隨著半導體制程向著更先進、更精細化方向發展,不同節點范圍和玩家的邊界越來越明顯。其中,最先進制程玩家只剩下臺積電、三星和英特爾這3家,而在10年前,至少有7家在專注于當時最先進制程的投資和研發。而在成熟制程方面,也是在近些年才被業界特別提及的,早些年,特別是在14nm量產之前,先進制程與成熟制程之間的差別并沒有今天這么大,相應的玩家也不像今天這么“割裂”,特別是在邏輯芯片生產領域,當下,專注于成熟制程的廠商特點愈加突出。


上周,IC Insights發布了《2020-2024年全球晶圓產能》報告,該報告指出,半導體界對于不斷縮小晶體管幾何尺寸有著強烈的動機,因為這樣做有很多好處,如更高的速度、更低的功耗、更低的單位面積成本等。但是,有時也會出現收益遞減的問題,這就使得很多芯片設計人員和企業越來越懷疑高投入是否值得,特別是10nm以下制程技術相關的設備成本已經飆升至許多晶圓廠無法承受的地步。而且,微縮帶來的成本優勢也已經不再像以前那樣明顯了。

另外,設計難題(例如,繼續縮小DRAM和NAND閃存單元的體積)阻礙了IC行業使用多年的微縮方法,而更復雜的邏輯芯片(如微處理器,ASIC,FPGA等)也在這方面面臨更多挑戰。

總之,IC Insights認為,隨著芯片特征尺寸微縮速度持續放緩,芯片設計人員也發現越來越難以證明較高的成本能得到合理的回報。因此,先進與成熟制程之間的利弊愈加明確,不同公司所采用的制程也愈加有針對性。這就使得各種制程都有展現各自優勢的空間。

在這樣的發展趨勢下,按照IC Insights的統計和預測,各種半導體制程的市占率正向著相對更加均衡的方向發展,如下圖所示。


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如圖所示,在2019年,10nm以下先進制程的市占率僅為4.4%,而到2024年,其比例將增長到30%。在該時間段內,10nm -20nm制程的市占率將從38.8%,下降到26.2%;20nm-40nm制程的市占率將從13.4%,下降到6.7%;不過,從該統計和預測來看,40nm以上成熟制程的比例在這些年當中沒有出現明顯變化。

總體來看,到2024年,10nm以下,10nm -20nm,以及40nm以上制程各占市場約三分之一,到時將呈現出三分天下的格局。

最先進制程強勢增長


10nm以下的先進制程呈現出快速增長的態勢,如圖所示,2020年市占率為10%,2022年的預測值就超過了20%,并在2024年增加至全球產能的30%。市場主要驅動力是7nm,以及今年剛量產的5nm,還有將于2022年量產的3nm(臺積電和三星都宣布在2022年實現量產)。

5nm方面,臺積電先于三星量產,并拿下了蘋果和華為海思這兩大客戶,本來今年的產能是比較吃緊的,但TrendForce集邦咨詢認為,由于受到華為禁令影響,2020年初才量產的5nm制程僅剩蘋果一家客戶,即便蘋果積極導入自研Mac CPU,其總投片量仍難以完全彌補海思空缺的產能,導致5nm產能利用率在今年下半年落在85%~90%之間。不過,到2021年,除了蘋果持續以5nm+生產A15 Bionic外,AMD 5nm Zen 4架構產品也將開始小量試產,到時候,臺積電5nm產能利用率有望維持在85~90%。

另外,TrendForce表示,2021年底至2022年,聯發科、英偉達和高通都有5nm/4nm產品量產計劃,加上AMD Zen4架構的放量,以及英特爾CPU委外生產預估將于2022年采用5nm制程,龐大的需求量促使臺積電著手進行5nm擴產。另外,蘋果在2022年持續采用4nm生產A16處理器的可能性相當高,屆時不排除臺積電將進一步把5nm產能再擴大。

三星方面,英偉達Hopper架構Geforce平臺GPU將持續委由三星代工,加上高通驍龍885及三星Exynos旗艦系列,可支撐三星5nm在2021年進一步擴產。雖然與臺積電相比,三星處于下風,但由于具備5nm量產能力的只有這兩家廠商,所以三星依然會對今后幾年先進制程市場發展做出很大貢獻。

7nm制程方面,臺積電已經量產兩年多時間了,牢牢掌控著這部分市場。雖然5nm產能非常吸睛,但目前來看,臺積電營收主力仍為7nm制程。不久前,該公司宣布截止到7月,其7nm良品芯片(good die)累計出貨量已超過10億顆。同時,臺積電優化7nm制程后推出的6nm已經開始進入生產階段,并采用EUV技術取代部份浸潤式光刻掩模。蘋果、華為海思、高通、聯發科、AMD、賽靈思、英偉達、博通等均是臺積電7nm客戶,且客戶還在擴展,如英特爾和特斯拉,都是臺積電潛在的7nm制程客戶。

目前,大部分客戶已經大幅追加第四季7nm訂單,使得臺積電7nm產能滿載。

在過去兩年里,因客戶需求非常強烈,其產能得到快速提升,預估2020年7nm產能將是2018年的3.5倍。從近期臺積電的財報來看,7nm制程是其近兩個季度的主要營收來源,分別貢獻了營收的35%和36%。據產業鏈消息人士透露,臺積電計劃將7nm制程工藝的月產能提升到13萬片晶圓,并努力在年底提升至14萬片。

10nm -20nm占比被壓縮


10nm -20nm制程市場占比本來是最大的,如圖所示,2019年接近40%,但隨著10nm以下先進制程的崛起,10nm -20nm的市占率正在逐漸被蠶食。

該范圍內的主力制程是16nm(主要由臺積電提供),14nm(主要由三星、英特爾和格芯提供),12nm(主要由臺積電和格芯提供),以及10nm(主要由臺積電、三星提供)。芯片種類主要是邏輯芯片和高性能的存儲芯片。

邏輯芯片主要以手機處理器,以及英特爾的CPU為代表,該部分市場較為成熟。

而采用10nm -20nm制程生產存儲芯片的,主要是行業三強:三星、SK海力士和美光,這部分市場正處于成長期。在低于20nm的工藝中,韓國擁有66%的產能,與其他地區或國家相比,韓國的領先優勢仍然明顯得多,這主要是得益于三星、SK海力士對高密度DRAM和3D NAND閃存的重視。

美光是除韓國存儲雙雄之外另一支強勁力量,該公司在10nm -20nm制程DRAM方面一直在積極投入。在今年5月舉行的線上存儲半導體國際學會--國際存儲半導體研討會(IMW 2020)上,美光公布了先進DRAM量產的相關路線圖,相關數據顯示,美光是以2019年1Z、2020年1α、2021年1β、2022年1γ、2023年1δ的形式(1Z、1α、1β和1γ等是10nm -20nm制程,具體數字根據不同公司的制程特點而略有不同),即“一年一代”的步驟量產先進DRAM。一直以來,美光和三星一樣以“兩年一代”的形式量產先進DRAM。然而,2019年以后,美光將方針改為了“一年一代”。這也從一個側面反應出,雖然市占率被10nm以下先進制程壓縮,但10nm -20nm制程依然具有強大的生命力和發展前景。

小眾的20nm-40nm市場


從圖中可以看出,20nm-40nm制程的市占率一直都比較低,且隨著時間的推移,將從13.4%,下降到6.7%,在幾大板塊中,降幅是最大的。

在20nm-40nm這一區間內,主要有20nm,22nm,28nm和32 nm,而從性價比角度看,28nm無疑是最優的,其它幾種制程節點的應用都比較有限。前些年,28nm的市占率還是比較高的,但隨著先進制程的不斷更新,邏輯芯片制程大都采用20nm以下制程了,而存儲三巨頭也都在向10nm+領域拓展。與此同時,大量的模擬和功率芯片本就不需要先進制程,從圖中也可以看出,40nm以上成熟制程的市占率一直都比較穩定。這些使得原本處在性價比最高的過渡制程節點區間內的28nm,競爭力逐漸減弱,市場份額也會不斷縮減。

穩定的成熟制程


40nm以上的成熟制程,無論是180nm以下,還是180nm以上的,市占率都很穩定。這也正是諸多晶圓代工廠長期專注于成熟工藝,而不向先進制程投入過多資本和精力的底氣所在,同時,也是格芯和聯電放棄最先進制程的主要原因。無論先進制程如何發展,未來,成熟制程工藝的市場依然會很廣闊,依然具有很好的投資價值。

結語


綜上,四大制程工藝板塊的市占率及其變化情況,從側面說明了:為什么近幾年,在業內不斷興建12英寸晶圓廠的同時,8英寸產能總是供不應求,且一直沒有很好的解決辦法。大部分資本都投入到了20nm以下的先進制程(以12英寸晶圓為主),而40nm以上成熟工藝(以8英寸晶圓為主)在很大程度上被忽略,而這部分的市場需求和市占率一直都很高。要解決如此龐大市場的供需問題,恐怕短時間內還是難以找出立竿見影的解決方案,因為相關晶圓廠,設備等投資巨大,且需要較長的時間周期培育。今后幾年,成熟工藝芯片供不應求的局面大概率還會持續下去。

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