【編者按】2022年，半導(dǎo)體行業(yè)依然在挑戰(zhàn)中前行。后疫情時(shí)代、行業(yè)下行、地緣政治等因素仍深刻地影響著全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈及生態(tài)。2023年全球半導(dǎo)體行業(yè)如何發(fā)展？新的挑戰(zhàn)又會(huì)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(shù)和產(chǎn)業(yè)，就產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展態(tài)勢、熱點(diǎn)話題及未來展望做一詳實(shí)的總結(jié)及梳理，旨為在行業(yè)中奮進(jìn)的上下游企業(yè)提供可以參考的鏡鑒。

集微網(wǎng)報(bào)道，在全球半導(dǎo)體巨頭激烈競逐下，近年來芯片先進(jìn)制程已經(jīng)一路狂奔至5nm、4nm，乃至2022年開始進(jìn)入3nm時(shí)代。由于先進(jìn)工藝越發(fā)走向“曲高和寡”，如今僅剩財(cái)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(duì)，臺積電和三星逐漸在先進(jìn)工藝上力拔頭籌，并在當(dāng)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(jìn)制程廝殺。與此同時(shí)，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(jìn)制程上加碼投入“攪局”。

從先進(jìn)工藝制程演進(jìn)趨勢來看，2nm在技術(shù)革新上極為關(guān)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(jié)構(gòu)將逐步取代鰭式場效應(yīng)晶體管（FinFET）。該架構(gòu)通過更大的閘極接觸面積提升對電晶體導(dǎo)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(yùn)算功耗與操作溫度。鑒于此，全球重要半導(dǎo)體國家及企業(yè)正積極謀劃布局，試圖在2nm關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)占領(lǐng)高地或?qū)崿F(xiàn)“彎道超車”。可以預(yù)見，隨著各產(chǎn)業(yè)要素和力量不斷涌入，全球先進(jìn)制程將掀起一場新的割據(jù)戰(zhàn)風(fēng)暴。

臺積電：一馬當(dāng)先，美國3nm晶圓廠引發(fā)輿論震動(dòng)

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(huì)上表示，其2022年資本支出將達(dá)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(yù)算將用于先進(jìn)工藝技術(shù)研發(fā)，包括2nm、3nm、5nm和7nm。不過，受消費(fèi)需求疲軟以及上游供應(yīng)鏈等影響，在10月13日舉行的三季度財(cái)報(bào)會(huì)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(jìn)制程上的大步流星仍然帶來了顯著收益。

財(cái)報(bào)數(shù)據(jù)顯示，2022年第三季度，臺積電實(shí)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(shí)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(jìn)制程營收占比持續(xù)擴(kuò)大。

臺積電先進(jìn)制程演變路徑

在更先進(jìn)的制程方面，由于4nm產(chǎn)品陷“造假風(fēng)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(shí)候量產(chǎn)，客戶對3nm制程的芯片需求超出供應(yīng)量。另據(jù)臺媒報(bào)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(dá)、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(dǎo)入3nm工藝，業(yè)界輿論一度震動(dòng)，中國臺灣媒體甚至稱臺積電正在“去臺化”。

盡管半導(dǎo)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?fù)袅讼嚓P(guān)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(xué)園區(qū)三期，且擴(kuò)建規(guī)劃的先導(dǎo)計(jì)劃已于11月中旬上報(bào)，進(jìn)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(guān)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(shù)論壇上披露，到2024年公司將擁有ASML最先進(jìn)的高數(shù)值孔徑極紫外光刻機(jī)，用于生產(chǎn)納米片晶體管（GAAFET）架構(gòu)的2nm芯片，預(yù)計(jì)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(lǐng)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(dòng)摩爾定律向前延伸。由于資本支出是先進(jìn)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(jì)劃時(shí)表示，在2026年前將資本支出增加30%以上，達(dá)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(wù)的支持占比，但有分析師初步預(yù)測，其在半導(dǎo)體領(lǐng)域?qū)⒅С龀|美元。

為了在先進(jìn)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(dòng)”戰(zhàn)略，即一方面在FinFET架構(gòu)上不斷追趕臺積電5nm、4nm技術(shù)，一方面大膽革新及調(diào)整工藝架構(gòu)路線路，在3nm、2nm工藝架構(gòu)上均采用全新的GAA技術(shù)。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(dá)到70%。而這也導(dǎo)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(gè)量產(chǎn)3nm芯片的廠商，以及半導(dǎo)體制造業(yè)進(jìn)入新的時(shí)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(kuò)大合作以提高良率。同時(shí)，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(dá)、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(jìn)節(jié)點(diǎn)的產(chǎn)能擴(kuò)大“三倍以上”，并計(jì)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(jìn)技術(shù)將會(huì)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(jìn)制程博弈最后“贏家”。例如針對3nm和2nm以下的先進(jìn)制程下單計(jì)劃，高通表示將持續(xù)與三星代工廠保持合作關(guān)系，并隨著技術(shù)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(jìn)擊

在先進(jìn)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(jī)感爆棚，希望通過一系列“全壘打”戰(zhàn)略舉措，重新奪回半導(dǎo)體先進(jìn)工藝制造領(lǐng)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(jìn)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(jìn)Intel 7（10nm）、Intel 4（7nm）、Intel 3（5nm）、Intel 20A（2nm）、Intel 18A（1.8nm）五個(gè)制程節(jié)點(diǎn)。

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(jìn)工藝宏圖中，強(qiáng)化制造能力是關(guān)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(shè)兩座晶圓廠，2025年建成時(shí)將使用全球最先進(jìn)工藝制造芯片產(chǎn)品。總體上，其未來整體投資金額可能增至1000億美元，總計(jì)建設(shè)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(dǎo)體（Tower），以彌補(bǔ)部分業(yè)務(wù)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(jìn)行大量投資，同時(shí)保留了Tower在日本的分公司。

至于先進(jìn)工藝進(jìn)展方面，在2022年9月28日舉行的英特爾On技術(shù)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(jìn)展——PDK 0.3版本已被早期設(shè)計(jì)客戶采用，測試芯片正在設(shè)計(jì)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(cái)報(bào)會(huì)議上，基辛格透露這一時(shí)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(zhǔn)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(wù)（IFS）將開創(chuàng)“系統(tǒng)級代工”的時(shí)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(shí)，英特爾還計(jì)劃在其芯片設(shè)計(jì)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(wù)一樣運(yùn)作將內(nèi)外部訂單一視同仁。在2022年三季度財(cái)報(bào)中，英特爾透露其已經(jīng)簽訂了全球TOP10半導(dǎo)體設(shè)計(jì)廠商中的7家。而這些均是其有信心在先進(jìn)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(bǔ)短，邁向先進(jìn)工藝“大躍進(jìn)”

隨著國際地緣及產(chǎn)業(yè)環(huán)境風(fēng)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(biāo)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(diǎn)項(xiàng)目和初創(chuàng)企業(yè)，以扶持本土芯片供應(yīng)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(qiáng)現(xiàn)有的研究、開發(fā)和創(chuàng)新，以確保部署先進(jìn)的半導(dǎo)體工具以及用于原型設(shè)計(jì)、測試的試驗(yàn)生產(chǎn)線等。到了11月下旬，歐盟國家正式同意實(shí)施該芯片法案計(jì)劃。

顯然，由于先進(jìn)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(jìn)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(jìn)制程的發(fā)展規(guī)劃，包括將建設(shè)10nm及以下節(jié)點(diǎn)FD-SOI試驗(yàn)線、2nm以下工藝節(jié)點(diǎn)FinFET/GAA試驗(yàn)線、3D異構(gòu)先進(jìn)封裝試驗(yàn)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(jìn)的晶圓制造能力。不過，當(dāng)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(jìn)以及2nm工藝將會(huì)在2030年前才能獲得成果。

日本先進(jìn)工藝迭代路線圖

受供應(yīng)短缺、貿(mào)易摩擦和經(jīng)濟(jì)不振等多重因素影響，日本近年來也有意強(qiáng)化本國先進(jìn)工藝芯片的制造能力。然而，日本國內(nèi)的邏輯半導(dǎo)體工廠停留在40nm左右水平，與當(dāng)前國際領(lǐng)先水平相差10年左右。而為了填補(bǔ)這一技術(shù)鴻溝，日本甚至不惜與曾經(jīng)的半導(dǎo)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(jìn)制造工藝2nm研發(fā)和量產(chǎn)等。日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省計(jì)劃年內(nèi)啟動(dòng)“技術(shù)研究組合最尖端半導(dǎo)體技術(shù)中心（LSTC）”，將其作為重要研發(fā)基地，并大力拉攏海外研究機(jī)構(gòu)和IBM等公司加入其“重振”半導(dǎo)體大計(jì)。

在2nm先進(jìn)工藝項(xiàng)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(biāo)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(shí)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(jì)區(qū)區(qū)73億日元的投資，也導(dǎo)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(jìn)先進(jìn)工藝的官民合作，將成為其先進(jìn)工藝半導(dǎo)體戰(zhàn)略成敗的關(guān)鍵之一。（校對/武守哲）