3nm的尴尬，7nm的困境
编者按：本文来自微信公众号 远川研究所（ID：caijingyanjiu），作者：周哲浩，编辑：刘芮，创业邦经授权发布，头图来源摄图网。
上个月，一大批台积电工程师包机前往美国，时值台积电在美国亚利桑那州的5nm晶圆厂建设接近尾声，创始人张忠谋证实，台积电还会在当地建设一座3nm晶圆厂，这是他们第一次将最先进制程的代工厂建在台湾地区之外。
由于在芯片代工环节的不可替代性，台积电过去几年一直位于地缘政治的风口浪尖。但实际上，台积电也是一家商业机构，也会面临商业层面的麻烦。
今年10月，台积电总裁魏哲家在内部沟通时，罕见地鼓励员工休假，只有一个群体例外：3nm的研发人员。
短短一句话，可以说概括了台积电当下所有的麻烦：
第一，最新的3nm工艺节点，三星几乎与台积电同时实现量产，台积电的技术优势并不大。
第二，去年产能利用率动辄突破100%的好日子，台积电也没那么多订单了。
但台积电的烦恼真的只有这些吗？
3nm的困境：苹果临阵退缩台积电大赚特赚的秘诀，就是先进制程始终领先一步，换来更高的议价权。而苹果、AMD这类芯片设计公司的订单又会变成台积电的研发资金和建厂开支，进一步扩大领先优势。
2011年，台积电率先量产28nm，该节点的营收占比在一年的时间里从2%提升到了22%。2018年，率先量产7nm后，苹果、华为、AMD的订单挤爆了台积电产能，2019年，台积电2470亿元的营收创历史新高。
所以我们看到，即便在2019年失去了大客户华为，苹果、AMD这些大客户立马就承包了闲置的产能。当时，台积电对未来的预期也很乐观，宣布在2021年起，把在台湾地区工作的5万名员工的固定薪酬提升20%。
但这个正向循环运转到3nm节点时，却出了一些问题。
首先，在过去十年里一直落后台积电的三星，在3nm节点罕见的率先量产，足以令台积电感到紧张。
但这并不是核心因素，毕竟三星在5nm节点能耗翻车，坑哭了高通吓跑了英伟达，导致没几家客户敢吃3nm的螃蟹，只吸引了一家中国矿机企业。
其次，这些大客户虽然没找三星，但也没用台积电的3nm。
三星宣布3nm量产后不久，台积电也顺利量产自己的3nm工艺。但坊间盛传，台积电的最大客户苹果在A17芯片上有可能跳过N3，而采用密度相对更低，但经济性更高（便宜）的N3E工艺打造。
至于其他半导体公司，放起鸽子就没有苹果这么含蓄了：
·英特尔原本宣布，14代酷睿CPU的集显模块使用台积电3nm，结果在8月份反悔，说自己其实要用的是5nm。
·英伟达刚刚发布了基于台积电4N工艺的RTX 40系列显卡，考虑到英伟达的显卡两年迭代一次，就算要用3nm，也得等到2024年了。
·依靠台积电5nm工艺上演绝地反击的AMD，新一代Zen 4使用的还是台积电的4nm工艺，就算Zen 5系列更新到3nm工艺，也得等到2024年。
为数不多有希望大规模采购3nm的玩家，只剩了在手机芯片行业的两个老冤家，高通与联发科。
其中，高通是三星芯片代工的主要客户，近些年来一直在三星与台积电之间反复横跳；联发科近些年来，一直对高端市场虎视眈眈，但成本依旧是一个不得不考虑的问题。
总结一下，台积电的大客户，无一例外对3nm的态度很暧昧。原因很简单：不划算。
根据市场研究机构International Business Strategies（IBS）的数据，3nm芯片的设计费用约达5-15亿美元，兴建一条3nm产线的成本约为150-200亿美元。
这笔费用也会传导到代工的报价上：3nm工艺12英寸晶圆的报价高达3万美元，几乎是5nm工艺的一倍，7nm的三倍多[3]。
但3nm带来的性能提升却不尽人意。举例来说，7nm的A12芯片（iPhone XS/XR）相比10nm的A11（iPhone 8/X），性能提升了足足50%。但同样相隔一年，4nm的A16（iPhone 14 Pro）相比5nm的A15（iPhone 13 Pro），性能提升不到10%。
这点提升说出去很没面子，所以苹果在发布会上宣传A16芯片时，鸡贼的和三年前的A13相比，勉强得出了性能提升40%的结论。
虽说性能提升变少不能怪台积电，也不能说苹果、AMD这些芯片设计公司不努力，摩尔定律的衰减是整个电子产业需要面对的问题。但性能提升变少，消费者购买意愿不足，终端品牌减产的压力，却结结实实的砸在了台积电身上。
7nm的尴尬：手机看不上，汽车用不起3nm的订单主要影响资本市场对台积电的预期，而台积电业绩乏力的主要因素，其实出在了7nm身上。
观察台积电的营收结构，可以发现一件很有意思的现象：尽管5nm量产许久，但截至今年上半年，营收主力依旧是7nm制程。今年二季度，5nm和7nm营收占比分别达到21%和30%。
但到了三季度，5nm依旧坚挺，占比达到28%，7nm却拉了大胯，占比仅为26%。DIGITIMES报道，台积电7nm系列的产能利用率，已经从去年的一度超过100%，跌到如今的不足50%，为此，台积电甚至无限期搁置了高雄Fab 22厂的7nm扩产计划。
台积电的7nm工艺创造了很多经典产品，比如苹果的A12芯片，AMD的Zen 2/3架构处理器，以及海思的麒麟985芯片。
一般来说，当一个新制程量产后，苹果、高通、AMD这类公司都是第一个吃螃蟹的。而随着工艺升级，苹果、高通、AMD会更新到下一代制程，上一代制程的产能会降价，给服务器芯片、汽车芯片等等产品代工。
对台积电来说，老制程虽然已经落后了，但产能不会被浪费。随着产线的成本慢慢折旧完，持续开动的产线反而能贡献可观的利润。在台积电的营收里，将近1/3都是40/45nm以上的成熟制程贡献的。
了解了这个背景，就能看出7nm的尴尬之处：说它是先进制程，也没有那么先进；说它是成熟制程，也没有那么成熟。
一方面，高端手机芯片和PC芯片，已经过渡到了5nm/4nm制程；另一方面，汽车芯片、服务器芯片、物联网设备芯片这些替补队员，又迟迟没能跟上。
原因很简单：太贵了。
对设计公司来说，28nm节点上的开发需要投入5310万美元，16nm需要1亿美元，而到了7nm，则需要将近3亿美元[1]。在这之中，仅仅流片一项付出的成本，就从14nm的300万美元跃升至7nm的3000万美元。所以7nm就算降价，还是贵。
这么贵的原因有二：第一，7nm流片时，用于对向硅片上投影芯片图像的耗材掩膜版急剧增加，这一项就能花掉一千多万美元；第二，7nm芯片的生产设备从DUV光刻机变成了EUV光刻机。
所以，芯片代工成本的增加并不是线性的，这也是为什么28nm和14nm成为了两代经典制程。比如28nm用的是HKMG，之后的制程就变成了FinFET工艺，成本暴涨。而14nm则是DUV光刻机能生产的最先进的制程，之后的成本也会暴涨。
苹果、英伟达这类消费电子霸主，自然有底气盯着先进制程采购。但汽车/服务器/物联网设备芯片公司在豪情一掷之前，肯定得先掂量掂量，自己有没有苹果那个出货量。
掂量的结果，就是替补队员集体赖在14nm/28nm当钉子户，7nm只能靠AMD还没停产的老产品。在2010年就已经量产的28nm，近年仍能给台积电贡献10%左右的营收。
2021年，在台积电7nm节点的营收中，英伟达和AMD两家公司是主要支撑。但如今它们都转移到了5nm。英伟达之所以把旗舰的40系显卡定价上万，台积电5nm工艺的超强能耗比（英伟达用的4N在统计口径中归5nm）是一个核心卖点。
先进的3nm没人用，“落后”的7nm也没人用，台积电只能大手一挥：砍。
寒气传递的太快了时间拨回2022年初，半导体代工厂的画风还是这样的：多家厂商业绩创下新高，台积电、联电2021年营收增幅在20%左右，中芯国际则为40%。
随后，厂商陆续上调了资本开支，台积电2022年资本开支预计400-440亿美元，其中八成运用在7nm及以下先进制程的开发。
而到了10月，台积电的来了个大转弯：预计2023年整个半导体行业可能会下滑，台积电见风使舵，下调资本支出至360亿美元。
其他半导体厂商也都和台积电一样，一边公布惨淡的业绩，一边为自己当初豪迈的资本支出找个台阶下：
·英特尔第三季度营收同比下降20%，净利润同比下降85%，同时将资本支出计划从270亿美元下调至250亿。
·韩国内存大厂SK海力士第三季获利下滑60%，明年资本支出削减50%以上。
·三星电子预计，第三季度的营业利润将比去年同期下降近三分之一；英伟达公布的第二季度收益出现了惊人的51%的下滑。
·全球第三大芯片代工厂格罗方德直接裁员，5.7%的员工感受到了寒气。
厂商集体过山车背后，其实反映的是一个现象：供需错配。
疫情以来，居家办公使得人们对手机和平板的需求增加。2021年，全球智能手机系统级芯片SoC出货量达到13.5亿颗，同比增长了4.1%。与此同时，供给端却是吃紧的；自2020年夏天，半导体设备利用率从未低于90%[4]。
于是半导体厂家纷纷寻求扩产。但芯片行业的特殊之处在于，扩产需要时间，晶圆代工厂从建设到量产，需要两年左右的时间。在这段时间里，一旦需求回落，芯片行业就会陷入衰退。
现在的情况，就是厂商们最不愿意看到的。
作为台积电最大的两个客户，苹果在iPhone 14系列发售一个月后，在中国的市场份额下降了5%[2]。高通在季度业绩预告中，将今年5G手机的出货量，从之前的7.5亿下调到了6.5亿，对当前财季的销售额逾期，也比华尔街的要低20亿美元。
需求萎缩，产能过剩，库存爆表。无论寒气有没有传遍松山湖，它都传递给了全球几乎所有的半导体公司：英伟达的股价从年初高点跌了65%；AMD跌了62%；ASML跌了56%；英特尔最惨，一路跌回了22年前。
2月21日，台积电成立35周年之际，创始人张忠谋回顾起往日的峥嵘岁月：如果35年前成立时就投资台积电，如今能赚1000倍。
从这个角度看，张忠谋其实准确预警了自家公司的高点。毕竟只过了半年多，当年那批投资者就只能赚500倍了。
参考资料
[1] 2纳米芯片，巨头的金钱竞赛，财经十一人
[2] iPhone在华周销量暴跌27%，14系列后劲不足，苹果也不行了？天极网
[3] 3nm之争加剧 客户开始“一边倒”，三星危险了？爱集微
[4] 5张图说明全球芯片短缺的原因，悦智网