ASML EUV 光刻机等设备短缺惹的祸,4nm / 3nm 芯片先进工艺产能进入紧张时刻

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   it爱好者2022-06-22 12:30:16
集微网报道 成熟工艺产能紧缺引发的产业链“巨震”余波未平,先进工艺产能供应又将迎来紧张时刻。

供应链消息称台积电日前给客户发布通知,称先进制造设备到货延期,明后年产能增加可能不如预期。虽然没提到具体工艺,但台积电表态暗示 4nm、3nm 等产能将趋于紧张。

作为全球最大最先进的代工一哥,台积电如此表态,产业链“虎躯”难免一震。

设备惹的祸?

从台积电通知中可以看出,问题的关键直指设备。

而之所以如此,或要从两大维度解读。

一方面,设备业需求强势走旺。在大国博弈、应用驱动、产能紧缺的影响下,加之各半导体强国纷纷加码制造业回流和加强供应链安全,全球代工迎来一波又一波的扩建和新建潮。如此多的企业同一时间涌入芯片制造业,所需的设备、材料等无疑是十分庞大的。

所谓“兵马未动,粮草先行”。代工环节是一个极其复杂化、体系化的流程,各种设备如光刻机、刻蚀机、等离子注入机、CMP 以及光刻胶等材料缺一不可。但在全球产能紧缺之下,设备也难以独善其身,设备厂商一方面要应对急剧扩大的需求,另一方面也遭受设备零部件供应短缺的困扰,双重“挤压”之下,有时难免只能望“单”兴叹。

据爱集微报道,今年伊始,包括 ASML、应用材料、泛林等半导体设备巨头都曾多次公开表示产能无法满足需求。作为芯片扩产的基础,当前设备生产的最大掣肘却也正是来自于缺芯。而这种看似无解的死循环,将给深陷过剩担忧的半导体产业链,带来更多不确定因素。

另一方面,工艺的进阶对设备提出了更高的要求。北京半导体行业协会副秘书长朱晶提到,进入到 3nm 之后,架构从 FinFET 变成 GAA,晶体管架构发生改变,对相关的设备、材料都提出新的要求,意味着高阶的光刻机以及其他关键设备面临着重新研发和生产,这都需要一个周期。

特别是对于先进工艺制程来说,最最关键的设备无疑就是光刻机。以赛亚调研 (Isaiah Research) 认为,目前的设备瓶颈是 ASML 的 EUV 设备,因 ASML EUV 是先进制程最重要设备之一,加上是 ASML 一家厂商独供,所以先进制程产能会受到 EUV 设备的供应状况限制。因此,目前台积电 3nm 的脚步确实有些放缓,最主要也是 EUV 设备紧缺的问题。

特别是最新一代高数值孔径 High-NA EUV 光刻机因更有利于 3nm 及以上工艺,台积电、英特尔、三星争夺下一世代话语权也使出了浑身解数。不仅在资本支出上持续祭出大手笔,还频频表态以先声夺人,英特尔之前宣布抢下了首台新一代 EUV 光刻机,而且在首批 6 台中英特尔也占了大头;台积电则表示将在 2024 年采用最新一代 High-NA EUV 光刻机;三星集团副会长、三星集团实际控制人李在镕最近还亲自拜访 ASML,可见其权重。

此外,在产能扩建和新建过程中的变量因子也要全盘考量。台湾业界资深顾问、旗舰国际管理顾问总裁段定夫就认为,除设备之外,还要考虑到国外投资的新建产能则还有缺工、缺料、运输延迟、审批迟缓等其他因素。

良率亦是影响代工产能的重要一环。集微咨询资深分析师陈翔介绍,设备和工艺技术是工艺量产的最关键因素,缺一不可,台积电和三星在 3nm 节点遭遇的挑战一方面是设备问题,另一方面则是研发良率问题。

4nm / 3nm 处于漩涡?

在设备等掣肘之下,先进工艺产能状况也上演不同的剧情。

以赛亚调研提到,台积电的 4nm / 5nm 产能将持续紧缺,如 4nm 的主要几家大客户如苹果、AMD、英伟达等芯片将在下半年放量,或将进一步引发产能紧张。

而 6nm / 7nm 因手机 AP 下修幅度大,加上 Apple 及 HPC 客户陆续往 5nm 制程转移,因而 6nm / 7nm 的供需紧缺的状况在 2023 年会相对平衡。

相形之下,3nm 开局不利。段定夫提到,预计上半年量产 3nm 的三星其实已拖延时程,加上低良率的问题已经被管理高层检讨,并在进行组织改造中,预计还需要几个季度才能追赶上。台积电相对则在最近举办的技术论坛中,再次确认将在 2022 年下半年如期进行 3nm 的量产。

但从扩产速度来看,也不会如预想顺利。以赛亚调研分析,供给端受设备供应限制而影响产能供应,但需求端也看到客户投产计划相对不积极。总体来说,客户对台积电 4nm / 5nm 的产能需求还是比 3nm 大,因此关键设备有机会将转而支持 4nm / 5nm,进而放缓 3nm 的扩产速度。

“具体来看,台积电 3nm 的产能供需状况仍待明年两家主要客户 Apple 及英特尔的投片观察。而对于三星的 3nm,目前尚未看到明确大客户的量产计划,且三星 3nm 在良率上还有待提升,客户或亦在观望。”以赛亚调研表示。

尽管 3nm 眼见将“延迟”,但从另一维度解读,这或让 3nm 在“成形”之后成为一个长节点。

朱晶分析,3nm 良率看来尚待提升,这也侧面说明从 3nm 开始,每提升一个节点的难度将越来越大,研发投入也会越来越高,这符合摩尔定律越往下走越接近失效的一个基本判断。这也会让 3nm 成为一个长节点,因为向 2nm、1nm 走显然将更加缓慢,因此 3nm 或将引发巨量的产品需求,导致 3nm 节点成为一个需求严重大于供应的节点。台积电最近又豪掷 400 亿美元在台新建 4 座 3nm 晶圆厂,就能从侧面验证对 3nm 节点产能的判断。

对于产能紧缺将持续多长时间的问题,段定夫表示,要看三星及英特尔多快能顺利扩充先进工艺产能来补齐产能缺额,保守估计至少一到两年。

调研机构 BIS 宣称,由于市场需求暴增,以及半导体设备短缺,3nm 及以上先进工艺的产能将面临挑战,2024 到 2025 年可能出现 10% 甚至 20% 的缺口。

或许先进工艺产能的紧缺已“在路上”。

产业链影响几何?

产能紧缺的“前车之鉴”就在眼前。

成熟产能紧缺危机导致电源管理、显示驱动 IC、MOSFET、MCU 和传感器等相关芯片缺货与涨价齐飞,对汽车、消费电子等多个行业的影响依然仍在发酵。

因而,对于先进工艺产能对于业内的影响,以赛亚调研则相对乐观,先进制程产能紧缺的状况对市场的影响有限,因终端市场需求下滑,几家重点客户有投片下调的状况,如因消费类电子市场疲软的关系,今年下半年联发科在台积电 6nm / 7nm 的投片下调 20-30%,英伟达的 5nm 芯片也同步下调 10% 左右。加上 3nm、4nm / 5nm、6nm 等制程节点的设备可根据客户需求做部分的产能调配,代工厂的弹性度更大。

提及产业链对先进工艺产能紧缺的应对之举,段定夫谈及,先进工艺产能紧缺对半导体产业造成的主要影响就是库存下降及价格上涨,常见应对方式有延后终端产品出货、降低终端产品规格等。

对此陈翔也指出,先进工艺产能的紧缺也将造成相应芯片的涨价以及货源断供等问题,设计厂商应根据代工厂的产能调整自己的战略部署,根据代工厂的产能变化及时调整自己的备货进度和比例,以及要寻求合适的代工厂合作,以保证供应。

在这一过程中,先进封装亦是一个可借力的支点。如段定夫所言,大陆设计厂商不仅可评估采用多家代工厂,也可考虑改用成熟工艺的设计,结合先进封装如 chiplet、异构整合的方式来应对。

尽管 3nm 看似与国内设计厂商定位仍较为遥远,但朱晶认为,工艺节点越往前走,对于大陆设计厂商来说,挑战和风险也都将放大,因大陆目前尚缺乏 7nm 以下先进工艺的能力,意味着先进工艺越往前走,产业话语权越弱,为了拿到先进工艺就要付出更多的成本,或导致设计厂商研发和投片成本增加;或拿不到先进工艺产能持续受制于人。

“3nm 是一个长节点,对于中国大陆来说,最好的办法就是尽快想办法解决和突破先进工艺产能的问题,这是最根本的办法。”朱晶最后建议。


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