芯片巨头“瓜分”美国2800亿

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芯片巨头“瓜分”美国2800亿

芯片巨头“瓜分”美国2800亿
“芯事重重”半导体产业研究策划,本期聚焦芯片法案补贴发放和美国建厂的机遇与挑战,独家发布腾讯新闻,未经授权,请勿转载。

腾讯科技特约作者 苏扬

台积电也等到了美国《芯片法案》补贴礼包,包括66亿美元的直接赠款和50亿美元的贷款及担保,总计116亿美元,距离其官宣建厂过去近4年。

2020年5月15日,台积电官宣赴美建厂,首座晶圆代工厂落户亚利桑那州,原计划2021年动工并于2024年量产,采用当时最先进的5nm工艺,规划月产能20000片晶圆,预计总投资120亿美元。

受制于当地人才、配套资源等诸多因素,台积电在美国的量产计划一再推延,目前预期的时间是2025年上半年,延期接近一年半。

虽然量产延期,但投资总额和建厂规模却在不断加码——从最开始的120亿美元,提升至二期的400亿美元,到现在第三期扩大到650亿美元,工厂则从1座增加至3座,对应的量产时间分别为2025年、2028年和2030年,而量产的工艺,则从最开始的5nm,增加到3nm、2nm。

这种规模量级的投入,与现任总裁魏哲家高喊的“(美国)掏空台积电,门都没有”略有偏差,但他也表态过“把根留在中国台湾”的决心,合理的解释是——到2030年,台积电1nm、1.4nm开始在中国台湾量产,也就是魏哲家口中的根。

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* 台积电制程工艺路线图,2025、2027和2030年,分别量产2nm、1.4nm和1nm工艺

“加钱”、“加码”的可能不止台积电,也包括三星和英特尔。

2021年,三星宣布计划在德克萨斯州泰勒市建立10座半导体工厂,预计在2042年之前完工,总投资超过2000亿美元,覆盖10000个新增就业机会。作为2000亿美元总投资的一部分,现在三星又计划在当地再新建第二座晶圆厂以及一座封装厂,累计投资将达到440亿美元。

同样也是2021年,英特尔官宣在亚利桑那钱德勒市建立Fab 52和Fab 62两座工厂,计划量产20A(等效2nm)工艺,总投资200亿美元,2024年完工。2022年,英特尔再度宣布新增投资200亿美元,在俄亥俄州哥伦布市新建两座工厂,2025年开始量产Intel 10工艺。

01 巨头们分走大半个蛋糕

2022年,美国政府颁布《芯片法案》法案,提出了527亿美元的补贴计划,其中390亿美元(约合人民币2821亿元)作为直接赠款,补贴给参与先进制造回流的企业。

补贴规模相当丰厚,但下发却一再推迟,主要玩家的建厂计划也相应有所延迟。

按原计划,法案实施的2022年即发放190亿美元,2023-2026年每年发放50亿美元,但实施进度远落后于计划,到2023年下半年才向国防承包商BAE Systems发放第一笔3500万美元的补贴。

现在回过头来看,如果把补贴下发进度缓慢,建厂落地节奏不顺,以及头部晶圆厂都先后加码投资结合起来看,合理的解释只有一个——美国商务部和英特尔、台积电们在相互博弈,以争取到自己的利益最大化。

站在美国政府的角度,建厂资金投入规模足够大,工艺要足够先进,能够兼顾到当地就业政策甚至是对少数群体的支持;站在晶圆厂的角度来说,补贴应足够的丰厚,也要综合考虑市场环境,客户需求。

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*芯片法案直接赠款部分总计390亿美元,三星的补贴暂未公布,外界预计其最少可拿到60亿美元赠款额度

到目前为止,台积电、英特尔等头部企业基本都拿到了相应的补贴礼包,三星也应该会很快领取到相应额度,外界预期其直接赠款部分最低将达到60亿美元。

以此计算,总计390亿美元的直接赠款,已发放完220亿美元额度,仅台积电、英特尔和三星三家,就占据了390亿美元直接赠款的50%以上。

如果没有所谓的《芯片法案》2.0版本进行资金补充,那么接下来每年都将会从剩余的资金池中下发一部分。

这里也要注意一个概念,现阶段下发的全部都是额度,不代表最终企业的入账。具体的下发规则,要根据企业与美国商务部签署的协议来执行,而这份协议则是未公开部分。不过,《芯片法案》原文明确提及了赠款的一些禁用场景,例如股票回购,也要求获得赠款额度的企业提供资金使用情况报告。

翻译过来就是——这笔钱规定你是用来投资建厂的,别瞎花。如果发现有违规行为,美国商务部有权收回。

02 “瓜分”还是被“碾压”?

美国政府推出《芯片法案》的初衷是推动先进制造回流,参与者们则各自怀揣着在晶圆代工领域重振雄风的梦想。

台积电稳坐晶圆代工“世界第一”多年,英特尔和三星作为追赶者,也先后提出了“世界领先”的目标。英特尔的长远目标是到2030年成为世界第二, 三星半导体更进一步,计划到2030年成为该领域的世界第一。

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* 2022Q2-2023Q4晶圆代工营收市场份额,台积电高居第一,三星Foundry 位居第二。来源:Counterpoint

根据Counterpoint提供的数据,截止到2023年Q4,按营收份额占比,台积电凭借61%的市场份额,牢牢占据世界第一的位置,三星晶圆代工业务的营收份额占比14%,位居第二,英特尔暂时归属在其它类当中。

理论上,三星晶圆代工业务需要吃掉台积电至少23.5%以上的份额,才有可能凭借37.5%的份额,成为晶圆代工世界第一。

吃下台积电23.5%的份额,如果从理论变成现实,在接近客户的市场盖晶圆代工厂,提供产能是追赶者们迈出的第一步,然而建晶圆厂不是今天投资,明天就能获得产能,这中间至少需要3-4年时间的转化过程,而且至少是建立在有客户订单和市场回暖的前提下。

加速建厂节奏才有追赶并超越世界第一的机会,但实际上我们看到的是,英特尔和三星的量产都向后顺延了至少1年的时间,这就要给两家2030目标打一个问号。

当然,台积电的量产虽然也相应延后了一年半时间,但建厂量产的节奏推进的却是最快的,一些主要的设备都已经开始进场安装调试。

领先者反而跑的更快,理由也很简单——客户太多了,需求也在回升。

台积电基本的前十大客户覆盖了苹果、英伟达、AMD、联发科、高通等一线半导体厂商,2023年度贡献了其90%以上的营收,仅苹果、英伟达两家就贡献了超过250亿美元的营收,占比接近40%。

台积电今年以来的产能利用率大幅攀升,3nm的产能利用率达到95%,4/5nm的产能利用率近乎满载。而在先进封装方面,去年下半年就开始大幅增加CoWos的产能。

客户和需求在加速台积电建厂扩产能的节奏,英特尔和三星则显得更加慢热,这种情况下,营收市场份额差距有可能被拉得越来越大,想要吃掉台积电的营收份额,更像是一个理想主义目标

对于这两个主要追赶者来说,实现芯片制造“遥遥领先”的理想,剩下不到6年的时间,“时间紧,任务重”。

03 跟着台积电“抄作业”

台积电不仅是被追赶者,也是不错的“抄作业”对象。让台积电先踩坑,是追赶者们建厂一再推迟的另一个原因。

无论是美国生产成本大幅上涨问题,还是熟练工人与工会的博弈问题,又或者是配套供应商落地的问题,台积电对这些问题的解法,都有可能给英特尔和三星们提供有价值的方法论。

特别插一句,美国《国会山报》(the hill)刊登了《DEI杀死芯片法案》的文章,声称《芯片法案》引述了至少19条帮助少数群体的条款,过度强调“多样性、公平性和包容性”(DEI,Diversity、Equity、Inclusion),以至于企业在用人上不得不照顾到这些群体,进而增加人力成本。

换句话说,美国并非提供不了晶圆制造所需要的熟练工人,而是在少数群体中找不到。毕竟,过去三星和英特尔也在美国制造芯片,也没有缺少熟练工人的反馈。

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* 台积电主要制程节点营收占比

除了让台积电先踩坑,其工艺、营收和客户来源的构成,同样有抄作业的空间。

● 按制程工艺划分,台积电28纳米以下先进制程的营收占比在2023年Q4突破75%,其中3nm和5nm占比更是达到50%;

● 按照营收业务构成划分,高性能计算和智能手机芯片贡献了台积电2023年Q4的85%以上的营收;

● 按地区划分,北美地区客户给台积电贡献的收入超过七成,达到72%。

三星和英特尔想要“遥遥领先”,路径也很明确——聚焦5nm以下先进工艺、聚焦高性能计算与智能手机芯片、聚焦北美地区。

还是以三星为例,其晶圆代工业务中,智能手机芯片板块的份额超过一半,达到54%,高性能计算凭借19%位居第二,存在过度依赖智能手机芯片的问题,如果要抄作业,按照当下的“风口”,高性能计算业务就需要重点突破。

BusinessKorea披露了一份三星晶圆代工业务的路线图,其目标是到2028年,实现营收构成调整,将智能手机芯片等移动业务营收贡献下调到30%以下,高性能计算对营收的贡献提升到32%,而外部客户的数量则要翻一番。

04 硅谷巨头的Plan B

对于晶圆厂来说,没有客户就不存在产能利用率,就意味着亏损,如果亏损,就没必要扩产。

三星晶圆代工业务虽然位居世界第二,主要客户还是三星旗下的芯片设计团队,也包括英伟达的部分封装业务,3nm的首发客户甚至没有提及名称,其他则包括一些知名度相对较低的企业,大客户如苹果、高通早已转向台积电怀抱,谷歌、特斯拉、AMD也还停留在传闻阶段。

尽管缺少代表性的大客户,三星的先进工艺的产能利用率还在提升,去年下半年外媒报道称,其5nm、7nm的产能利用率已经达到90%,而官方此前也对外宣布,2023年度订单量创历史新高。

AMD被认为是最有可能转单三星的客户之一,但苏姿丰在活动上则反问提问者“你相信韩媒吗”,这看上去更像是打太极,而不是辟谣,毕竟说这话的场合位于中国台湾的活动上,强调和当地供应商的合作顺理成章。但从硅谷的供应链大师们的立场上来看,在台积电的先进产能被苹果、英伟达近乎包圆的情况下,没有Plan B反而不合理。

相比之下,英特尔在大客户方面已经开始有起色,此前已经官宣了利用18A工艺给微软代工的150亿美元大单,其他客户还包括亚马逊,联发科等,不过由于代工业务起步较慢,英特尔整体的盘子更小,其营收份额还被划在全球晶圆厂排行的“其他”类当中。

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* GTC2024现场,黄仁勋为三星旗下最新的12层堆叠的HBM3e 12H产品签名,“黄仁勋认可的”

英特尔缺乏外部代工经验,反过来又是三星的强项,包括为苹果、高通代工移动处理器,尽管从结果上来看不怎么理想。

更重要的是,三星拥有英特尔所没有的撬动代工订单的“杠杆”产品——HBM存储,包括最新的12层堆叠的第五代HBM3e产品,目前已经开始提供样品,这是目前AI算力芯片绕不过的关键,包括英伟达、AMD都在排队等产能,这个队伍甚至排到了2025年。

如果说英伟达凭借H100、B200这些产品卡了算力需求的脖子,那么HBM的产能,则卡住了英伟达们的脖子。

公开信息显示,英伟达几近买空了SK海力士的产能,其最新的B200 GPU,搭载了8颗HBM3e芯片。

借助关键的“杠杆”产品,通过产品换订单,这种捆绑策略也比较常见。比如掌握算力分配权的英伟达,当客户采购H100系列芯片,都会捆绑其他产品,比如L40系列,甚至是网卡、交换机等,而三星当年拿下苹果处理器代工业务,其NAND闪存的供货能力也成为撬动代工订单的重要杠杆。

05 良率是晶圆厂生命线

拥有一个英伟达、AMD这样的巨头客户具有更明显的指向意义,前提是搞定关键的良率。

三星是世界上第一家在3nm导入GAA架构的晶圆代工厂,英特尔则已经晒出可1.4nm(14A)工艺的路线图,前者多次在良率上栽跟头,导致丢掉苹果、高通的订单,3nm甚至被传出了“良率为0”的消息,而英特尔虽然“4年5个制程节点”的计划很宏伟,但缺少量产的验证。

从苹果这样的客户角度出发,最核心的诉求一定是在可预期的良率下,生产出性能符合标准的产品。但搞定良率这件事,从来都不是一帆风顺,台积电也是如此。

研究机构Arete Research高级分析师布雷特·辛普森曾在报告中指出,采用FinFET架构的台积电3nm制程的苹果A17芯片,初期良率在55%左右,每个季度良率可以提高5%左右。如果该数据准确,台积电3nm当前的良率应该接近70%。

看点不仅在于每个季度5%的提升,还在于从55%到70%良率中间的成本,这部分台积电大方的选择了为苹果兜底。

所以说,台积电成功不仅仅体现在制程工艺上,也在于和客户的协同,其支持服务覆盖设计、生产、测试等诸多环节,单就苹果A8这颗芯片,台积电就配备了一支100人规模的One Team支持团队,这等同于帮助客户在设计、研发环节降本增效。

而苹果在台积电的驻厂工厂师更是达到了千人的规模,也正是这种需求和产出,或者说设计、研发与生产的协同,成为台积电高良率的保证。如果三星、英特尔要“抄作业”,这里应该划个重点。

良率是客户的产品需求,也是晶圆代工厂的生命线。

业界普遍认为,晶圆代工的良率达到85%,甚至是90%才能实现盈亏平衡。台积电的3nm正在逐步接近这个指标,但三星3nm的良率还只徘徊在30%-60%之间,距离盈亏平衡线还很遥远。

作为追赶者,抢先推出更先进工艺制程、架构的产品,进而吸引追求“摩尔定律”的客户,是一件合理的事情。不过,抢跑也要承担良率不佳带来的“翻车”风险。

当然也有一种不考虑良率的特殊情况——先进设备和供应链遭遇卡脖子,不得不借助老款设备,通过特殊的技术工艺生产先进制程芯片,比如利用DUV多重曝光来生产7nm、5nm芯片,在这种情况下,有产出的意义要远高于良率这个话题。

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