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台积电4nm芯片提前量产!联发科和苹果抢首发?

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  芯东西(公众号:aichip001)

  作者 | 温淑

  编辑 | 心缘

  芯东西4月20日消息,2021年第一季度,5nm芯片手机市场激战正酣,vivo、OPPO、小米等玩家连连发新。与此同时,许多芯片设计、制造玩家,已经将目光瞄准更加前沿的4nm市场。

  4月19日,中国台湾经济日报报道称,联发科或抢跑一众厂商,成为台积电4nm制程产能的第一家客户。而就在据此前不到两周的4月7日,业界盛传有资格首次“尝鲜”台积电4nm制程的,还是苹果。

  5nm落地仅几个月,4nm作为5nm的增强版本,到底能带来怎样的提升,让苹果联发科等大厂“抢破头”?

  据此前台积电公布相关信息,尽管难以实现像3nm“相同功耗下性能(相比5nm)提升10~15%”的进步,但其最新量产时间为2021年Q4,相比3nm提早了约整一年,恰好满足3nm量产之前,智能手机芯片、显卡、各类专用芯片对性能与功耗的极致追求。

  那么,在这场先进芯片性能追击战中,有谁已入局?从芯片制造、设计、到最终商用的各个环节中,又有谁已蓄势待发?芯东西挖掘全球4nm制程的相关信息,以便回答这些问题。

  一、4nm芯片制造市场:台积电提前量产,三星直接跳过?

  当芯片集成的晶体管直径逼近7nm及更小尺寸,这场目标为先进制程生产能力的赛场上,就只剩下台积电和三星两个选手,4nm制程赛道上也不例外。同时,两大晶圆代工领军企业针对4nm的布局,均曾经历变动。

  在2020年8月25日举办的“台积电第26届技术研讨会”上,台积电公布其最新工艺路线图,计划在2022年量产4nm工艺(5nm N4工艺)。

  但在今年3月初,业界有消息传出,台积电4nm工艺量产时间有望提前至2021年第四季度。

  技术指标方面,台积电4nm工艺作为5nm工艺(5nm N5工艺)的改进版,相比后者在速度、功耗、密度上有所提升,但提升幅度低于3nm工艺。

  据台积电工艺路线图,3nm相比5nm,相同功耗下性能可提升10~15%,相同性能下功耗可降低25~30%。

  同时,4nm与5nm有100%的IP相容性,能够沿用5nm工艺既有的设计基础架构、加速产品创新。

  

  ▲台积电第26届技术研讨会上公布的工艺路线图

  整理三星在2018年“晶圆代工论坛”上释放的信息,可发现对4nm工艺的相关论述。论坛上,三星高管规划称,将在2019年推出5/4nm FinFET EUV工艺。但在2019年,三星4nm工艺并未如约现身。

  2020年7月2日,中国台湾媒体DigiTimes援引业内人士消息称,三星修改了晶圆代工工艺路线图,将从5nm直接跳至3nm的研发。目前三星并未回应这一说法。

  不过,三星在2020年7月30日发布第二季度财报时表示“正在开发4nm工艺”。

  

  ▲三星在2018年“晶圆代工论坛”上公布的工艺路线图

  二、4nm芯片设计市场:传苹果/高通/联发科青睐台积电,联发科或抢先?

  盘点先进制程芯片设计市场,通常来说,苹果、三星、高通、联发科等智能手机芯片设计商,将领先其他场景中的芯片设计玩家发布新品,想来针对4nm制程也不例外。

  不过,相比5nm芯片商用时间线不同的是,这次联发科有望成为台积电4nm制程产能的第一位客户。此外,由于美国出台的相关禁令,华为海思或许不得不从4nm制程“争霸赛”中退场。

  回顾5nm芯片商用进程,苹果、三星、高通5nm芯片均已落地,联发科5nm芯片尚未面世,此前有报道称或将在2021年底推出。

  按照惯例,苹果采用高端制程的新款自研芯片产品会在iPhone上首发,但针对4nm情况可能有所不同。

  据DigiTimes援引知情人士消息报道,苹果4nm芯片将首先搭载于MacBook和iMac产品。目前,还没有关于4nm芯片版本MacBook及iMac亮相时间的更多消息。

  除去上面提及的联发科和苹果,高通亦看好台积电的4nm制程工艺。

  DigiTimes报道称,高通或将在2022年,将新一代5G移动芯片代工大单转移至台积电4nm产线。此前,高通2020年发布的5nm骁龙888是由三星独家代工。

  三、从智能手机SoC到矿机芯片,终端商用市场或将竞逐4nm

  除去上述手机芯片设计玩家,在显卡、矿机等多种专用芯片市场中,4nm等先进制程产能同样抢手。

  对比5nm芯片市场,矿机芯片玩家比特大陆、嘉楠等曾被报道为台积电的首批5nm客户,同时业界亦传出GPU龙头NVIDIA的下代产品“Hopper”一代或将由台积电5nm代工。

  可以想见,当4nm产能满足消费电子需求后,亦有望向矿机芯片等专用芯片市场转移。

  在市场需求旺盛的另一面,4nm制程工艺还面临着制造成本高的问题。

  台湾经济日报报道称,采用4nm制程技术的联发科5G新旗舰芯片产品单价将拉高到80美元(约522.01元人民币)以上,远高于现行平均单价30至35美元。

  未来,如何平衡4nm芯片制造成本及芯片各项性能指标,将是芯片设计玩家、芯片制造玩家面临的共同课题。

  结语:2022年,4nm芯片市场或迎来爆发

  细数全球有能力实现4nm量产的芯片制造玩家,仅有台积电与三星两家。目前,三星的4nm相关进展尚不明确。假设台积电能够如约在2021年底实现4nm量产,可以想象,台积电的4nm产能将成为各大厂商争夺的关键资源。

  芯片设计方面,近期,市场上已流传有关于苹果、高通、联发科4nm芯片的相关消息。或许在2022款发布的各款新机中,我们将能看到4nm芯片的“身影”。

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  台积电的甜蜜负担:失去华为,苹果补位

  国际贸易摩擦叠加突发的疫情,全球半导体产业链失序,“芯荒”危机蔓延多行业。

  当“芯”片缺口释放,产业链上下游也开始寻找新的成长周期:有企业豪掷数百亿扩建扩产,有企业重新走上自研芯片的险路,有企业顺势拆分芯片业务冲刺IPO。

  所有的芯片问题,最终都绕不过制造环节,这让全球晶圆代工龙头台积电拥有了甜蜜的烦恼:随着订单需求急剧暴涨,一方面公司多季度营收净利双丰收;另一方面,产能吃紧的境况下,公司陷入竞争对手干扰的焦虑。

  4月15日,台积电发布的2021财年Q1财报显示,其季度营收129.19亿美元,同比增长16.7%,净利润49.81亿美元,同比增长19.4%。

  “我们认为,芯片需求将持续高涨,短缺状况将持续今年全年,并可能延长至2022年。”台积电CEO魏哲家在电话会议上表示。

  

  台积电CEO魏哲家

  然而,尽管实现了超预期的业绩增长,二级市场似乎不买单。4月15日美股开盘,台积电股价小幅下滑3%,总市值6289.15亿美元。

  

  同花顺数据显示,今年开年来,台积电股价走势较为波动,最高报141.8美元,最低107.9美元,振幅达31.24%。

  

  回顾过去一年,台积电既经历了断供华为的两难抉择,又在全球芯片短缺的浪潮中成为科技巨头们的竞争标的。台积电迈出的每一步,传递着全球半导体产业链风云诡谲的信号。

  芯片短缺,产能失序

  2020年底以来,芯片短缺导致车企停产的危机蔓延至消费电子全行业,芯片代工厂订单爆满。

  台积电占据全球先进制程晶圆代工一半以上市场份额,过去一年业绩大爆发。

  2020年全年,台积电总营收达到1.33万亿新台币(约合467.5亿美元),同比增长25.2%,刷新历史新高。在第四季度,受益于5G手机和高性能计算,其季度营收突破126.76亿美元,同比增长22%;净利润50.08亿美元,同比增长23%。

  从工艺收入结构上看,台积电第四季度晶圆销售金额中,5nm制程出货占20%,7nm制程出货占29%,16nm占13%,这三大先进制程营收达到全季晶圆销售金额的62%。

  

  分季度看,7nm制程在多个季度的营收构成上占比最高。据台积电财报,2020第三季度其营收为121.4亿美元,5nm工艺贡献8%即9.7亿美元,而在第四季度,5nm贡献了25.35亿美元,环比增长161.3%。

  这不仅意味着下游客户对台积电先进工艺的需求之强烈,也反映芯片产业上下游的迭代周期已经打开。

  2021年开年来,芯片产能紧张形势严峻,台积电在2021年第一季度实现了3624.1亿新台币(约合127亿美元),同比增长16.7%;净利润1396.9亿新台币(约合50亿美元),同比增长19.4%;毛利润为1898.39亿新台币,同比增长18.1%。

  从工艺营收构成来看,7nm制程占2021年第一季度营收的35%;5nm制程占14%,16nm占14%,三大先进制程营收达到晶圆总销售额的63%。对比上一季度,先进制式晶圆依然是台积电获得持续稳定的现金流的关键。

  

  从平台营收构成变化上来看,2020全年,除了汽车外的手机、HPC为主要终端需求的业务均实现了正增长。这一年,台积电的营收构成也基本遵循以手机、HPC和loT为主导的增长逻辑。

  

  而在2021年第一季度,伴随着市场客户需求变化,台积电不同业务的产能出现了明显调整。据财报数据,台积电手机芯片产能收入出现了-11%下降,汽车芯片产能收入则出现了31%增长。

  

  台积电称,其汽车行业客户的芯片短缺问题,将在下个季度开始缓解。而真正令市场担心的是,手机等业务的“缺芯”趋势也在酝酿中。

  面对上下游产业链的失序,这个全球芯片代工巨头变成了炙手可热的竞争标的,这也带来了更多营收想象空间。

  台积电预计,今年第二季度销售额将达132亿美元,高于分析师平均预期的128亿美元。按美元计算,今年全年营收可能增长20%。分析师预计,驱动增长的因素主要来自于车用芯片、服务器高速运算芯片的订单增加,而表现比较弱的是消费性电子类的芯片。

  随着芯片供需矛盾严峻,上下游产业链上的任何风吹草动都会引发广泛关注。

  

  4月14日,台积电南科晶圆14B-P7厂停电不到5个小时,有3万片晶圆受影响,损失金额或达10亿新台币(约2.3亿人民币)。分析认为,由于涉及时下货量紧张的车用电子芯片产能,这将导致其全球客户新车交付延后。

  去年以来,台积电工厂多次发生意外,如德州的暴风雪和日本晶圆厂生产中断。由于芯片行业周期性,加上半导体生产商的产线本身具有24小时连轴转的特性,每一次生产意外都加剧业内的担忧。

  断供华为,苹果“补位”

  据2019年财报,苹果为台积电贡献了23%的营收。而华为贡献的营收占比从8%提升至14%,仅次于苹果。

  去年9月15日美方禁令生效断供华为以来,市场预计台积电营收或会大幅缩水。而事实上,在相应的Q4财季,这样的推断并未出现。

  

  从消息面来看,市场传闻称在美方禁令生效前,为扩大芯片备货,华为向台积电紧急加单,后者曾为其备货5nm工艺的麒麟9000芯片1000万颗左右。

  尽管传闻并未得到双方的明确表态,但台积电在相应的第三季度净利1373亿元新台币(约合48亿美元),同比增长36%,创下了单季净利的最高纪录。

  具体营收构成来看,该季度台积电手机业务营收占比达到46%,接近全年48%的水平。

  

  华为留下的产能空缺,要怎么填补?台积电在去年6月曾回应,如果美国禁止公司向华为销售芯片,其他订单可以很快取代华为空缺。

  “我们希望(禁止公司向华为销售芯片)不要发生。如果发生,我们会在很短时间补上。”在年度股东会上,台积电董事长刘德音表示。

  去年7月份,有市场消息称,苹果要求台积电出货8000万颗iPhone 12及iPad Air搭载的A14处理器,这被业内人士视为台积电失去华为后依旧保持业绩涨势的指引之一。

  从苹果2020年下半年密集发布上市新品的节奏来看,上述推断不无依据。下半年时间里,苹果共召开了三次产品发布会,带来了十余款新产品。其中第一款使用A14芯片的产品是第4代iPad Air与第一批支持5G的手机iPhone12系列。

  

  除了苹果,失去华为的台积电也有了更多“补位”替代。近日,台积电表示,其订单已经预订到了2022年上半年。

  更早些时候,市场曾三次传出台积电涨价消息,包括12英寸晶圆的价格涨25%,2021年彻底取消对客户的优惠价等。

  台积电CFO黄仁昭在电话会议上表示,继今年前三个月支出88亿美元后,台积电预计今年将投资约300亿美元,用于产能扩张和升级,高于之前预期的250亿美元至280亿美元。黄仁昭同时指出,预计未来三年内还将投资1000亿美元,以提高产能,支持半导体技术的制造和研发。

  这也让新建工厂成为了重中之重。

  近日,刘德音在参加美国半导体高峰视频会议时也表示,在亚利桑那州凤凰城即将兴建的5nm先进晶圆厂计划,是美国历史上最大的海外直接投资案之一。

  

  不过,台积电也将面临一些新挑战:美国政府扶持政策密集出台,促使美国本土半导体企业加快重整半导体供应链。

  上个月底,英特尔新任CEO帕特·基辛格宣布,计划斥资200亿美元(约合人民币1300亿元)在美国新建两座晶圆厂,大幅提高先进芯片制造能力,同时向外部客户开放晶圆代工业务。

  对此,魏哲家在电话强调,英特尔也是台积电重要客户,彼此在部分领域合作、部分领域竞争。“在纯晶圆代工领域上,提升先进制程技术固然重要,但让客户充分信任更是关键。台积电从来不会与客户竞争,这应该是与英特尔最大不同。”

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