近日，据半导体分析机构 IC Insights 预测，2022 年半导体行业资本支出将达到 1904 亿美元的历史新高，比三年前增长了 86%。其中台积电、三星、英特尔预计的资本支出分别将达到 420 亿美元、379 亿美元和 270 亿美元，三大巨头占据了超过 50% 的资金支出。
而在 2020 年，台积电资本支出仅为 170 亿美元，三星的半导体支出则是 32.9 万亿韩元（约合 264 亿美元），双方资本支出涨幅惊人。
此外，去年 2 月英特尔宣布 “IDM 2.0” 战略，计划重新成为全球芯片制造第一，其英特尔代工服务（IFS）吸引了亚马逊、高通等客户，加入先进制程市场争夺。
先进制程研发进度上，台积电、三星双方都宣称会在今年实现 3nm 的量产；英特尔的 Intel 4 工艺将在今年下半年就绪，还计划在 2024 年下半年完成 18A 工艺。
从台积电开创晶圆代工模式至今，全球芯片半导体产业在垂直分工合作模式下高速发展，晶圆代工业也历经几番风云变幻。
如今，新的战火正在愈燃愈旺，随着英特尔再度拾起代工大业，晶圆代工江湖或将被三大顶尖芯片制造巨头重新划分地盘。
一、英特尔称霸制程马拉松前半道，经济学维度摩尔定律已经失效
说起先进制程，就必须提到英特尔创始人之一的戈登・摩尔，他于 1965 年提出了一个延续至今的 “摩尔定律”。摩尔定律为：集成电路上所集成的晶体管密度，每隔 18-24 个月就翻一番。
为了更直观地体现集成电路性能的提升，半导体行业以晶体管的线宽（制程）来形容制造工艺的先进程度。如今，无论是晶体管线宽还是栅极长度的缩小难以跟上几何级缩小，芯片制程所代表的已非芯片内具体的物理特性，而是性能的大致体现。
摩尔定律除了是一个技术预言外，还是一个经济学的维度，它意味着用一美元所能买到的晶体管数量，每隔 18 个月翻两番。
▲摩尔定律的经济规律（图片来源：中国 360 度透视讲座，黄节 PPT）
摩尔定律的经济学维度是如今各类电子设备越来越便宜的原因，如果汽车工业也遵循摩尔定律，如今 1 美分就可以买到兰博基尼跑车。
但对于半导体行业内的玩家来说，摩尔定律的经济维度背后却是一场数十年的马拉松。
为了满足摩尔定律，半导体厂商必须每 18 个月提升一倍晶体管密度。对半导体制造来说，这意味着厂商们必须马不停蹄地完成设计、产线、系统产品的迭代和良率调教，并从现有制程中获得足够推进到下一制程的利润。
芯片制造厂商如果从这一竞赛中掉队，就意味着自身与市场上的顶尖公司出现代差，而无法获得先进制程带来的晶体管成本优势和市场定价权，从而落后于竞争对手。
随着摩尔定律的门槛越来越高，先进制程的研发、产线的建设支出成本越来越高，经济维度的摩尔定律已经失效。IBS 数据显示，最先进的 3nm 工艺开发将耗资 40 亿至 50 亿美元，而兴建一条 3nm 产线的成本约为 150-200 亿美元。从整个芯片制造行业来看，能够跟上先进制程发展的公司越来越少，只有寥寥数家能够跟上这场马拉松。
作为摩尔定律的开创者，英特尔直到 2014 年都一直领跑半导体行业。英特尔如今最大的竞争对手，则是一家成立于 1987 年的中国台湾公司。这家台湾公司用一种新的商业模式，改变了整个半导体行业的格局。
二、台积电创建代工模式，三大巨头聚首芯片制造
在台积电之前，绝大多数半导体公司都是所谓的 IDM 厂商，即自己负责从设计、生产到封装所有环节，英特尔、AMD、IBM、德州仪器等都是这样，著名的摩托罗拉也是当时最大的半导体公司之一，甚至福特汽车都有自己的半导体厂。
这样的经营模式虽然能够让公司掌握自身的生产供应，但却要背负一个半导体工厂，对于创企的生存和发展十分不利。这种情况从 60 年代开始发生改变，由于美国等地的人力成本提升，半导体产业链出现分工，封测等劳动力密集的环节向东南亚地区转移。
▲半导体产业的逐步分化（图片来源：中国 360 度透视讲座，黄节 PPT）
1987 年，张忠谋创建台积电，开辟晶圆代工模式。张忠谋曾工作于美国模拟芯片巨头德州仪器（TI），作为德州仪器的第一个华裔员工，他在德州仪器时最高任资深副总裁，是德州仪器的第三号人物。
作为少有的华人高管，张忠谋无论在技术还是商业上都有着独到之处。在技术上，张忠谋将德州仪器为 IBM 代工的电晶体良率从 2%-3% 提升至 20% 以上，甚至超过了 IBM 自有的产线。而在商业上，其通过毫不留情的降价策略，成功在当时将英特尔逼出了 TTL 市场。
▲当时媒体报道张忠谋的报纸（图片来源：中国台湾玉山科技协会 20 周年庆祝大会暨论坛，张忠谋 PPT）
根据张忠谋的说法，1984 年，他任通用仪器的总裁，一位资深行业人士想要创业成立一家半导体公司，就找到张忠谋希望获得 5000 万美元的投资。3 周后，张忠谋再给他打电话，发现他只专注芯片设计，不建半导体工厂，用自己积蓄的 500 万美元就成功创业，不再需要投资。
这是张忠谋首次听说有专门做芯片设计的公司，既然有专门做设计的公司，就可以有专门做晶圆制造的公司。他这个想法最终成就了如今的晶圆制造霸主台积电。
这种代工模式推出之初并不被看好，英特尔等公司拒绝投资，张忠谋只通过关系拿到了英特尔的一些订单勉强生存。
尽管诞生艰难，在半导体全球化的背景下，这种代工模式渐渐体现出了优越性。对于当时占据市场优势的美国半导体公司，它们可以实现轻资产的运营方式，减少自身资本支出，并获得专业芯片制造企业的工艺优势。
对于芯片代工企业来说，其自身的产线不用再跟随产品的迭代不断迁移，在一个较为通用的制程中可以持续生产，维持并改进自身的良率，从芯片制造环节获得更多的利润。
对于电子产业的下游系统厂商，它们创建时不用再考虑背负一个半导体工厂，可以灵活地选用不同的代工厂商。
此后，联电转为纯代工厂；AMD 的半导体制造业务被中东阿布扎比财团买下，成为了现在的格芯；2005 年，已成为存储芯片霸主的三星也和 IBM、特许半导体结盟，进入晶圆代工领域，代工江湖格局初定。
2019 年，北京兰璞资本创始合伙人、前英特尔中国区董事总经理黄节在中国 360 度透视讲座上评价道，这种晶圆代工的模式帮助塑造了如今华为、中兴等后来创建的企业，改变了全球电子产业的格局，是一个革命性的变化。
▲格芯全球各地的晶圆厂（图片来源：格芯官网）
三、三星、台积电争夺苹果订单，英特尔代工业务首登场
2005 年 11 月，三星在进入晶圆代工市场后，宣布了其第一个主要代工客户：高通。
2006 年 3 月，前特许半导体的 Molnar Hunter 加入三星任技术副总裁，他负责三星的代工业务。1 个月后，三星宣布在美国德州奥斯汀建设 Fab A2，并新增加一条 300mm 产线。
在三星代工部门成立初期，除了高通，苹果也是三星的主要客户。2007 年，苹果的第一款智能手机芯片 APL0098 由三星代工部门基于 90nm 工艺代工，被用于 iPhone 3G 以及一代 iPod touch 上。▲苹果 2007 年 – 2009 年四款芯片参数（图片来源：知乎用户智晓生）
之后苹果 APL0278、APL0298 和 APL2298 三款芯片分别基于三星的 65nm、65nm 和 45nm 工艺，被用于二代 iPod touch、iPhone 3GS、iPhone 3GS 及三代 iPod touch 上。
2008 年，苹果收购了芯片制造商 PA Semi，并把 IBM 的 CPU 设计经理约翰尼・斯鲁吉（Johny Srouji）挖了过来。2 年后，苹果基于三星代号 “蜂鸟” 3PC110 设计出了 A 系列的第一颗 SoC：A4，同样由三星代工。
在双方合作的蜜月期，苹果不仅是三星的代工大客户，同时还是其内存芯片和显示屏的大客户。但作为两大电子巨头，双方的蜜月期并不长久。
2010 年，三星推出了第一代 Galaxy 手机 Galaxy S，其外形和 iPhone 十分类似。而在 2008～2011 年，三星智能手机全球份额增长了 6 倍、2011 年达到了 19.1% 成为全球第一，智能手机的开创者苹果却以 19% 的份额居于第二。
自己的供应商抄自己的外形，手机还比自己卖的好？2011 年，苹果把三星告上了法庭，称三星抄袭了自家产品的外观、风格等。2012 年，美国加州地方法院判决三星侵权成立，在后续的扯皮中这场官司一直打到了 2018 年。
▲三星 Galaxy S 手机（左），苹果 iPhone 4（右）
值得注意的是，在这场官司期间，苹果的 A5、A5X、A6、A7 芯片还是只能由三星来代工。为了避免对三星供应的依赖，苹果开始接触台积电。
据悉 2010 年，时任苹果运营副总裁 Jeff Williams 赴台与台积电前任董事长张忠谋及其夫人共进晚餐，在晚餐中双方谈论了一起合作的可能性。2011 年，台积电 2011 年底派出近百人的 “One Team” 奔赴美国苹果总部，解决了 A6 芯片的设计问题，并帮助苹果处理了专利认证问题。
2013 年，苹果向三星和台积电双方都下达了用于 iPhone 6 的 A8 芯片订单。最终，台积电完美实现了苹果的要求，其产品被 Jeff Williams 称为 “Perfect（完美）”。而在之后用于 iPhone 6s 和 iPhone 6s Plus 的 A9 芯片中，三星更先进的 14nm 制程在功耗和能耗中输给了台积电。
因此 A9 之后，每一代苹果芯片订单都被台积电所拿下，苹果、台积电联盟就此成立。
▲苹果 A9 芯片在手机中的示意图
这一场三星、苹果和台积电三家厂商的故事由于太过精彩，被外媒形容为 “看一部标准三角恋意大利歌剧”。
在三星和台积电暗中争夺苹果这个大客户时，英特尔也在暗自筹备代工业务。
2010 年 11 月，英特尔公布了其首个芯片代工用户美国 FPGA 创企 Achronix Semiconductor。根据双方协议，英特尔将为 Achronix Semiconductor 生产 22nm 的 FPGA。之后，又一家美国 FPGA 创企 Netronome 成为英特尔 22nm 制程的客户。
制程工艺上，英特尔继续发力。
2011 年，英特尔量产了全球第一个 3D 栅极晶体管，将芯片制程推进到 32nm，领先于台积电和三星。黄节透露，彼时，英特尔根据死亡谷理论，认为只有营收破百亿美元的公司才能赶上自己的步伐，而台积电在营收和净利上都有所不足，三星只能说有能够追赶英特尔的可能。
2013 年，英特尔代工业务迎来重要突破，FPGA 芯片巨头 Altera 和英特尔达成 14nm 的代工协议。Altera 成立于 1984 年，当时其年销售额达 40 亿 – 50 亿美元，是台积电的前五大客户，Altera 和台积电的合作时间已持续了 20 年之久。
当时台积电的举动也能够说明 Altera 的重要性。据台媒报道，在英特尔与 Altera 宣布合作时，中国台湾地区为凌晨 5 点。英特尔和 Altera 的合作宣布后不到五分钟，台积电就发布了主题为台积电与 Altera 合作关系不变的新闻稿。张忠谋也称：“倘若没有 Altera 如此优异的客户作为伙伴，就无法成就台积电今日的地位。”
据业内人士透露，这是因为台积电给予了另一家 FPGA 巨头赛灵思同样的合作地位，使得 Altera 和台积电的关系恶化。2015 年 12 月，英特尔以 167 亿美元的高价收购了 Altera 公司，成为了其公司历史上的最大交易。
一时间，英特尔在代工业务和芯片制程上风光无限，领跑半导体行业。
好景不长，虽然格芯、联电等晶圆代工厂商先后宣布暂缓 10nm 及以下工艺研发，但据传由于率先采用不成熟的 EUV（极紫外）光刻技术，英特尔同样在 10nm 节点出现停滞，其产品良率也出现问题，难以实际应用。
2016 年 10 月，三星率先宣布将在批量生产业界首款 10nm FinFET 工艺的芯片，抢下高通骁龙 835 订单，顺利量产。2017 年，三星将晶圆代工业务部门独立为一家纯晶圆代工企业，并计划在未来 5 年内取得芯片代工市场 25% 的份额。
2018 年，英特尔宣布关闭代工业务。业内专家分析称，在代工业务上，生态是最关键的因素，英特尔对于自身时间、资金的投入以及客户亲密关系的建立预估不足，低估了代工业务开展的难度。台积电和三星之间的竞争，重新成为了代工江湖的主流。
四、三星正陷入良率陷阱，英特尔誓要重夺龙头地位
为了尽快抢先推出新的制程，新的技术被不断推出并采用，其中最典型的例子就是 EUV（极紫外）光刻机。不过有时，新的技术反而会影响玩家的产品性能和良率。
2019 年，为了完成 7nm 制程，三星积极地采用了新的 EUV 光刻机，但是良率和进度都落后于台积电。相比之下，台积电 2018 年量产的 7nm 制程并没有采用 EUV 光刻机，而是同样在 2019 年推出了采用 EUV 光刻技术的 N7 + 工艺。
由于先进制程芯片的设计难度提升，其流片所需要投入的成本开始只有少数厂商能够承担。因此在苹果和台积电密切合作后，智能手机安卓阵营的芯片龙头高通就成为了台积电、三星争夺的焦点。
一段时间里，高通的反复横跳侧面证明了台积电、三星的竞争烈度。具体来说，高通骁龙 855 选择了台积电的 7nm 工艺，但据称由于代工价格等因素，之后的骁龙 865、875、888 和 888+、骁龙 8 等旗舰芯片又采用了三星的 7nm、5nm 和 4nm 工艺。
▲高通骁龙 888 和 888 + 的参数（图片来源：AnandTech）
据台媒报道，高通计划将下一代 3nm 处理器的订单交给全球晶圆代工龙头台积电，而目前正由三星代工的 4nm 骁龙 8 处理器订单也将转移到台积电。近日，韩媒也爆料称，由于自身的散热和良率问题，三星正进行内部审查。
重要客户高通再次转向台积电，对于正陷入良率问题的三星来说，可能是一个危险的信号。
同时，由于疫情和地缘政治等因素，全球发生缺芯问题，半导体市场快速扩张，制造端话语权不断变大，英特尔也重新杀回了代工江湖。
去年 2 月，英特尔的新任 CEO 基辛格上任后，宣布 “IDM 2.0” 战略，借助缺芯东风，在欧美大肆圈地建厂。
今年 1 月份，英特尔宣布在美国俄亥俄州投资 200 亿美元建设两座新的晶圆厂，计划于 2025 年投产，且未来的投资金额可能增至 1000 亿美元。之后，英特尔又启动了 10 亿美元的基金以发展代工厂创新生态系统，并正式推出了 IFS（英特尔代工服务）加速器这一生态系统联盟，为其代工服务建立上游的开放、合作生态。
▲英特尔收购高塔半导体后的代工服务与制程路线图（图片来源：英特尔 2022 年投资者大会）
今年 2 月，英特尔又宣布以 54 亿美元收购全球第九大晶圆代工厂商高塔半导体（Tower semiconductor），展现了英特尔在代工领域的决心。更有外媒透露，英特尔将开放 x86 架构授权，以吸引客户采用其代工服务。
三星、台积电同样动作频频，分别在先进封装和人才大力投资。
3 月 13 日，据韩媒报道，三星电子在 DS（半导体事业暨装置解决方案）事业部内新设立了测试与封装中心（TP） ，加大先进封装上的投资，和台积电进行竞争。
台积电则开始大力招募人才，解决芯片人才荒问题。台媒披露，台积电新一轮校招活动已启动，计划今年招聘超过 8000 名新员工。其中，硕士毕业生入职工程师的平均年薪可达 200 万新台币（约合 45 万人民币）。
台积电、三星、英特尔三大巨头即将重新会首代工江湖。
结语：三星、英特尔、台积电加大投资力度，先进制程竞争进入白热化
随着英特尔宣布在开放 x86 架构、构建生态系统联盟、更新多个业务的产品路线图等动作，其希望重新获得芯片制造领域的龙头地位。而三星的良率问题正在成为阻碍大客户加入的关键，高通、英伟达等重要客户的订单网传要重回台积电。
在摩尔定律放缓、美欧日韩中多国大力保障自身供应链安全的今天，先进制程代工江湖的划分，决定了谁能够在未来供应链中掌握主动权。同时，先进制程的研发和产线投入正越来越大，在数以百亿美元的投入后，三星、英特尔、台积电等厂商不会放弃占据代工行业龙头的可能，先进制程竞争正在进入白热化。
来源：微信公众号：芯东西 （ID：aichip001），作者：高歌，编辑：Panken
