解析台湾半导体巨擘(四)──人力、製造力、设备共用性,共谱台积电胜出优势

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解析台湾半导体巨擘(四)──人力、製造力、设备共用性,共谱台积电胜出优势

编按:资深前分析师 Richard 从财务面、技术面、竞争力分析等角度深度解析台积电,科技新报取得独家授权,4 篇专文报导,带你了解这间台湾举足轻重的半导体巨擘。前三篇已就台积电的财务面、技术面、客户面来做分析,最后一篇来说明它的竞争优势。

Foundry 产业的关键竞争要素

1. 先进製程技术

半导体产业,只要摩尔定律(Moore’s  Law)持续作用,必然让更多功能、更多电晶体纳入晶片中,而功能複杂的晶片,需要更先进微缩的製程技术,来降低 die size、降低成本,32 / 28nm 以前,每一世代 technology node 的 cost 都会降低,但到 20nm 和 14 / 16nm 的 cost per transistors 没有降低多少,预期到了 10nm 和 7nm,cost per transistor 会再度明显下降。除了成本之外,先进製程也可提高晶片的 performance / speed,和行动产品最重要的:降低耗电。

在逻辑製程(Logic process)半导体领域,通常会优先考虑使用最先进製程的产品包括:CPU、AP(Application processor)、GPU、FPGA / PLD,高整合度的複杂 SoC,其次是 Baseband、DSP、中整合度 SoC 等。谁能领先进入更先进的製程技术,就能吸引这些产品客户来下单,客户之间也是竞争对手,势必和具有先进製程技术能力和未来研发潜力的 foundry 厂合作,才能维持客户自身的竞争力。

先进製程的研发,除了研发投资金额越来越昂贵之外,更是基础物理和半导体科学的竞争,有扎实深入的基础研究,才能正确的预测几年后、下一代的技术发展方向,然后投资下去,把这个技术开发出来商品化,将摩尔定律再往下推进,突破自己的製程竞争力,一旦对技术走向预测错误,不但会造成庞大的投资付诸流水,更会让公司的技术发展落后对手,丧失竞争力。在先进製程研发领域,「博士」只是基础训练,製程实验室战场上面对的往往是「院士」级的对手。

2. 製造良率和效率

相较于先进製程技术,是由研发部门决定胜败,生产效率和良率,则由製造部门负责,通常一个新的製程,不论是下一世代的先进製程(advanced technology node),或是水平发展的 specialty porcess,研发部门将新製程开发出来之后,将移交给製造部门负责,製造部门的工程能力非常重要,除了要和客户 IC 设计研发人员密切配合,了解产品特性,也要对製程技术和机台特性透彻了解,才能快速提升客户新产品的生产良率。

生产良率有 3 个重点,第一是良率爬升速度要快,第二是良率要高,例如,同样新产品量产 3 个月时的良率高低,良率高代表创造更多价值,或者提高 foudnry 本身的毛利率,或者分享给客户更低的价格,第三是良率的稳定性,有些 foundry 良率上来之后,忽上忽下,让客户很难生产规画,良率时好时坏,随时影响客户的成本结构、业务能力和库存政策,

再来,一家大型 foudnry 会有上百家客户、上千项产品,同时间在晶圆厂内跑,产品组合、客户组合、製程组合、每个製程又有很多複杂的生产流程,大批量、小批量的产品,通通混在厂内,生产管理要兼顾品质和效率,非常不容易,线上工程师面对不同产品的品质挑战、交期挑战、产出挑战,尤其当各种各样问题出现的时候,如何快速解决,都将在最后的效率上展现。

3. 客户服务

foundry 的客户是包括 Fabless、IDM 和 System house,每家客户的产品变化很大,每家 foundry 业者的製程特性和 design rule 也都不相同,foundry 产业属于客製化程度很高、服务性质很高的产业 。客户对 foundry 厂的需求包括:帮助客户熟悉 foundry 製程的 design rule、帮助客户设计出很容易製造併提高良率的 IC、帮助客户依据製程发展蓝图规划自己的产品蓝图、基本 IP 支援、良好的 EDA / tools 环境、良率快速拉升、良率稳定、交期準确、成本 / 价格有竞争力、生产问题解决、生产资讯的分享、产能投资承诺、技术研发投资承诺等。

台积电竞争力分析

1. 台积电的先进製程技术能力

逻辑製程的先进製程技术,英特尔还是第一名,但台积电和 Samsung LSI 急起直追,3 家公司都预计在 End-2016 量产 10nm,但英特尔可能率先进入下一代新的电晶体架构,如同英特尔在 22nm 率先进入 3D transistors,台积电和 Samsung LSI 到 14 / 16nm 才进入 3D transistors,而英特尔虽然 10nm 量产时间没有继续领先,但可能在 10nm 採用新一代的 Gate-all-around 架构,台积电和 Samsung LSI 则继续用 3D FinFET 架构。

台积电这两年製程技术,已经超越 IBM,Samsung LSI 本来属于 IBM 技术联盟,28nm 时和 IBM 一样用 Gate First 技术,不像英特尔和台积电用 Gate Last 技术,后来承认错误,IBM 联盟厂包括 Samsung LSI 到 20 / 22nm 才改回来用 Gate Last,加上 20nm 市场几乎被台积电通吃,累积不少经验,Samsung LSI 则没有 20nm 大量产经验,要从 28nm Gate First,直接跳到 14nm Gate Last,有其困难度,这应该也是台积电之所以轻敌的原因。

不料,Samsung LSI 的 14nm 做得出奇的好,量产时间领先台积电 1~2 季,台积电从早年的英特尔第一、IBM 第二、台积电第三名,一度追成英特尔第一、台积电第二、IBM 变成第三名,到 2015 年又变成英特尔第一、Samsung LSI 第二、台积电再度沦为第三名。从此,Samsung LSI 正式变成台积电在先进製程研发上面的强劲对手。未来胜负很难预料。

从基本研发实力分析,台积电人才济济,研发部门博士硕士只是基本履历,重量级的「院士」 、半导体学术界的重量级论文、关键专利创作者,都具有相当份量,是台积电先进製程研发的重要优势。十几年来台积电在技术发展方向上,几乎都走在正确的道路,一一过关斩将,终于拉近和英特尔的技术落差,真正进入世界一流先进製程技术公司的决赛圈。

每一次选择正确的技术方向,都是重大战役,台积电目前的纪录无懈可击,例如,0.13um 铜製程 low K 材料,台积电正确选择以 FSG 材料为基础的,Applied Material 的 Black Diamond(IBM / UMC / Infineon 选择 Dow Chemica 的 SILK),High speed / CPU 製程主力选择放在 Bulk CMOS(IBM / AMD / Chartered 选择 SOI),45nm 开始将主力放在 40nm half-node,32 / 28nm 世代和 22 / 20nm 更直接只量产 half-node 28nm 和 20nm,45 / 40nm 选择 Gate Last(IBM 联盟 Samsung / Globalfoundries 等全部选择 Gate First)。

当全球半导体界受阻于 65 / 55nm 以下 193nm 波长微影极限,重金研发 157nm 乾式光微影(optical lithography)迟迟无法突破时,台积电林本坚院士提出继续用 193nm 但改用浸润式微影(Immersion Lithography),完全主导业界技术走向,将製程技术顺利推向 45nm 以下,透过多重曝光,193nm 波长浸润式微影 scanner 机台甚至确定可以做到 10nm 还没问题。至于今年台积电、Samsung LSI 开始量产的 FinFET 3D 电晶体,其发明人胡正明院士也曾于 2001~2004 年任职台积电。

接下来下一製程技术的大战,就是何时开始用 EUV 微影,台积电目前规划 10nm 製程不用 EUV,7nm 开始试用,5nm 才全面使用,EUV 从 32 / 22nm 就开始研发,台积电似乎有信心将 193nm 波长浸润式微影,继续推进到 7nm,届时,台积电的 193nm 波长浸润式微影 7nm,将和英特尔的 EUV 微影 7nm 对决。

2. 台积电的製造能力

先进製程通常只有 1~2 家少数对手,彼此争取为数很少和但订单量大的大客户,主要竞争在新製程量产时程和良率,但成熟製程的 foundry 对手多,主要竞争在製造能力,台积电的製造能力展现在以下几点:

3. 台积电的製程设备共用性

台积电的 20nm 和 16nm 技术经验沿用性很高,设备也有 95% 可以共用。10nm 是下一个阶段,投资额可能比较大,但跨过 10nm 之后,10nm 和 7nm 技术经验沿用性也很高,设备也有 90% 可以共用。这应该不是产业普遍的现象,牵涉到新製程开始研发的时候,就要考量到设备共用性,还有对设备的了解和知识,才有修改设备沿用到下一世代製程的能力。不是每个人都可以做到的。推估,这是台积电长年和设备厂商共同研发先进製程设备所累积的经验,和积极 cost down 创造利润和高 ROE 的企业文化使然。至于英特尔和 Samsung LSI 有没有这种考量,不得而知,但他们是 IDM 出身,理论上比较重视技术领先第一,至于要不要在技术领先的同时,考量到设备共用的成本节省,恐怕未必。

台积电 2016 年仍可成长 5~10%

假设 2016 年台积电产能成长 8%、平均产能利用率 94%、Blended ASP 持平、汇率 32,则营收估计 9,089E,成长 8%。假设折旧增加 9%、其他成本 per wafer US$740,毛利率约 48~49%、OP% 37~38%、税后净利 3,208E,成长 6%。

解析台湾半导体巨擘(四)──人力、製造力、设备共用性,共谱台积电胜出优势

(全文完;本文由 Richard’s Research Blog 授权转载;首图来源:达志影像)