今年8月，The Information爆料了蘋(píng)果和臺(tái)積電之間的“甜心交易”（sweetheart deal）：蘋(píng)果下單了臺(tái)積電3nm工藝，但臺(tái)積電必須獨(dú)自承受報(bào)廢芯片的良率損失，這一舉措能為蘋(píng)果省下幾十億美元的成本[1]。

曾經(jīng)蘋(píng)果和臺(tái)積電被稱(chēng)為“最完美的合作關(guān)系”：借由規(guī)模龐大的研發(fā)投入和資本開(kāi)支，臺(tái)積電在芯片制造上始終保持領(lǐng)先，蘋(píng)果則用大規(guī)模的訂單給臺(tái)積電報(bào)銷(xiāo)開(kāi)發(fā)成本，幫助其進(jìn)一步擴(kuò)大領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。

然而，這個(gè)雙贏合作卻在這兩年出了些問(wèn)題。

一方面，先進(jìn)制程的開(kāi)發(fā)成本越來(lái)越高，臺(tái)積電也有點(diǎn)扛不住。另一方面，由于手機(jī)市場(chǎng)的萎靡，最爽快的兩大客戶蘋(píng)果和高通也難免囊中羞澀。

面對(duì)巨大的利潤(rùn)壓力，臺(tái)積電選擇先漲為敬。根據(jù)媒體報(bào)道進(jìn)行估算，2023年臺(tái)積電的晶圓代工價(jià)格與兩年前相比大約上漲了16%（先進(jìn)制程）到34%（成熟制程）。在過(guò)去十多年里，臺(tái)積電都從未大幅提價(jià)。

在臺(tái)積電宣布漲價(jià)后，蘋(píng)果曾以一貫的強(qiáng)勢(shì)態(tài)度表示堅(jiān)定拒絕[2]，幾經(jīng)博弈之下，才有了那份“按良率付費(fèi)”的協(xié)議。

去年10月，臺(tái)積電還頗有先見(jiàn)之明的表示，預(yù)計(jì)2023年整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)可能會(huì)下滑，于是下調(diào)資本開(kāi)支至360億美元。

結(jié)果兩個(gè)月后ChatGPT橫空出世，全世界的AI芯片公司又把臺(tái)積電送上了神壇。

昂貴的進(jìn)步

今年9月蘋(píng)果發(fā)布會(huì)結(jié)束，頂著“首個(gè)3nm制程芯片”的A17 pro問(wèn)世，10%的CPU性能提升讓人忍不住感嘆牙膏還能這么擠。臺(tái)媒第一時(shí)間出來(lái)為臺(tái)積電甩鍋，表示主因在于蘋(píng)果的設(shè)計(jì)過(guò)于保守，加上iPhone散熱效率太差，影響了3nm制程的發(fā)揮。
為了3nm工藝節(jié)點(diǎn)，臺(tái)積電不可為不盡力，創(chuàng)下歷史新高的資本開(kāi)支就是最好的證明。

一般來(lái)說(shuō)，芯片制程越先進(jìn)，需要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)也就越多，成本自然水漲船高。在一些特殊節(jié)點(diǎn)，由于生產(chǎn)工藝的徹底改變，原本的設(shè)備和產(chǎn)線會(huì)被徹底淘汰，成本瞬間被拉高。

前者的代表就是刻蝕環(huán)節(jié)的增加：

所謂刻蝕，就是將光刻標(biāo)記出來(lái)的區(qū)域，通過(guò)物理或化學(xué)方法去除，精準(zhǔn)雕刻出設(shè)計(jì)好的功能外形。由于光刻技術(shù)受波長(zhǎng)限制，單憑光刻機(jī)很難滿足5nm、3nm及更先進(jìn)的工藝，只能通過(guò)反復(fù)的刻蝕來(lái)實(shí)現(xiàn)更小的尺寸。

現(xiàn)階段先進(jìn)制程工藝的提升，相當(dāng)程度上源于刻蝕步驟的疊加。因此近兩年刻蝕和薄膜沉積（刻蝕的逆過(guò)程）在設(shè)備行業(yè)的市場(chǎng)份額極速上升，甚至超越了光刻機(jī)。

后者則創(chuàng)造了14/16nm這個(gè)經(jīng)典制程：在14/16nm之前，芯片制造的主流工藝是HKMG（High-k Metal Gate），2014年，三星依靠梁孟松團(tuán)隊(duì)搶先臺(tái)積電攻克14nm。當(dāng)時(shí)，梁孟松用了FinFET工藝解決了生產(chǎn)問(wèn)題，但工藝變化也意味著設(shè)備、產(chǎn)線的大手術(shù)。

一些晶圓廠在14nm的生產(chǎn)良率反而超過(guò)28nm，也是工藝變化的原因。

而由于DUV光刻機(jī)的精度限制，芯片制造深入到7nm制程后，就需要用EUV光刻機(jī)，價(jià)格是DUV光刻機(jī)的至少3倍。[3]臺(tái)積電曾嘗試?yán)肈UV光刻機(jī)+多重曝光的方式生產(chǎn)7nm芯片，但扛不住低良率的巨額成本，最后還是老老實(shí)實(shí)買(mǎi)EUV光刻機(jī)。

這個(gè)昂貴的技術(shù)爬坡之所以多年來(lái)行之有效，是因?yàn)橐蕴O(píng)果為首的一大批芯片設(shè)計(jì)公司，每年會(huì)排著隊(duì)給臺(tái)積電下訂單。但當(dāng)財(cái)大氣粗的蘋(píng)果都嫌貴的時(shí)候，這個(gè)循環(huán)就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。

根據(jù)IBS的測(cè)算，10nm，7nm和5nm芯片的IC設(shè)計(jì)成本分別1.7億、3.0億和5.4億美元，而3nm芯片的設(shè)計(jì)成本則達(dá)到驚人的5億至15億美元。

由于芯片架構(gòu)和IP復(fù)用等因素影響，業(yè)界對(duì)芯片設(shè)計(jì)成本的測(cè)算常常被高估。但即便排除這些影響，這也是個(gè)天文數(shù)字。任何芯片設(shè)計(jì)公司下單之前都得掂量掂量，自己有沒(méi)有那么大的出貨量。

越來(lái)越貴的成本只是臺(tái)積電的焦慮之一。過(guò)去幾年，臺(tái)積電面臨的問(wèn)題有兩個(gè)：

一是先進(jìn)制程的高成本，導(dǎo)致錢(qián)砸的越來(lái)越多客戶反而越來(lái)越少。

二是幾個(gè)耗資巨大的工藝節(jié)點(diǎn)，產(chǎn)能高峰也就一兩年，難以持續(xù)造血。

前者在業(yè)內(nèi)被反復(fù)提及，后者則常常被忽略。

7nm：既不先進(jìn)，也不落后

2019年，臺(tái)積電痛失大客戶華為，結(jié)果蘋(píng)果、AMD這些大客戶立馬承包了閑置的產(chǎn)能，所以臺(tái)積電一邊說(shuō)“影響不大”，一邊宣布2021年起，臺(tái)灣地區(qū)工作的5萬(wàn)名員工的通通漲薪20%。
由于眾所周知的原因，7nm的熱度在今年又被炒了起來(lái)。不過(guò)在臺(tái)積電，7nm制程的處境一度尷尬。

臺(tái)積電的7nm工藝創(chuàng)造了很多經(jīng)典產(chǎn)品，比如蘋(píng)果的A12芯片，AMD的Zen 2/3架構(gòu)處理器，以及海思的麒麟985芯片。

一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)一個(gè)新制程量產(chǎn)后，蘋(píng)果和高通是第一個(gè)吃螃蟹的。而隨著工藝升級(jí)，蘋(píng)果和高通、AMD會(huì)更新到下一代制程，上一代制程的產(chǎn)能會(huì)降價(jià)，留給AMD等芯片公司。隨著制程繼續(xù)升級(jí)，成熟制程就會(huì)慢慢留給服務(wù)器芯片、汽車(chē)芯片等等產(chǎn)品代工。

對(duì)臺(tái)積電來(lái)說(shuō)，老制程雖然已經(jīng)落后了，但產(chǎn)能不會(huì)被浪費(fèi)。隨著產(chǎn)線的成本慢慢折舊完，持續(xù)開(kāi)動(dòng)的產(chǎn)線反而能貢獻(xiàn)可觀的利潤(rùn)。在臺(tái)積電的營(yíng)收里，將近1/3都是40/45nm以上的成熟制程貢獻(xiàn)的。

了解了這個(gè)背景，就能看出7nm的尷尬之處：說(shuō)它是先進(jìn)制程，也沒(méi)有那么先進(jìn)；說(shuō)它是成熟制程，也沒(méi)有那么成熟。

隨著蘋(píng)果和高通已經(jīng)用上了更先進(jìn)的5nm甚至3nm，作為關(guān)鍵替補(bǔ)隊(duì)員的汽車(chē)芯片，卻仍在使用成熟制程。截至2021年，14nm以下的車(chē)用芯片比例僅為6%。

從臺(tái)積電的年報(bào)中也可以發(fā)現(xiàn)，從2020-2022年，5nm份額逐年增加，但16nm以上的產(chǎn)品占比卻變化不大。理論上的“末位淘汰”邏輯并未發(fā)生，真正遭到擠兌的是上一代冠軍：7nm。

2020-2022年，臺(tái)積電7nm的收入占比從33%下降至27%。根據(jù)臺(tái)媒爆料，臺(tái)積電7nm的產(chǎn)能利用率在2021年一度超過(guò)100%，到2022年底跌到了不足50%，今年年初更是一度跌至30%。

原因也很簡(jiǎn)單，對(duì)于替補(bǔ)隊(duì)員們來(lái)說(shuō)，7nm還是太貴了。

正如前文所述，7nm是由DUV光刻機(jī)換為EUV光刻機(jī)的重要節(jié)點(diǎn)，也成了成本激增的起點(diǎn)。另外，7nm流片時(shí)，用于對(duì)向硅片上投影芯片圖像的耗材掩膜版急劇增加，這一項(xiàng)就能花掉一千多萬(wàn)美元。

和前兩代的16nm相比，7nm的設(shè)計(jì)成本增至將近3倍。這些成本最終傳導(dǎo)到下游客戶的報(bào)價(jià)上，物聯(lián)網(wǎng)、汽車(chē)等設(shè)備等芯片出貨量遠(yuǎn)低于動(dòng)輒年產(chǎn)十幾億的智能手機(jī)，面對(duì)高昂的價(jià)格自然望而卻步。

所以蘋(píng)果、高通、AMD陸續(xù)在7nm節(jié)點(diǎn)短暫停留后，長(zhǎng)期為臺(tái)積電7nm貢獻(xiàn)收入的產(chǎn)品只有英偉達(dá)的車(chē)載芯片Orin X和A100 GPU。

如果沒(méi)有新的增量市場(chǎng)，7nm大概率不會(huì)是唯一尷尬的一代，5nm，4nm甚至3nm都很快就會(huì)步其后塵。

但ChatGPT的橫空出世改變了這一點(diǎn)。

躲得過(guò)英偉達(dá)，躲不過(guò)臺(tái)積電

今年9月，臺(tái)媒DigiTimes傳來(lái)捷報(bào)，臺(tái)積電各制程產(chǎn)能集體回升：6/7nm制程的產(chǎn)能利用率自10月起，有望逐步回到60%以上，4/5nm制程的產(chǎn)能則將回升至80%左右[4]。
瘋狂下單的除了老客戶蘋(píng)果和高通，還有兩個(gè)關(guān)鍵角色：英偉達(dá)和英偉達(dá)的客戶。
英偉達(dá)的熱情不難理解，目前追夢(mèng)大模型的硬通貨H100就采用了臺(tái)積電N4（5nm）工藝，順便帶火了臺(tái)積電的CoWoS先進(jìn)封裝產(chǎn)能。
按照分析師Robert Castellano的測(cè)算，一片N4工藝的12寸晶圓價(jià)格為13400美元，理論上可以切割86顆H100芯片。如果不考慮生產(chǎn)良率，那么每生產(chǎn)一顆H100，臺(tái)積電就能獲得155美元的收入。但封裝一塊H100，臺(tái)積電可以入賬723美元。
也就是說(shuō)，每顆H100給臺(tái)積電帶來(lái)的收入很可能超過(guò)1000美元。
同時(shí)，AMD的MI300、英特爾的Gaudi 3也都采用了臺(tái)積電5nm工藝。
一直以來(lái)，面向AI訓(xùn)練和推理的高性能GPU市場(chǎng)并不算大，但ChatGPT引發(fā)了科技公司和云服務(wù)商的恐慌性搶購(gòu)，導(dǎo)致產(chǎn)能不足反而成了限制英偉達(dá)的問(wèn)題。考慮到英偉達(dá)敢于把H100按照物料成本直接加個(gè)零賣(mài)，就算臺(tái)積電漫天要價(jià)，英偉達(dá)也有能力照單全收。
處境尷尬的7nm則在同一時(shí)期等來(lái)了關(guān)鍵的替補(bǔ)隊(duì)員：英偉達(dá)的客戶。
谷歌從2016年開(kāi)始投入使用的自研AI芯片TPU，就一直交由臺(tái)積電代工。2015年“內(nèi)測(cè)”階段的AlphaGo還需要英偉達(dá)的顯卡訓(xùn)練，到了2016年酣戰(zhàn)李世石，就已經(jīng)換上了自家的TPU。
目前，最新的第四代TPUv4就采用了7nm工藝。英國(guó)明星初創(chuàng)公司Graphcore的IPU芯片，同樣采用了7nm制程，還用上了臺(tái)積電的WoW硅晶圓堆疊技術(shù)。
7nm的另一個(gè)大客戶是特斯拉：2021年8月，馬斯克在特斯拉AI Day活動(dòng)上公布了Dojo ExaPOD超級(jí)計(jì)算機(jī)，內(nèi)置自研7nm工藝的D1芯片，由臺(tái)積電代工。
Dojo ExaPOD由120個(gè)訓(xùn)練模塊組成，每一個(gè)訓(xùn)練模塊包含25塊特斯拉自研的D1芯片，總芯片數(shù)量達(dá)到了3000塊，直接讓Dojo以1.1 EFLOP的算力，成為全球第五大算力規(guī)模的計(jì)算機(jī)。

Dojo負(fù)責(zé)人Ganesh展示D1芯片，2021 AI Day

早在幾年前，特斯拉還曾被黃仁勛視為標(biāo)桿客戶。但隨著Dojo的問(wèn)世，兩家公司的塑料友誼暴露無(wú)遺。

一方面，D1芯片是特斯拉為了適配自家產(chǎn)品，專(zhuān)門(mén)針對(duì)汽車(chē)、機(jī)器人等應(yīng)用場(chǎng)景的研發(fā)，強(qiáng)調(diào)視覺(jué)處理等功能。和英偉達(dá)的通用GPU相比，制程要求略低，同時(shí)不會(huì)造成算力的浪費(fèi)。另一個(gè)目的就是省錢(qián)，根據(jù)摩根士丹利的測(cè)算，芯片自研讓特斯拉足足省下了65億美元。

時(shí)至今日，全球主要的AI芯片中，超過(guò)80%都由臺(tái)積電生產(chǎn)，既有谷歌和英偉達(dá)這類(lèi)老牌列強(qiáng)，也有Graphcore這類(lèi)初創(chuàng)公司，中國(guó)大陸的GPU設(shè)計(jì)公司，目前也依賴臺(tái)積電的產(chǎn)能。

臺(tái)積電能照單全收的另一個(gè)原因，恐怕也是老對(duì)手三星的掉隊(duì)。雖然三星在每個(gè)節(jié)點(diǎn)都沒(méi)落后太多，甚至率先宣布量產(chǎn)了3nm工藝。但由于良率和功耗控制等原因，不僅沒(méi)等來(lái)大客戶，反而接連坑哭了高通和英偉達(dá)。這也難怪SemiAnalysis在報(bào)告里陰陽(yáng)怪氣的說(shuō)：就連英特爾也能搶走三星的客戶了。

要知道去年10月，臺(tái)積電總裁魏哲家在內(nèi)部溝通時(shí)，還罕見(jiàn)地鼓勵(lì)員工休假。沒(méi)想到一年過(guò)去，訂單就擠滿了臺(tái)積電十八廠的N4/N5產(chǎn)線。

躲過(guò)了英偉達(dá)的算力稅，終究沒(méi)躲過(guò)臺(tái)積電的寶刀。

參考資料：

[1] How Apple Will Save Billions of Dollars on Chips for New iPhone，The Information

[2] TSMC Reportedly Overpowers Apple in Negotiations Over Price Increases，tom's hardware

[3] 光刻機(jī)光學(xué)：國(guó)產(chǎn)之路道阻且長(zhǎng)，“中國(guó)蔡司”未來(lái)可期，國(guó)金證券

[4] NVIDIA下代B100訂單簽定，臺(tái)積電7/5/3納米大客戶全回歸，DigiTimes

編輯：李墨天

視覺(jué)設(shè)計(jì)：疏睿

責(zé)任編輯：陳彬