台积电要抄三星的后路

作者：畅秋

在芯片制造领域，先进制程的影响力和统治力越来越大，已经从之前的逻辑芯片晶圆代工领域，拓展到最先进的存储芯片制造，这在台积电和三星身上有凸出的体现。

当下的3nm制程晶圆代工，台积电的市场统治力很明显，三星处于弱势地位。未来的2nm制程，三星必须加紧赶上，否则会越来越困难。

在高带宽内存（HBM）芯片制造方面，原本都由存储芯片IDM大厂自家完成，但是，到了下一代的HBM4，技术难度和制造难度提高了不少，需要更先进的制程工艺参与进来。

 01、2nm制程针锋相对

据报道，台积电将于7月中旬开始试生产2nm制程工艺芯片，早于市场预估的第四季度。台积电2nm工艺首次应用GAA（全环绕栅极晶体管）技术，可以在更小的制程节点上提供更好的性能。据台积电介绍，与3nm制程相比，2nm的能效提升10%~15%，功耗降低30%。

当试产良率达到一定标准时，便可以推进到量产阶段。台积电的2nm制程将包括N2、N2P和N2X三个版本，预计2025下半年开始量产其第一代GAAFET N2节点芯片，下一个版本N2P将在 2026年底量产。

台积电这两个版本2nm工艺没有使用背面供电技术，不过，整个N2系列将增加台积电新的NanoFlex功能，该功能允许芯片设计人员在同一模块中匹配来自不同库（高性能、低功耗、不同面积）的单元，以提高性能或降低功耗。N2P之后将是电压增强型的N2X。

尽管台积电曾表示N2P将在2026年增加背面供电技术，但看起来情况并非如此，N2P将使用常规供电电路，具体原因尚不清楚。有消息称苹果已经与台积电达成独家协议，包下台积电2nm制程首批全部产能。据外媒报告，台积电2024年资本支出可能达到上限值320亿美元，2025年有望进一步升至370亿美元，主要用于提前部署2nm工艺量产，采购先进设备。

目前，三星也在发力2nm工艺，台积电提前部署产能的目的是为保持在晶圆代工领域的领导地位。今年初就有报道称，三星已经从日本人工智能（AI）初创公司Preferred Networks Inc.（PFN）收到2nm制程芯片订单，从而在2nm晶圆代工业务中抢得先机。7月9日，三星发布公告，官宣了与Preferred Networks Inc.的合作，将基于2nm制程工艺和2.5D封装技术Interposer-Cube S（I-Cube S），提供一站式解决方案，为对方制造AI芯片。Preferred Networks Inc.主要进行人工智能深度学习开发。

据悉，三星之所以被选中，是因为其同时具备存储器和晶圆代工服务，有着较强的综合能力和技术积累，可以提供HBM设计、生产和先进封装的全套解决方案。三星原计划2025年量产2nm（SF2）制程芯片，然后于2026年采用背面供电技术。与3nm工艺（SF3）相比，三星的2nm工艺性能提升12%，功率效率提升25%，面积减少5%。

台积电和三星在2nm制程芯片量产方面在较劲，双方也都有需要解决的问题。IBS估计，与3nm处理器相比，2nm芯片成本将增长约50%。正是有苹果、英伟达、AMD等大客户下单，台积电才会大规模投资最先进制程，否则，像2nm这样烧钱的制程产线，是很难持续支撑下去的。

目前，台积电正在全方位控制成本，包括EUV设备的支出，电能的节省等。虽然其它几家厂商也会面临2nm成本问题，但为了追赶台积电，三星和英特尔似乎在成本方面没有台积电那么敏感。另外，由于台积电要在美国新建至少两座先进制程晶圆厂，这给它带来了很多额外的成本压力。因此，台积电的2nm制程产线必须精打细算。对于晶圆代工来说，良率非常重要，它直接影响生产成本和客户认可度。

自从进入5nm制程时代以来，良率一直是三星晶圆代工业务所面对的最大问题，特别是在3nm制程节点上，三星率先引入了全新的GAA架构晶体管，与以往使用的FinFET晶体管有较大区别，制造难度增加不少。据Notebookcheck报道，三星的3nm工艺良率在50%附近徘徊，依然有一些问题需要解决。今年2月，据韩媒报道，三星新版3nm工艺存在重大问题，试产芯片均存在缺陷，良率为0%。报道指出，采用3nm工艺的Exynos 2500芯片因缺陷未能通过质量测试。

为了追赶台积电，三星的3nm制程工艺采取了比较激进的策略，主要体现在GAA晶体管架构上，台积电的3nm依然采用FinFET。2nm才会转向GAA晶体管，激进的结果就是要在良率方面付出一些代价。

 02、台积电统治3nm代工

据了解，台积电3nm制程产能已经被各大客户预定到2026年。最新一波订单正在被联发科和高通争抢。新一轮5G手机旗舰芯片大战将于今年第四季度开打，联发科的天玑9400和高通的骁龙8 Gen 4对决，两大厂商的新处理器都将采用台积电3nm制程生产，近期进入投片阶段，使得相关产能更加紧张，因为英伟达、AMD、苹果都在积极争取更多台积电3nm产能。

据悉，台积电计划将今年的3nm制程产能扩充3倍，但仍呈现供不应求的局面。为了让天玑9400顺利上市，联发科正在努力确保3nm制程产能供应。

目前，联发科的旗舰款天玑9300/9300+芯片，都是用台积电4nm制程制造。高通虽尚未公布新一代旗舰芯片骁龙8 Gen 4亮相时间和细节，外界认为，该款芯片也将采用台积电3nm制程生产，并于第四季度推出，芯片性能也将升级。据悉，骁龙8 Gen 4将采用台积电N3E制程生产，每个芯片报价220~240美元，比骁龙8 Gen 3高出25%~30%。

据悉，台积电打算提高2025年先进制程工艺和先进封装的订单报价，其中，3nm的报价将提高5%以上，具体情况取决于订单的数量和协议条款，目前的晶圆报价在20000美元以上。CoWoS封装的报价将提高10%~20%。传闻台积电的3nm涨价方案已得到客户的同意，双方达成了新协议，以确保稳定的供应。

此外，有业内人士透露，面向高性能计算客户的4nm/5nm制程工艺可能会涨价11%，也就是说4nm晶圆的价格从18000美元提高到约20000美元，比2021年的报价上涨了至少25%。

台积电的3nm、4nm、5nm制程都要涨价，从一个侧面说明三星在这些制程市场上的窘境，因为全球只有这两家能够提供相应制程工艺的量产代工产能，为了追赶台积电，自从7nm制程实现量产以来，很多年，三星都是在低价促销，特别是最先进的3nm制程工艺，比台积电的报价少了很多。

如今，竞争对手的产能供不应求，还要涨价，说明三星3nm的客户订单少得可怜，台积电才有底气涨价。总之，在已经量产的最先进制程方面，台积电优势明显，三星在这方面的竞争力已经很难追赶上，只能寄希望于2nm制程了。

 03、台积电要在HBM市场分一杯羹

7月初，据韩国媒体报道，SK海力士将深化与台积电、英伟达的合作，并在9月的国际半导体展（Semicon Taiwan）上，宣布这三家公司更紧密的合作计划。

2022年，台积电在北美技术论坛宣布成立OIP 3DFabric联盟，将存储器与载板合作伙伴纳入，当时，SK海力士资深副总裁暨PKG开发主管Kangwook Lee就透露，该公司一直和台积电在前几代及目前的HBM技术方面紧密合作，以支持CoWoS制程的兼容性与HBM的互连性。

SK海力士加入3DFabric联盟之后，通过与台积电更深入的合作，为未来的HBM产品（HBM4）提供解决方案.据韩国媒体报道，业界消息人士称，SK海力士社长金柱善将于9月在台北举行的国际半导体展上发表专题演讲，这是SK海力士首度参与专题演讲。

演讲结束后，金柱善将和台积电高级主管见面，讨论下一代HBM的合作计划，英伟达CEO黄仁勋也可能加入会谈，进一步巩固SK海力士、台积电和英伟达之间的三方联盟。据悉，三强的合作是在2024上半年敲定的，SK集团会长崔泰源4月会见黄仁勋，讨论了半导体合作事宜，6月，崔泰源拜访了台积电新任董事长魏哲家，以进一步推动后续合作。

SK海力士将采用台积电的逻辑制程，生产HBM的基础接口芯片（base die）。报道称，SK海力士和台积电已同意合作开发并生产HBM4，将于2026年量产。HBM将核心芯片堆叠在基础接口芯片之上，彼此垂直相接。SK海力士生产的HBM3E产品，采用的是自家制程工艺制造的基础接口芯片，但从HBM4开始，将采用台积电的先进逻辑制程。

报道称，SK海力士将在论坛上介绍合作成果，据悉，HBM4的功耗比原本目标还低20%以上。自从HBM问世并量产以来，SK海力士一直是英伟达为其AI GPU配备该类内存的独家供应商，发展到HBM3E版本，依然如此，只是从2024年第二季度开始，另外两家内存大厂三星和美光才开始加入英伟达HBM供应链，这两家内存大厂准备花费数十亿美元来扩大HBM芯片生产能力。

不久前，三星推出了其12层堆叠的HBM3E，挑战SK海力士8层堆叠产品的行业地位。三星的一位高管表示，该公司计划今年将芯片产量增加两倍。面对竞争，SK海力士的HBM项目正在提速，预计首批12层堆叠的下一个版本HBM4最快会在2025下半年到来，到2026年还会有16层堆叠的产品，会向更加定制化的方向发展。

HBM3E市场竞争已经落后，希望落在了HBM4上，三星正在加快研发脚步，以缩小与SK海力士之间的差距。在代号为“Snowbolt”的第六代HBM芯片HBM4方面，三星计划将缓冲芯片应用于堆叠内存的底层以提高效率。

正当三星加紧追赶存储芯片竞争对手SK海力士的时候，后者与三星的晶圆代工“死敌”台积电在深化合作。对三星来说，这显然是个坏消息。

5月中旬，在2024年欧洲技术研讨会上，台积电表示，将使用其12FFC+（12nm级）和N5（5nm级）制程工艺制造HBM4接口芯片。台积电设计与技术平台高级总监表示：“我们正在与主要的HBM内存合作伙伴合作，开发HBM4全栈集成的先进制程，N5制程可以使HBM4以更低的功耗提供更多的逻辑功能。”

据悉，N5制程允许将更多的逻辑功能封装到HBM4中，并实现非常精细的互连间距，这对于逻辑芯片上的直接键合至关重要，可以提高AI和HPC处理器的内存性能。相对于N5，台积电的12FFC+工艺更加经济，制造的基础芯片能构建12层和16层的HBM4堆栈，分别提供48GB和64GB的容量。台积电还在优化封装技术，特别是CoWoS-L和CoWoS-R，以支持HBM4集成。

这些先进的封装技术有助于组装12层的HBM4内存堆栈。据台积电介绍，实验性HBM4内存在14mA时的数据传输速率已达到6 GT/s。台积电的先进制程工艺能力，以及SK海力士的先进存储芯片制造能力，可以将结构更为复杂的HBM4内存的制造分解开，发挥各自优势，制造出最佳的逻辑接口和DRAM裸片，然后用先进的封装技术将它们组装起来，以最大化地发挥该类内存的性能优势。

对三星来说，在先进制程晶圆代工市场被台积电压制，但作为存储芯片龙头企业，三星还是很自信的。

如今，台积电与自己的主要竞争对手SK海力士在内存领域深度合作，简直是在抄三星的后路。要发展HBM4，就绕不开先进的逻辑芯片制程工艺，如果三星的晶圆代工业务短期内做不好这些的话，恐怕也躲不开找台积电合作的选项。