「研報」摩爾定律步入極限 看先進位程的三大玩家競技

根據摩爾定律，集成電路不斷向更細微尺寸發展，先進位程是集成電路製造中最為頂尖的若干節點，目前主要為16/14nm及以下節點。

先進位程是性能導向型需求的首選，主要應用於個人電腦及伺服器CPU、智慧型手機主晶片、顯卡GPU、礦機ASIC、FPGA等領域，市場空間在300億美元左右。

歷史上英特爾曾一度是先進位程的主導者，從2015年起代工廠商台積電與三星迅速追趕英特爾。

目前儘管節點代號不一，實際三家廠商技術水平並駕齊驅，英特爾10nm與台積電EUV版7nm+、三星7nm電晶體密度同級，預計均將於2019年量產，台積電已量產的非EUV版7nm目前占據先發時間優勢。

300億美元市場空間 IDM與代工平分秋色

半導體整體空間達4122億美元，邏輯集成電路市場1022億美元。

根據世界半導體貿易統計組織（WSTS），全球半導體銷售額2017年為4122億美元，同比+21.6%，2018上半年為2290億美元，同比+20.2%。

WSTS預計2018年市場規模4771億美元，同比+16%。

集成電路銷售額占比83.25%，對應2017年3432億美元市場，邏輯集成電路占比24.79%，對應1022億美元市場，同比增速11.7%。

全球先進位程市場空間約300億美元，代工市場先進位程市場空間約150億美元。

根據Gartner，全球16nm及以下先進位程2017年占比約11%，對應市場空間約為300億美元。

根據IC Insights資料顯示，2017年全球整體晶圓代工銷售額為623.1億美元，其中16/20nm以下先進位程占比24%，對應約150億美元市場。

先進位程IDM市場與代工市場份額平分秋色。

先進位程玩家所剩無幾

先進位程進入IDM與代工兩大模式競爭階段。

半導體產業目前有兩大商業模式：1）IDM（Integrated Device Manufacture，整合器件製造商）模式同時完成設計、製造、封測和銷售四個環節。

早期的半導體製造企業為IDM模式，例如英特爾自1968年創立，為IDM模式的代表。

IDM優點在於規模經濟性以及對內部全流程的掌握和整合優化，產品開發時間短、廠商具備核心技術優勢，多適用於大型企業；然而IDM模式長期發展帶來的問題是投資規模巨大、沉沒成本高，隨著製程發展需不斷投入新產能，對中小型公司不太適用，因此產生了設計+代工的垂直分工模式。

2）垂直分工模式則是無晶圓廠半導體設計公司（Fabless）專注於設計和營銷並將生產外包於晶圓代工廠（Foundry），將封裝測試分工至封測廠（OutsourcedAssembly and Test，OSAT）。

台積電於1987年開創晶圓代工的商業模式，推進位造與設計、封裝相分離。

隨著製程更細微的發展趨勢拉動研發、建廠開支急劇增長，推動IDM公司持續擴大委外釋單，向Fab-lite（部分IDM+部分委外）、Fabless模式轉移，例如英飛凌、恩智浦、意法半導體均較早採用了Fab-lite策略將部分訂單轉移至台積電。

英特爾為IDM先進位程傳統老大，代工廠商各梯隊分化明顯。

英特爾自PC時代崛起，長期穩居先進位程前沿，目前邏輯晶片IDM廠商英特爾一家獨大。

代工廠商根據年度銷售額來看，台積電在全球晶圓代工廠中一騎絕塵，市占率達55.9%，其餘廠商市占率在10%以下。

僅從邏輯IC製造最先進節點來看，目前主要分為三大梯隊，台積電、Intel（IDM）、三星（IDM/Foundry）為三大一線梯隊廠商，格羅方德、聯電等緊隨其後，我國大陸晶圓代工廠商主要位於第二三線梯隊，其中中芯國際作為我國行業標杆，目前位於第二梯隊。

先進位程龍頭集中，聯電、格羅方德相繼放棄投資，玩家僅餘三家。

隨著電晶體尺寸不斷縮小，集成電路發熱和漏電等問題凸顯，保持先進的製程以及高良率需要高研發投入和設備投入，龍頭集中趨勢愈發明顯。

聯電是台灣第二大晶圓代工廠，格羅方德則是2009年AMD晶圓製造部門分拆獨立而成的世界第二大純晶圓代工廠。

兩家公司均位列全球晶圓製造第二梯隊。

2018年8月聯電宣布放棄12nm以下的先進工藝研發，不再追求成為市場老大，而是專注改善公司的投資回報率。

聯電未來還會投資研發14nm及改良版的12nm工藝，但不會再大規模投資更先進的7nm及未來的5nm等工藝。

2018年8月底，繼AMD宣布將7nmCPU代工移至台積電後，格羅方德宣布放棄7nmLP製程研發，將資源回收至12nm及14nm上來。

由此目前全球還在研發和生產10/7nm製程的廠商僅剩台積電、三星、英特爾三家。

台積電、三星迅速追趕英特爾，代工製造站穩塔尖

縱觀發展歷史，傳統龍頭英特爾「兩年一代」不再延續，14nm節點已停留4年。

英特爾是PC時代領導市場的半導體傳統龍頭，其在2007年宣布了著名的「嘀嗒」(Tick-Tock)戰略模式。

「嘀嗒」意為鐘擺的一個周期，「嘀」代表晶片工藝提升、電晶體變小，而「嗒」代表工藝不變，晶片核心架構的升級。

一個「嘀嗒」代表完整的晶片發展周期，耗時兩年。

按照tick-tock的節奏，英特爾可以跟上摩爾定律的節奏，大約每24個月可以讓電晶體數量翻一番。

2015年左右，英特爾宣布採用「架構、製程、優化」(APO,Architecture Process Optimization)的三步走戰略。

這意味著英特爾每36個月電晶體才會翻一番。

事實上英特爾自2015年起已在14nm節點停留約4年時間，從Skylake（14nm）、KabyLake（14nm+）、CoffeeLake（14nm++），到2018年預計推出的14nm+++，維持更新14nm製程。

英特爾的10nm原計劃2016年推出，但經歷了多次推延，預計2019年面市。

台積電、三星快速追趕，跟上摩爾定律步伐。

台積電和三星憑藉晶圓代工後來居上，獲得智慧型手機時代蘋果、高通等大客戶。

在英特爾宣布三步走戰略的2015年，三星宣布正式量產14nmFinFET，隨後台積電於2015下半年量產16nmFinFET工藝。

儘管兩家廠商的節點命名相對自由，但在節點標號上已經與英特爾平起平坐。

此後四年英特爾反覆升級14nm節點，10nm經歷多次跳票。

三星、台積電則於2017年量產10nm工藝，並且台積於2018年率先推出7nm工藝，執棒跟上摩爾定律步伐。

台積電先進位程是業績成長核心，營收占比近38%，28nm以下占比超過50%。

2016年、2017年台積電28nm及以下先進位程占收入比重分別為54%、58%，2018Q2這一比重增長為61%，預計這一趨勢將會持續。

近幾年來看，如果剔除最先進位程的收入，其餘部分收入基本處於平穩下降的趨勢，可見最先進位程貢獻了公司主要的收入增長。

更新製程的出現，對於原有製程形成一部分替代，故原有製程總體表現為平穩下降。

台積電作為行業龍頭公司，製程技術的持續推進成為鞏固行業地位以及保持收入持續增長的必要條件。

2019年三大廠商技術水平相當，台積電占據先發優勢

2015年起國際半導體路線圖不再更新，廠商節點命名更加隨意。

國際半導體技術發展路線圖（ITRS）是由五個主要半導體製造國家和地區（美國、歐洲、日本、韓國、台灣）相關協會資助的組織，每年組織半導體產業專家組成的工作小組進行數次討論並發布報告，對產業研發方向提出建議。

但自2015年起國際半導體路線圖ITRS宣布不再更新，組織更名為國際元件及系統技術路線圖（IRDS），發布報告內容不再偏重晶片運算速度與性能，而偏重終端設備的需要。

從28nm節點左右開始，廠商在節點代號的命名出於營銷考慮變得更加自由，台積電與三星節點之間沒有明顯疊代關係，英特爾則始終貫徹摩爾定律的規則為新製程節點命名。

同樣命名為14/16nm、10nm節點，英特爾實際性能明顯領先。

從電晶體密度、柵極間距、最小金屬間距、鰭片高度、柵極長度等指標來看，英特爾的14nm、10nm節點均顯著優於台積電、三星同節點技術。

14/16nm方面，2014年發布的英特爾14nm節點每平方毫米3750萬個電晶體，台積電16nm節點約為每平方毫米2900萬個電晶體，三星14nm節點約為每平方毫米3050萬個電晶體；英特爾14nm節點柵極長度24nm優於台積電柵極長度33nm及三星柵極長度30nm。

10nm方面，英特爾電晶體密度每平方毫米1.008億個，台積電10nm節點電晶體密度每平方毫米4810萬個，三星10nm節點電晶體密度每平方毫米5160萬個；英特爾14nm節點柵極長度約18nm優於三星柵極長度約25nm，英特爾14nm節點鰭片高度53nm優於三星鰭片高度49nm及台積電鰭片高度約44nm。

此外，英特爾各項指標均與IRDS路線圖同節點標準基本相符或更優。

英特爾14nm≈台積電、三星「12nm」（即略遜於10nm）；英特爾10nm=三星7nm=台積電7nm+(2019 EUV)(略高於台積電初代7nm)。

從電晶體密度來看，2014年發布的英特爾14nm節點為每平方毫米3750萬個電晶體，略低於台積電每平方毫米4800萬及三星每平方毫米5100萬水平。

英特爾10nm節點電晶體密度為每平方毫米1.008億個，三星7nm節點為每平方毫米1.0123億，基本持平；而台積電宣稱初代7nm節點電晶體密度為16nm節點的約3倍、10nm節點的1.6倍，由此推算每平方毫米約8000萬個電晶體，略低於英特爾10nm節點水平；而2019年台積電採用EUV工藝的N7+節點也有望量產，披露電晶體密度提升20%，由此計算電晶體密度達到每平方毫米1億個左右水平，將與英特爾、三星2019年量產工藝基本一致。

台積電7nm分兩步走，初代非EUV工藝已於2018年量產，EUV版7nmplus預計2019年量產，與三星7nm、英特爾10nm同級。

台積電7nm節點較兩代前的16FF+帶來35%速度提升或功耗減少65%、電晶體密度增加3倍；相較於10nm節點帶來20%速度提升或功耗降低40%、電晶體密度1.6倍。

相比之下採用EUV的N7+節點將額外帶來電晶體密度20%提升、10%功率減少、而沒有速度提升。

2018年8月份用於N7+節點的EDA軟體認證已經就緒，台積電預計2019年初EUV版7nm開始爬坡。

未來5nm節點相較於非EUV的7nm節點，預計電晶體密度提升1.8倍，功率減少20%，速度提升15%，或在極低閾值電壓（ELTV）下速度提升25%，台積電目標2020年實現5nm量產。

2019年三大龍頭工藝水平實際並駕齊驅。

儘管命名有差別，三大廠商技術水平總體是並駕齊驅的，從各項指標來看，2019年預計量產的台積電7nmEUV版節點（N7+）、三星7nm、英特爾10nm各項參數均基本相近，主要區別在於台積電、三星採用EUV製程打造而英特爾仍採用ArF193i多重圖形化技術。

台積電目前初代7nm（未採用EUV）已經量產，是市面已量產的最先進位程，時間上具有先發優勢，該優勢至少保持到2019年競爭對手量產，並且2019年台積電仍有望率先量產EUV版製程，保持先發優勢。

台積電預計2018年7nm晶片量產有超過50個流片，包括CPU、GPU、AI加速晶片、礦機ASIC、網絡、遊戲、5G、汽車晶片等。

以當前時點來看，台積電略占上風，未來關鍵看英特爾10nm量產進度。

就目前已發布技術來看，英特爾持續更新的14nm技術與台積電10nm技術大致同級，目前台積電已量產的7nm製程顯著優於英特爾的14nm製程。

而英特爾推遲到2019年下半年量產的10nm技術預計與台積電的2019年上半年量產的EUV版7nm製程大致相當。

由此可見，目前台積電相較於英特爾在量產時間上略占上風，而實際技術儲備差別不大，未來關鍵看英特爾10nm量產進度：若英特爾10nm如期於2019年下半年量產，台積電與英特爾同級別產品量產時間差別在半年以內；若英特爾10nm進度進一步推遲，將無疑大幅利好台積電。