晶圓代工爭霸戰:台積電VS三星

半導體產業

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推薦閱讀順序:

1. 晶圓代工爭霸戰:半導體知識(前傳)

2. 晶圓代工爭霸戰:台積電VS聯電

本篇文晶圓代工爭霸戰系列的第三集。 推薦讀者先讀罷前兩集後、再回過來看本篇。


台積電和聯電拉開分水嶺的關鍵,在於 2000 那年聯電採信了 IBM… 等等!IBM 支持的 Gate-First 技術是哪裡不好? 

Intel 說:安安,信我者得永生。IBM 的 Gate-First 太爛,我擁護的 Gate-Last 才是真理!也讓後續台積電和三星紛紛從 Gate-First 轉向Gate-Last 技術後,彼此在 14 與 16 奈米上繼續互搏。

很多台灣媒體都說三星的轉向,與台積電叛逃的技術戰將梁孟松很有關係… 真的是這樣嗎?

看完本篇文章,您將獲知:

  • 梁孟松是何許人也?
  • 什麼是HKMG?
  • IBM 的 Gate-First 與 Intel 的 Gate-Last 之爭孰優孰劣?
  •  台積電與三星從20奈米、14/16奈米、到10奈米的打架過程?

準備好了嗎?讓我們開始囉!

 

挑戰者No.2 台積電與三星的廝殺

  • 三星 (SAMSUNG)

    • 晶圓業務早期以自用為主,然而產能若僅自己用會太小、故也接蘋果的單。

    • 製程飛越,直接從 28 奈米跳過 20 奈米,飛到現在的 14 奈米

挑戰晶圓代工霸主(2)-三星-04

由李秉喆創立的韓國三星集團是世界上最大的一家由家族控制的商業帝國,早期出口乾魚、蔬菜、水果到中國東北去。

1970 年代生產洗衣機、冰箱、電視機等家電,1980 年代開始引進美國先進技術並和韓國半導體公司完成合併,家電、電信與半導體成為三星電子的核心業務。

三星的晶圓代工事業的發展之所以能成功,蘋果可以說是一股最主要的助力。三星是動態隨機存取記憶體 (DRAM) 和快閃記憶體 (NAND) 的領導廠商,全球市占率達 50%。

故其始終掌握著 iPhone 的記憶體關鍵零組件,比如 iPhone 4 使用的快閃記憶體晶片來自三星、iPad顯示器也是由三星生產。

再加上三星的電子產品,使用的是自家生產的處理器 (如:Exynos獵戶座)。

為了獲得蘋果的資源發展晶圓產業、同時不讓自己的產能過剩 (若處理器僅用在三星自身產品上會有多餘產能),其晶圓代工幾乎是用成本價吃掉蘋果單、記憶體打包一起折扣賣,來幫自己的晶圓代工練兵。

從 iPhone 的第一代晶片開始,蘋果一直向三星採購 ARM 架構的晶片。

2010年蘋果自主研發的 A4 晶片被搭載在 iPad 上正式發表、隨後又搭載在 iPhone 4 中。

A4 處理器雖出自蘋果,三星自家發表的 S5PC100 處理器和 A4 晶片上採用的內核一模一樣,兩款晶片的電路設計上可以說是同一批人馬。後續的 A5、A6、A7 也都是三星生產。

不過蘋果和三星在代工處理上的關係,直到三星在 Android 智慧型手機與蘋果的iOS開始起了摩擦。

 2011 年蘋果正式起訴三星 Galaxy 系列產品抄襲 iPhone 和 iPad、三星又反起訴蘋果侵犯其 10 項技術專利,蘋果與三星的專利訴訟戰幾乎遍及全世界。

台積電之所以一直沒辦法獲得蘋果訂單,是由於台積電報價強硬,而蘋果迫使台積電接受與三星同樣的成本價、另一方面是當時台積電廠房產能已經滿載,無法接下蘋果如此大量的訂單。

後來蘋果因與三星爭訟、力行「去三星化」政策,且三星在 20 奈米製程的良率無法突破,最後只用來生產自家 Exynos 5430  (用在 Samsung GALAXY A8 ) 與 Exynos 5433 (用在 Samsung GALAXY  Note 4 )。

另一方面,台積電 20 奈米製程領先三星,同時台積電已經將產能擴張完畢,最後才由台積電首度拿下 iPhone 6 的 A8 處理器全部訂單。

三星原先還在苦惱 20 奈米製程的良率問題,忽然間竟直接殺到 14 奈米製程了。造成這個轉變的因素,可能多少在於台積電內部所發生的洩密問題。

梁孟松是加州大學柏克萊分校電機博士,畢業後曾在美商超微 (AMD) 工作幾年,在 1992 年返台加入台積電。 台積電在 2003 年擊敗 IBM、一舉揚名全球的 0.13 微米銅製程一役,其中便有他的功績。

2009 年,梁孟松因研發副總升遷不上的問題、憤而離開研發部門,帶走了自己的一組人馬投奔南韓。接下來幾年,三星的製程突然研發快速進步,從 48、32、28 奈米的間隔時間急遽縮短,且三星的電晶體製程與台積電的差異快速減少。

合理來說,三星的技術源自於 IBM,其電晶體應是圓盤 U 狀,而非台積電所獨有的稜形結構特徵,但到了 14 奈米製程,在結構上幾乎已經與台積電無異。

據台積電委託外部專家所製作的對比分析報告指出,若單從結構上來看,已經無法分辨兩種晶圓是來自於台積電或是三星所製造。

 2014年5月,法院判定梁孟松直至 2015 年 12 月31 日前不得進入南韓三星工作。台灣法院從未限制企業高階主管在競業禁止期限結束之後,還不能到競爭對手公司工作,可以說是個歷史性的判決。

然而,這很難說是台灣媒體的過於誇大。

半導體製程的挑戰,在於不斷微縮閘極線寬、在固定的單位面積之下增加電晶體數目。隨著閘極線寬縮小,氧化層厚度也會跟著縮減、絕緣效果降低,導致漏電嚴重。

半導體製造業者在 28 奈米製程節點導入的高介電常數金屬閘極(High-k Metal Gate, HKMG),即是利用高介電常數材料來增加電容值,以達到降低漏電的目的。

簡單講,HKMG 是由 High-k 絕緣層加上金屬柵極來防漏電用的。然而在工藝上又分成 由IBM 為首支持的 Gate-First 、與 Intel 支持的 Gate-Last 兩大派。

Gate-Last 顧名思義,是指晶圓製程階段,先經過離子佈植(將所需的摻雜元素電離成正離子,並施加高偏壓使其獲得一定的動能,以高速射入矽晶圓)、退火(離子佈植之後會嚴重地破壞晶圓內矽晶格的完整性。

所以隨後晶圓必須利用熱能來消除晶圓內晶格缺陷、以恢復矽晶格的完整 性)等工序後,再形成 HKMG 柵極。

Gate-First 就是反過來,先形成柵極、再進行離子佈植和退火等後續工法。

還記得我們在【晶圓代工爭霸戰:台積電VS聯電】一文中曾提過,聯電和台積電技術的分水嶺,在於聯電採用了 IBM 的技術嗎?當初聯電便是採用了 IBM 基於 Gate-first 的製程技術,才會永遠被台積電所超越。

為什麼 Gate-Last 會比 Gate First 好?很簡單,讀者可以想想,如果先形成 HKMG 柵極、再讓 High-k 絕緣層和金屬等製作柵極的材料經過退火工序的高溫,容易影響晶片性能。

台積電原本也是走 IBM 的 Gate-first 技術,但後來在台積電第一戰將蔣尚義(號稱技術大阿哥 XD)的主導下,在 28 奈米改走 Intel 的 Gate-last 技術。

2011 年第四季,台積電才領先各家代工廠、首先實現了28 奈米的量產,從 40 奈米進展到 28 奈米。

三星原本在 32 奈米製程同樣採用 Gate-first 技術,後來快速發展出自己的 Gate-Last 28 奈米製程,此後的 14奈米亦皆基於 Gate-Last。很多人會把三星能快速發展出自己的 Gate-Last 技術的大功勞歸功於梁孟松。

然而回推2009年,台積電連 40 奈米也都還沒多少量、同時 28奈米 HKMG Gate-First 與 Gate-Last 的戰役都還沒分出勝負,真要說梁孟松對三星的 FinFET 提供關鍵性的助益… ?

科技同業互相挖角乃為常態,彼此間都有高階人才跳來跳去;粱孟松當初帶了一組人馬過去,若有人在南韓不適應、再度回歸台積電的話,不也換三星要擔心?

因此梁孟松雖然對三星的技術開發有一些貢獻,但影響也沒那麼大;三星的邏輯技術一直都不輸給台積電,只是以前很少做代工罷了。事後,聽說兩家公司有個非公開的互不挖角協議,避免雙方都困擾。

不過三星的急起直追,對於台積電投入好幾年、幾千億的研發資金的技術仍頗有壓力。

由於三星的 14 奈米已超越台積電的 16 奈米,加上蘋果 A9 的大部分訂單更轉到了三星,對台積電所造成的損失高達好十幾億美元。

張忠謀在 2014 年的法說會上,坦承 16 奈米技術被三星超前,使台積電一度股價大跌、投資評等遭降。

這個局勢在 iPhone 6s A9 晶片忽然扭轉,使得台積電在蘋果 A9 處理器一戰成名。

同時採用三星及台積電製程的 A9 處理器在功耗上發生的顯著的差異:台積電的晶片明顯較三星地省電,適才爆發知名的 iPhone 6s 晶片門爭議。

挑戰晶圓代工霸主(2)-三星-05

這顯示著三星雖然在製程上獲得巨大的進步,但在良率及功耗的控制下仍輸給台積電,使得蘋果 A9 後續的追加訂單全到了台積電手裡;到了 A10 處理器,其代工訂單由台積電全部吃下。

三星雖然挖走了台積電的技術戰將、也跟著往 Gate-Last 技術走,然而 Gate-Last 工藝的防漏電及提高良率的苦功,則還是要仰賴基層生產時的Know-how,這也是台積電的得意絕活。(所謂十萬青年十萬肝,GG輪班救台灣便是來於此)

為什麼三星的 14 奈米會不如台積電的 16 奈米製程的另一個原因,在於FinFET (鰭式場效應電晶體) 先進製程上的命名慣例被三星打破。

當初台積電剛採用立體設計的 FinFET 工藝時,原本計畫按照與 Intel 一致的測量方法、稱為 20 奈米 FinFET,因為該代製程的線寬與前一代傳統半導體 2D 平面工藝 20 奈米的線寬差不多。

但三星搶先命名為「14 奈米」,為了不在宣傳上吃虧,台積電改稱為「16 奈米」。事實上,三星與台積電皆可稱為「 20 奈米FinFET」。

台積電於 2015 年第 4 季末開始首批 10 奈米送樣認證,當時僅蘋果、聯發科及海思等少數一線客戶,高通並未參與。

2016 年 11 月,高通正式宣布下世代處理器驍龍 (Snapdragon) 830將採用三星的 10 奈米製程技術,原因在於:

  1. 驍龍 810 上的發熱門事件即是採用台積電製程(雖然是高通自己的晶片設計問題);
  2. 有韓國媒體傳出, 高通以晶圓代工訂單做為交換條件,要求2017年三星旗艦機Galaxy S8須採用驍龍 830 晶片。

但若台積電能在製程上再度取得優勢,則可預期高通7奈米製程將重回台積電懷抱。

 

下一篇晶圓代工爭霸戰,讓繼續我們來看看最後幾家糾纏在GG霸主背後的其他挑戰者—— Intel、格羅方德,與中芯。

點我看【晶圓代工爭霸戰】第四集:晶圓代工爭霸戰:英特爾VS格羅方德VS中芯

14 Replies to “晶圓代工爭霸戰:台積電VS三星”

  1. Abatter 說:

    好文章!

  2. Zzh 說:

    寫得真好 怒買台積電一百股

  3. 訪客 說:

    三星的市佔率在DRAM超過50%

  4. 訪客 說:

    判將該斬!

  5. […] 〔3〕IC製造戰爭 – 台積電v.s. 三星 […]

  6. […] (補充一下我們在《晶圓代工爭霸戰:台積電VS三星》的一文中提到的,大家原先都老老實實的用統一標準命名,直到 FinFET 製程上的命名慣例被三星打破,廠商們開始灌水行銷。 […]

  7. 海綿 說:

    謝謝你寫的文章
    非常清楚,邏輯分明
    讓我這個不懂產業歷史的人
    都能一目了然
    希望LYNN能夠多寫一些各產業龍頭的由來跟競爭技術上的分析
    謝謝

  8. 俠客 說:

    高通跳槽三星是因為台積不肯降價,自認為占台積20%產能,但是張仲謀真的很猛,面對這個超級大客戶居然不降價

  9. 小藍 說:

    謝謝LYNN大大的文章,讓我一個外行人也能清楚了解晶元代工大戰的來龍去脈XD

  10. Andy 說:

    Gate-Last跟Gate-First的介紹那邊好像寫反了

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