Foundry 晶片製程戰爭系列 - TSMC

這會是一個晶圓代工廠的系列文章,第一戰先看看 TSMC。

晶圓代工廠 TSMC 在2015年受到嚴苛挑戰,除了 Samsung 與 GlobalFoundry 的先進製程外,UMC 與中國 SMIC 等在中低階製程也都開始蠶食其市場空間。

眾所周知, TSMC 是全球最有份量,也最重要的晶圓代工廠,可以說整個半導體製程與電子終端產品的發展都與 TSMC 脫不了關係。而依靠著製程優勢,以及整個半導體產業的快速發展所帶動的需求下,TSMC 也的確在過去十幾年享受高利潤與高成長,雖然不到躺著賺的地步,但本業獲利已經比絕大部分的競爭對手來得豐厚。

然而進入2015年,情況急轉直下,因為智慧型手機、平板電腦等終端產品需求急速冷卻,接手並能創造下一波需求的半導體應用也還情況未明,且全球景氣開始有週期性衰退跡象,加上晶圓代工的競爭在 Samsung、Globalfoundry、SMIC、UMC 針對各階產品的佈局衝突而轉趨激烈,TSMC 的業務成長蒙上陰影。

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事實上,TSMC 最新發佈的財測,其第四季的營收將急轉直下,而幅度亦將大於過去的季節性衰退,而客戶轉單情況增加,更加遽其營收衰退的狀況。

掉客戶是 TSMC 目前最大的問題,Qualcomm 轉檯的傷害非常大,AMD 未來也都會轉走,加上中國市場客戶狀況普遍不佳,二線晶圓代工廠又拚命挖牆角,可以說是屋漏偏逢連夜雨。雖然 Apple 對於 TSMC 很補,但單一客戶風險高,而其他的 16nm 客戶單量又太小,加上在國際經濟情勢不佳,消費性電子出貨趨緩,客戶對先進製程的需求成長有限,即便 TSMC 的 16nm FinFET 製程優勢再明顯,但巧婦還是難為無米之炊。但製程發展是不歸路,TSMC 也只能咬牙撐下去。

TSMC 從 2011 年投入 20nm 的研發,並在 2013 年底正式量產,然而作為半代製程, 20nm 未能承接其在 28nm 的市場地位,原本的產能需求預估也不斷下修,從頭到尾只有少數兩三家有採用該製程。就結果論,20nm 製程最大的客戶就是 Apple,其次為 Qualcomm,但 Apple 與 Qualcomm 處境天差地遠。與 Apple 在市場上持續呼風喚雨的狀況不同,Qualcomm 的 20nm 製程推出產品後,反而大大的衝擊了獲利。TSMC 的 20nm 是由 28nm 改進而來,最大的差別在於採用了雙重顯影, FEOL(front-end-of-line)部分與 28nm 基本維持一致,因此在 Die size 與功耗方面的改善有限,差別大約只有 10~15% 左右。

也因為 20nm 改善幅度實在太小,TSMC 的傳統大客戶 NVIDIA 與 AMD 都選擇等待 1xnm 製程。然而 TSMC 的 20nm 對產業而言還是有其象徵意義,除了創下 TSMC 單一製程最少客戶的紀錄之外,也是首個採用雙重顯影的製程。作為 16nm 的先期練兵製程,20nm 表現其實已經算相當不錯。

為何 Apple 仍能推出經典的 A8/A8X,Qualcomm 的 20nm 製程產品 Snapdragon 810 卻被市場拋棄?因為 Apple 客製化程度高,並藉由限制最高時脈來達到實際性能與功耗的均衡,反觀 Qualcomm,忽略 ARM 的忠告,執意為了追求帳面性能而做 4 + 4 的大小核架構,且時脈設定也太好高騖遠,在架構功耗需求急遽增加,但製程本身改善幅度有限的情況下,最終導致功耗與發熱表現皆不盡人意,連帶也讓實際應用性能表現乏善可陳,浪費了許多精心打造的客製化運算功能。

qualcomm snapdragon 810

進入 16nm 製程之後,TSMC 仍持續沿用 20nm 機台,雖然 20 nm 機台多數也是沿用舊機台而來,但是在機台結構方面有了相當大的改良與升級。我們都知道 16nm 是在 20nm 的基礎上加入 FinFET 技術而成,20nm 製程作為半代製程,其實是為了 16nm 做的前期投資與試產,Apple 善用此半代製程的特性獲得成功,而 Qualcomm 則是因為對製程、架構的配合認知不足,結果就是賠了夫人又折兵,不僅賠上自己的利潤,也讓整個高階 Android 智慧型手機產業難以抗衡 iOS 生態的發展。

面對 Samsung 14nm 的挑戰, TSMC 的 16nm 乍看之下有點不夠力,除了時程較晚,同架構 die size 也大於競爭對手。

但 TSMC 用 A9 證明了自己的強處,其量產晶片體質要比 Samsung 來得穩定許多,Samsung 版 A9 多半需要更高的電壓才有辦法達到與 TSMC 版相若的性能與穩定度表現,就好比過去我們玩 CPU 超頻,體質差的 CPU 大多要加電壓並強化散熱一樣的道理。而這也代表 Samsung 版的 A9 不僅更耗電,溫度也更高,這點也在不少實際測試中獲得證實。

然而在製程戰爭中,良率與產品實際表現未必能夠主導市場,Samsung 依靠終端需求優勢,搶下 TSMC 最大客戶之一 Qualcomm,未來在記憶體與儲存的整合封裝技術也將成為強大的競爭武器;仰賴 Samsung 的製程授權達到 14nm 量產能力的 Global Foundry 也拿回 AMD 的多數未來晶片訂單,換句話說,Samsung 雖然輸了面子,但整個市場佈局已經向泛 Samsung 平台傾斜,16/14nm 製程戰爭中,Samsung 的市場份額恐怕短期內還是要比 TSMC 大。

面對未來的 10nm 製程競賽, TSMC 早在 2014 年發動夜鷹計畫,用三班輪流、24 小時燃燒新鮮肝臟來換製程的優勢,而 TSMC 預計在 10nm 製程會導入三重顯影,雖然可降低機台部分的投資,但由於工序更複雜,在整體製造成本方面將會比雙重顯影更高,雖然透過 EUV(Extreme Ultra Violet)機台,只需顯影一次,工序可大幅精簡,不過目前 EUV  顯影技術還不成熟,除了曝光速度太慢,其他需要配合升級的地方太多,TSMC 期望藉由已經成熟的顯影技術,加上龐大的新鮮肝臟庫存,滿足客戶量產時程需求,而 EUV 要真正導入,恐怕要到 7nm 世代才有可能。

根據 TSMC 的預估時程, 10nm 在 2016 年底將可正式投產,以 TSMC 的套路來看,以人工解決技術難題,並最大化既有機台資源的利用的務實作風,同時確保獲利基礎是最合理的作法。然而 Samsung 的 10 nm 將採用與 TSMC 不同的實做方式,並將會提早 TSMC 至少一季量產,在優先滿足客戶時程,良率其次的邏輯下,加上成熟、強勢的 ePoP 封裝技術加持,TSMC 雖然屆時也會推 InFO (Integrated Fan Out) 封裝技術來抗衡,但預期還是會是場辛苦的硬仗。

當然,除了製程技術的發展以外,TSMC 最需要注意的就是人才的外流問題,面對 Samsung 和中國對製程技術與相關人才的虎視眈眈,擁有技術優勢的 TSMC 自然成為最大也最有價值的人肉供應來源,如果不能守住關鍵人才,那麼未來製程優勢恐怕還會進一步流失。

 

【非經允許、不得轉載。POT.HK 獲授權刊載;作者:K.L.;原文標題:Foundry 製程戰爭系列 - 務實面對挑戰的 TSMC;好文章需要你的支持,請讚好 粉絲專頁

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