芯片江湖没有永远的老大

本文来自微信公众号：芯东西 （ID：aichip001），作者：高歌，编辑：Panken，头图来自：视觉中国

近日，据半导体分析机构IC Insights预测，2022年半导体行业资本支出将达到1904亿美元的历史新高，比三年前增长了86%。其中台积电、三星、英特尔预计的资本支出分别将达到420亿美元、379亿美元和270亿美元，三大巨头占据了超过50%的资金支出。

而在2020年，台积电资本支出仅为170亿美元，三星的半导体支出则是32.9万亿韩元（约合264亿美元），双方资本支出涨幅惊人。

此外，去年2月英特尔宣布“IDM 2.0”战略，计划重新成为全球芯片制造第一，其英特尔代工服务（IFS）吸引了亚马逊、高通等客户，加入先进制程市场争夺。

先进制程研发进度上，台积电、三星双方都宣称会在今年实现3nm的量产；英特尔的Intel 4工艺将在今年下半年就绪，还计划在2024年下半年完成18A工艺。

从台积电开创晶圆代工模式至今，全球芯片半导体产业在垂直分工合作模式下高速发展，晶圆代工业也历经几番风云变幻。

如今，新的战火正在愈燃愈旺，随着英特尔再度拾起代工大业，晶圆代工江湖或将被三大顶尖芯片制造巨头重新划分地盘。

一、英特尔称霸制程马拉松前半，经济学维度摩尔定律已经失效

说起先进制程，就必须提到英特尔创始人之一的戈登·摩尔，他于1965年提出了一个延续至今的“摩尔定律”。摩尔定律为：集成电路上所集成的晶体管密度，每隔18-24个月就翻一番。

为了更直观地体现集成电路性能的提升，半导体行业以晶体管的线宽（制程）来形容制造工艺的先进程度。如今，无论是晶体管线宽还是栅极长度的缩小难以跟上几何级缩小，芯片制程所代表的已非芯片内具体的物理特性，而是性能的大致体现。

摩尔定律除了是一个技术预言外，还有一个经济学的维度，它意味着用一美元所能买到的晶体管数量，每隔18个月翻两番。

▲摩尔定律的经济规律（图片来源：中国360度透视讲座，黄节PPT）

摩尔定律的经济学维度是如今各类电子设备越来越便宜的原因，如果汽车工业也遵循摩尔定律，如今1美分就可以买到兰博基尼跑车。

但对于半导体行业内的玩家来说，摩尔定律的经济维度背后却是一场数十年的马拉松。

为了满足摩尔定律，半导体厂商必须每18个月提升一倍晶体管密度。对半导体制造来说，这意味着厂商们必须马不停蹄地完成设计、产线、系统产品的迭代和良率调教，并从现有制程中获得足够推进到下一制程的利润。

芯片制造厂商如果从这一竞赛中掉队，就意味着自身与市场上的顶尖公司出现代差，而无法获得先进制程带来的晶体管成本优势和市场定价权，从而落后于竞争对手。

随着摩尔定律的门槛越来越高，先进制程的研发、产线的建设支出成本越来越高，经济维度的摩尔定律已经失效。IBS数据显示，最先进的3nm工艺开发将耗资40亿至50亿美元，而兴建一条3nm产线的成本约为150亿-200亿美元。从整个芯片制造行业来看，能够跟上先进制程发展的公司越来越少，只有寥寥数家能够跟上这场马拉松。

作为摩尔定律的开创者，英特尔直到2014年都一直领跑半导体行业。英特尔如今最大的竞争对手，则是成立于1987年的台积电，这家公司用一种新的商业模式，改变了整个半导体行业的格局。

二、台积电创建代工模式，三大巨头聚首芯片制造

在台积电之前，绝大多数半导体公司都是所谓的IDM厂商，即自己负责从设计、生产到封装所有环节，英特尔、AMD、IBM、德州仪器等都是这样，著名的摩托罗拉也是当时最大的半导体公司之一，甚至福特汽车都有自己的半导体厂。

这样的经营模式虽然能够让公司掌握自身的生产供应，但却要背负一个半导体工厂，对于创企的生存和发展十分不利。这种情况从60年代开始发生改变，由于美国等地的人力成本提升，半导体产业链出现分工，封测等劳动力密集的环节向东南亚地区转移。

▲半导体产业的逐步分化（图片来源：中国360度透视讲座，黄节PPT）

1987年，张忠谋创建台积电，开辟晶圆代工模式。张忠谋曾工作于美国模拟芯片巨头德州仪器（TI），作为德州仪器的第一个华裔员工，他在德州仪器时最高任资深副总裁，是德州仪器的第三号人物。

作为少有的华人高管，张忠谋无论在技术还是商业上都有着独到之处。在技术上，张忠谋将德州仪器为IBM代工的电晶体良率从2%-3%提升至20%以上，甚至超过了IBM自有的产线。而在商业上，其通过毫不留情的降价策略，成功在当时将英特尔逼出了TTL市场。

▲当时媒体报道张忠谋的报纸（图片来源：中国台湾玉山科技协会20周年庆祝大会暨论坛，张忠谋PPT）

根据张忠谋的说法，1984年，他任通用仪器的总裁，一位资深行业人士想要创业成立一家半导体公司，就找到张忠谋希望获得5000万美元的投资。3周后，张忠谋再给他打电话，发现他只专注芯片设计，不建半导体工厂，用自己积蓄的500万美元就成功创业，不再需要投资。

这是张忠谋首次听说有专门做芯片设计的公司，既然有专门做设计的公司，就可以有专门做晶圆制造的公司。他这个想法最终成就了如今的晶圆制造霸主台积电。

这种代工模式推出之初并不被看好，英特尔等公司拒绝投资，张忠谋只是通过关系拿到了英特尔的一些订单勉强生存。

尽管诞生艰难，在半导体全球化的背景下，这种代工模式渐渐体现出了优越性。对于当时占据市场优势的美国半导体公司，它们可以实现轻资产的运营方式，减少自身资本支出，并获得专业芯片制造企业的工艺优势。

对于芯片代工企业来说，其自身的产线不用再跟随产品的迭代不断迁移，在一个较为通用的制程中可以持续生产，维持并改进自身的良率，从芯片制造环节获得更多的利润。

对于电子产业的下游系统厂商，它们创建时不用再考虑背负一个半导体工厂，可以灵活地选用不同的代工厂商。

此后，联电转为纯代工厂；AMD的半导体制造业务被中东阿布扎比财团买下，成为了现在的格芯；2005年，已成为存储芯片霸主的三星也和IBM、特许半导体结盟，进入晶圆代工领域，代工江湖格局初定。

2019年，北京兰璞资本创始合伙人、前英特尔中国区董事总经理黄节在中国360度透视讲座上评价道，这种晶圆代工的模式帮助塑造了如今华为、中兴等后来创建的企业，改变了全球电子产业的格局，是一个革命性的变化。

▲格芯全球各地的晶圆厂（图片来源：格芯官网）

三、三星、台积电争夺苹果订单，英特尔代工业务首登场

2005年11月，三星在进入晶圆代工市场后，宣布了其第一个主要代工客户：高通。

2006年3月，前特许半导体的Molnar Hunter加入三星任技术副总裁，他负责三星的代工业务。1个月后，三星宣布在美国德州奥斯汀建设Fab A2，并新增加一条300mm产线。

▲苹果2007年-2009年四款芯片参数（图片来源：知乎用户智晓生）

在三星代工部门成立初期，除了高通，苹果也是三星的主要客户。2007年，苹果的第一款智能手机芯片APL0098由三星代工部门基于90nm工艺代工，被用于iPhone 3G以及一代iPod touch上。

之后苹果APL0278、APL0298和APL2298三款芯片分别基于三星的65nm、65nm和45nm工艺，被用于二代iPod touch、iPhone 3GS、iPhone 3GS及三代iPod touch上。

2008年，苹果收购了芯片制造商PA Semi，并把IBM的CPU设计经理约翰尼·斯鲁吉（Johny Srouji）挖了过来。2年后，苹果基于三星代号“蜂鸟”3PC110设计出了A系列的第一颗SoC：A4，同样由三星代工。

在双方合作的蜜月期，苹果不仅是三星的代工大客户，同时还是其内存芯片和显示屏的大客户。但作为两大电子巨头，双方的蜜月期并不长久。

2010年，三星推出了第一代Galaxy手机Galaxy S，其外形和iPhone十分类似。而在2008～2011年，三星智能手机全球份额增长了6倍、2011年达到了19.1%成为全球第一，智能手机的开创者苹果却以19%的份额居于第二。

自己的供应商抄自己的外形，手机还比自己卖得好？2011年，苹果把三星告上了法庭，称三星抄袭了自家产品的外观、风格等。2012年，美国加州地方法院判决三星侵权成立，在后续的扯皮中这场官司一直打到了2018年。

▲三星Galaxy S手机（左），苹果iPhone 4（右）

值得注意的是，在这场官司期间，苹果的A5、A5X、A6、A7芯片还是只能由三星来代工。为了避免对三星供应的依赖，苹果开始接触台积电。

据悉2010年，时任苹果运营副总裁Jeff Williams赴台与台积电前任董事长张忠谋及其夫人共进晚餐，在晚餐中双方谈论了一起合作的可能性。2011年，台积电2011年底派出近百人的“One Team”奔赴美国苹果总部，解决了A6芯片的设计问题，并帮助苹果处理了专利认证问题。

2013年，苹果向三星和台积电双方都下达了用于iPhone 6的A8芯片订单。最终，台积电完美实现了苹果的要求，其产品被Jeff Williams称为“Perfect（完美）”。而在之后用于iPhone 6s和iPhone 6s Plus的A9芯片中，三星更先进的14nm制程在功耗和能耗中输给了台积电。

因此A9之后，每一代苹果芯片订单都被台积电所拿下，苹果、台积电联盟就此成立。

▲苹果A9芯片在手机中的示意图

这一场三星、苹果和台积电三家厂商的故事由于太过精彩，被外媒形容为“看一部标准三角恋意大利歌剧”。

在三星和台积电暗中争夺苹果这个大客户时，英特尔也在暗自筹备代工业务。

2010年11月，英特尔公布了其首个芯片代工用户美国FPGA创企Achronix Semiconductor。根据双方协议，英特尔将为Achronix Semiconductor生产22nm的FPGA。之后，又一家美国FPGA创企Netronome成为英特尔22nm制程的客户。

制程工艺上，英特尔继续发力。

2011年，英特尔量产了全球第一个3D栅极晶体管，将芯片制程推进到32nm，领先于台积电和三星。黄节透露，彼时，英特尔根据死亡谷理论，认为只有营收破百亿美元的公司才能赶上自己的步伐，而台积电在营收和净利上都有所不足，三星只能说有能够追赶英特尔的可能。

2013年，英特尔代工业务迎来重要突破，FPGA芯片巨头Altera和英特尔达成14nm的代工协议。

Altera成立于1984年，当时其年销售额达40亿-50亿美元，是台积电的前五大客户，Altera和台积电的合作时间已持续了20年之久。

当时台积电的举动也能够说明Altera的重要性。据台媒报道，在英特尔与Altera宣布合作时，中国台湾地区为凌晨5点。英特尔和Altera的合作宣布后不到五分钟，台积电就发布了主题为台积电与Altera合作关系不变的新闻稿。张忠谋也称：“倘若没有Altera如此优异的客户作为伙伴，就无法成就台积电今日的地位。”

据业内人士透露，这是因为台积电给予了另一家FPGA巨头赛灵思同样的合作地位，使得Altera和台积电的关系恶化。2015年12月，英特尔以167亿美元的高价收购了Altera公司，成为了其公司历史上的最大交易。

一时间，英特尔在代工业务和芯片制程上风光无限，领跑半导体行业。

好景不长，虽然格芯、联电等晶圆代工厂商先后宣布暂缓10nm及以下工艺研发，但据传由于率先采用不成熟的EUV（极紫外）光刻技术，英特尔同样在10nm节点出现停滞，其产品良率也出现问题，难以实际应用。

2016年10月，三星率先宣布将在批量生产业界首款10nm FinFET工艺的芯片，抢下高通骁龙835订单，顺利量产。2017年，三星将晶圆代工业务部门独立为一家纯晶圆代工企业，并计划在未来5年内取得芯片代工市场25%的份额。

2018年，英特尔宣布关闭代工业务。业内专家分析称，在代工业务上，生态是最关键的因素，英特尔对于自身时间、资金的投入以及客户亲密关系的建立预估不足，低估了代工业务开展的难度。台积电和三星之间的竞争，重新成为了代工江湖的主流。

四、三星正陷入良率陷阱，英特尔誓要重夺龙头地位

为了尽快抢先推出新的制程，新的技术被不断推出并采用，其中最典型的例子就是EUV（极紫外）光刻机。不过有时，新的技术反而会影响玩家的产品性能和良率。

2019年，为了完成7nm制程，三星积极地采用了新的EUV光刻机，但是良率和进度都落后于台积电。相比之下，台积电2018年量产的7nm制程并没有采用EUV光刻机，而是同样在2019年推出了采用EUV光刻技术的N7+工艺。

由于先进制程芯片的设计难度提升，其流片所需要投入的成本开始只有少数厂商能够承担。因此在苹果和台积电密切合作后，智能手机安卓阵营的芯片龙头高通就成为了台积电、三星争夺的焦点。

一段时间里，高通的反复横跳侧面证明了台积电、三星的竞争烈度。具体来说，高通骁龙855选择了台积电的7nm工艺，但据称由于代工价格等因素，之后的骁龙865、875、888和888+、骁龙8等旗舰芯片又采用了三星的7nm、5nm和4nm工艺。

▲高通骁龙888和888+的参数（图片来源：AnandTech）

据台媒报道，高通计划将下一代3nm处理器的订单交给全球晶圆代工龙头台积电，而目前正由三星代工的4nm骁龙8处理器订单也将转移到台积电。近日，韩媒也爆料称，由于自身的散热和良率问题，三星正进行内部审查。

重要客户高通再次转向台积电，对于正陷入良率问题的三星来说，可能是一个危险的信号。

同时，由于疫情和地缘政治等因素，全球发生缺芯问题，半导体市场快速扩张，制造端话语权不断变大，英特尔也重新杀回了代工江湖。

去年2月，英特尔的新任CEO基辛格上任后，宣布“IDM 2.0”战略，借助缺芯东风，在欧美大肆圈地建厂。

今年1月份，英特尔宣布在美国俄亥俄州投资200亿美元建设两座新的晶圆厂，计划于2025年投产，且未来的投资金额可能增至1000亿美元。之后，英特尔又启动了10亿美元的基金以发展代工厂创新生态系统，并正式推出了IFS（英特尔代工服务）加速器这一生态系统联盟，为其代工服务建立上游的开放、合作生态。

▲英特尔收购高塔半导体后的代工服务与制程路线图（图片来源：英特尔2022年投资者大会）

今年2月，英特尔又宣布以54亿美元收购全球第九大晶圆代工厂商高塔半导体（Tower semiconductor），展现了英特尔在代工领域的决心。更有外媒透露，英特尔将开放x86架构授权，以吸引客户采用其代工服务。

三星、台积电同样动作频频，分别在先进封装和人才大力投资。

3月13日，据韩媒报道，三星电子在DS（半导体事业暨装置解决方案）事业部内新设立了测试与封装中心（TP） ，加大先进封装上的投资，和台积电进行竞争。

台积电则开始大力招募人才，解决芯片人才荒问题。台媒披露，台积电新一轮校招活动已启动，计划今年招聘超过8000名新员工。其中，硕士毕业生入职工程师的平均年薪可达200万新台币（约合45万人民币）。

台积电、三星、英特尔三大巨头即将重新会首代工江湖。

五、结语：三星/英特尔/台积电加大投资力度，先进制程竞争进入白热化

随着英特尔宣布在开放x86架构、构建生态系统联盟、更新多个业务的产品路线图等动作，其希望重新获得芯片制造领域的龙头地位。而三星的良率问题正在成为阻碍大客户加入的关键，高通、英伟达等重要客户的订单网传要重回台积电。

在摩尔定律放缓、美欧日韩中多国大力保障自身供应链安全的今天，先进制程代工江湖的划分，决定了谁能够在未来供应链中掌握主动权。同时，先进制程的研发和产线投入正越来越大，在数以百亿美元的投入后，三星、英特尔、台积电等厂商不会放弃占据代工行业龙头的可能，先进制程竞争正进入白热化。

本文来自微信公众号：芯东西 （ID：aichip001），作者：高歌，编辑：Panken