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Samsung|三星正全方位拓展先进制程、存储器等前沿半导体技术的边界

据集邦科技统计 ， 全球前十大晶圆代工厂2021年第四季度产值合计达295.47亿美元 ， 连续十个季度创下新高 。而在半导体产能吃紧的情况下 ， 集邦预期今年第一季度前十大晶圆代工产值将保持增长态势 。
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其中 ， 第二大厂三星晶圆代工呈现出快速增长态势 ， 从下图可以看出 ， 三星的季增率达到了15.3% ， 在前五大厂商中是最高的 。此外 ， 三星晶圆代工市占率上升1.1个百分点至18.3% ， 台积电则略减1个百分点至52.1% 。集邦称 ， 三星是前五大晶圆代工大厂中 ， 唯一一家在去年Q4市占率扩大的厂商 ， 主要是因为先进的5nm/4nm制程产能逐渐完成、大客户高通旗舰产品开始量产 ， 推升三星晶圆代工在去年第四季度营收至55.44亿美元 。
Samsung|三星正全方位拓展先进制程、存储器等前沿半导体技术的边界
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三星电子财报显示 ， 受惠于半导体部门业绩亮眼带动 ， 2021年第四季度营收和获利皆优于预期 ， 营收更创下历史新高 ， 帮助三星超越英特尔 ， 登上全球芯片制造龙头宝座 。
三星电子去年Q4营收达到76.57兆韩元 ， 净利年增64% 。2021全年净利年增51% ， 达到39.9兆韩元 ， 营收年增长18% ， 达到279.6兆韩元 。2021年 ， 三星电子最赚钱的业务非内存芯片莫属 ， 去年半导体部门营收年增29% ， 达到94.16兆韩元 。
三星在投资人会议上提及各事业部门进展 ， 其中 ， 晶圆代工去年第四季度营收创下新高 ， 主要原因在于增加了大型HPC客户销售 ， 并在HPC应用中获得了新订单 。展望2022年首季 ， 三星指出 ， 晶圆代工将专注于提高先进制程产量 ， 进而提升供应稳定性 。此外 ， 该公司将在2022上半年大量生产第一代GAA制程 。
三星表示 ， 公司确认了美国泰勒和南韩本地新晶圆厂的扩产投资 。然而 ， 三星也坦言由于先进制程量产爬坡延迟导致成本增加 ， 获利能力略有下降 。
晶圆代工全面发展
据DigiTimes报道 ， 自2017年三星将晶圆代工业务独立后 ， 已从最早的30家客户成长到100家以上 。据悉 ， 三星的目标是到2026年 ， 客户数量达到300家以上 ， 而台积电2022年的客户数量预计将超过500家 。
从目前的形势来看 ， 2022年晶圆代工市场依旧火热 ， 而三星将多点开花 ， 全面发展 。三星现阶段在汽车和人工智能领域的芯片制造上 ， 仍处于起步阶段 ， 这将是未来其晶圆代工是否能继续壮大的关键 。
三星希望尽快量产3nm制程芯片 ， 以争取AMD和高通的订单 ， 预计未来三年累计资本支出将占其营收的70%左右 ， 而台积电大概会在50% 。目前 ， 三星正在抢购更多的EUV光刻机 。据统计 ， 截止到2020年 ， 台积电的EUV光刻机数量约40台 ， 三星则是18台左右 ， 不到台积电的一半 。预计2022年三星会购入大概18台EUV光刻机 ， 拉近与台积电之间的数量差距 ， 总数将达到台积电的60%左右 。
先进制程
在先进制程方面 ， 三星一直落后于台积电 ， 这也给了前者很大的前进动力 。
三星已经量产的最先进节点是5nm ， 这方面 ， 该公司明显落后于台积电 ， 特别是在成熟度和良率方面 ， 去年 ， 采用三星5nm制程的高通Snapdragon 888就出现过热问题 ， 也输给台积电5nm制程的苹果A14、M1芯片效能表现 ， 今年苹果A15 芯片效能更远胜S888 。
在4nm方面 ， 三星宣布4LPP将在2022年满足该公司客户的要求 。由于4LPP依赖于熟悉的FinFET ， 三星的客户使用此节点将容易得多 。此前 ， 三星将其4LPE视为其7LPP工艺的演进工艺 ， 也许这是因为4nm比5nm具有非常明显的PPAc（功率 ， 性能 ， 面积 ， 成本）优势 ， 或者因为存在实质性的内部变化（例如 ， 新材料 ， 极紫外光刻的使用率显著提高等） 。据悉 ， 三星在2021年同时提高了其4LPE和5LPP技术的产量 ， 这使其能够为不同的芯片设计提供不同的PPAc优势 。
3nm方面 ， 三星计划在2022上半年推出3nm ， 目前 ， 三星晶圆代工主要客户包括高通、IBM、英伟达 ， 以及自家的处理器芯片 。
三星3nm制程研发规划分为2个阶段 ， 第一代的GAA GAE（GAA-Early）与第二代3nm GAP（GAA-Plus） ， 2019年称3nmGAE制程2020年底前展开风险试产 ， 2021年开始量产 ， 但目前未见踪影 ， 外界认为将延迟到2023年才会量产 。
尽管三星晶圆代工营收突破新高 ， 但先进制程产能的爬坡稍慢仍侵蚀整体获利表现 ， 集邦认为今年第一季度改善先进制程产能与良率是当务之急 。
成熟制程
三星在近日的年度报告中透露 ， 今年起将扩大成熟制程晶圆代工产能 ， 并制定了中长期扩产计划 ， 晶圆代工事业将锁定CMOS图像传感器（CIS）所需成熟制程产能 ， 进而确保新客户与提高获利能力 。这样 ， 三星不仅在先进制程方面与台积电争夺市场和客户 ， 还要在成熟制程市场提升与联电、格芯、中芯国际、力积电等厂商的竞争力度 。市场人士解读 ， 三星因先进制程良率持续面临瓶颈 ， 才回头大力发展成熟制程 。
2021年 ， 最紧缺的芯片集中在以28nm制程为主的成熟制程芯片 ， 这使得台积电罕见地在大陆南京厂扩增28nm制程生产线 ， 还在日本熊本县投资22/28nm制程晶圆厂 ， 显示出市场对成熟制程芯片的需求紧缺到台积电也必须回头扩产10年前技术的生产线 。
2021年12月 ， 市场传出联电将启动新一波长约涨价 ， 涨幅在8%至12%之间 ， 2022年元月起生效 。据中国台湾《经济日报》报道 ， 联电将于今年3月起调升全品类晶圆代工报价 ， 涨幅约5%至10% 。多家IC设计公司也证实 ， 收到了联电的涨价通知 。
据供应链分析 ， 联电再度涨价的原因有二：一是光阻液等化学材料与周边耗材价格持续升高 ， 加上晶圆代工成熟制程需求持续火热；二是新扩充的产能来不及满足客户需求 。
据悉 ， 联电今年的资本支出达到23亿美元 ， 创下放弃先进制程研发以来最高纪录 ， 联电也携手大客户签下长约 ， 扩充在台南科学园区的12英寸厂Fab12A的P5及P6厂区产能 ， 以给予优先提供产能的合作关系 ， 不仅协助客户确保产能供应 ， 联电先前表示 ， 目前长约与单一客户需求 ， 已经达到订单三分之二 ， 有信心维持高产能利用率 。
在行业老大台积电和老三联电扩产成熟制程的双重夹击下 ， 三星也坐不住了 ， 面对全球市场对成熟制程芯片的渴求 ， 该公司决定大规模扩产也在情理之中 。而三星在这方面的主要抓手自然是CIS芯片 ， 因为其市场需求量巨大 ， 且仍在增长之中 ， 更重要的是 ， 三星的CIS市占率全球排名第二 ， 仅次于索尼 ， 无论是设计 ， 还是生产 ， 实力都很雄厚 ， 向市场开放一部分代工业务 ， 是一个不错的选择 。
据Counterpoint调查统计 ， 全球相机CIS市场收入预计将在 2022 年增长 7% ， 达到 219 亿美元 ， 这主要受智能手机、汽车、工业和其他应用需求增长的推动 。
供应商方面 ， 预计索尼将在 2022 年获得 39.1% 的市场份额 ， 其次是三星的24.9% ， 第三是豪威科技（12.9%） 。
今年 ， 三星有望进一步缩小与索尼与之间的差距 ， 因为前者将受益于其为中高端智能手机提供具有成本竞争力的超高分辨率图像传感器的先发优势以及积极的产能扩张 。
在中国寻找新客户
本周 ， 在股东大会上 ， 三星电子新任共同执行长Kyung Kye-hyun透露 ， 晶圆代工业务将在中国寻找新客户 。
Kyung预测 ， 今年芯片及零组件部门的年增长率有望优于全球芯片市场的9% ， 三星会设法扩充产能、满足吃紧的全球市场 。Kyung说 ， 三星的晶圆代工部门将在高增长的中国找寻新客户 ， 同时也要改善厂房营运、扩充产能 。
在被股东问到5nm制程以下芯片良率偏低的问题时 ， Kyung说 ， 初步扩产需要时间 ， 但运作逐渐改善中 。他说 ， 制程愈来愈精密 ， 复杂度也提高了 ， 5nm以下的芯片已逼近半导体装置的物理极限 。
Kyung表示 ， 三星计划将生产线运作优化以改善获利及供给状况 ， 并持续提升已开始量产的制程 。
拓展摩尔定律
摩尔定律所发挥的效用越来越弱 ， 业界都在想办法解决这一难题 ， 三星也在探索这方面的新技术 。
在2021年底于旧金山举办的第 67 届国际电子器件会议（IEDM 2021）上 ， 三星与 IBM 在“3D at the Device Level”讨论环节宣布 ， 已携手在下一代半导体芯片的设计技术上取得了重大突破 。据悉 ， 这项突破性的 VTFET 新技术 ， 允许晶体管在垂直方向上堆叠 。不仅有助于缩小半导体芯片的尺寸 ， 还能够使之变得更加强大和高效 。
在摩尔定律“1.0”时代 ， 行业内的 CMOS 晶体管都是以横向方式构建的 。在经历了数十年的无数次工艺进步之后 ， 现在可以将数十亿个晶体管放入一枚小巧的芯片中 。
然而随着工艺日渐逼近原子极限 ， 半导体行业正在向垂直方向积极转进 ， 受基于沟槽的 DRAM 垂直存取晶体管的启发 ， IBM和三星在体硅上使用了所谓的“垂直输送纳米片”（简称 VTFET）和 45nm 纳米栅极工艺 ， 来制造CMOS元件 。
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此前的 2D 半导体芯片 ， 都是水平放置在硅表面上的 ， 而电流则沿着水平方向流动 。不过得益于 3D 垂直设计 ， 新技术将有助于突破摩尔定律的性能限制 ， 以达成更高的能源效率 。与当前的FinFET相比 ， VTFET 有望带来翻倍的性能、以及高达 85% 的效率提升 。在搞定了栅极长度和间隔尺寸（决定栅极 / 晶体管间距）这两个关键因素之后 ， 3D 垂直器件设计方案使得芯片制造商能够继续沿着摩尔定律的方向去发展 。
由于降低了静电和寄生损耗 ， VTFET 器件有望提供出色的工作电压和驱动电流 。研究人员使用了 VTFET 来制作功能性环形振荡器 。结果发现 ， 与横向参考设计相比 ， 新技术可减少 50% 的电容 。
基于MRAM的内存计算
三星的核心业务是存储器 ， 这是其营收的主要来源 。因此 ， 该公司一直在该领域的前沿技术研究方面持续投入 。
例如 ， 今年1月 ， 三星电子宣布 ， 已成功展示世界上首个基于 MRAM（磁阻随机存取存储器）的内存计算 。这项研究由三星高级技术研究所（SAIT）牵头 ， 与三星晶圆代工业务和半导体研发中心合作进行 。
目前 ， 在内存计算方面 ， 开发方向主要有 RRAM（电阻式随机存取存储器）和 PRAM（相变随机存取存储器） 。相比之下 ， 尽管 MRAM 具有操作速度、耐用性和大规模生产等优点 ， 但迄今为止很难将 MRAM用于内存计算 。这种困难来自于 MRAM 的低电阻 ， 由于 MRAM 在标准的内存计算架构中使用时不能享受降低功耗的优势 。
三星电子的研究人员通过架构创新为这一问题提供了解决方案 ， 他们开发了一种演示内存计算的 MRAM 阵列芯片 ， 通过用一种新的“resistance sum”电阻来取代了传统标准内存计算架构中的“current-sum” ， 解决了单个 MRAM 器件的小电阻问题 。随后 ， 三星的研究团队通过运行这种 MRAM 内存计算芯片来测试其性能 ， 以执行人工智能计算 。该芯片在对手写数字进行分类时达到了 98% 的准确率 ， 在从场景中检测人脸时达到了 93% 的准确率 。
结语
【Samsung|三星正全方位拓展先进制程、存储器等前沿半导体技术的边界】2022年 ， 无论是晶圆代工业务中的先进制程、成熟制程 ， 还是存储器 ， 或是前沿半导体技术 ， 以及全球各主要市场的拓展 ， 三星正在全方位拓展其边界 。各领域的竞争对手或将感受到更多来自于三星的压力 。

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