本文來自格隆匯專欄：半導體行業觀察，作者： 暢秋
作爲全球芯片業的前三強，以及晶圓代工業的前兩強，三星與臺積電一直不缺乏故事和新聞。就在本週，這兩家備受業界關注的明星企業又不由自主地被擺在了擂臺上。
首先看財報，臺積電公告了9月營收，達到1526.85億元新臺幣，受惠蘋果iPhone新機進入拉貨旺季，營收月增11%，年增19.7%，首度衝破1500億元大關，改寫歷史新高。從整個第三季度來看，受惠5nm、7nm先進製程應用驅動，臺積電估計第三季度營收將達146-149億美元，季增9.8-12.1%，以新臺幣計算，第三季度營收估4073.4-4157.1億元，這是該公司單季營收首度突破4000億元，毛利率預估爲49.5-51.5%。
三星表現同樣搶眼，該公司公佈了第三季度初步財報，受內存價格上漲、蘋果新機面板訂單推動，第三季度營業利潤增長28%，爲三年來新高。三星第三季度營收估計爲73萬億韓元，年增9%，營業利益爲15.8萬億韓元（約合133億美元），略低於Refinitiv統計分析師預期的16.1萬億韓元，但仍是2018年第三季度以來的最高單季表現。
Cape投資證券分析師Park Sung-soon表示，三星半導體業務受惠於存儲器報價和出貨量提升，以及晶圓代工獲利能力大幅上升，該部門營業利益將較去年同期增長約79%。半導體業務佔三星今年上半年營業利益的一半左右。
除了營收表現同樣優秀，在先進製程方面，三星也在本週發出重磅消息，欲與行業龍頭臺積電一較高下。
目前，擁有先進製程技術的芯片廠商僅剩臺積電、三星電子和英特爾，其中，臺積電的先進製程工藝、市佔率遙遙領先，使得三星在近些年一直處於苦苦追趕的狀態。
三星在10月7日的晶圓代工論壇上表示，2022上半年會推出3nm製程，臺積電的3nm是在2022下半年纔會推出。據悉，三星的3nm將採用環繞閘極技術（Gate-All-Around，GAA），臺積電則延用FinFET，2nm製程纔會導入GAA技術。三星表示，預計2022年推出第一代3nm的3GAE技術，2023年推出新一代3GAP技術，2025年2nm的2GAP製程投產，而臺積電的2nm預計於2024年推出，早於三星。
三星強調，與5nm製程相比，三星首顆3nm製程GAA技術芯片面積將縮小35%，性能提高 30% 或功耗降低 50%。三星表示，3nm良率正在逼近4nm製程。
這樣看來，三星的晶圓代工業務有望成爲2022年的一個亮點，不至於讓臺積電一枝獨秀。
臺積電官方消息顯示，其3nm基於最先進的EUV技術，可以減少曝光機光罩缺陷及製程堆棧誤差，芯片良率符合預期，並降低整體成本，2nm製程將會進一步改善EUV技術的質量與成本。
產能方面，臺積電南科廠3nm的單月產能計劃爲5.5萬片起，2023年，有望達到10.5萬片。三星還沒有相應的產能規劃。
量產先進製程比拼
近一年來，隨着已量產先進製程技術不斷成熟，三星加緊了追趕臺積電的腳步，無論是7nm，還是5nm，爭奪似乎越來越激烈。
產能方面，首先看7nm製程，有統計顯示，在2020年，三星每月的產能約爲2.5萬片晶圓，而臺積電每月約爲14萬片，而在5nm方面，雙方的差距更大，三星每月約爲5000片晶圓，而臺積電每月約爲9萬片。
而在製程工藝方面，三星一直在追趕臺積電，特別是在5nm方面，三星的低功耗版本5LPE性能比7nm的提升了10％，而在相同的時鐘和複雜度下，功耗可降低20％。據悉，5LPE在原始工藝中增加了幾個新模塊，包括具有智能擴散中斷（Smart Diffusion Break：SDB）隔離結構的FinFET，以提供額外的性能，第一代靈活的觸點設置（三星的技術類似於英特爾的COAG，有源柵上的觸點），可用於低功耗的鰭式器件。
三星表示，5LPE在很大程度上與7LPP兼容，這樣，5LPE設計可以重新使用至少一些爲原始工藝設計的IP，從而降低了成本並加快了上市時間。但是，對於可以充分利用SDB等優勢的IP，三星建議重新設計。
另外，三星代工負責人表示，該公司已完成第二代5nm和第一代4nm產品的設計。
客戶方面，2020年，三星將其晶圓代工廠產能的60％用於其公司內部使用，主要用於智能手機的Exynos芯片。其餘產能分給客戶，包括高通（20％），另外20％由英偉達、IBM和英特爾瓜分。而隨着三星在2021年增加7nm、5nm等製程的產能，其自用比例將會下降，可能降至50％，更多滿足客戶需求。
臺積電方面，7nm產能已經非常穩健，在此基礎上，不僅是5nm，該公司還在6nm製程方面不斷進行拓展，臺積電還還發布了6nm RF（N6RF）製程，將先進的N6邏輯製程所具備的功耗、效能、面積優勢帶入到5G射頻（RF）與WiFi 6/6e解決方案。相較於前一世代的16nm射頻技術，N6RF晶體管的效能提升超過16%。臺積電表示，N6RF製程針對6GHz以下及毫米波頻段的5G射頻收發器研發，可大幅降低功耗和麪積。
5nm方面，臺積電表示，由於客戶對5nm需求強勁，該公司5nm系列在2021年的產能擴充計劃比2020年會翻倍，2022年比2020年增長3.5倍以上，並在2023年達到2020年的4倍以上.臺積電還推出了5nm的最新版本－N5A製程，目標在於滿足汽車應用對於運算能力日益增加的需求，例如支持人工智能的駕駛輔助及數字車輛座艙。
發力先進封裝
先進製程工藝對封裝提出了更高要求，或者說，先進封裝在一定程度上可以彌補製程工藝的不足。因此，最近幾年，臺積電和三星不斷在3D先進封裝技術方面加大投入，爭取把更多的先進技術掌握在自己手中。
在臺積電2021 線上技術研討會期間，該公司披露了3DFabric系統整合解決方案，並將持續擴展由三維硅堆棧及先進封裝技術組成的3DFabric。
臺積電指出，針對高性能運算應用，將於2021年提供更大的光罩尺寸，以支持整合型扇出暨封裝基板（InFO_oS）和CoWoSR封裝方案，運用範圍更大的佈局規劃來整合“小芯片”及高帶寬內存。
此外，系統整合芯片方面，芯片堆棧於晶圓之上的版本預計今年完成7nm的驗證，並於2022年在嶄新的全自動化晶圓廠開始生產。
針對移動應用，臺積電則推出了InFO_B解決方案，將移動處理器整合於輕薄精巧的封裝之中，提供強化的性能和功耗效率，並且支持移動設備芯片製造廠商封裝時所需的動態隨機存取內存堆棧。
臺積電還將先進封裝的業務拓展到了日本，這也需要一筆可觀的投資。日本經產省表示，臺積電將在日本茨城縣築波市設立研發據點，總經費約370億日元，日本政府將出資總經費約5成予以支持。據悉，擁有領先封裝技術的日本企業Ibiden、半導體裝置廠商芝浦機械（Shibaura Machine ）等與半導體有關的約20家日本企業有望參與研發，重點就是“小芯片”和3D封裝技術。
三星研發的3D封裝技術爲X-Cube，該技術利用TSV封裝，可讓多個芯片進行堆疊，製造出單一的邏輯芯片。
三星在7nm製程的測試過程中，利用TSV 技術將SRAM 堆疊在邏輯芯片頂部，這也使得在電路板的配置上，可在更小的面積上裝載更多的存儲單元。X-Cube還有諸多優點，如芯片間的信號傳遞距離更短，以及將數據傳送、能量效率提升到最高。
三星表示，X-Cube可讓芯片工程師在進行定製化解決方案的設計過程中，能享有更多彈性，也更貼近他們的特殊需求。
歷史競爭
三星與臺積電的全面競爭要追溯到早些年14nm製程的量產。
2015~2016年，隨着三星先進製程，特別是14nm的逐步成熟，其從臺積電那裏奪得了不少大客戶訂單，收入頗豐。彼時的智能手機市場處於平臺期（開始出現衰退，但對相關產業鏈的影響有滯後效應），對於相關芯片的需求量還是比較旺盛。這兩方面的因素，使得三星晶圓代工業務在2016年出現了大幅度的增長。
而到了2016~2017年，隨着臺積電先進製程的進一步成熟，三星部分大訂單又被臺積電搶了回去；此外，全球智能手機市場全面衰退，其負面效應也開始顯現，對相關先進製程芯片的需求大減。這兩個因素導致三星晶圓代工業務在2017年銷售額同比增幅（4%）大幅下降。
2018年初，在韓國首爾舉辦的三星晶圓代工論壇上，三星相關負責人表示：“今年的目標是到年底，將晶圓代工的市佔率從第四名提升到第二名，超越聯電和格芯。未來則打算超越臺積電”。目前來看，該公司實現了第一階段的目標，坐穩了晶圓代工二哥的位置，但要實現超越臺積電的目標，難度很大。
結語
半導體制造技術步入14/16nm節點之後，需要採用FinFET工藝來抑制晶體管漏電和可控度降低的問題，由此導致技術開發難度和資本投入都大幅度增加，因此這一門檻也被視爲先進製程技術的準入標準。
從發展歷史來看，臺積電的28nm製程從2011年開始量產，領先競爭對手3~5 年，並從2014年開始量產16/20nm的，之後就進入了快速增長期，到2015年兩種製程的佔比已經達到49%。
臺積電爲了充分發揮技術優勢，非常注重先進製程量產後的迅速擴容。如臺積電的130nm製程在2003年投入量產後，其營收佔比僅用一年時間就從0陡升到28%；28nm製程的營收佔比在2011年投入量產後，同樣只用了一年就從2%爬升到22%。迅速擴張先進產能幫助臺積電在每一個先進製程節點都能快速搶佔客戶資源、擴大先發優勢，並使其產能結構明顯優於同業競爭對手，這樣，更高的產品附加值帶來了更高的毛利率。
三星方面，由於是IDM，其設備投入和資源要優先服務於三星電子的DRAM和NAND Flash等存儲產品的生產，能夠分配給晶圓代工部門的資源相對有限。
三星晶圓代工部門另一個問題是行業競爭問題，三星業務範圍廣泛，諸如蘋果、高通等主要客戶本身也是三星電子的競爭對手，即便知識產權和專利得到良好保護，也不能保證供應鏈的靈活自主和上層競爭帶來的影響。比如蘋果的A4~A7系列處理器均在三星代工，2011年雙方爆發系列專利訴訟後，蘋果將A8轉單至臺積電代工，A9分別交由臺積電和三星代工，A10又全部由臺積電代工。
由於上述原因，三星晶圓代工部門雖然在製程技術的進展上和臺積電不分伯仲，但其背景決定了它很難成爲晶圓代工領域的巨無霸。因此，三星於2017年決定將晶圓代工業務獨立出來，以進一步提升其市場競爭力。不過，就目前來看，實際進展和效果不明顯。
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