三星主力客户转单：良率的祸 散热的锅

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接二连三的“坏消息”，让三星在2022年初遭遇了显而易见的“倒春寒”。据透露GPU龙头英伟达今年9月即将发布采用5nm制程的RTX 40系列，确定将与台积电合作。而在此前，英伟达RTX 30系列主要采用三星8nm制程生产。此外，传高通还将其4nm AP处理器骁龙8 Gen 1的部分代工订单交给了台积电。

据业界分析，高通转单的关键点在于三星代工的骁龙8Gen1的成品率为35%左右，而台积电的良率则超过 70%以上。此外，三星生产的骁龙8的发热问题也较严重。

两大主力客户的同时“倒戈”，让三星不得不全力“救火”。毕竟，如果不能短时间内挽回“声誉”，影响的不止是眼前的营收和利润表现，未来坐二望一的“梦想”看似也将愈行愈远。

良率的“砝码”

良率之所以成为客户选择代工的重要考量指标之一，主要原因就在于随着集成电路的不断发展，特征尺寸不断缩小，工艺难度急剧增加，成本亦直线上升。

从晶圆厂来看，在7nm的节点建构一个12英寸晶圆的成本约是9300美元，5nm约是17,800美元，而最新的3nm节点将更是高达3万美元。对于设计公司而言同样也是真金白银式的入，据Gartner统计，16nm/14nm芯片的平均IC设计成本约为8000万美元，设计7nm芯片则需要2.71亿美元。

高昂的成本问题注定良率被所有芯片厂商奉为圭臬，毕竟台积电和三星70%和35%的差距意味着设计厂商芯片量产的成本将提升两倍，设计厂商自然会自掂轻重。尤其是面临当前产能紧缺的大环境，芯片设计公司的试错机会减少，只有保持高良率，才能充分利用产能，实现更高的利润转化率。

而良率的影响因素可谓是多方面的。集微咨询高级分析师陈翔提及，影响良率的主要是defect(缺陷）数量、THK（膜厚）、CD（尺寸）是否做到位，晶圆整体的uniformity（平整度，均一度）、应力的方向和大小等多个方面，要获得最大效益肯定是良率越高越好。

以赛亚调研(Isaiah Research)也认为，缺陷密度(Defect Density)跟设备的重复性与再现性(Repeatability and Reproducibility)是几大主要影响良率的原因。所谓缺陷密度指的是制程上的非预期负面因素，像是刮痕、微尘等，缺陷密度越大会使良率越降低；而设备的重复性与再现性不佳的话，芯片在生产的过程中质量就会出现变异，以致良率不稳定。

据了解，仅以光刻机为例，在7nm以下制程，传统的深紫外线DUV将被极紫外光EUV取代，因其使用的光罩数会减少，而且波长较短，解析度将变高，因此良率就会提高，但同时这也意味着代工资本支出大涨。

“一般来说，比较成熟的工艺良率一般都会达到80%以上，先进工艺的良率差异来源于不同Fab厂的工艺技术，要达到同样的良率需要工程师进行大量的机台及制程的调试，由于是纳米级别的制造，整个工艺流程中的任何步骤，包括前面提到影响良率的任何一点差异都会成倍数的放大到最终良率的差异。” 陈翔进一步指出。

这种显性的差距在逐年累积之后，亦让台积电的优势进一步放大。

“台积电时常强调Manufacturing Excellence(卓越制造)，充沛的产能、生产时程管理、迅速量产、稳定高良率、准时交货等都是台积电代工方面的优势。” 以赛亚调研分享了自己的观点：“台积电跟三星最大的差异点在台积电的客户群较多，每个客户不同类型的产品都可以扩宽加深台积电的制程经验，除错跟改善的效率相对三星来得高。”

资深业内人士陶易（化名）也表示，一方面台积电使用FinFET的制程技术成熟，另一方面产能大，所以有大量丰富的经验，良率高也是必然。“从三星、台积电公布的制程各项指标来看，单从晶体管的密度来说，台积电的5nm就已经超越三星的4nm，性能、功耗的表现亦高于三星，因而台积电的4nm良率也必然是超越三星的。” 陶易进一步指出。

这方面设计厂商相对“被动”。一家设计厂商代表直言，对于刚刚投产的先进工艺，一般都是设计大厂采用，但他们对工艺的实际良率也是一知半解，毕竟这个工艺没有经过大规模量产，谁也不知道自己是不是做了“小白鼠”。但因设计大厂对于先进工艺的选择并不多，也只能走一步看一步。

散热惹的“祸”

除良率问题让三星伤“芯”之外，发热也是一个不得不提的“硬伤”。三星生产的骁龙8正是中了“发热”的蛊，导致了高通的转单。

陈翔介绍说，发热问题普遍存在于芯片制造中，解决发热问题也是芯片制造的一大难点，而从设计到制造工艺都会影响到发热，工艺中Defect变多，某一层THK超出一定范围以及制程中温度和湿度的控制，都会影响最终芯片的性能。而改善电路设计、工艺流程，则都可以改善发热的问题。

不止如此，散热好意味着频率可大幅提高，运算速率、功耗也都同步提升，芯片的各项性能与散热不佳的对比来看，可谓高下立判，客户自然会“投其所好”。

目前三星代工导致芯片发热问题出在哪一步尚不太清楚。陈翔提到，面对这一问题，Fab厂的工程师会通过WAT测试（电路的测试，一般由Fab厂内进行，不公布）以及良率的测试结果进行分析，定位到工艺中的某一步进行改善。

其实细究起来，发热一直是困扰三星已久的问题，只是这一次得到了集中式“爆发”。

陶易分析，一方面，由于芯片越来越小，晶体管数量不断增加，芯片的发热量也随之增加，以3D IC来说，芯片散热只能靠上下散，中间没法散热，所以代工厂必须研究其他方法让中间的热也散掉。另一方面，随着制程缩小，除了先进制程的间距要缩小之外，后段制程的金属间距也要缩小，台积电不是只有前段强、后段封装也强。三星似乎一直有散热的问题，这两年的解决方案没有提升太多，而台积电的散热做得比较好，目前也在研究水冷散热的技术。

有机会“反转”？

看似三星在4nm的对决中失了先手，但这一场“落败”并不意味着三星没有机会“反转”，毕竟先进工艺的战役是由多场战斗组成的。

但就目前来看，台积电仍是实力担当。业界知名专家莫大康指出，除了良率、产能之外，要有第三方IP支持、封装强、Time to Market早、未来有合作前景等都要考量,相较之下，无论是规模、产能、市场占比还是产品质量，台积电均更胜一筹。

除了英伟达、高通转场之外，近日还有消息称，台积电凭借在先进制程方面的优势挤下三星，拿下苹果5G相关的射频芯片订单，最快有望应用于今年推出的新一代iPhone 14。

对此以赛亚调研认为，以先进制程来看，台积电的晶圆代工技术领先全球，无疑是苹果的最佳代工伙伴。此外，台积电每推进一代制程技术，苹果即以大量订单协助提升良率，两者向来是相辅相成的关系，因此双方合作仅会越来越密切，未来亦可能从手机主芯片横跨到射频与数据芯片领域。

但饶是如此，对于三星未来是否仍有替苹果代工的机会的问题，以赛亚调研亦谨慎表示，以先进制程来看，三星相比台积电的产能跟良率都尚待提升，但不可否认的是三星在先进制程的研发投入相当多资源，亦有许多经验的技术人才，因此未来是否有破土重生的机会仍须观望。

3nm挑战“重重”

可以说，在4nm领域频受打击的三星，“翻身仗”或依仗即将量产的3nm，不仅三星的时间点要领先台积电，还率先采用了GAA，但显然双方均面临层出不穷的挑战。

有消息称，三星3nm GAA量产又遇瓶颈，缺乏IP库。据元大证券韩国公司透露，截止到2020年，台积电已获得约3.5万-3.7万个IP，是10年前的10倍以上。相比之下，三星代工可能拥有约7000-1万个IP。

在此前的报道中，曾有专家分析，作为一个代工厂，需要建立不同的工艺平台，同时在每个工艺平台提供PDK和IP库，从Library到I/O到接口IP到存储器、CPU等，以方便客户的电路设计、仿真以及版图设计，这种平台的建立是绝非一夕之功的。由此看来，这方面的“营养”三星仍需着力“补给”。

但台积电也同样波折，据报道说台积电3nm备妥多个方案在不断修正，但良率等整体效能提升进度仍低于预期。

狭路相逢真的会是勇者胜吗？莫大康认为不一定：

一方面，3nm不顺是在意料之中，摩尔定律已接近走到终点。随着工艺制程缩小，即使光刻、刻蚀能成功，但许多不可预测的缺陷包括问题会不时跳出来，因此出现波折太正常。

另一方面，台积电的生态链成熟及完整，如第三方IP、封装强、EUV机台多，经验丰富，没有采用GAA工艺或许是优势。而且三星在全球首次采用GAA技术开发3nm，新的架构出现工艺不顺太正常不过。但这也反映三星求胜心切，未必能得偿所愿，而台积电已居于首位没有必要冒险。

而从更深层次来看，3nm之战或只是2nm终极之战的前奏。陶易对此直言，或许三星与台积电的竞争还不在3nm，三星提前开发基于GAA的3nm制程，或有机会比台积电累积更多经验，但也要看有没有客户愿意用，或者敢用。到了2nm节点，台积电也将转向GAA，这两大竞争对手的下一个巅峰对决或是2nm。

无论如何，三星目前仍要集中“火力”以跨过这一难关。有报道称，三星代工芯片制造业务部门目前正在与客户一起进行产品设计和批量生产的质量测试，该业务部门的目标是击败竞争对手台积电。然而，三星能否在3nm的性能和产能上能否真正“一战而定乾坤”，仍未可知。（校对|李延）

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