三星还要做多久的老二？

2023-09-27 13:09

在韩国科学技术院的特别讲座上三星半导体负责人庆桂显向在场的所有人宣布“三星将在5年内超越台积电”。

也就是说，在半导体行业三星还要做5年的老二。

为什么还要5年？三星在2022年推出的最新3nm GAAFET（闸极全环晶体管）工艺已经比台积电仍在使用较旧的3nm FinFET（鳍式晶体管）先进了，这不就表明超越台积电了吗？但半导体工艺可不只是嘴上宣称采用什么先进技术这么简单，还要看最终产品能不能达到令市场满意的良率。不过说实话，三星的良率从来都是一波三折。

一、使绊的日本人

事实上，三星在半导体代工行业爬上老二位置用的时间就远超5年。

2018年的世界晶圆代工格局就已经是台积电一家独大，此时的三星徘徊在第四的位置已经有十多年了。直到从AMD独立出来的格芯宣布放弃先进制程工艺，三星才有了争夺市场的契机，而且还凭借在7nm率先使用EUV光刻机以及和IBM合作联盟，三星接连拿下IBM、高通、英伟达等大单，市占率从18年的不到10%，直接上升到19年的18%。

本应一路高歌的三星不成想被半路杀出的日本人打了个措手不及，在2019年被日本直接断供氟化氢等半导体制造关键原材料。而氢氟酸（水溶氟化氢）的纯度直接决定最终芯片的良率。日本出口的氢氟酸纯度为99.9999999999%（小数点后10个9 ）甚至更高，韩国国产是99.99999999%（小数点后8个9），只是稍微的偏颇就给三星芯片良率上使了不小的绊子。

经典案例是被用户称为“火龙”的在2020年推出的高通骏龙888和8 Gen1处理器都存在过热和低能效的通病，该处理器正是基于三星5nm工艺制造的。而全球首发搭载888处理器的小米11反而为三星良率背了锅，害的雷军还得自己推送降温补丁。

表现翻车，高通的新款骏龙 8 Gen 2芯片也从三星改为台积电代工，英伟达之前的RTX系列也是三星代工但在“火龙”事件后，RTX40系列GPU也开始采用台积电代工。

因良率问题痛失美国大订单，这让好不容易上升的市占率一夜回到解放前。Counterpoint Research数据显示，2023 年第二季度三星代工市场份额为 11%，几乎倒退回18年的水平。而台积电则保持59%的领先市场份额。

不过尽管市场份额落于下风，但三星对自己的“五年计划”依旧信心满满，其中可以稳定军心的就是3nm GAAFET。这是一种新型制造工艺，而三星是全球第一个采用该工艺的半导体制造商。

在20nm以上的芯片属于平面晶体管（planarFET）也就是闸极（Gate）和电子通道（channel，图中灰色部分）之间只有一个面相互接触；20nm以下为鳍式晶体管（FinFET），这次Gate和channel接触的面变成三个，台积电3nm用的就是FinFET架构。而3nm以下的芯片就需要采用闸极全环晶体管（GAAFET）。GAAFET可以理解为全包，也就是Gate把channel四个面全部包裹。

简单理解：包裹区域越多，漏电越少，效率越高。

三星在3nm就激进采用GAAFET显然就是想弯道超车甩开台积电占领技术高地。但这其中的工艺十分复杂，不仅要采用单晶晶体还对光刻机有很高的要求，没有足够经验的三星在刚推出3nm GAA时良率只有惨不忍睹的20%。

不过很快三星搬来美国救兵缓解良率问题。2022 年 11 月三星找到Silicon Frontline帮助解决影响良率的静电放电问题。在救兵的帮助下效果似乎立竿见影。据Hi Investment & Securities 最新报告估计，三星3nm GAA 芯片的良率达到 60%。

这对三星来说可是大喜讯，因为这高于台积电用在苹果A17 Pro处理器3nm FinFET工艺 55%的良率。而且按照每季度提高5个百分点的计划，至少要到明年上半年之后台积电才有可能实现稳定的70%良率。要是在这个时候弯道超车，三星老二上位的日程可是要大大缩短的呀！

但不怕泼冷水的说三星这个60%良率含金量可能不高。如果拿三星4nm工艺提升到75%的良率和台积电 N4工艺的80%来说可比性还更高，因为三星的4nm已经运用在手机处理器上。但首批采用三星3nm GAA工艺的是比特微的挖矿芯片Whatsminer M56S++。挖矿芯片是相对简单的设备，具有大量规则结构和很少的 SRAM（静态随机存取存储器）。这类较小的芯片本质上比大型 ASIC（专用芯片）具有更高的良率。

所以三星3nm GAA工艺在挖矿芯片上60%的良率并不意味在较大的智能手机或 PC系统级芯片上也能达到相同水平。

而且这个60%也是分析师预估出来的数据，一般这种东西官方是不会披露的。不过先在简单芯片上商业化，对三星3nm GAA还是有意义的，可以积累经验慢慢提升良率，加上现在日本和韩国在美国帮助下握手言和，关键原材料重新出口韩国，三星还有救兵磨合良率，一定程度上有助于三星先进制程的推进。就连庆桂显在讲座上也表示“在制程工艺上，三星只比台积电落后一两年。”

不过既然制程只落后一两年，那剩下的三年是落后在哪里？

二、剩下的那三年

IMEC论文指出，7nm以后，每一代升级单个晶圆的工艺成本提升幅度达到30％。同样面积的晶圆，即使通过微缩增加晶体管的数量，生产成本也会相应增加，这意味着升级制程带来的经济效益越来越小，半导体制造商必须在制程以外的其他环节上降本增效。

而封装就是配合制程降本增效的其他环节，同时也是三星剩下的落后台积电“3年”的关键技术。

以CoWoS-S和I-Cube两个分别对应台积电和三星的2.5D封装技术举例。三星的 I-Cube在硅中介层上集成了4个HBM（高带宽内存）堆叠芯片和一个核心计算 IC。台积电CoWoS-S集成了8个128G的HBM2e内存和2颗大型SoC内核。

简单理解：谁堆的HBM 越多谁的封装技术就越先进。

此外，自2012年面世以来CoWoS技术已经被台积电应用了十几年，产量和品质都有保证，英伟达、AMD都是CoWoS-S封装的主要客户。而三星I-Cube封装的唯一主要客户是百度。

更重要是这个HBM也十分考验封装技术，更要命的在HBM领域三星还是老二。

什么是HBM？首先认识GDDR这是为高端显卡特别设计的高性能同步动态随机存取存储器。而HBM是GDDR改进版，HBM是将芯片堆叠在一起实现大容量，高位宽组合阵列。最先研究这个技术的是SK 海力士，他在 2013 年制造了第一款基于 TSV（硅通孔）技术的 HBM 芯片。先发优势让SK 海力士HBM的市占率在2022年达到50%，而三星则为40%，还是老二。

SK海力士有着业界最大、最薄的12层、24GB的HBM3，同时还是唯一一家为英伟达 H100 和 GH200 产品供应HBM3的公司，AMD最近也表示，将采用SK海力士的HBM3为其M1300X AI芯片提供动力。相比之下，三星主要生产8层、16GB的HBM2E，主要客户是“其他公司”。

所以，尽管在DRAM（动态内存）上三星市占第一，但属于DRAM细分领域的HBM市场却落后于SK海力士，这让三星在整个市场的份额逐渐萎缩。

本来HBM价格就已经是商用 DRAM的五倍，但因为HBM3面向更高端的客户，所以Trend Force预估，到2024 年，HBM3 可能会将 HBM 市场规模推至 89 亿美元，同比增长 127%。但这其中的HBM2 和 HBM2E 可能会在HBM3量产后需求下降造成价格下跌。

这也意味着如果三星不能尽快突破封装技术，推出HBM3，那么现有销售HBM2E带来的利润将越来越少。在剩下的这三年时间里，三星不仅要和台积电角逐HBM、GPU、CPU组合在一起的整体封装技术，还要和SK海力士在HBM领域较量，三星身上的压力着实不小。

但有压力不代表三星没增长力。比如，台积电可能把亚利桑那工厂的售价提高30%，熊本工厂售价提高15%，以维持53%的目标利润率。而且，台积电3nm工艺按晶圆收费是每片17000 美元，这个价格除了苹果恐怕没几家企业可以承担。

而台积电的高昂收费就是晶圆市场产生双代工甚至是三代工格局的有利条件。

三、双代工战略

2018年6月27日，苹果和三星打了7年的专利纠纷案以双方达成和解在美国加州地方法院正式落下帷幕。但法院上的和解没能消除苹果心里的芥蒂，本来A8之前的处理器还是三星代工，但自2011年开打专利案以及三星良率问题后，台积电便成了苹果 A 系列处理器唯一代工商，三星也丢了苹果这个大单。

iPhone 15 Pro系列搭载的A17 Pro是全球首款市售的3nm工艺处理器芯片，依旧由台积电独供，这些芯片占据了台积电3nm 工艺产能 90% 的份额，且预计苹果还将在其 M2 Pro 和 M2 Max 芯片中采用该工艺节点。

这预示着未来一段时间台积电3nm产能将相当吃紧，那些想要追随苹果脚步进军3nm处理器的厂商就很有可能就会把订单给到三星。高通就曾提及双代工采购为战略之一，意味着可能会与三星重新合作。

除了“捡漏”三星还利用价格优势抢单。在2019年代工份额跃居全球第二时三星就用过低价策略，报价约为台积电的60％。而这个低价策略在今年也虏获了马斯克。

来源：韩联社

特斯拉计划3-4年内大规模生产Level-5 FSD（全自动驾驶）芯片且选定台积电作为独家代工厂。但今年5月三星电子现任掌门人李在镕和马斯克见了一面后，情况发生了改变。对方提出了令他无法拒绝的优惠价格，而且三星4nm良率也逼近台积电水平，最终特斯拉决定Level-5 FSD在三星4nm工艺上制造。

不过可能和高通一样，这也是特斯拉双代工的战略选择。一位韩国官员表示：“特斯拉将芯片生产分给台积电和三星，而不是完全转向三星的可能性更大。”在特斯拉之前，三星就和安霸达成生产汽车芯片的协议，也赢得了英特尔子公司Mobileye的芯片生产订单，在此之前Mobileye芯片由台积电代工。甚至连黄仁勋都放风，预示英伟达有可能将部分AI GPU外包给三星。

这些订单可能都是用比台积电更低的报价“抢”来的，但即使是砍利润抢单，在主营业务节节败退的三星也不得不这么做了。

2023年二季度，全球智能手机市场同比下降 9%，为2.68 亿部。由于苹果出现周期性下滑，三星在 2023 年第二季度保持了智能手机第一的地位但也环比下滑2%，被逆势增长的其他手机（华为和荣耀）挤占份额。

此外，受存储芯片市场出货量下降以及产品均价降低的影响，三星的DS业务（由存储器、系统LSI等业务组成）从2022Q2开始营业利润率便直线下降，至今没能实现扭亏。双重市场的打击让三星23年上半年总收入同比下降20.2%，至1237509亿韩元（932亿美元）。

而和上述业务处境截然不同，三星的代工订单正在不断增加。

ET News报道称，三星代工业务5nm的利用率约为80%，5nm和7nm工艺的综合利用率达到90%，高于2022年的60%。据韩媒报道，三星第二季度 12 英寸晶圆厂产能利用率从上一季度的 80% 上升至 90%。由于人工智能和汽车芯片的需求不断增长，韩国和全球的无晶圆厂半导体供应商，如韩国初创AI企业Rebellions和安霸，正在扩大对三星的订单。

猛增的需求让三星迎来代工事业巅峰期。2023Q2，三星代工业务收入（包括LSI）57600亿韩元（49.68亿美元），前值为48100亿韩元（35.87亿美元），环比增加19.75%。

而为数不多收获增长的代工事业也让三星对其越来越上心，甚至减持ASML 一半以上的股份为新生产线的扩张计划筹集约 20 亿美元，除了ASML之外，三星剥离了比亚迪和 SFA Engineering 的股份。公司2023年上半年的资本支出252593亿韩元（189亿美元），投资集中于产能扩张和向先进节点的迁移。

尽管三星和苹果的专利纠纷早已鸣金收兵，但想和苹果再续前缘真的很难，不过从高通到特斯拉，从英特尔到英伟达，这些主要企业的双代工战略以及自己对技术和产能的投入都有可能让三星源源不断的接到代工订单。

四、结语

2025年，台积电将量产2nm工艺芯片，2026年苹果有望在新一代A系列芯片采用2nm工艺。所以三星3nm GAA工艺要到25甚至是26年，才有可能和台积电迎来正面交锋。但也别忘了还有战略转型的英特尔，虽然在先进制程上落于下风，但在封装技术上英特尔的Foveros与台积电的CoWoS-S不相上下，而且英特尔还放言，在2030年之前成为代工市场的第二大玩家。三星的上位压力着实是真的不小。

而在回答“三星还要做多久老二”的问题之前，先让代工事业独立出来可能更为紧迫。

2023H1，三星代工业务实现营收（含LSI）105793.8亿韩元（79.08亿美元），占DS事业部收入的37%，占总营收的8.5%。且连续两个季度实现环比上升。但从我总结的数据图表来看，无论代工业务增还是减对公司营收和利润似乎都没有影响，完全凸显不出代工事业的巅峰。