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成本太高,台积电也撑不住

成本太高,台积电也撑不住

6月前


导语

面对三星4nm和3nm制程工艺水平、良率的提升,以及价格优势,台积电必须在成本控制上多做些文章,否则毛利率会明显下滑。

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来源:半导体产业纵横(ID:ICViews)

作者:畅秋


4月下旬,台积电发布了一种新版本4nm制程工艺——N4C,计划在2025年上线量产。这款工艺产品的核心价值是降低了成本。

虽然台积电的大部分精力都集中在其领先的制程节点上,如N3E和N2,但在未来几年,大量芯片仍将继续使用5nm和4nm制程。N4C属于该公司5nm制程系列,为了进一步降低制造成本,N4C进行了一些修改,包括重新构建其标准单元和SRAM,更改一些设计规则,以及减少掩膜层数量。

通过以上改进措施,N4C能实现更小的芯片尺寸并降低生产复杂性,从而将芯片成本降低8.5%左右。此外,N4C具有与N4P相同的晶圆级缺陷密度率,由于芯片面积减小,N4C将实现更高的良率,良率提高,就意味着成本下降。

台积电表示,N4C为客户提供了多种选择,以在成本效益和设计工作量之间找到更好的平衡。
 
2023下半年,台积电为客户量产了3nm制程芯片,版本是N3B,它的高成本是一个问题,在进一步优化3nm工艺,以降低成本的同时,台积电又推出了N4C,充分体现出那些希望使用更具成本效益的FinFET制程节点客户的心声。

随着先进制程工艺发展到3nm,在成本压力面前,强如台积电这样的晶圆代工大厂也不得不想办法节流,以节约资本支出。

01
财报与资本支出体现成本压力

台积电2023年第三季度的财报显示,季度营收172.8亿美金,环比增加10.2%,但同比下降14.6%。由于整体营收增长情况不佳,台积电明显收缩了最近3年持续高企的资本支出。

2024年4月18日,台积电发布了2024年第一季度财报,其中,最受关注的两项数据是营收和毛利率。在这一季度内,该公司单片晶圆(等效12英寸)收入约为6228美元,环比下降407美元。进入一季度,3nm出货量下降,拉低了产品均价。

该季度内,台积电平均固定成本(折旧摊销)约为1671美元/片,环比增加73美元/片,3nm的量产带动折旧摊销总量提升,从而带动单位固定成本增加。平均可变成本(其它制造费用)约为1252美元/片,环比下降266美元/片。

综上,单片毛利为3305美元,环比下降214美元,单位价格减少了407美元,单位成本减少了193美元。

虽然3nm的量产能带动该公司出货均价提升(提升至6000美元以上),对毛利率有正向作用,但同时,成本端的增加影响了毛利率。结合该公司对下季度的毛利率指引(51%-53%)来看,其毛利率仍将继续在低位徘徊。另外,二季度电力成本的增加,也将对该公司毛利率产生影响。

从以上财报数据可以看出,台积电面对着较大的成本压力,必须想办法降低成本。

进入2024年以后,传台积电将在原计划的基础上增加全年的资本支出(原计划280亿~320亿美元),但一季度财报发布会上,该公司表示,将维持原来的资本支出计划不变。这是台积电对全年市况研判,以及成本控制需求综合考量的结果。

不久前,EUV光刻机龙头ASML发布了2024年第一季度财报,营收为52.9亿欧元,低于市场预期(54.7亿欧元)。本季度收入下滑,很重要的一个原因是台积电及韩国客户拉货明显放缓了。EUV和ArFi是该公司的主要收入来源,约占据其收入的70%。本季度收入的同比下滑,主要是客户对EUV等产品的拉货放缓造成的。

整体来看,ASML的财报不太理想,收入和利润都出现明显下滑。

作为大客户,台积电对EUV设备需求的减少,直接导致ASML营收下滑。这也从一个侧面体现出台积电对成本控制的考量。为了解决成本,台积电将工作重心放在了先进封装方面,因为它既能满足客户对先进制程芯片的订单需求,同时还可以节约成本,相对而言,台积电对EUV光刻系统的需求减弱了。

02
更先进制程的高成本

4nm和3nm是已经量产的制程,成本已经如此之高,正在准备量产的2nm制程成本会更高。

International Business Strategies(IBS)的分析师认为,与3nm处理器相比,2nm芯片成本将增长约50%。

IBS估计,一个产能约为每月50000片晶圆(WSPM)的2nm产线的成本约为280亿美元,而具有类似产能的3nm产线的成本约为200亿美元。增加的成本,很大一部分来自于EUV光刻设备数量的增加,这将大大增加每片晶圆和每个芯片的生产成本,而能够接受如此高成本芯片的厂商,只有苹果、AMD、英伟达和高通等少数几家。

IBS估计,2025~2026年,使用台积电N2工艺加工单个12英寸晶圆将花费苹果约30000美元,而基于N3工艺的晶圆成本约为20000美元。

随着对AI处理器需求的增加,英伟达在台积电收入中的份额可能会在2024年增加,该公司已经预订了台积电晶圆代工和CoWoS封装产能,以确保其用于AI的优质处理器的稳定供应。今年,AMD在台积电总营收中的份额有望超过10%。

正是有苹果、英伟达、AMD等大客户下单,台积电才会大规模投资最先进制程,否则,像3nm和2nm这样烧钱的制程产线,是很难持续支撑下去的。但是,就目前的情况来看,台积电对2024全年的晶圆代工市场预判较为保守,认为之前的预估过于乐观了(之前预估该行业年增长20%左右),现在看来,增长率可能只有10%左右。在这种情况下,虽然有大客户的订单,也必须控制一下成本和资本支出了。

03
三星从台积电的高成本中获益

作为台积电的最大竞争对手,三星很难在原有的竞争体系中实现突破,然而,这两家在美国大规模建厂的举动,给三星提供了机会,因为与中国台湾地区相比,台积电在美国制造的4nm和5nm制程芯片的成本至少高出20%~30%。

据悉,台积电已经开始与客户讨论美国新建晶圆厂芯片订单并协商新定价。

台积电在日本熊本也在建晶圆厂,将在那里生产12nm、16nm、22nm和28nm芯片。据报道,台积电日本工厂生产的芯片成本将高出10%~15%。

以上这些消息对三星晶圆代工业务来说可能是一件好事,因为它可以以低于台积电的价格提供相同制程芯片的代工服务,有望从台积电那里抢走一些客户订单。

有消息称,三星已经接到AMD和谷歌的4nm芯片订单,AMD的下一代CPU和GPU产品,以及谷歌的Tensor G3,可以使用三星改进版本的4nm工艺制造,可实现更好的能效和性能。

2023年,三星和Ambarella达成协议,代工生产后者用于处理L2~L4级自动驾驶数据的CV3-AD685芯片。此外,三星还赢得了Mobileye的ADAS芯片生产订单,先前,Mobileye是在台积电那里下单的。

还有媒体报道称,三星将再分食特斯拉下一代全自动辅助驾驶(FSD)芯片大单,据悉,下一代FSD芯片将采用三星的4nm制程生产。

前些年,三星是特斯拉较早版本FSD芯片的代工厂,后来,特斯拉选择台积电作为生产HW 5.0汽车芯片的主要合作伙伴,因为那时三星的4nm制程良率落后台积电太多。产业观察人士指出,近一年来,三星4nm良率大幅提升,与台积电的区别不大了,成为争取特斯拉订单回笼的关键。

2023年5月,三星执行董事长李在镕和特斯拉CEO马斯克会面,讨论强化科技联盟的方式时,便开始酝酿改变。产业人士透露,李在镕在会议中,向马斯克提出了难以拒绝的优惠合约价格。

面对三星4nm和3nm制程工艺水平、良率的提升,以及价格优势,台积电必须在成本控制上多做些文章,否则毛利率会明显下滑。

04
挖掘先进封装潜力

进入2024年以来,由于iPhone订单明显减少,使得台积电的4nm制程产能利用率只有70%左右。

现在,4nm制程之所以填不满,并非没有订单,而是因为受限于先进封装CoWoS产能。

作为AI芯片大户,英伟达的新一代GPU B200的芯片尺寸比H100大一倍,将会消耗大量的晶圆产能,假如封装产能(CoWoS)能同步跟上的话,就有机会把台积电4nm的产能拉满。

台积电AI占比能不能快速升高,是否上调资本支出,决定因子并非先进制程的比重,而是与CoWoS封装的产能规划紧密相关。

行业预估,台积电2024年的芯片产能将达到32万片,2025年原本预估为45万片,现在外资已经上调到60万片/年,上调幅度超过30%。

可见,先进封装的地位明显提升,已经和4nm、3nm这些先进制程并驾齐驱了。

除了5nm以下先进制程芯片需要CoWoS这类先进封装外,从成本角度考量,相对于传统封装,3D封装技术搭配先进制程,是可以降低总体成本的,特别是对台积电和三星这种量级的晶圆代工来说,将Chiplet(小芯片)和3D封装相结合,将成为一种成本较低的解决方案。

目前,AI大芯片多由台积电代工生产,而从未来的发展态势来看,AI芯片的晶体管数量会不断增加,由于是用于数据中心和云计算,对尺寸要求不高,因此,未来的AI芯片很可能会越来越大。

台积电正在通过CoWoS封装技术,开发比AMD的Instinct MI300X和英伟达B200面积更大的AI芯片,封装面积达到120mm x120mm。

这里简单介绍一下CoWoS(Chip On Wafer On Substrate),它是台积电的一种2.5D封装技术,由CoW和oS组合而来。

先将芯片通过Chip on Wafer(CoW)的封装制程连接至硅晶圆,再把CoW芯片与基板(Substrate)连接,整合成CoWoS。该技术的核心是将不同的芯片堆叠在同一片硅中介层,以实现多颗芯片互联。在硅中介层中,台积电使用微凸块(μBmps)、硅通孔(TSV)等技术,代替传统引线键合,用于裸片间连接,大大提高了互联密度和数据传输带宽。

根据采用的不同中介层,台积电把CoWoS封装技术分为3种类型:CoWoS-S(Silicon Interposer)、CoWoS-R(RDL Interposer)和CoWoS-L(Local Silicon Interconnect and RDL Interposer)。
台积电的竞争对手三星也在开发先进封装技术。

为了与台积电争夺AI大芯片订单,三星推出了FO-PLP先进封装技术,以吸引客户。

三星DS部门先进封装(AVP)团队正在研究将FO-PLP技术用于2.5D封装,可将SoC和HBM整合到硅中介层,构成完整芯片。

与CoWoS不同的是,FO-PLP 2.5D是在方形基板上封装,CoWoS 2.5D采用的是圆形基板,FO-PLP不会有边缘基板损耗问题,有较高生产率,但因要将芯片由晶圆移植到方形基板上,作业程序较复杂。

若FO-PLP成功,三星就能将其晶圆代工和存储器业务有机整合,可以为AI芯片客户(如英伟达和AMD)提供一站式解决方案。如果能成真的话,三星将能提供有别于台积电的差异化服务,为其争夺订单增加筹码。

除了2.5D,三星也在开发3D封装技术。据悉,该公司将使用 SAINT 技术(三星先进互连技术),以更小的尺寸集成高性能芯片所需的内存和处理器。

知情人士表示,三星计划推出三种SAINT技术:SAINT S,垂直堆叠SRAM芯片和CPU;SAINT D,用于CPU、GPU等处理器和DRAM的垂直封装;SAINT L,堆叠应用处理器。

据悉,SAINT S方案已经通过了验证测试,消息人士称,三星与客户进行进一步测试后,将于明年推出商业服务。

05
结语

先进制程节点已经发展到了3nm阶段,2nm也将于2025年量产。这么先进的制程技术,对设备、厂房、电力、技术人员的要求很高,花费的资金不是一般晶圆厂能够承受的,相关的芯片代工价格也不是一般IC设计公司能够支付的。而且,随着制程进一步演进,未来的1nm及以下更先进制程的成本将高得吓人。

目前来看,这样的高成本,就算是在最先进制程工艺市场难求一败的台积电也无法完全承受,需要采取一些措施来降低成本。同时,三星的先进制程工艺与台积电之间的差距越来越小,再加上其成本优势,台积电的压力不小,三星也有了赢得更多订单的机会。

随着英特尔的加入,并不断提升其晶圆代工市场影响力,将会给台积电带来更多压力,如果不控制好成本,市占率和毛利率难以长期保持目前的水平。



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来源:行业研究报告

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