台积电和英特尔全球扩产竞争白热化

2024-02-23
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台积电2月24日举行熊本首座晶圆厂开幕典礼,相较美厂延期,日厂自宣布设厂以来大致还算顺利,除了有日本政府全力重返半导体制造大国的强大企图心助力外,另一推手就是大客户苹果。

日前台积电再宣布兴建第2座晶圆厂,另一方面,美厂也在先前与工会签定协议后,新厂进度恢复正轨。

而德厂现正倾全力协助台积电建厂,期能发挥产业磁吸效应,建置强大半导体产业链与活络当地产业发展。

值得注意的是,台积电海外扩产持续开展,重返晶圆代工战场的英特尔也早已重金展开全球生产部署,在多国不希望“台积电独大”且英特尔不断强调已内部分拆,为外部客户的数据与智能财产权提供最高等级的保护。

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同时,英特尔也拥有美国强力支持,取得多方资金补助支持,加上先进制程技术发展多年,在创新技术与材料应用上保持领先下, “万事俱备,只欠东风”就等芯片客户是否愿意承担、分散风险,启动转单策略,代工名单将英特尔列入。

美国工厂建设难度超预期

2020年疫情爆发,引发全球芯片荒,台积电承受了地缘政治风险与大国压力,在外界一片不看好下,仍不得不宣布高成本的海外扩产计划,自2020年宣布美国新厂后,2021年也揭露了日本熊本新厂,2023年则如预期释出德国厂蓝图,预计2027年底量产,近期则是再宣布建置熊本第2座厂,7年海外扩产计划确立。

美日德抄捷径强化半导体产业链实力,台积电成为各国抢夺标的。

不过,近年面临景气未如预期复苏,加上地缘政治风险承压,台积电扩产计划完全遭外力干预打乱,不确定因素大增,一直以来相当严谨的台湾建厂计划与制程技术推进,过去1年多来罕见一再调整,海外新厂同样也出现修正。

尤其是美国,建厂之路一路跌跌撞撞,受到市场需求、当地监管法规、劳动法令、工作文化与成本飙升等复杂问题影响,原本首期工程2024年开始生产5nm制程技术,之后修正为4nm,并延至2025年上半量产。

同步兴建的二期工程,预计2026年开始生产3nm制程技术,但日前台积电说法又转为模糊,量产时程再推迟至2027年,且最终采取何种制程技术,也改口将视客户需求,并与美国相关单位讨论中,也就是不一定会是3nm制程,仍有变更空间。

美厂二期工程总投资金额大举飙升至400亿美元,为亚利桑那州史上规模最大的外国直接投资案,也是美国史上规模最大的外国直接投资案之一。

苹果促使日本工厂迅速建成

相较美厂建置难度高,台积电在日本建厂则是相对顺利许多。

首座熊本厂自2022年4月开始动工, 24小时完全赶工,不到2年就完工且真正量产,虽然非先进制程,但在土木钢构、无尘室建置与各项厂务进展相当神速,日本政府全力相挺、劳动文化相近为关键所在。

据了解,助力台积电建厂的是日本前五大营造企业,而台积电也带了自家合作紧密的工班与厂务设备等,因此,在天时地利人和皆到位,熊本厂进展符合预期,获利也可望提前实现。

日前台积电再宣布与Sony Semiconductor Solutions Corporation(SSS)、电装(Denso)及丰田携手投资建置第2座厂,并计划2027年底开始营运,2座晶圆厂每月总产能预计超过10万片12吋晶圆,为汽车、工业、消费性和高效运算(HPC)相关应用提供40nm、22/28nm、12/16nm和6/7nm制程技术,这也是日本首度真正可拥有7nm EUV以下可大量生产的先进制程节点。

另外,也再传出双方也开始讨论三期晶圆厂建置计划。

为何台积电快速决定前往日本设厂,魏哲家就直言,日本确实不是成本便宜的地方,决定设厂的主要原因就是最大客户要求,希望全力协助其最大供应商。

台积电的核心考量一直都是客户需求优先,客户的产品卖不出去,台积电的3nm、5nm也没订单,因此一定要全力支持。

据了解,台积电最大客户为苹果,占营收比重约25%, Sony则是iPhone影像感测器重要供应商。

以台积电在日建厂的目的与合资伙伴来看,显而易见的就是固守苹果订单,以及日本政府全力扩大车用、工业与抢进HPC、AI新战场。

熊本厂预计将直接创造总计超过3,400个工作机会,加上间接人力需求,估计至少带来近9,000个就业机会。

薪资水平方面,台积电的基本月薪为大学毕业生28万日元,硕士毕业生32万日元,博士毕业生36万日元,比日本全国平均高出5万日元以上,也也加速拉升人才吸引及当地经济发展。

日本设备和材料厂商全力支持

值得注意的是,台积电赴日还有另一重大考量,就是半导体晶圆制造总共需要1,000多道工序,而日本除在晶圆制造与制程技术落后外,在全球设备领域市占与美国皆约3成上下,虽然没有ASML的独家EUV技术设备,但在关键零组件拥有关键地位。

另日本在光阻剂、研磨液、蚀刻气体到硅晶圆等关键材料方面,在全球拥有近5成版图。

这也是台积电于2020 年1 月在横滨设立技术中心,2021 年3 月在茨城县筑波市成立日本3DIC 研发中心的目的所在。

其中,3DIC研发中心可与拥有半导体材料及设备优势的日本合作伙伴、研究机构和大学合作,协助最先进的三维集成电路封装材料研发技术。

值得一提的是,针对欧、美、日与东南亚多国皆全力重建半导体本土制造供应链,谁会成功?

张忠谋也表示,多国都想建设制造供应链,当中,日本是较理想的地方,尤其是九州在水、电与土地等皆有优势,工作文化也相当好。

同时也示警,台湾随着经济发展等情势的演变,20-30年后,半导体制造环境,恐不会像现在处于有利位置。

2030年半导体产值将达1万亿美元  

英特尔的CEO Pat Gelsinger认为,AI 协助驱动由芯片和软件带来持续增长的“硅经济”。芯片创造了价值5,740亿美元的产业,驱动全球科技经济带来近乎8万亿美元的产值。

1995年至2015年,半导体创新达到全球约3万亿美元的GDP,以及11万亿美元的间接产值,半导体产业的增长正持续加速中。

2021年全球半导体出货量为1.15万亿,到2024年预计增长率为10.4%,预计到2030 年将成为一个价值1万亿美元的产业。

半导体商机与整体产业规模不断扩增,而这也是英特尔持续推进先进制程与全球扩产以因应庞大需求的关键所在。

英特尔全球扩产不手软

英特尔目前在全球拥有8个制造基地,其中已宣布在亚利桑那州兴建2个、在俄亥俄州建造2个、在以色列建造1个,以及在德国建造2个新厂,晶圆厂数量预计增加到15个。

晶圆厂新厂方面:目前美国亚利桑那州有Fab 12、Fab 22、Fab 32与Fab 42厂;奥勒冈州有TD fabs D1;爱尔兰有Fab 24与Fab 34;以色列为Fab 28;计划中的有俄亥俄州与德国厂。

测试组装厂则包括哥斯达黎加、中国、马来西亚与越南;先进封装厂则位于新墨西哥州,以及计划中的马来西亚厂。

英特尔表示,将数十亿个微型电晶体放到到越来越小的运算芯片为人类最复杂的制造流程之一。 

1座设备齐全新的Fab耗资至少约100亿美元,需要6,000名工人约3年时间才能完工。英特尔的制造营运为全球规模,需要横跨不同洲的全球供应链。

英特尔也进一步指出,2021年宣布在亚利桑那州、新墨西哥州和俄亥俄州进行超过435亿美元的投资,以加强美国的芯片制造和研发领导地位。

这些投资至今已显著增长,甚至还未计入研发和加速技术发展方面的投资。

英特尔宣布的投资项目包含:扩大在亚利桑那州的营运规模,已在当地投资超过40年,这次将工厂由2座扩建为4座,每座预估造价介于150亿至200亿美元。

在新墨西哥州,将投资至少35亿美元于封装的设备升级。在俄亥俄州的2个厂的绿地投资,将成为该州史上最大的投资。

奥勒冈州方面,英特尔正处于计划阶段,准备投资数十亿美元进行设备扩建和现代化。这将使英特尔重拾制程技术领导地位,继续推动摩尔定律的发展。

英特尔也已宣布计划初始投资超过330亿欧元,在德国兴建工厂、在法国建立研发和设计中心,在爱尔兰、意大利、波兰和西班牙,扩大研发能力、制造、代工服务和后端生产。

通过这一系列的计划,英特尔将把其先进技术带到欧洲,协助欧盟创建下一欧洲芯片生态系,并满足全球对更加平衡、有弹性的供应链需求。

作为英特尔 IDM 2.0 战略的一部分,英特尔的计划将有助于提高生产能力,以满足对先进半导体不断增长的需求,为英特尔新一代创新产品提供助力,并满足代工客户的需求。

在波兰Wroclaw附近则兴建半导体组装和测试工厂,预计投资46亿美元。

波兰被选为新工厂地点的原因包括其基础设施、人才、和优良的商业环境。此建设还能够与英特尔计划在德国以及现有位于爱尔兰的晶圆厂密切合作,有助于提高欧洲半导体的成本效率,支持欧盟2030年实现20%全球半导体产能的目标。

先进制程与先进封装推进

英特尔在先进制程技术推进方面,确立4 年5个节点计划(5N4Y)如期进行,预计于 2025年恢复电晶体性能、功耗的领导地位。

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在IFS大会上释出Intel 18A以后的2025-2027年先进制程新规划,包括将领先导入High-NA EUV的Intel14A、14A-E,以及升级版Intel 18A-P,还有Intel 3-E、Intel 3-PT。另也最新纳入与联电在12nm制程合作。

在合作伙伴方面,在IP、EDA等产业已与34家业者合作,Intel 18A与14A的EDA方面就与Cadence、Ansys等结盟,IP业者中包括Arm与台厂M31、晶心科等。

在先进封装方面,英特尔技术持续领先业界,以持续延续摩尔定律。

除了推动整体系统运算效能的升级,也尽可能控制功耗在一定的范围内,避免造成系统设计的散热问题影响过大,为系统设计带来额外的负担与影响。

基于这样的原因,业界开始推动 HBM以TSV(Through-Silicon Via)堆叠多个裸芯,再以硅基板做为基础,让堆叠完成的HBM与多种不同架构的运算芯片如CPU、GPU与FPGA等互相连结。

英特尔EMIB自2017年产品出货开始,以首款2.5D嵌入式桥接解决方案持续引领产业。

Sapphire Rapids是首款量产出货,具备MIB的 Xeon数据中心产品。

这也是业界首款具备4个方块芯片的装置,提供等同于单一芯片设计的效能。Sapphire Rapids之后,下一世代的EMI 将从55微米凸点间距降至45微米。

Foveros自2020年起汲取晶圆级封装能力优势,提供首款3D堆叠解决方案,Meteor Lake为Foveros在客户端产品实作的第二世代,具备36微米凸点间距,芯片块横跨多种制程节点,热设计功耗从5 -125 瓦。

Co-EMIB 2022年开始结合EMIB和Foveros技术,英特尔推出代号为Ponte Vecchio的GPU Mac系列。

Co-EMIB在Ponte Vecchio三个维度上都进行了扩展,上下加入了11座桥梁、47个活动芯片块、5种不同的节点和1000亿个晶体管,是英特尔有史以来制造的最复杂的封装技术。

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