上個月,一大批台積電工程師包機前往美國,時值台積電在美國亞利桑那州的 5nm 晶圓廠建設接近尾聲,創始人張忠謀證實,台積電還會在當地建設一座 3nm 晶圓廠,這是他們第一次将最先進制程的代工廠建在台灣地區之外。
由于在芯片代工環節的不可替代性,台積電過去幾年一直位于地緣政治的風口浪尖。但實際上,台積電也是一家商業機構,也會面臨商業層面的麻煩。
今年 10 月,台積電總裁魏哲家在内部溝通時,罕見地鼓勵員工休假,隻有一個群體例外:3nm 的研發人員。
短短一句話,可以說概括了台積電當下所有的麻煩:
第一,最新的 3nm 工藝節點,三星幾乎與台積電同時實現量産,台積電的技術優勢并不大。
第二,去年産能利用率動辄突破 100% 的好日子,台積電也沒那麼多訂單了。
但台積電的煩惱真的隻有這些嗎?
3nm 的困境:蘋果臨陣退縮
台積電大賺特賺的秘訣,就是先進制程始終領先一步,換來更高的議價權。而蘋果、AMD 這類芯片設計公司的訂單又會變成台積電的研發資金和建廠開支,進一步擴大領先優勢。
2011 年,台積電率先量産 28nm,該節點的營收占比在一年的時間裡從 2% 提升到了 22%。2018 年,率先量産 7nm 後,蘋果、華為、AMD 的訂單擠爆了台積電産能,2019 年,台積電 2470 億元的營收創曆史新高。
所以我們看到,即便在 2019 年失去了大客戶華為,蘋果、AMD 這些大客戶立馬就承包了閑置的産能。當時,台積電對未來的預期也很樂觀,宣布在 2021 年起,把在台灣地區工作的 5 萬名員工的固定薪酬提升 20%。
但這個正向循環運轉到 3nm 節點時,卻出了一些問題。
首先,在過去十年裡一直落後台積電的三星,在 3nm 節點罕見的率先量産,足以令台積電感到緊張。
但這并不是核心因素,畢竟三星在 5nm 節點能耗翻車,坑哭了高通吓跑了英偉達,導緻沒幾家客戶敢吃 3nm 的螃蟹,隻吸引了一家中國礦機企業。
其次,這些大客戶雖然沒找三星,但也沒用台積電的 3nm。
三星宣布 3nm 量産後不久,台積電也順利量産自己的 3nm 工藝。但坊間盛傳,台積電的最大客戶蘋果在 A17 芯片上有可能跳過 N3,而采用密度相對更低,但經濟性更高(便宜)的 N3E 工藝打造。
至于其他半導體公司,放起鴿子就沒有蘋果這麼含蓄了:
· 英特爾原本宣布,14 代酷睿 CPU 的集顯模塊使用台積電 3nm,結果在 8 月份反悔,說自己其實要用的是 5nm。
· 英偉達剛剛發布了基于台積電 4N 工藝的 RTX 40 系列顯卡,考慮到英偉達的顯卡兩年叠代一次,就算要用 3nm,也得等到 2024 年了。
· 依靠台積電 5nm 工藝上演絕地反擊的 AMD,新一代 Zen 4 使用的還是台積電的 4nm 工藝,就算 Zen 5 系列更新到 3nm 工藝,也得等到 2024 年。
為數不多有希望大規模采購 3nm 的玩家,隻剩了在手機芯片行業的兩個老冤家,高通與聯發科。
其中,高通是三星芯片代工的主要客戶,近些年來一直在三星與台積電之間反複橫跳;聯發科近些年來,一直對高端市場虎視眈眈,但成本依舊是一個不得不考慮的問題。
總結一下,台積電的大客戶,無一例外對 3nm 的态度很暧昧。原因很簡單:不劃算。
根據市場研究機構 International Business Strategies(IBS)的數據,3nm 芯片的設計費用約達 5-15 億美元,興建一條 3nm 産線的成本約為 150-200 億美元。
這筆費用也會傳導到代工的報價上:3nm 工藝 12 英寸晶圓的報價高達 3 萬美元,幾乎是 5nm 工藝的一倍,7nm 的三倍多 [ 3 ] 。
但 3nm 帶來的性能提升卻不盡人意。舉例來說,7nm 的 A12 芯片(iPhone XS/XR)相比 10nm 的 A11(iPhone 8/X),性能提升了足足 50%。但同樣相隔一年,4nm 的 A16(iPhone 14 Pro)相比 5nm 的 A15(iPhone 13 Pro),性能提升不到 10%。
這點提升說出去很沒面子,所以蘋果在發布會上宣傳 A16 芯片時,雞賊的和三年前的 A13 相比,勉強得出了性能提升 40% 的結論。
雖說性能提升變少不能怪台積電,也不能說蘋果、AMD 這些芯片設計公司不努力,摩爾定律的衰減是整個電子産業需要面對的問題。但性能提升變少,消費者購買意願不足,終端品牌減産的壓力,卻結結實實的砸在了台積電身上。
7nm 的尴尬:手機看不上,汽車用不起
3nm 的訂單主要影響資本市場對台積電的預期,而台積電業績乏力的主要因素,其實出在了 7nm 身上。
觀察台積電的營收結構,可以發現一件很有意思的現象:盡管 5nm 量産許久,但截至今年上半年,營收主力依舊是 7nm 制程。今年二季度,5nm 和 7nm 營收占比分别達到 21% 和 30%。
但到了三季度,5nm 依舊堅挺,占比達到 28%,7nm 卻拉了大胯,占比僅為 26%。DIGITIMES 報道,台積電 7nm 系列的産能利用率,已經從去年的一度超過 100%,跌到如今的不足 50%,為此,台積電甚至無限期擱置了高雄 Fab 22 廠的 7nm 擴産計劃。
台積電的 7nm 工藝創造了很多經典産品,比如蘋果的 A12 芯片,AMD 的 Zen 2/3 架構處理器,以及海思的麒麟 985 芯片。
一般來說,當一個新制程量産後,蘋果、高通、AMD 這類公司都是第一個吃螃蟹的。而随着工藝升級,蘋果、高通、AMD 會更新到下一代制程,上一代制程的産能會降價,給服務器芯片、汽車芯片等等産品代工。
對台積電來說,老制程雖然已經落後了,但産能不會被浪費。随着産線的成本慢慢折舊完,持續開動的産線反而能貢獻可觀的利潤。在台積電的營收裡,将近 1/3 都是 40/45nm 以上的成熟制程貢獻的。
了解了這個背景,就能看出 7nm 的尴尬之處:說它是先進制程,也沒有那麼先進;說它是成熟制程,也沒有那麼成熟。
一方面,高端手機芯片和 PC 芯片,已經過渡到了 5nm/4nm 制程;另一方面,汽車芯片、服務器芯片、物聯網設備芯片這些替補隊員,又遲遲沒能跟上。
原因很簡單:太貴了。
對設計公司來說,28nm 節點上的開發需要投入 5310 萬美元,16nm 需要 1 億美元,而到了 7nm,則需要将近 3 億美元 [ 1 ] 。在這之中,僅僅流片一項付出的成本,就從 14nm 的 300 萬美元躍升至 7nm 的 3000 萬美元。所以 7nm 就算降價,還是貴。
這麼貴的原因有二:第一,7nm 流片時,用于對向矽片上投影芯片圖像的耗材掩膜版急劇增加,這一項就能花掉一千多萬美元;第二,7nm 芯片的生産設備從 DUV 光刻機變成了 EUV 光刻機。
所以,芯片代工成本的增加并不是線性的,這也是為什麼 28nm 和 14nm 成為了兩代經典制程。比如 28nm 用的是 HKMG,之後的制程就變成了 FinFET 工藝,成本暴漲。而 14nm 則是 DUV 光刻機能生産的最先進的制程,之後的成本也會暴漲。
蘋果、英偉達這類消費電子霸主,自然有底氣盯着先進制程采購。但汽車 / 服務器 / 物聯網設備芯片公司在豪情一擲之前,肯定得先掂量掂量,自己有沒有蘋果那個出貨量。
掂量的結果,就是替補隊員集體賴在 14nm/28nm 當釘子戶,7nm 隻能靠 AMD 還沒停産的老産品。在 2010 年就已經量産的 28nm,近年仍能給台積電貢獻 10% 左右的營收。
2021 年,在台積電 7nm 節點的營收中,英偉達和 AMD 兩家公司是主要支撐。但如今它們都轉移到了 5nm。英偉達之所以把旗艦的 40 系顯卡定價上萬,台積電 5nm 工藝的超強能耗比(英偉達用的 4N 在統計口徑中歸 5nm)是一個核心賣點。
先進的 3nm 沒人用," 落後 " 的 7nm 也沒人用,台積電隻能大手一揮:砍。
寒氣傳遞的太快了
時間撥回 2022 年初,半導體代工廠的畫風還是這樣的:多家廠商業績創下新高,台積電、聯電 2021 年營收增幅在 20% 左右,中芯國際則為 40%。
随後,廠商陸續上調了資本開支,台積電 2022 年資本開支預計 400-440 億美元,其中八成運用在 7nm 及以下先進制程的開發。
而到了 10 月,台積電的來了個大轉彎:預計 2023 年整個半導體行業可能會下滑,台積電見風使舵,下調資本支出至 360 億美元。
其他半導體廠商也都和台積電一樣,一邊公布慘淡的業績,一邊為自己當初豪邁的資本支出找個台階下:
· 英特爾第三季度營收同比下降 20%,淨利潤同比下降 85%,同時将資本支出計劃從 270 億美元下調至 250 億。
· 韓國内存大廠 SK 海力士第三季獲利下滑 60%,明年資本支出削減 50% 以上。
· 三星電子預計,第三季度的營業利潤将比去年同期下降近三分之一;英偉達公布的第二季度收益出現了驚人的 51% 的下滑。
· 全球第三大芯片代工廠格羅方德直接裁員,5.7% 的員工感受到了寒氣。
廠商集體過山車背後,其實反映的是一個現象:供需錯配。
疫情以來,居家辦公使得人們對手機和平闆的需求增加。2021 年,全球智能手機系統級芯片 SoC 出貨量達到 13.5 億顆,同比增長了 4.1%。與此同時,供給端卻是吃緊的;自 2020 年夏天,半導體設備利用率從未低于 90% [ 4 ] 。
于是半導體廠家紛紛尋求擴産。但芯片行業的特殊之處在于,擴産需要時間,晶圓代工廠從建設到量産,需要兩年左右的時間。在這段時間裡,一旦需求回落,芯片行業就會陷入衰退。
現在的情況,就是廠商們最不願意看到的。
作為台積電最大的兩個客戶,蘋果在 iPhone 14 系列發售一個月後,在中國的市場份額下降了 5% [ 2 ] 。高通在季度業績預告中,将今年 5G 手機的出貨量,從之前的 7.5 億下調到了 6.5 億,對當前财季的銷售額逾期,也比華爾街的要低 20 億美元。
需求萎縮,産能過剩,庫存爆表。無論寒氣有沒有傳遍松山湖,它都傳遞給了全球幾乎所有的半導體公司:英偉達的股價從年初高點跌了 65%;AMD 跌了 62%;ASML 跌了 56%;英特爾最慘,一路跌回了 22 年前。
2 月 21 日,台積電成立 35 周年之際,創始人張忠謀回顧起往日的峥嵘歲月:如果 35 年前成立時就投資台積電,如今能賺 1000 倍。
從這個角度看,張忠謀其實準确預警了自家公司的高點。畢竟隻過了半年多,當年那批投資者就隻能賺 500 倍了。
參考資料
[ 1 ] 2 納米芯片,巨頭的金錢競賽,财經十一人
[ 2 ] iPhone 在華周銷量暴跌 27%,14 系列後勁不足,蘋果也不行了?天極網
[ 3 ] 3nm 之争加劇 客戶開始 " 一邊倒 ",三星危險了?愛集微
[ 4 ] 5 張圖說明全球芯片短缺的原因,悅智網
編輯:劉芮
視覺設計:疏睿
責任編輯:李墨天
制圖:周哲浩
研究支持:劉芮
本文來自微信公衆号 " 遠川研究所 "(ID:caijingyanjiu),作者:周哲浩