近日,ASML停止向中國出售深紫外線光刻機引發(fā)討論。ASML和臺積電都是芯片制造領(lǐng)域的龍頭企業(yè),而這兩家企業(yè)在近期美國的“邀請”下陸續(xù)進行了站隊。
兩家企業(yè)形成了長期的技術(shù)合作產(chǎn)業(yè)鏈,臺積電采用ASML尖端設(shè)備實現(xiàn)技術(shù)突破,ASML也得到來自臺積電的技術(shù)反饋。ASML和臺積電如何共同掌握先進芯片的命運?日前,日本半導(dǎo)體行業(yè)研究專家湯之上隆針對他們的財報作了分析,并探討了日本半導(dǎo)體設(shè)備制造商的競爭力。
以下是編譯原文《臺積電和ASML,通過共同進化變得強大》。
臺積電全球半導(dǎo)體銷售位居世界第一
美國研究公司Gartner發(fā)布了2022年全球半導(dǎo)體銷售排名前十名的初步數(shù)據(jù)(圖1)。根據(jù)排名,繼2021年之后連續(xù)第二年排名第一的是韓國三星電子(Samsung),第二名是在微型化方面跌跌撞撞的美國英特爾(Intel),第三名是韓國SK海力士(SK Hynix)。
圖1 2022年全球半導(dǎo)體銷售額排名前10名
來源:Gartner(2023年1月17日)公布數(shù)據(jù)
日本企業(yè)繼2021年之后,2022年也沒有一家入圍。此外,排名前十位的??兔绹?a class="article-link" target="_blank" href="/manufacturer/1000151/">英偉達(NVIDIA)名列榜首,而蘋果(Apple)則以自己的方式設(shè)計iPhone處理器,排名第十。
在這里,Gartner的排名中不包括代工廠。另一方面,其他研究公司,如IC Insights,也將代工廠納入其排名中。我寧愿采用IC Insights的方法,因為我想知道臺積電這個中國臺灣代工廠的排名。
因此,我們看了臺積電2022年第四季度(Q4)的業(yè)績公告,這個公告在2023年1月12日發(fā)布。我們發(fā)現(xiàn),臺積電在2022年全年的銷售額為758.8億美元,超過了Gartner排名第一的三星電子的銷售額(655.85億美元)。
在2022年全球半導(dǎo)體銷售排名中,臺積電首次位居世界第一。因此,我們繪制了1年以來主要半導(dǎo)體制造商的銷售額變化圖(圖2)。
圖2 主要半導(dǎo)體制造商的銷售趨勢
來源:Gartner、IC Insights、IHS、電子期刊《半導(dǎo)體數(shù)據(jù)手冊》中的數(shù)據(jù)、媒體技術(shù)提供的數(shù)據(jù)、各公司的IR數(shù)據(jù)等。
臺積電的銷售額在三年內(nèi)增加了一倍多
在以往的全球半導(dǎo)體銷售排名中,英特爾自1992年以來一直占據(jù)著第一的位置。自2011年以來,英特爾排名第一,三星電子排名第二,臺積電排名第三。因此,這三家公司被稱為“三巨頭”(盡管SK Hynix在2018年僅一次超過臺積電,排名第三)。
自2016年以來,內(nèi)存市場發(fā)展迅速(被稱為“超級周期”),三星電子在2018年超越英特爾,躍居榜首。然而,當(dāng)2019年內(nèi)存衰退來襲時,英特爾再次超過三星電子,重新奪回榜首位置。2021年,三星電子以微弱優(yōu)勢領(lǐng)先英特爾,位居第一。
然后,在2022年,隨著新冠肺炎疫情的結(jié)束,個人電腦需求下降,內(nèi)存價格暴跌,英特爾和三星的業(yè)績惡化,而快速增長的臺積電(TSMC)則超越了這兩家公司,自1987年成立以來首次成為世界第一。
盡管如此,臺積電的銷售額增長仍然驚人。2019年的銷售額為346.3億美元,僅僅三年后,2022年的銷售額猛增到758.8億美元,銷售額就猛增了約2.2倍。此外,營業(yè)利潤率高達49.5%。這意味著758.8億美元的收入中,大約一半是利潤。
下面,我們將研究臺積電為什么能取得這樣的增長。
臺積電掌握的EUV技術(shù)在前沿半導(dǎo)體中占主導(dǎo)地位
圖3顯示了臺積電按技術(shù)節(jié)點劃分的季度銷售額。臺積電長期運營其在某一先進技術(shù)節(jié)點設(shè)立的半導(dǎo)體工廠。因此,它全方位地生產(chǎn)從傳統(tǒng)的0.25微米及以上的半導(dǎo)體到最先進的5納米半導(dǎo)體,就像堆砌地層一樣。
圖 3 臺積電按技術(shù)節(jié)點劃分的季度銷售額
來源:作者根據(jù)臺積電的歷史運營數(shù)據(jù)編寫
臺積電在2018年第三季度開始生產(chǎn)7nm尖端半導(dǎo)體。而在2019年,它將世界上第一臺最先進的EUV(極紫外光)光刻設(shè)備應(yīng)用于7nm+的量產(chǎn),這是7nm的改良版。在7nm+中,以孔等圖案為中心,4-5層使用了EUV。此外,臺積電在2020年第三季度推開始量產(chǎn)5nm,該產(chǎn)品也使用EUV進行互連。據(jù)悉,應(yīng)用的EUV層數(shù)已增加到約15層。
EUV是一個非常難以掌握的曝光系統(tǒng),我們聽說臺積電在2018年練習(xí)了約100萬次曝光后,首次將EUV應(yīng)用于孔型的量產(chǎn)。我們還被告知,即使在今天,每個EUV裝置也需要17-18名專門的工程師才能正常運行。
另一方面,正在努力追趕臺積電的三星電子,由于其邏輯代工廠的規(guī)模較小,借用了一條巨大的DRAM生產(chǎn)線,每月練習(xí)EUV曝光達1萬次。然而,由于他們沒有能夠像臺積電那樣進行大量的實踐,所以他們沒有掌握EUV技術(shù),在生產(chǎn)規(guī)模和產(chǎn)量方面無法與臺積電相比。另外,在2021年推出EUV的英特爾還沒有推出其第一款使用EUV的處理器,即“Intel 4”。
顯然,臺積電在使用EUV的7nm以上的尖端半導(dǎo)體方面,尤其是5nm以上的尖端半導(dǎo)體方面,幾乎稱霸全球。因此,蘋果、高通、AMD、博通、英偉達和聯(lián)發(fā)科等無晶圓廠正在競爭臺積電的7nm和5nm先進工藝(雖然處于最佳位置的是臺積電最大的客戶蘋果)。
換句話說,臺積電的驚人增長是由其對EUV的掌握和尖端半導(dǎo)體的大規(guī)模生產(chǎn)所推動的。事實上,即使從季度銷售額來看,臺積電在2019年第三季度之前從未超過100億美元,之后其銷售額激增,在2022年第三季度超過200億美元。
臺積電競爭力的來源是EUV
臺積電的競爭力,使其能夠主導(dǎo)全球尖端半導(dǎo)體的市場份額,并迅速提高其銷售額,其來源可以說是在于其EUV,每臺EUV的成本約為200億日元。每個半導(dǎo)體制造商擁有多少臺EUV?
圖4顯示了臺積電、三星電子和英特爾所擁有的EUV的估計數(shù)量,臺積電的EUV機群每年增加25臺,到2022年底估計將達到100臺。另一方面,三星電子和英特爾預(yù)測在2022年底分別有35和15臺。此外,SK海力士和美光(美國)被認(rèn)為各擁有幾套設(shè)備。因此,臺積電在擁有的EUV設(shè)備數(shù)量上也領(lǐng)先于其他公司。而且這一差距可能會逐年擴大。
臺積電、三星電子和英特爾的EUV持有量(預(yù)測)
來源:作者的預(yù)測
然而,這些半導(dǎo)體制造商希望引入越來越多的EUV。例如,臺積電每年有25臺,但希望每年增加30-40臺,而三星電子想追趕臺積電,希望每年至少推出20臺。
然而,EUV只能由荷蘭光刻設(shè)備制造商ASML生產(chǎn)。那么ASML是從什么時候開始出貨的呢?(圖5)
圖5 ASML的EUV出貨量
資料來源:作者根據(jù)ASML的財務(wù)報告和其他來源的數(shù)據(jù)編寫
ASML在2016年開始出貨量產(chǎn)(產(chǎn)品編號NXE:3300起):2016年5臺,2017年10臺,2018年18臺,2019年26臺,2020年31臺,2021年42臺,2022年略少,有40臺安裝在半導(dǎo)體制造商處 (雖然ASML在2022年出貨了54臺EUV,這可能意味著有14臺EUV還沒有投入使用)。
這里令人驚訝的是,在2022年中期,EUV的訂單積壓(那些已經(jīng)訂購但無法發(fā)貨的訂單)為56臺。而我們被告知,在2022年中期,該訂單積壓超過了100臺。因此,臺積電、三星電子、英特爾、SK海力士和美光都要求ASML出貨越來越多的EUV,盡管它們每臺都要花費200億日元。
臺積電和ASML正在 "共同進化"
當(dāng)我們回過頭來看ASML的EUV出貨量時,我們注意到該公司的財務(wù)報告顯示銷售額快速增長。ASML在曝光系統(tǒng)方面的全球市場份額占主導(dǎo)地位,約為95%。在其曝光系統(tǒng)中,最昂貴的EUV從一開始就賣得很火,所以銷量飆升也不足為奇。
因此,我把臺積電和ASML的銷售額畫在一張圖上(圖6)。正如作者所料,兩家公司的銷售數(shù)字完全同步。
圖6 臺積電和ASML的銷售額(共同發(fā)展)
資料來源:作者根據(jù)ASML的財務(wù)報告和其他來源的數(shù)據(jù)編寫
仔細觀察可以發(fā)現(xiàn),ASML的銷售額激增是從2016年開始的,當(dāng)時它開始批量生產(chǎn)EUV:從2016年的68億歐元,到6年后的2022年,銷售額增加了兩倍多,達到212億歐元。
另一方面,臺積電從2019年開始,當(dāng)EUV應(yīng)用于7納米以上的量產(chǎn)時,銷售額將迅速增加;銷售額從2019年的346.3億美元增加到2022年的758.8億美元,增長2.2倍。
在生物學(xué)中,"共同進化"一詞被用來描述多個密切相關(guān)的物種相互影響的進化。例如,一只蝴蝶為開花植物的花蜜授粉,而不是吸食橈足類開花植物的花蜜。在這種情況下,蝴蝶和被子植物可以說是處于一種 "共同進化 "的關(guān)系。
同樣,ASML提供EUV,臺積電使用EUV來大規(guī)模生產(chǎn)先進的半導(dǎo)體。而臺積電和ASML都看到,隨著與EUV相關(guān)的業(yè)務(wù)遍地開花,他們的銷售額迅速增加。換言之,臺積電和ASML正在 "共同進化"。
過去"共同進化"和"共同倒退"的例子
作者在過去的半導(dǎo)體行業(yè)中發(fā)現(xiàn)了共同進化的例子。這是10多年前,即2010年8月18日,以 "與設(shè)備制造商'共同進化'的日本半導(dǎo)體"為題投稿。
如圖7所示,日本半導(dǎo)體行業(yè)主要使用日本曝光設(shè)備制造商尼康和佳能提供的曝光設(shè)備生產(chǎn)最先進的DRAM,并在1988年占據(jù)了世界半導(dǎo)體市場52%的份額。與日本半導(dǎo)體工業(yè)在全球市場份額的增加相一致,日本制造設(shè)備工業(yè)的份額也在增加,在1990年達到世界市場的48%。換句話說,日本的半導(dǎo)體和制造設(shè)備行業(yè)已經(jīng) "共同進化"了。
圖7:日本半導(dǎo)體和設(shè)備行業(yè)的銷售份額(共同發(fā)展和共同倒退)
資料來源:作者根據(jù)Gartner和IC指導(dǎo)手冊的數(shù)據(jù)編寫
然而,日本的半導(dǎo)體和制造設(shè)備行業(yè)隨后都失去了市場份額。日本的DRAM制造商被三星電子等韓國制造商趕出了市場,除了爾必達(Elpida)一家,其他的都在2000年左右退出了市場。日本的制造設(shè)備制造商,如尼康和佳能,在其業(yè)務(wù)中最優(yōu)先考慮日本的DRAM制造商,所以當(dāng)日本衰落時,他們也遵循同樣的道路。這種現(xiàn)象被作者命名為 "共同倒退"。
由于爾必達在2012年的破產(chǎn),日本不再有單一的DRAM制造商。在曝光系統(tǒng)領(lǐng)域,尼康和佳能在20世紀(jì)90年代分別占有50%和30%的全球市場份額,但到2021年,它們已分別降至2.4%和3.0%(圖8)。
圖8:各公司光刻設(shè)備出貨量和市場份額(-2021年)
資料來源:作者根據(jù)野村證券的數(shù)據(jù)編制
把恐龍帶回日本?
日本的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè),包括DRAM,以及尼康和佳能等曝光設(shè)備制造商,都在競爭中被淘汰。這種情況讓人想起了2.3億年前出現(xiàn)在地球上的恐龍,它們站在生物界食物鏈的頂端,但在6600萬年前的進化過程中滅絕了。
然而,最近很多人都在大聲疾呼 "日本半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)復(fù)興的最后機會"。然而,在我看來,這就像試圖強迫在史前時代滅絕的恐龍在現(xiàn)代復(fù)活,就像電影《侏羅紀(jì)公園》中那樣。
作者:湯之上隆
作者簡介:湯之上隆先生為日本精密加工研究所所長,曾長期在日本制造業(yè)的生產(chǎn)第一線從事半導(dǎo)體研發(fā)工作,2000年獲得京都大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位,之后一直從事和半導(dǎo)體行業(yè)有關(guān)的教學(xué)、研究、顧問及新聞工作者等工作,曾撰寫《日本“半導(dǎo)體”的失敗》、《“電機、半導(dǎo)體”潰敗的教訓(xùn)》、《失去的制造業(yè):日本制造業(yè)的敗北》等著作。