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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。
