台积电，强者的烦恼
本文来自微信公众号：远川研究所 （ID：caijingyanjiu），作者：刘芮，编辑：李墨天，原文标题：《台积电的烦恼》，题图来自：视觉中国
6月30日，三星官方宣布3nm制程量产。
随着芯片代工制程推进，英特尔刚在14nm挤完牙膏，台联电和格芯干脆放弃了10nm以下制程，中芯国际短期追赶无望，三星和台积电已然成为全村的希望。
不过仔细观察两个头号玩家，看技术同属第一梯队，看收入实则相去甚远。
在代表先进制程的5~10nm工艺上，台积电一个人拿走了全行业近九成的营收，三星则是先失去了苹果这个大客户，又因为5nm良率问题吓跑了高通和英伟达，期间还因为日本断供光刻胶，打乱了生产节奏。
因此在台积电宣布“下半年量产3nm”的情况下，三星赶在上半年最后一天“PPT首发”，更像是一次会计学的胜利，意在稳住潜在客户。
另一个例子是，台积电在3nm制程沿用了成熟的FinFET工艺，三星则非常激进地采用了纸面参数更好、但良率提升更慢的GAA工艺，颇有放手一搏的意味。
三星流年不利，台积电的处境就好吗？恐怕也未必。
砍单：先进制程的冬天
芯片代工是一个捆绑在摩尔定律车轮上滚滚向前的游戏。
所谓摩尔定律，即“集成电路上可容纳的元器件的数量每隔18至24个月就会增加一倍（相应的芯片制程也会不断缩小）”。芯片代工的本质，就是赶在对手之前达到摩尔定律的工艺节点，在对手追上自己之前赚个差价。
但这个差价实在是太过丰厚了，举例而言，台积电3nm量产在即，中芯国际目前还停留在14nm，营收占比也很小。前者去年的净利润是后者的10倍，市值是后者的26.5倍。
站在有利的位置上，众星捧月的台积电还能赚很长时间的差价。但另一方面，芯片代工厂和消费电子公司，其实是唇齿相依的关系。
一座12寸晶圆厂造价高达30亿美元，台积电每年买设备、建产线的资本开支高达数百亿美元。为这些成本买单的，其实是苹果、英伟达、AMD这些顶级芯片设计公司的订单，也是iPhone、RTX显卡和Ryzen处理器庞大的出货量。
换句话说，台积电再厉害，终究是个乙方。所以，当下游的终端厂商开始过苦日子，作为上游的台积电，日子也不会好到哪去。
这也是今年的消费电子市场正在发生的事：砍单。
6月底，台积电三大客户苹果、AMD、英伟达几乎同时砍单。苹果直接把iPhone 14的首批出货量砍了10%，英伟达和AMD则因为PC市场疲软“要求调整订单”。
要知道，去年台积电568亿美元营收中，26％来自苹果，砍单对台积电影响很大。
种种迹象表明，消费电子市场将面临整体性的衰退。
三星官宣3nm当天，存储芯片龙头美光公布财报，对第四财季的预测堪称灾难，68-76亿美元的收入远低于91.4亿美元的分析师预期，原因则是“PC和手机需求疲软”——Gartner 预计，今年全球手机出货量会下滑 7%，PC下滑9.5%。
财报发布后，作为半导体景气度指标之一的费城半导体指数下跌4.6%，英伟达等芯片大厂全面下跌，顺便带崩了ASML、应用材料（Applied Materials）和台积电这些供应链公司。从公司市值看，台积电较年初已经跌没了将近50%。
衰退的原因有很多，比如加密货币崩盘，比如消费者换机时间拉长，比如疫情带动的PC出货结束。但对台积电的影响都是一样的：你们的货卖不出去，怎么给我报销研发费用？
除了供应链管理大师苹果，其他消费电子公司的存货周转天数都在增加
随着代工工艺的进步，芯片生产的费用其实是越来越高的：一座8英寸的晶圆厂造价动辄15亿美元，一般的企业咬咬牙还能顶上。一座新的12英寸晶圆厂，造价起码30亿美元起步。
但目前来看，手机和PC的需求不振已经传导到了产业链上游。ASML在财报中披露，将EUV光刻机的出货量从55台砍到了40台，虽然看上去没多少，但考虑到光刻机的单价，直接把ASML的预期增长拉低了10%。
过去一年多时间，半导体行业的景气其实更多是以MCU芯片、IGBT芯片为代表的汽车芯片带来的，对应着一季度销量增长80%的新能源车市场。
但问题是，这些芯片并不需要先进制程。
倒车：成熟制程的崛起
台积电的另一个身份是当之无愧的MCU芯片代工霸主，占据了全球70%的车规级MCU产能。
MCU（Microcontroller Unit）俗称单片机，玩具、手机和家电里都有它的身影。但MCU的主要应用在汽车，一辆汽车上，可能有上百个MCU分布于各个零部件。
车用和工控等芯片长期紧俏，也创造了一个奇特的现象：晶圆厂开倒车，反攻成熟制程。
即便是台积电、三星和英特尔这样的顶级玩家，也在成熟制程里疯狂扩产，更上游的光刻机，ASML不少订单甚至是古老的DUV光刻机。
MCU对汽车生产无比重要，但对台积电来说，无论是MCU芯片，还是IGBT、射频这类芯片，工艺大部分都还停留在2008年就开始量产的40nm，甚至更老的65nm。
虽然市场份额非常大，但汽车电子业务给台积电带来的收入很少，只有5%左右的占比。看利润，可能就更低了。
从财报看，台积电的收入构成主要有三块：
1.智能手机业务，主要是手机SoC的代工，苹果、高通是大客户。
2.HPC业务，即高性能计算（High Performance Computing），比如AMD的CPU、英伟达的显卡、苹果的M1/M1 Max。
3.车用电子业务，既有MCU芯片、IGBT芯片，也有Mobileye的自动驾驶芯片，前两者都是成熟制程。
过去几年，手机的下游需求肉眼可见的饱和，HPC业务则因为PC出货量下降、数字货币矿难、5G基建停滞出现滑坡。反倒是长期延续的汽车芯片短缺，创造了半导体的高景气度。
比起先进制程按着三星打的所向披靡，成熟制程的代工台联电能做、格芯能做、华虹和VIS也能做，竞争多了就没什么油水，典型的有份额无利润。
汽车芯片的短缺，一开始有疫情影响，但本质还是供需的错配。
汽车生产商大多奉行零库存理念，即所有零部件只预留一个“安全库存”，以提高整体周转效率。疫情爆发后，车企因为销量下滑减少了芯片订单，代工厂就把产线安排给了其他芯片。但疫情缓解叠加新能源车市场爆发，消失的订单又回来了。
车规芯片大多动辄一年的的认证周期，就算有产能也不能立刻排上；而长期缺货又让车企对零库存产生怀疑，开始疯狂备货，造成了产能的挤兑。实际上，真实的需求并没有增加太多。
从各个企业的营收看，2021年的主要增长也来自成熟制程的产能增加。这种气势如虹的营收增长难免让人问一句：不会有人还没上车吧？
中芯国际在北京、上海、深圳都有28nm工厂的建设计划，瑞萨电子甚至把2014年就关闭的产线重新开张，生产车规级功率芯片。今年活得最舒服的，反而是格芯这类放弃先进制程研发，彻底躺平的代工厂。
论摩尔定律上的攻坚，台积电无人能敌，但放下身段去和中芯国际抢成熟制程的订单，对台积电来说利润实在太低了。
另外，手机和PC依然是半导体市场最主要的下游应用，合计占比高达65%。汽车半导体虽然增长快，但基数太低，占比只有8%左右。
这也是为什么台积电不久前宣称不再扩充40nm以上的产能，而是“呼吁”客户尽快升级到28nm。
极限：摩尔定律的数字游戏
芯片代工是一个被钱堆出来的产业。台积电的研发支出在A股所有公司里可以排第二名，这还不算高昂的设备投资。
制程的优势不单单体现在技术上——当台联电这类追赶者量产7nm时，台积电的7nm产线折旧很可能都结束了，相当于零成本运营。
无论如何，芯片代工的竞争格局都取决于摩尔定律的稳步推进，但现在的问题是：创新的步伐越来越慢了。
2016年，台积电和三星进入10nm攻坚的最后阶段，英特尔则由于研发进度落后，只能升级个架构继续凑合用，原本的10nm变成了14nm+。2017年，台积电和三星的10nm量产，英特尔再度难产，14nm++横空出世。
当年3月，英特尔高管在官网上写了篇文章，暗示台积电和三星玩文字游戏，呼吁行业寻找“一个全新的制程度量方法”，还在文章里挂了张图，讽刺友商没有按照摩尔定律的基本法迭代。
按照图里的规划，英特尔会在2018年推出正宗的10nm，不过最后的结果是，英特尔掏出了魔改三代的14nm+++。
其实英特尔的说法并没有错，大部分人印象中，制程纳米数越小，代表工艺越先进。但真正衡量芯片制程工艺的核心指标，其实上“逻辑晶体密度”——只有密度越高，产品才越先进。把英特尔拖到2019年才量产10nm和友商的7nm对比，这个核心指标其实是差不多的。
所以以台积电的标准看，英特尔的10nm完全可以叫7nm，就连台积电也承认，纳米数值已经不再代表真实的物理尺度，更像是营销层面的术语。
眼见老对手AMD依靠台积电7nm工艺攻城略地，英特尔选择打不过就加入，把自家10nm命名为Intel 7，7nm命名为Intel 4。
对下游的终端厂商来说，制程进步带来的红利越来越少了。
比如之前爆料的苹果A15芯片，同功耗单核性能只提升了7%。CPU则用疯狂堆核心对抗边际效应减弱，GPU方面，制程进步换来的性能增加变少，厂家只能狂拉功耗换提升，英伟达RTX 40系旗舰显卡功耗据说达到惊人的800W。
性能没有指数级增加，反倒是成本指数级增加：3nm芯片设计费用动辄15亿美元，流片——即芯片试生产的费用也越来越高：小米试产16nm的澎湃S2时，一次流片“只要”400万美元。如今5nm的流片成本高达4725万美元。
总而言之，摩尔定律放缓带来的影响有两方面：一方面芯片设计的成本越来越高，如果没有产品庞大的出货量做支撑，用得起的人会越来越少。
另一方面，制程的红利越来越少，追赶者越来越多，客户不再毫不犹豫地选台积电，英特尔为联发科代工的传闻就是很好的例子。
尾声：巨人的烦恼
台积电的确有诸多烦恼，但这种烦恼，本质上就像先富人士纠结房子买在外滩还是陆家嘴一样。
半导体是一个高度全球化的行业，台积电则是一家被全球顶级芯片产业链共同武装起来的公司。它拥有很强的技术能力，但更关键的是，它专门做晶圆制造，跟AMD、英伟达、高通等十几家顶级半导体企业都是老朋友，利益不仅不冲突，还高度一致。
正如台湾IT教父施振荣所说：台积电是世界的朋友，三星是世界的敌人。
为了缓解摩尔定律失效的影响，台积电开始把大量的资本开支从前段的制造转向后段封装。目前，2.5D/3D封装技术被认为是给摩尔定律续命的关键解药。
去年全球2.5D/3D封装投资里，前七大半导体厂资本支出合计高达119.09亿美元，英特尔、台积电、日月光投控排名前三。
换句话说，台积电手里的牌还有很多。
而在对“硬科技”的追逐甚嚣尘上的中国大陆，市场一直期待摩尔定律出现极限，这样无论是三星还是格芯，无论是中芯国际还是华虹，都有了追赶的希望。
但话说回来，100米和100公里都是差距，骑自行车和开特斯拉都是追赶，在EUV光刻机断供、资本开支扩后等情况下，大陆代工业目前的现状，更像是骑着自行车拼命追赶100公里的差距。
更何况，大陆要出现一家台积电公司，在目前的环境下，可能需要的不仅是制造环节的工艺突破，也需要材料、设备、EDA等等全产业链的突破。
大雨倾盆之时，最后一个淹死的也是姚明。台积电的烦恼，终究是属于强者的烦恼。
参考资料
[1] 砍单砍单砍单，半导体真要“变天”了，海豚投研
[2] 晶圓代工產值連續十季創下新高，TrendForce
[3] 投资900亿日元 瑞萨扩大功率半导体产能，中国电子报
[4]?Samsung has won the 3nm chip race， but winning the war with TSMC is another matter，Techmonitor
[5]?Global Chip Shortage’s Latest Worry: Too Few Chips for Chip-Making，WSJ
[6] tsmc readies five 3nm process technologies with finflex，anandtech
本文来自微信公众号：远川研究所 （ID：caijingyanjiu），作者：刘芮，编辑：李墨天
