三星突破4nm制程良率瓶頸，臺積電該有危機感了

近日，三星晶圓代工業務陸續傳來好消息，首先，AMD正在認真考慮使用三星4nm制程產線量產新一代CPU，這表明三星4nm工藝的技術和良率水平達到了一個新的高度，完全可以與臺積電4nm制程匹敵了。之前這些年，AMD最新CPU產品從來沒有走出過臺積電的制程產線，三星4nm制程的提升，進一步縮小了與臺積電的差距，也給后者增添了壓力。

不止AMD，本來都屬于臺積電的高性能計算（HPC）芯片和車用芯片大單，近期也在改變動向，三星不斷接到AI芯片代工訂單，包括用于AI服務器和數據中心的GPU和CPU。

此外，Google、微軟和亞馬遜等互聯網巨頭都在開發自家的AI處理器。無論是AMD這樣的芯片大廠，還是互聯網巨頭，越來越希望減少對單一晶圓代工先進制程的依賴，隨著三星晶圓代工技術和良率的不斷成熟，給這些芯片大客戶提供了更多選擇。

01 突破4nm制程良率瓶頸

三星已將4nm制程良率提升到了70%左右，并重點在汽車芯片方面尋求突破。特斯拉已經將其新一代FSD芯片交由三星生產，該芯片將用于特斯拉計劃于3年后量產的Hardware 5（HW 5.0）計算機。

前些年，三星是特斯拉較早版本FSD芯片的代工合作伙伴，用于Model 3、Model S、Model X和Model Y等電動車，但在2022年，特斯拉轉向了臺積電，主要原因就是三星4nm制程的良率問題，此次，特斯拉訂單回流的關鍵，就是三星4nm良率取得大幅度進步。從目前的情況來看，特斯拉計劃同時采用臺積電和三星的先進制程產線，用于量產其第五代汽車芯片。

除了良率大幅提升，三星的價格優勢也很誘人。今年5月，三星董事長李在镕和特斯拉CEO馬斯克會面，據悉，李在镕給出了非常優惠的價格。

除了特斯拉，今年2月，三星和Ambarella達成協議，代工生產后者用于處理Level 2-Level 4自動駕駛的CV3-AD685芯片；4月，三星還贏得了Mobileye的ADAS芯片訂單，之前，Mobileye的相關芯片訂單都是交給臺積電的。

在汽車芯片站住腳后，三星先進制程將向HPC處理器進發，目標就是AMD和英偉達等大客戶。

三星的4nm制程主要分為五代，逐年迭代，它們是SF4E、SF4、SF4P、SF4X和SF4A。2024年，該公司將推出其第四代4nm制程工藝SF4X，對標的是臺積電的N4P制程。據悉，SF4X是專為數據中心CPU和GPU等高性能處理器量身定制的，這也是三星晶圓代工近年來第一個專門為高性能計算應用設計的工藝節點。

02 3nm之爭

臺積電的3nm在2022年第四季度量產，但那時沒有多少產量，直到2023年第三季度，蘋果新機大規模采用3nm制程處理器后，才開始放量，不過，從目前的情況來看，臺積電2023年版本的3nm制程還沒有達到其規劃的N3E版本水平，要到2024下半年才能進一步提升良率和成本效益。據臺積電介紹，與5nm相比，N3E在相同功耗下速度提升18%，在相同速度下功耗降低32%，邏輯密度提升約60%、芯片密度提升30%。

三星的首個版本3nm（SF3E）制程工藝量產時間是領先臺積電的，并且引入了全環繞柵極（GAA）技術，臺積電3nm則仍在使用FinFET工藝。不過，三星的3nm制程訂單較少，主要用于生產一些挖礦ASIC。

對于三星來說，3nm制程是其趕上臺積電的機會，據報道，三星LSI部門正在開發 Exynos 2500，這是該公司首款采用3nm工藝的手機處理器，預計在2024下半年量產。如果三星自己設計的3nm制程Exynos處理器表現良好，可能會有更多客戶將訂單轉向三星。

良率方面，目前來看，臺積電的良率約為70%，三星的也提升到了60%左右。

2024年，臺積電將推出升級版本的3nm工藝，也就是N3E，到那時，臺積電代工的性價比也將提升，三星的3nm必須進一步優化成本效益，才能與臺積電競爭。

2024下半年，三星也將推出新版本的3nm（SF3）制程，據悉，與SF4相比，在相同功率下，SF3的性能會提高22%，在相同頻率和晶體管數量下，功耗可降低34%，邏輯面積減少 21%。

2025年，三星計劃推出新版本的3nm制程SF3P，目標是爭奪數據中心、云計算CPU和 GPU訂單。

03 三星欲在2nm翻盤

2025年，三星將推出2nm（SF2）制程，據悉，該工藝將采用背面供電技術，這樣可以進一步提升性能，因為供電電路被移到芯片背面，給正面留出了集成更多晶體管的空間。

在2nm制程之后，三星將增加晶體管的納米片數量，這樣可以增強驅動電流，提高性能，因為更多的納米片允許更多的電流流過晶體管，從而增強其開關能力和運行速度。更多的納米片還可以更好地控制電流，有助于減少漏電流，從而降低功耗。改進的電流控制也意味著晶體管產生的熱量更少，從而提高了電源效率。

臺積電計劃于2025年推出其2nm制程，也將采用納米片工藝，到那時，三星已經在GAA晶體管方面擁有豐富的經驗，這對晶圓代工很有利。因此，三星對2nm制程寄予厚望，希望在那時完全趕上臺積電，無論是工藝技術，還是良率，可以與后者分庭抗禮。

總體來看，三星晶圓代工的SF5，SF4制程良率都達到了70%左右，基于此，2024年，有幾家大客戶將回歸。到2025年，SF2制程很可能從臺積電那里爭奪更多訂單。

04 臺積電的挑戰

目前，臺積電穩坐在全球晶圓代工龍頭寶座上，但該公司一點也不敢松懈，在競爭對手不斷加快追趕腳步的情況下，臺積電每年在新技術、工藝的研發，以及先進產線建設方面都投入了大量資金，然而，摩爾定律的逐漸“失效”使該公司的投資回報率不如前些年那么高了。

從2023年第三季度的財報數據來看，臺積電3nm、5nm產線營收上漲非常明顯，特別是3nm，與2022年同期相比，今年對該公司整體營收提供了6%的貢獻，而去年幾乎為零?？傮w來看，臺積電先進制程（5nm、4nm、3nm）填補了其它制程節點營收下滑所形成的空缺。

通過分析各個制程節點的營收數據?？梢钥闯?，臺積電的每一個新制程工藝在出現3年后，其營收增長就停滯了，增量營收主要靠更先進的工藝來支撐。所以，該公司的營收增長幾乎完全依賴于最先進制程工藝的迭代。而從10nm開始，臺積電新制程工藝營收的迭代速度明顯放慢了。

從7nm開始，先進制程工藝的研發難度大幅提升，主要體現在成本方面，5nm的研發成本達到90多億美元，3nm的高成本已經嚇退了臺積電的傳統大客戶，要等到明年的新版本N3E將成本降下來后才能下單。未來，2nm、1nm等新工藝發展的難度更大，投入更高。

制程工藝迭代的速度明顯放慢，未來發展的難度越來越大，這就給競爭對手提供了追趕的空間和時間。

據TrendForce統計，三星晶圓代工市場份額從2023年第一季度的9.9%上升至第二季度的11.7%，營收從27.57億美元增加到32.34億美元。臺積電依然是該領域的霸主，但其市場份額下降至56.4%。

此外，臺積電的財務也存在著一些問題。

知名半導體分析師陸行之表示：“在看到代工客戶庫存降低，產能利用率逐步回升，3nm手機和4nm制程AI芯片代工復蘇之后，我反而開始被很多臺積電退休高管詢問，臺積電到底怎么了？”

陸行之說，很多人問，投資美國廠有經過董事會的事先討論嗎，還是董事會已經成為橡皮圖章？這幾年，臺積電的債務為何一路攀升？

陸行之指出，近年來，因為大規模的資本支出而開始大量發行公司債，同時，臺積電大量買入其它公司發行的債券。為何在張忠謀2018年退休之后，凈現金（Net cash to equity ratio =17%）和現金流沒出現問題的情況下，整體負債比例從2018年的11%增加到了2023年6月的30%？

面對如此龐大又多樣的公司債券及政府公債市場，臺積電如何管理并應對可能的爆雷風險？從財務管理的角度來看，臺積電是否已決定偏離當年張忠謀一直強調并嚴格執行的“財務保守”原則？

05 強敵加入戰團

自2021年以來，英特爾積極投入晶圓代工業務（IFS），特別是在先進制程方面，明顯加快了迭代的節奏。與臺積電形成了既競爭又合作的關系。

為了提升競爭力，英特爾要在四年內快速迭代出五個先進制程節點，目前，Intel 7制程已經量產，接下來，Intel 4將登場，后續規劃將進展到Intel 3、Intel 20A與Intel 18A。

產能方面，英特爾已經陸續擴建位于美國亞利桑那州與俄勒岡州的晶圓廠，該公司還在墨西哥、愛爾蘭、以色列等地設有晶圓廠，并在中國大陸和馬來西亞設有封測工廠。

2022年，英特爾宣布，規劃投資歐盟半導體研發及制造項目，相關投資范圍橫跨德國、愛爾蘭、意大利、法國、波蘭等地。

晶圓代工客戶方面，英特爾表示，高通將采用其Intel 20A制程來生產芯片，聯發科也將利用IFS的成熟制程來制造芯片。另外，AWS將是第一個采用英特爾IFS封裝解決方案的客戶。

當然，英特爾在晶圓代工發展道路上仍處于起步階段，短時間內還難以對臺積電和三星構成威脅。但新競爭者的加入，而且還是這樣一家強敵，會分食更多原本屬于臺積電的蛋糕，這顯然是后者不愿意看到的。

06 結語 從目前全球晶圓代工市場的格局來看，誰掌控了先進制程（7nm及以下）技術和客戶，誰就能在整體市場中占有很高的份額，典型代表就是臺積電和三星，因為全球95%以上的7nm及更先進制程晶圓代工訂單都被這兩家瓜分了，而它們的綜合市場占有率分別達到了56%和18%左右。

要追趕臺積電，三星的關鍵點也是先進制程，而在7nm、5nm和3nm這幾波競爭中，三星都明顯落后。但隨著技術迭代越來越難，臺積電最先進制程工藝前進的腳步在放緩，同時，三星雖然落后，但其迭代的速度是在提升的。此消彼長，在可預見的2nm制程量產階段，三星有望抗衡臺積電。

對于臺積電來說，技術和商業拓展，以及美國政府帶來的額外負擔越來越重。未來幾年，臺積電在全球晶圓代工市場的份額很有可能會緩慢下滑。也希望三星和英特爾的市占率能夠逐步提升，畢竟，長時間的一家獨大，無論是對整個市場，還是對諸多IC設計公司來說，都缺少了更多、更好的選擇空間。

審核編輯：黃飛