【編者按】2022年，半導體行業(yè)依然在挑戰(zhàn)中前行。后疫情時代、行業(yè)下行、地緣政治等因素仍深刻地影響著全球半導體產(chǎn)業(yè)鏈及生態(tài)。2023年全球半導體行業(yè)如何發(fā)展？新的挑戰(zhàn)又會從何而來？為了厘清這些問題，集微網(wǎng)特推出【2022-2023專題】，圍繞熱門技術和產(chǎn)業(yè)，就產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展態(tài)勢、熱點話題及未來展望做一詳實的總結及梳理，旨為在行業(yè)中奮進的上下游企業(yè)提供可以參考的鏡鑒。

集微網(wǎng)報道，在全球半導體巨頭激烈競逐下，近年來芯片先進制程已經(jīng)一路狂奔至5nm、4nm，乃至2022年開始進入3nm時代。由于先進工藝越發(fā)走向“曲高和寡”，如今僅剩財大氣粗的臺積電、三星和英特爾三足鼎立。此前，由于英特爾遭遇較長期阻滯掉隊，臺積電和三星逐漸在先進工藝上力拔頭籌，并在當前圍繞3nm開展了“雙雄奪珠”。而不甘落后的英特爾如今也已迅速加足馬力，再次入局先進制程廝殺。與此同時，隨著全球地緣環(huán)境云譎波詭和新興產(chǎn)業(yè)日新月異，歐洲和日本政企也開始在2nm等先進制程上加碼投入“攪局”。

從先進工藝制程演進趨勢來看，2nm在技術革新上極為關鍵。根據(jù)國際器件和系統(tǒng)路線圖（IRDS）的規(guī)劃，在2021—2022年以后，環(huán)繞式閘極（GAA）結構將逐步取代鰭式場效應晶體管（FinFET）。該架構通過更大的閘極接觸面積提升對電晶體導電通道的控制能力，以及降低操作電壓、減少漏電流，從而有效降低芯片運算功耗與操作溫度。鑒于此，全球重要半導體國家及企業(yè)正積極謀劃布局，試圖在2nm關鍵節(jié)點占領高地或?qū)崿F(xiàn)“彎道超車”?？梢灶A見，隨著各產(chǎn)業(yè)要素和力量不斷涌入，全球先進制程將掀起一場新的割據(jù)戰(zhàn)風暴。

臺積電：一馬當先，美國3nm晶圓廠引發(fā)輿論震動

作為全球晶圓代工翹楚，臺積電向來在資本支出方面堪稱大手筆。2022年1月13日，臺積電在法說會上表示，其2022年資本支出將達400億至440億美元，比去年增加約100億美元，其中70%至80%的資本預算將用于先進工藝技術研發(fā)，包括2nm、3nm、5nm和7nm。不過，受消費需求疲軟以及上游供應鏈等影響，在10月13日舉行的三季度財報會上，臺積電下調(diào)2022年資本支出至360億美元。而即便如此，其在先進制程上的大步流星仍然帶來了顯著收益。

財報數(shù)據(jù)顯示，2022年第三季度，臺積電實現(xiàn)銷售收入6131.4億元臺幣，同比增長47.9%，環(huán)比增長14.8%；同期實現(xiàn)凈利潤2809億元臺幣，凈利潤率為45.8%。在制程分類收入方面，三季度臺積電5nm制程晶圓出貨量占據(jù)公司營收的28%，7nm制程晶圓出貨量占據(jù)公司營收的26%，而在2022年第二季度，5nm和7nm制程營收占比分別約21%和30%。不難看出，基于資金和人力等資源的大力投入，臺積電7nm以下先進制程營收占比持續(xù)擴大。

臺積電先進制程演變路徑

在更先進的制程方面，由于4nm產(chǎn)品陷“造假風波”以及被用戶吐槽發(fā)熱量和功耗高等問題，臺積電官方并沒有過多規(guī)劃表態(tài)。不過，其稱3nm芯片擬于2022年第四季度晚些時候量產(chǎn)，客戶對3nm制程的芯片需求超出供應量。另據(jù)臺媒報道，臺積電3nm投片將在2023年上半年開始產(chǎn)生收入，首位采用3nm投片的客戶為蘋果，產(chǎn)品最快于2023年下半年推出。而AMD、英偉達、高通、聯(lián)發(fā)科和博通等更多客戶的3nm訂單將在2024年持續(xù)放量。值得注意，由于臺積電規(guī)劃在美國亞利桑那州工廠導入3nm工藝，業(yè)界輿論一度震動，中國臺灣媒體甚至稱臺積電正在“去臺化”。

盡管半導體產(chǎn)業(yè)“去臺化”的傳言甚囂塵上，但臺積電將1nm落地中國臺灣的消息有力回擊了相關輿論。12月5日，臺灣地區(qū)竹科管理局表示，臺積電1nm廠將落腳桃園市的龍?zhí)犊茖W園區(qū)三期，且擴建規(guī)劃的先導計劃已于11月中旬上報，進度正常。這將有助于穩(wěn)定中國臺灣方面的輿情和“信心”。另外，在2nm這一硅芯片關鍵戰(zhàn)役上，臺積電再也積極布局。6月17日，臺積電在其舉行的技術論壇上披露，到2024年公司將擁有ASML最先進的高數(shù)值孔徑極紫外光刻機，用于生產(chǎn)納米片晶體管（GAAFET）架構的2nm芯片，預計在2025年量產(chǎn)。

三星：壯志難酬，“登頂”野心還需克服更多挑戰(zhàn)

在全球5nm以下制程領域中，如今主要僅剩下三星和臺積電在開展激烈競爭的拉鋸戰(zhàn)，并且持續(xù)推動摩爾定律向前延伸。由于資本支出是先進制程拉鋸戰(zhàn)的底氣，三星自然也不甘落后、重金砸入。2022年5月，三星電子宣布未來5年重大投資計劃時表示，在2026年前將資本支出增加30%以上，達450萬億韓元（約合2.4萬億人民幣）。雖然三星電子沒有透露各業(yè)務的支持占比，但有分析師初步預測，其在半導體領域?qū)⒅С龀|美元。

為了在先進工藝上超越臺積電，野心勃勃的三星還執(zhí)行了“雙輪驅(qū)動”戰(zhàn)略，即一方面在FinFET架構上不斷追趕臺積電5nm、4nm技術，一方面大膽革新及調(diào)整工藝架構路線路，在3nm、2nm工藝架構上均采用全新的GAA技術。但目前來看，三星顯然壯志難酬。首先，繼三星代工的5nm芯片驍龍888被業(yè)界稱之為“火龍”后，高通再次相信三星推出其代工的4nm芯片驍龍8Gen1，但在發(fā)熱量和功耗上再次翻車。據(jù)悉，三星4nm良率僅為35%，而臺積電4nm制程工藝芯片的良率可達到70%。而這也導致三星晶圓代工的主要客戶出現(xiàn)流失。

三星展示量產(chǎn)3nm芯片

另一方面，2022年6月30日，三星兌現(xiàn)此前的公開承諾，宣布采用GAA工藝的3nm芯片量產(chǎn)。這意味著三星成為全球第一個量產(chǎn)3nm芯片的廠商，以及半導體制造業(yè)進入新的時代。不過，由于是趕在上半年最后一天量產(chǎn)，這不免被行業(yè)人士質(zhì)疑為“趕鴨子上架”。此外，市場還傳出三星3nm制程良率不超過20%，為此三星已與美國公司Silicon Frontline Technology擴大合作以提高良率。同時，三星如今正致力于2024年推出改良的第二代3nmGAP（GAA-Plus）工藝，據(jù)稱將為英偉達、高通、IBM和百度等客戶制造芯片。

在投入方面，10月3日，三星在美國硅谷舉行的“三星晶圓代工論壇&SAFE論壇”上還承諾，到2027年將先進節(jié)點的產(chǎn)能擴大“三倍以上”，并計劃在2025年推出2nm工藝，到2027年推出1.4 nm工藝。據(jù)悉，三星的2nm等先進技術將會持續(xù)采用其具有先發(fā)優(yōu)勢的GAA工藝，并有望成為先進制程博弈最后“贏家”。例如針對3nm和2nm以下的先進制程下單計劃，高通表示將持續(xù)與三星代工廠保持合作關系，并隨著技術成熟與多家晶圓代工廠保持合作。

英特爾：煥然蛻變，以“全壘打”戰(zhàn)略向宏圖進擊

在先進制程曾被臺積電和三星甩開差距后，英特爾近年來突然危機感爆棚，希望通過一系列“全壘打”戰(zhàn)略舉措，重新奪回半導體先進工藝制造領域的地位，乃至在2030超越三星成為世界第二大晶圓代工企業(yè)。對此，除了進行IDM 2.0重大戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型升級之外，英特爾還制定了到2025年的“一年一代”工藝迭代路線并加速落地執(zhí)行，即分別推進Intel 7（10nm）、Intel 4（7nm）、Intel 3（5nm）、Intel 20A（2nm）、Intel 18A（1.8nm）五個制程節(jié)點。

英特爾最新制程工藝路線圖

不難發(fā)現(xiàn)，在英特爾的先進工藝宏圖中，強化制造能力是關鍵一環(huán)。比如繼宣布在亞利桑那州投資約200億美元新建兩座晶圓廠后，2022年1月22日，英特爾再宣布將在俄亥俄州投資200億美元建設兩座晶圓廠，2025年建成時將使用全球最先進工藝制造芯片產(chǎn)品?？傮w上，其未來整體投資金額可能增至1000億美元，總計建設八座晶圓廠。另外，2022年2月，英特爾還宣布以54億美元收購高塔半導體（Tower），以彌補部分業(yè)務短板和完善代工生態(tài)。在全球范圍內(nèi)，其還對歐洲的愛爾蘭和德國晶圓廠進行大量投資，同時保留了Tower在日本的分公司。

至于先進工藝進展方面，在2022年9月28日舉行的英特爾On技術創(chuàng)新論壇上，英特爾CEO帕特·基辛格公布了Intel 18A制程的最新進展——PDK 0.3版本已被早期設計客戶采用，測試芯片正在設計中，將于年底流片。此前，英特爾原定在2025年量產(chǎn)1.8nm制程，但在2022年二季度財報會議上，基辛格透露這一時間被提前到2024年下半年，同期推出的還將包括Intel 20A，即2nm制程。另外，2022年12月，英特爾方面表示，公司7nm制程工藝已大規(guī)模量產(chǎn)，4nm制程工藝準備開始量產(chǎn)，并將于2023年下半年轉(zhuǎn)向3nm制程工藝。

值得注意，2022年9月，基辛格還宣稱，英特爾代工服務（IFS）將開創(chuàng)“系統(tǒng)級代工”的時代，不同于僅向客戶提供晶圓制造能力的傳統(tǒng)代工模式，其將提供涵蓋“晶圓、封裝、軟件和Chiplet”的全面方案。同時，英特爾還計劃在其芯片設計和制造之間建立更大的決策分離，旨在讓生產(chǎn)線像Fab業(yè)務一樣運作將內(nèi)外部訂單一視同仁。在2022年三季度財報中，英特爾透露其已經(jīng)簽訂了全球TOP10半導體設計廠商中的7家。而這些均是其有信心在先進工藝上叫板臺積電和三星，并喊出2030年成為全球第二大圓晶代工廠的底氣和理由所在。

歐洲與日本：取長補短，邁向先進工藝“大躍進”

隨著國際地緣及產(chǎn)業(yè)環(huán)境風云變化，歐盟也于2022年2月公布了《歐洲芯片法案》（A Chips Act for Europe），目標是到2030年歐盟在全球芯片生產(chǎn)的份額從目前的10%增加到20%。根據(jù)該法案，歐盟將投入超過450億歐元公共和私有資金，用于支持歐盟的芯片制造、試點項目和初創(chuàng)企業(yè)，以扶持本土芯片供應鏈，并降低對于亞洲及美國的依賴。其中，110億歐元將用于加強現(xiàn)有的研究、開發(fā)和創(chuàng)新，以確保部署先進的半導體工具以及用于原型設計、測試的試驗生產(chǎn)線等。到了11月下旬，歐盟國家正式同意實施該芯片法案計劃。

顯然，由于先進工藝在各產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮的作用愈發(fā)明顯，歐盟對發(fā)展先進制程已逐漸變得較為迫切。比如在《歐洲芯片法案》中，歐盟明確列出了其先進制程的發(fā)展規(guī)劃，包括將建設10nm及以下節(jié)點FD-SOI試驗線、2nm以下工藝節(jié)點FinFET/GAA試驗線、3D異構先進封裝試驗線等。不過，由于歐洲僅存的IDM企業(yè)只專注于其22nm等成熟優(yōu)勢產(chǎn)品，歐盟正致力于通過芯片法案吸引英特爾等全球最先進的晶圓制造能力。不過，當前的投資將僅使歐盟在2025至2026年之前獲得成熟制程上的產(chǎn)能，更先進以及2nm工藝將會在2030年前才能獲得成果。

日本先進工藝迭代路線圖

受供應短缺、貿(mào)易摩擦和經(jīng)濟不振等多重因素影響，日本近年來也有意強化本國先進工藝芯片的制造能力。然而，日本國內(nèi)的邏輯半導體工廠停留在40nm左右水平，與當前國際領先水平相差10年左右。而為了填補這一技術鴻溝，日本甚至不惜與曾經(jīng)的半導體宿敵——美國“化干戈為玉帛”。2022年5月，“美日芯片同盟”宣告成立，旨在攻克先進制造工藝2nm研發(fā)和量產(chǎn)等。日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省計劃年內(nèi)啟動“技術研究組合最尖端半導體技術中心（LSTC）”，將其作為重要研發(fā)基地，并大力拉攏海外研究機構和IBM等公司加入其“重振”半導體大計。

在2nm先進工藝項目籌劃近一年后，2022年11月，豐田汽車、索尼、日本電信電話、日本電氣、日本電裝、軟銀、鎧俠和三菱日聯(lián)銀行8家日企，各出資10億日元成立了名為Rapidus的新公司，目標是在2025年至2030年間開始生產(chǎn)“超越2nm”的高端芯片，并在2027年實現(xiàn)量產(chǎn)。然而，日本政府提供的700億日元（約合35.6億元人民幣）加上8家日企業(yè)總計區(qū)區(qū)73億日元的投資，也導致Rapidus公司被質(zhì)疑“根本不足以”在全球市場上具有競爭力。因此，未來日本能在多大程度上推進先進工藝的官民合作，將成為其先進工藝半導體戰(zhàn)略成敗的關鍵之一。（校對/武守哲）