大廠競逐先進制程

　　最近，先進半導(dǎo)體工藝制程方面的消息有不少。就在過去一周，相關(guān)的新聞包括：

　　聯(lián)發(fā)科宣布率先完成3nm工藝的下一代SoC的開發(fā)，打破了蘋果*使用下一代工藝制造手機SoC的慣例

　　Intel CEO預(yù)期將在2025年借助18A工藝來追上甚至超越TSMC和三星在先進制程領(lǐng)域的*位置，目前已經(jīng)有大客戶支付了大額預(yù)付款來使用該工藝

　　Intel預(yù)計將在未來兩年內(nèi)繼續(xù)大量使用TSMC工藝來生產(chǎn)*進的處理器產(chǎn)品(Meteor Lake及后續(xù)產(chǎn)品)，在未來兩年Intel估計會使用超過150億美元來使用TSMC的工藝

　　Intel和三星正在合作開發(fā)下一代內(nèi)存-處理器堆疊產(chǎn)品(cache DRAM)，該技術(shù)作為對AMD的3D V-Cache的回應(yīng)，將DRAM直接堆疊在CPU上，從而大大提升系統(tǒng)的集成度和性能

　　三星在美國的4nm工廠預(yù)計在2024年底完成，超過TSMC在美國建廠的速度

　　從這些消息，我們可以看到的是，首先，隨著以人工智能為主力的新需求漸漸推動半導(dǎo)體市場漸漸復(fù)蘇，對于先進制程產(chǎn)能的需求非常旺盛，而晶圓制造廠對于擴大先進制程產(chǎn)能也抱著積極的態(tài)度。而在另一方面，全球范圍內(nèi)幾大瞄準(zhǔn)先進制程的巨頭目前的競爭格局也很清楚：TSMC是先進制程領(lǐng)域的領(lǐng)跑者，其良率和性能都能*一步達到較高的水準(zhǔn)，同時TSMC還擁有全球*的先進封裝技術(shù)，因此憑借這樣*的綜合地位領(lǐng)跑整個先進制程市場，大客戶紛紛在TSMC下單導(dǎo)致產(chǎn)能無法滿足需求。

　　三星是先進工藝領(lǐng)域的有力競爭者，隨著其技術(shù)成熟度與TSMC逐漸接近以及TSMC產(chǎn)能緊張，未來預(yù)計也會獲得先進制程領(lǐng)域的大量訂單。而Intel則是先進工藝領(lǐng)域的新進競爭者。Intel在最近才真正進入先進制程的競爭有兩重原因：*是因為Intel之前在10nm工藝節(jié)點的開發(fā)中拖延了太久，導(dǎo)致其技術(shù)在過去幾年中大大落后與TSMC和三星;但是隨著Pat Gelsinger成為Intel CEO位置后進行大刀闊斧的改革，目前Intel在先進工藝技術(shù)領(lǐng)域與TSMC和三星的差距已經(jīng)在快速縮小，預(yù)計在未來兩年內(nèi)有機會能真正和TSMC/三星同步推出最新工藝制程。第二個原因是Intel在Pat Gelsinger執(zhí)掌CEO之后正式?jīng)Q定大規(guī)模投入晶圓代工領(lǐng)域，從而與TSMC和三星真正開始直接競爭(而在這之前Intel并不大規(guī)模開放自家工藝，因此和TSMC/三星并沒有直接競爭關(guān)系)。

　　我們在先進半導(dǎo)體制程看到了樂觀的市場預(yù)期和火熱的競爭;但是，在競爭之外，幾大晶圓制造廠之間也有合作關(guān)系，這就讓這些公司之間的關(guān)系變成更加微妙的競爭-合作關(guān)系。例如，Intel目前最主要CPU業(yè)務(wù)線中，還必須依靠TSMC。在Intel的Meteor Lake中，預(yù)計GPU tile會使用TSMC的工藝，而CPU則使用Intel自己的工藝。另一方面，Intel也在和三星合作內(nèi)存堆疊技術(shù)(cache DRAM)以追趕AMD在這方面的*地位。

　　先進封裝帶來的變化

　　過去20年間，芯片設(shè)計行業(yè)的主流設(shè)計范式是SoC。SoC設(shè)計方法給芯片行業(yè)帶來了極大的繁榮，但是在先進制程時代，這樣的設(shè)計方法會由于先進封裝技術(shù)而發(fā)生改變，而這樣的改變也會對先進制程晶圓制造廠的競爭合作關(guān)系帶來改變。

　　在SoC設(shè)計方法中，SoC芯片由許多IP組成。芯片設(shè)計公司在設(shè)計SoC時，首先定義需要SoC上需要的IP，并且從第三方IP提供商處獲取IP或者自己設(shè)計IP;然后把這些IP集成到芯片上，最后把整個SoC送到晶圓制造廠中進行流片制造。

　　在SoC設(shè)計方法中，芯片設(shè)計公司更多的是關(guān)注SoC系統(tǒng)以及每個IP的設(shè)計，但是在芯片制造的時候，所有的IP都會使用同樣的工藝去制造，而不可能對于不同的IP使用不同的工藝去制造。

　　而隨著先進工藝和先進封裝的發(fā)展，這樣的SoC設(shè)計方法正在慢慢被芯片粒(chiplet)設(shè)計方法取代。先進工藝的成本很高，良率卻并不容易做高，為了提高良率，通常的方法是把大芯片分成多個芯片粒，并且使用高級封裝技術(shù)做芯片粒之間的整合。目前，AMD、Intel等都已經(jīng)在最新的處理器產(chǎn)品中使用這樣的芯片粒設(shè)計，預(yù)計未來芯片粒設(shè)計將會成為更多使用先進制程的大型芯片的選擇。

　　而一旦SoC設(shè)計方法慢慢被芯片粒設(shè)計方法所取代，SoC設(shè)計方法中“整個SoC都要使用相同半導(dǎo)體工藝制造”的假設(shè)也就不再成立，因此每一個芯片粒都可以使用不同的工藝來制造。正如2015年Marvell在ISSCC上提到的MoChi概念一樣，整個基于芯片粒的設(shè)計把整個芯片系統(tǒng)拆分成了多個芯片粒，每個芯片粒都可以使用最適合的工藝來制造，并且最終整合在一起。

　　我們在Intel的Meteor Lake中就看到了這樣的設(shè)計。在Meteor Lake中，分成了多個芯片粒(Intel稱之為“tile”)，包括CPU Tile，GPU Tile，SOC Tile和IO Tile等，這些不同的Tile都可以用不同的工藝制造并且最后使用高級封裝技術(shù)集成在一起。在Meteor Lake中，CPU Tile使用Intel的工藝，而GPU Tile則會使用TSMC的工藝。

　　差異化將是未來演化方向

　　當(dāng)使用先進工藝的芯片設(shè)計方法逐漸從SoC轉(zhuǎn)向芯片粒，晶圓制造廠未來的訂單也可望逐漸從整個SoC慢慢轉(zhuǎn)向單獨的芯片粒。芯片設(shè)計廠商可以選擇最適合的晶圓制造廠去制造相應(yīng)的芯片粒并且最后集成到一起。芯片粒設(shè)計方法加上先進工藝自身的特性，可能會讓未來晶圓制造廠越來越專注于差異化。

　　先進制程很貴，但是帶來的性能提升并不大。在九十年代摩爾定律的黃金時代，每次工藝節(jié)點縮小都可以實現(xiàn)晶體管性能幾乎翻倍;而在目前，每一代工藝演進帶來的晶體管性能提升僅僅在10-20%左右�？梢韵胂�，芯片設(shè)計公司在大成本投入先進工藝制造芯片后，也必然希望這樣的高投入能獲得盡可能大的回報，因此希望可以在芯片粒的顆粒度上實現(xiàn)每個芯片粒的性能*。

　　而在另一方面，由于先進工藝研發(fā)難度巨大，且研發(fā)成本投入巨大，因此不太可能出現(xiàn)一家晶圓制造廠在性能、功耗、成本等領(lǐng)域全方位大幅*其他晶圓制造廠的情況，更有可能是在不同的設(shè)計領(lǐng)域，不同的晶圓廠各有所長，從而實現(xiàn)差異化競爭。這里的差異化，既包括了在性能、功耗、成本等指標(biāo)維度的區(qū)別;也包括了不同的廠商擅長不同領(lǐng)域的芯片粒，例如TSMC擅長高性能計算，三星擅長存儲相關(guān)領(lǐng)域等。

　　在這樣的情況下，不同晶圓廠差異化競爭，都各有自己擅長的方向，而芯片設(shè)計公司則各取所長，使用不同的晶圓制造廠去做最擅長領(lǐng)域的芯片粒并且最后整合在一起，可能就是未來的新競爭格局。Intel的Meteor Lake中，GPU Tile使用TSMC制造，就是因為TSMC擅長高性能計算芯片粒;而CPU Tile使用Intel的工藝制造，也是因為Intel在CPU領(lǐng)域的工藝-芯片協(xié)同設(shè)計有著幾十年的積累。未來Meteor Lake這樣的不同晶圓廠制造不同芯片粒可望會成為主流，而這也會讓晶圓廠走差異化競爭的道路。

　　先進封裝將是先進制程競賽中的

　　核心競爭力

　　如前所述，芯片粒設(shè)計方法將大大改變晶圓制造廠在先進制程領(lǐng)域的競爭格局，而在上述分析中，不應(yīng)忽視的是先進封裝技術(shù)也將成為一個重要變量，因為先進制程芯片(尤其是高性能計算芯片)離不開先進封裝技術(shù)。而且更關(guān)鍵的是，先進封裝技術(shù)在未來將會和先進制程越來越緊密地結(jié)合，而掌握這些先進封裝技術(shù)的也恰恰是TSMC、Intel和三星這樣的先進制程晶圓制造廠，而不是第三方封測廠。

　　在未來，先進封裝的重要性甚至不亞于先進制程的優(yōu)化能力，未來的晶圓制造廠競爭力將會取決于半導(dǎo)體工藝和先進封裝技術(shù)的綜合。例如，目前TSMC能獲得Nvidia H100 GPU訂單的一個重要因素，就是因為TSMC同時擁有*進的4nm半導(dǎo)體制造工藝以及CoWoS先進封裝技術(shù)，而目前H100供不應(yīng)求事實上是被CoWoS產(chǎn)能所限制，而不是4nm半導(dǎo)體工藝產(chǎn)能所限制。事實上，由于先進封裝和先進制程供貨商互相重合，晶圓制造廠甚至有可能利用其在某一方面的優(yōu)勢來撬動市場(例如，利用其在先進封裝領(lǐng)域的優(yōu)勢來彌補其在某個領(lǐng)域先進制程上的劣勢來獲得訂單)。

　　展望未來，TSMC目前雖然同時擁有先進封裝和先進工藝方面的*地位，但是Intel在EMIB等先進封裝技術(shù)上已經(jīng)有很久的技術(shù)積累，隨著Intel在先進半導(dǎo)體工藝追趕，未來兩者結(jié)合會有相當(dāng)?shù)母偁幜?而Samsung的I-Cube/H-Cube和X-Cube等先進封裝技術(shù)可望也會在SoC/內(nèi)存集成領(lǐng)域有自己獨特的優(yōu)勢。未來的先進工藝晶圓廠之間的競爭格局遠未塵埃落定，值得我們關(guān)注。