,KIRA BR 50採用獨家滾刷技術,一次完成預掃、收集垃圾、洗地與擦乾,搭配側刷貼近牆角,完成零死角邊緣清潔。每分鐘超過1300轉的高轉速刷頭,加上業界最高刷壓,大幅提升清潔效果,最高每小時可自主清潔高達2365平方公尺,相當於5.6座籃球場,一小時即可完成約兩次台北車站大廳的清潔作業,非常適合面積廣大的車站、機場、物流中心等大型場域使用。

第二是「極致安全」,隨著智慧設備進入高科技產業與政府機關等敏感場域,企業對設備安全與隱私防護的要求也日益提高,KIRA BR 50配備「3D點陣式影像偵測技術」,當機器人在環境感知與避障時僅呈現去識別化的點陣雲,不記錄或上傳實體影像,從源頭杜絕案場影像與隱私資訊被記錄或外洩的疑慮。此外資料傳輸裝置均支援AES-256位元高規格加密,並通過IEC與Syss等多項國際認證的自主導航、電氣安全與防駭客入侵設計,領先競品,建立清潔機器人極致安全的新標準。

第三是「解放人力」,大面積且重複的洗地工作交給機器人後,第一線員工便能投入更多需要專業服務的細緻清潔工作;同時搭配四合一自動工作基站,能自動高速充電、補充清水、排放汙水、清洗水箱,讓清潔人員更加省事。

第四是「友善操作」,考量許多清潔人員為中高齡族群,機身特別以簡單顏色和圖形化介面標示清潔人員可獨立操作的簡易按鈕,直覺易懂。針對開放式大面積,僅需人工操作一次,機器人便可在短時間內自主完成地圖掃描與路徑規劃,並具備智慧記憶功能,能自動回補因臨時障礙物而漏洗的區域,無須專業工程師提前設定地圖與電子圍籬,大幅降低使用門檻。

第一線清潔龍頭實測驗證,人機協作打造清潔新紀元

這套智慧清潔方案在正式推向市場前,也已在台灣機場等第一線大型場域實地驗證,與凱馳合作長達10多年的台灣清潔產業龍頭——信實集團,正是這場科技變革的最佳見證者。

信實集團副總經理趙雪吟相當期待未來在大型公共場域中引進KIRA BR 50,藉此提升清潔效率。
信實集團副總經理趙雪吟相當期待未來在大型公共場域中引進KIRA BR 50,藉此提升清潔效率。
圖/ 數位時代

信實集團承攬機場、車站等眾多大型公共標案,對設備品質與安全極為挑剔,信實集團副總經理趙雪吟坦言,「服務業缺工已經是全面性挑戰,第一線清潔產業長期面臨人力招募困境,引進自動化設備是不可逆趨勢。」

早在一、兩年前他親赴德國凱馳,看到KIRA BR 50後,便非常期待正式在台上市的一天。此次信實率先參與驗證,對KIRA BR 50展現出的穩定度與清潔效率印象深刻,不僅能高效自主洗地,完成後還會返回工作站維護充電,讓有限人力集中於精細工作上。

「KIRA BR 50智慧自主洗地機器人」具備四大特點,以高效清潔與極致安全協助企業穩定清潔量能。
「KIRA BR 50智慧自主洗地機器人」具備四大特點,以高效清潔與極致安全協助企業穩定清潔量能。
圖/ 數位時代

趙雪吟也特別強調,公家機關與大型企業標案對設備的製造品質、電氣安全與資安防護有嚴格標準,凱馳耗費數年進行嚴謹測試與多項國際認證,正是信實能放心將機器人引入重要案場的關鍵,期望未來導入至更多大型公共場域。

隨著KIRA BR 50正式登台,凱馳不僅為缺工時代提供最佳解方,也展現作為全球清潔設備領導品牌的前瞻視野,敏銳洞察清潔產業缺工、高齡化的必然趨勢,從第一線人員與企業實際需求出發,提前佈局研發對應智慧產品。未來凱馳將持續以領航者之姿,引進多元的專業清潔機型,讓「人機協作」不再只是前瞻概念,而是兼顧品質、安全與人本價值的最佳幫手,全力助攻台灣清潔產業邁向更高效、智慧、也更有溫度的全新紀元。

在2026台北國際自動化工業大展中,凱馳也將「KIRA BR 50智慧自主洗地機器人」帶到現場,展示人機協作的智慧清潔模式。
在2026台北國際自動化工業大展中,凱馳也將「KIRA BR 50智慧自主洗地機器人」帶到現場,展示人機協作的智慧清潔模式。
圖/ 數位時代
關鍵字: #機器人

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