配圖來自Canva可畫
十三年前,張仲謀在金融危機中復出,在28nm關鍵制程節點上,為臺積電打好了崛起的基礎。2015年,臺積電16nm制程工藝量產成功,并且在與三星14nm的對決戰勝對方,之后的5年中臺積電一路高歌猛進,與競爭者們拉開的差距越來越大。2020年在5nm競賽中再次戰勝三星,算是徹底奠定了臺積電在先進制程晶圓代工領域不可戰勝的市場地位。
而贏得了這些驚心動魄的技術競賽,當然也給臺積電帶來了豐厚的收益回報。近日,臺積電發布截至12月30日的2020年第四季度財報,從財報表現來看,收入、利潤的穩健增長,證明臺積電的先進制程工藝,贏得了更為廣泛的市場認可。
好像也可以表明,臺積電又一次進入了由先進制程領先帶來的技術、資本雙向良性循環。然而,事實真的像表面看起來這樣美妙嗎?
收獲十年來的最佳季報
綜合業績表現來看,臺積電在新一季度收獲了十年來的最佳季報。以美元計,臺積電在2020年Q4的營收達到了126．8億美元,同比增長22%。凈利潤達50．08億美元,同比增長31．7%。營收、利潤額紛紛創造了新紀錄。
更令投資者感到驚喜的是,其第四季度利潤率表現異常亮眼。毛利率達到了54%,凈利率更是達到了驚人的39．5%,同樣創造了新的歷史紀錄。同時,如果對比其他科技巨頭的話,這個凈利率水平,甚至遠高于蘋果的21%,吸金能力堪稱恐怖。
臺積電之所以能夠在第四季度取得如此出色的業績,關鍵在于其16納米及以下的先進制程工藝貢獻了62%的收入。畢竟對臺積電而言,相比成熟制程工藝,先進制程工藝的定價更高,利潤空間也更大。
其中5nm的貢獻尤為突出,收入占比從第三季度的8%,直接飆升至第四季度的20%?，F在臺積電在5nm工藝節點上,其實并沒有真正意義上的對手。全球范圍內,目前掌握5nm制程工藝量產能力的除了臺積電,就只有三星一家。而三星的量產規模只能達到臺積電的1/5,產品的性能表現和成本價格也不占優勢。因而可以肯定的是,臺積電5nm在未來很長一段時間內仍可以在晶圓代工市場中大顯神威。
從這個角度來看,追求在先進制程領先的基礎上建立自己的核心優勢,臺積電的這一邏輯并無不妥之處。但是,當先進制程工藝已經非常接近物理極限時,臺積電繼續堅持進一步加大對先進制程的研發生產投入,其實已經變成了一種冒險行為。
持續加碼先進制程已成冒險
當前,芯片由先進制程帶來的性能、功耗回報正在顯著降低。近幾個月,搭載5nm制程工藝SOC的智能手機陸續上市。從這些手機的實際表現來看,無論是臺積電的5nm FinFET工藝,抑或三星的5nm LPE工藝,性能、功耗提升都未能滿足市場預期。
臺積電方面,快步推進的5nm,實際性能提升有些拉胯。以蘋果A系列處理器為例,同樣基于臺積電7nm制程,A13處理器相比A12處理器CPU性能提升20%、GPU性能提升20%;而基于臺積電5nm制程的A14相比A13,CPU 性能方面提升大約在16．7%左右,GPU性能提升則大約在8．3%左右。也就是說,在蘋果A系列處理器上,5nm制程進步帶來的進步,很可能還比不上蘋果自己對處理器架構的優化升級。
雖然有一些媒體人士猜測,這是由于5nm初期良品率不高,蘋果A14屏蔽了一些核心。但同樣采用臺積電5nm工藝的麒麟9000,其功耗控制較之官方數據也存在較大差異。
三星方面,功耗翻車的問題比較突出。根據知名數碼博主極客灣Geekerwan對小米手機的實測,采用三星5nm LPE工藝的驍龍888處理器和上代產品驍龍865處理器對比,單核功耗和多核功耗明顯增加,能效表現上大幅下降。并且同樣采用5nm LPE工藝的Exynos 1080芯片,在能效表現上同樣拉胯。
5nm先進制程工藝的實際表現普遍稱不上令人滿意,對于當前階段使用5nm工藝的產品而言,其營銷價值或許要遠遠超過先進制程本身的實用價值。
更加令人感到不安的是,在當前臺積電5nm制程工藝的實用價值都很成問題的情況下,臺積電還在持續加大對下一代制程節點3nm工藝的研發投入。在近日的財報會議上,臺積電管理層宣布2021年計劃將年度資本開支從2020年的170億美元大幅提升到250億至280億美元,增幅將達到45%至63%,其中約80%將用于3nm工藝研發,這意味著,臺積電今年將會有超過150億美元的資本支出投向3nm工藝。
而根據臺積電此前公布的計劃,他們的3nm工藝,計劃在今年風險試產,2022年大規模量產。也就是說,按照臺積電的規劃,明年在市場上我們就可以看到一些搭載臺積電3nm工藝的產品。
這依然符合臺積電近幾年來的先進制程升級換代節奏,然而從產品的實際表現來看,高昂的代價并沒能完美實現預期中的效果。換而言之,臺積電現在很可能已經觸碰到了資本投入和技術實現之間的一個瓶頸,忽視這一瓶頸而又急切想要實現3nm先進制程工藝的臺積電,其實已經陷入了一場極限技術冒險。
極限技術冒險,是福還是禍?
之所以說臺積電當前所面臨的技術冒險,有著很高的風險性,除了先進制程工藝回報已經明顯降低外,還受到許多其他風險因素的影響,其中比較明顯的有三點。
第一,成本還會進一步提高。這從臺積電資本開支將在今年可能猛增45%至63%就能感受到。在設備成本方面,7nm以下的工藝離不開EUV光刻機,3nm工藝全線都要用上EUV光刻工藝,而且層數從5nm工藝的14層提升到20層,每增加一層都是巨大的成本。另外,臺積電此前披露其3nm工藝仍將繼續使用成熟的鰭式場效應(FinFET)晶體管,但一些必要的技術升級仍不可避免的會使得成本進一步提升。
第二,生產耗能更高。耗電量大似乎應該歸入成本提升的范疇,但臺積電的用電問題并不單純只是電費提升那么簡單。早在2015年的時候,張忠謀就指出,困擾臺積電發展的唯一要素就是缺電、停電。到2019年,臺積電的耗電量猛增到143．3億度,過去五年中國臺灣增長的用電量,有三分之一都被臺積電占用。臺積電建設5nm、3nm的產線還會用到越來越多的EUV光刻機,而EUV的能源轉換率只有0．02%左右,所以中國臺灣的電力供給負擔不起臺積電的進一步發展,已經成了很現實的問題。
第三,技術難度升級。7nm以下先進制程工藝頻繁的量子效應及類似的微尺度問題,其實很難被真正克服,臺積電和三星雖然通過一些有效的技術手段緩解了這些問題。不過從兩者的5nm工藝產品良率和具體的性能、功耗提升表現來看,負面影響依然存在,后續能優化到何種程度也存在疑問。
臺積電肯定已經做好了應對這些風險的相關預案,但不可否認的是,如果透過臺積電亮眼的業績表現,真正對其面對的這些風險有所認識。那么就很難不去擔心,臺積電接下來的發展路徑,真的會像大多數人想象的那樣順利嗎?