【Lynn寫點週報】格羅方德為何放棄7nm製程,穩固台積電先進製程地位?

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過去晶圓代工戰爭下,從 180/130nm 到 14/16nm 節點,每一家廠商都在競爭最新的製程,試圖將電晶體的體積盡可能地縮小,降低電阻,在相同體積的晶片上帶來更好的效能及功耗表現,爭取晶片訂單,但今年卻有反常的狀況發生,晶圓代工廠對於 7nm 製程的開發紛紛抱持著謹慎態度,投資明顯趨於保守。

2018 年 8 月 27 日,總部位於美國,世界規模第二大的專業晶圓代工公司格羅方德在官網上發布了一則名為「GLOBALFOUNDRIES Reshapes Technology Portfolio to Intensify Focus on Growing Demand for Differentiated Offerings」的公告:宣布暫緩 7 奈米的製程開發,專注在獲利高的成熟 14/12nm 產線──退出晶圓代工的先進製程競賽。

巧合的是,先前台灣的聯華電子也已宣布不再投資 12nm 以下的先進製程,同樣專注在多樣化的產品線,終結過去 18 年不斷追趕先進製程的策略。隨著 2018 年逐步踏入年底,晶圓代工公司紛紛暫停追趕先進製程,目前只剩台積電一家達成 7nm 製程的量產(Intel 還在 14nm+++),為何半導體公司紛紛放棄先進製程,獨留給台積電一間獨吞?

Lynn 對這個問題感到非常好奇,雖然我本身不是半導體業的專業人士,但仍想從科普的角度來對晶圓代工產業分享一些看法(相關文章可以參考:晶圓代工爭霸戰系列),因為是較粗淺的看法,我決定採用三個面向來檢視自身的想法,以確保較高的正確性,包含:投資成本、市場客群及財務結構。本周 Lynn 將跟各位一起討論這次格羅方德放棄 7nm 先進製程背後的商業考量。

格羅方德放棄 7nm 製程,朝成熟製程多角化前進

由阿拉伯基金投資的格羅方德宣布改變先進製程的投資策略,將暫緩 7nm 製程開發,轉為發展 14/12nm 製程平台上的多角化產品,像是 RF、嵌入式記憶體、低功耗晶片等等,並進行「組織重整及裁員」,布局自動駕駛、IoT 及 5G 領域。

此外,格羅方德也將 ASIC 設計及開發部門獨立拆成 100% 持有的子公司,為客戶提供 7nm 的先進設計產品,代工部分則會另尋供應商,不由格羅方德本身代工。格羅方德也表示,現階段及未來幾年 14nm 的產品仍是客戶的需求主力,將專注發展多角化產品來滿足客戶的需求,而不選擇昂貴的先進製程投資。

Lynn 將格羅方德的公告濃縮成上述這兩段文字,透露出兩個重要訊息:第一是投資 7nm 製程的風險太高,即使在未來幾年,格羅方德客戶的主力仍是以 14/12nm 平台為主,貿然跟進 7nm 不但昂貴,而且風險很高。第二是 ASIC 領域仍有發展潛力,而先進製程仍是追求 ASIC 晶片效能的首要方式,因此格羅方德選擇只做「設計」,並將代工外包,也說明代工 ASIC 晶片的獲利潛力仍小於追趕先進製程的投資成本。

投資成本:7nm 製程需要重新投資,光刻技術由 DUV 轉 EUV

Sources: Semiconductor Engineering

為什麼格羅方德認為投資 7nm 先進製程的風險這麼大呢?隨著摩爾定律的逼近,物理限制讓半導體製程的進步難度越來越高,電晶體的大小受到原子的物理限制,結構越趨緊密,產線的良率控制難度也就更高。

在 10nm 以下製程,為了將更多、更小的電晶體塞在積體電路內,首先面臨的挑戰是光刻技術的限制──14/16nm 製程需要使用 DUV 進行二次曝光,到了 10nm 及以下的製程,廠商則需要使用三次至四次曝光技術(台積電初期 7nm 晶片使用 4 次 DUV 曝光來達成,預計 2019 年採用 EUV 來生產 7nm 晶片),耗費較多的工序及能耗,成本上相對不理想。

因此半導體廠商需要由傳統的 DUV 轉為投入 EUV,利用解析度較高的 EUV 設備進行一次至兩次光罩曝光,將晶片電路圖投射在基板上。對於半導體廠來說,轉進 EUV 代表光刻設備的重新投資。

EUV 主要由 ASML 生產,一台要價 1.8 億美元,台積電今年的資本支出預計高達 100 億美元左右(含擴廠及 7nm 製程開發及投資)。台積電初期還是使用 DUV 生產 7nm 晶片,EUV 要等到明年才會完全採用,資本支出很可能更高──這筆龐大的資本支出不是每一間公司都有能力承擔的風險,盲目跟進可能有過度投資的風險。

格羅方德整間公司的年營收僅有 55 億美元,在評估未來一到兩年客戶對 7nm 製程的採用率及投資效益後,結論是投資 7nm 製程的風險非常高。

市場客群:格羅方德遭到 AMD 轉單,先進製程倚賴規模化生產,投資回收困難

Sources: Glocal Foundry Annual Report 2017

目前市場上預計第一批採用 7nm 製程僅有處理器客戶群,像是蘋果、高通、華為、NVidia,應用主要都在 CPU 及 GPU 這些以效能及功耗為導向的晶片組,應用在市場規模最大的手機、運算中心、個人電腦及繪圖處理(還有挖礦)。

這些廠商都屬於一級客戶:作為市場的領先廠商,最新製程的產品往往都要趕第一時間推出來搶佔市佔率,要求的出貨量不但大,而且良率一定要有合格水準以上──對晶圓代工廠來說是非常嚴苛的標準,因此他們的訂單通常只有最先完成製程研發的龍頭廠商可以取得。舉例來說,今年蘋果 A12 處理器在 9 月底就需要完成出貨,蘋果手機的年出貨量好幾千萬台,晶圓代工廠的良率及產量必須跑在最前面才有辦法滿足客戶需求。

然而根據新聞,上述的客群今年已經將 7nm 訂單交給已經量產的台積電。格羅方德即使完成 7nm 製程研發及量產,在無法爭取以上大型客戶的情況下,其他規模較小的客戶群也負擔不起先進製程的高訂價──甚至是原先的母公司 AMD 為了追趕 Intel 的處理器效能,都願意付出高額違約金,設計直接躍進至 7nm,將代工訂單從格羅方德轉進台積電,效能直接壓倒 Intel 卡關很久的 10nm 製程。

題外話:其實只要 Intel 找台積電代工,處理器也能直接躍進至 7nm 製程,但是 Intel 本身也有代工業務,最高利潤的產品沒辦法不給自家人。Intel 預計把產能開給自家的高階處理器,導致最近 Intel CPU 嚴重缺貨,通路價猛烈飆漲。

Acer 及 HPE 也紛紛跳出來公開討論 Intel 八代 CPU(採用 14nm+++製程)缺貨的問題,這對電腦市場及運算中心的影響不小,缺貨會間接推動客戶改採 AMD 處理器的可能性,這項消息讓華爾街對 AMD 有了更大的想像,促使其股價持續上漲。

回到正題,在格羅方德喪失了這筆 AMD 訂單後,即使完成 7nm 研發,以格羅方德現有的客戶群,營收主要來源仍會來自 28nm 及 14nm 系列的成熟產線,先進製程的產能滿載率肯定不太理想,自然沒有理由再冒龐大風險投資 7nm 製程,只能轉向投資成熟產線特規化,以多角化策略來取得利基市場。

但格羅方德也沒有完全放棄 7nm 市場,旗下的 ASIC 部門負責高效能 ASIC 晶片的業務,為的是爭取高速處理晶片的市場,這些講求效能的產品短期內一定都會走向最新的 7nm 製程,包含資料運算中心、虛擬貨幣礦機、AI 運算及其他特殊用途的高效運算市場。

然而這個部門僅負責設計,代工業務部份會外包給其他晶圓代工廠,為了避免業務衝突及管理上考量,這個 ASIC 部門將獨立分拆成子公司。

財務狀況:格羅方德營運虧損下無法在先進製程持續競爭,負債也正在攀升

格羅方德是由 Mubadala Investment Company(沙烏地阿拉伯的主權基金之一)旗下 Advanced Technology Investment Company(ATIC)100% 持有的私人公司,無法取得個別財報,僅能從 Mubadala Investment Company 揭露的 2017 年財報來判別其營運狀況。

但 Lynn 能掌握的線索不多,由於格羅方德是併入 Mubadala 的合併報表,2017 年母公司營運為虧損 5.6 億美元,且發現格羅方德的負債從 2016 年的 1.45 億美元增加到 2017 年的 2.09 億美元,Mubadala 其他的投資項目負債金額沒有顯著增加。

由此判斷,Mubadala 的虧損可能部分來自格羅方德,晶圓代工業務持續在借錢投資。除此之外,格羅方德從 2018 年陸續傳出裁員的消息,先前 6 月傳言裁員 5%,9 月又說要裁另一波,財務狀況應該不甚理想。

即使背後金主是阿拉伯的主權基金,不代表母公司允許格羅方德無限制的燒錢,成為基金的無底洞錢坑,格羅方德過去 10 年持續在虧損。因此在財務面來說,格羅方德投資 7nm 製程確實風險很大,特別是尚未實現獲利以前,應該專注在營收主力的成熟製程,先求獲利向投資人交代。

全球第二大的格羅方德退出,未來晶圓代工產業是不是由台積電獨霸了?

這項消息對於台積電是否為利多還有待觀察。雖然未來 7nm 製程將由台積電獨霸,但 1~2 年內晶圓代工廠的營收主力還是會停留在 28nm 至 14nm 製程的產品,格羅方德這次將資源集中投入在 14/12nm 系列產品,無非是瞄準市場規模最大的部分,直接跟台積電及其他晶圓代工廠競爭。

因此這些退出先進製程的晶圓代工廠,會與台積電在成熟製程展開更激烈的競爭。對於台積電來說,並不是完全有利的消息,短中期內反而有不利的影響。這場晶圓代工大戰還會持續下去,只是隨著先進製程的投資門檻越來越高,各家的策略不再一昧競爭先進製程,而是各自尋找產品利基點,分食這一塊半導體市場大餅。