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解析台湾半导体巨擘(一)──16nm 良率持续进步,台积电看旺明年

2020-08-05 15:49

解析台湾半导体巨擘(一)──16nm 良率持续进步,台积电看旺明年

编按:台湾晶圆代工龙头台积电 7 日向投审会递交申请书,将赴中国南京设 12 吋晶圆厂,台积电被视为台湾半导体重要命脉,此举因而引起外界一片譁然。姑且不论登陆与否,你对台积电了解多少?资深前分析师 Richard 从财务面、技术面、竞争力分析等角度深度解析台积电,《科技新报》取得独家授权,4 篇专文报导,带你趁势了解这间台湾举足轻重的半导体巨擘。

台积电 3Q15 营收 2,125E,+3.4 QoQ,12 吋 wafer 约当出货量 2,216K,-1% QoQ,毛利率(GM)从上季 48.5% 微降到 48.2%,营业利益率(OPM)从 2Q15 季的 37.5% 微降到 3Q15 的 36.9%,营业利益(OP)从 1Q15 季 866E 降到 2Q15 的 771E。GM 和 OPM 都在公司财测範围内。税后净利 753E,EPS 2.9 元。

根据公司揭露的资料推估,3Q15 总产能约 2,300K 12″ 约当晶圆,出货量产能利用率(Utilization; UTR)约 95%,低于 1Q15 的 102% 和 2Q15 的 98%,推估 Blended ASP 估计 US$2,935,和上季持平。3Q15 製程别产品组合和上季比较变动不大,16nm + 20nm 共 21%(估计16nm 2%,20nm 19%)、28nm 27%,28nm 以下製程比率合计 48%。

公司 guidance 4Q15 营收 2,010~2,040E,GM 47.5~49.5%,OP 36.5~38.5%。假设 4Q15 产能 2,368K,出货量 2,068K,产能利用率将降到 86%,ASP 假设持平,则营收约 2,030E,-4~5% QoQ。产能利用率降了 9%,毛利率还能维持住,表示台积电 4Q15 的良率,尤其是强劲 ramp up 的 16nm 製程,应该有非常显着的进步,才能抵销产能利用率下滑的负面影响。

解析台湾半导体巨擘(一)──16nm 良率持续进步,台积电看旺明年解析台湾半导体巨擘(一)──16nm 良率持续进步,台积电看旺明年结构获利能力持续进步

台积电近年的结构获利能力(structural profitability)持续进步,结构获利能力由两个部份组成:

    标準毛利率(standard  gross margin,SGM):特定产能力用率之下的毛利率。标準产能利用率(standard utilization):台积电企图达到或超过的产能利用率。

过去几年,台积电的 SGM 稳定进步,换句话说,同样一个产能利用率,每年的 GM 都更高,而标準产能利用率,也一直维持得很高,因此结构获利能力也持续进步。结构获利能力和整体的长期 CAPEX 产能投资正确与否、或景气突然热络或低落所造成的产能利率用过高或过低无关,代表的是日常营运能力、公司内部的能力和外部大环境的变化、以及公司对外部环境的预测能力,比较无关。台积电的结构获利能力的进步,来自于以下 3 方面的努力,让成本持续下降。

    工厂营运管理持续创新,带来的生产力和效率提升,也让设备更有效的被使用。先进製程产能扩张,非常谨慎小心。虽然这几年还是有大量 CAPEX 扩充产能,因台积电和大客户已成伙伴关係,新製程产能投资,都能配合客户的产品规划和产能需求,不像后进者,只能先投资製程产能,再来争取客户的 second source。这几年每一代新製程的良率提升速度稳定进步。新製程量产后一、两年,毛利率往往低于公司平均数,因此,每代新製程的良率提升速度,对全公司的整体毛利率影响很大。

从财报上来观察结构获利能力的变化。我们将 3Q15 营业成本(COGS)1,102E 分成两块,「折旧摊提」=561E和「其他营业成本」=540E,半导体公司大部份的折旧发生在 COGS 的厂房机器设备,少部份发生在 OPEX 办公设备,这里简化都计入 COGS,将折旧摊提 / wafer 出货量,=每片 wafer 折旧成本 US$795,约略等于 2Q15 的 US$791,(折旧 / wafer)影响因素包括:1. 总折旧摊提金额、2. 产能利用率、3. 产能的製程组合、4. 出货的製程组合。

通常採用越先进製程生产的晶圆,因为设备越昂贵,以及 cycle time 越长,每片 wafer 分担的折旧金额越高,这也是 3Q14 和 4Q14 当 20nm 比率大幅上升的时候,(折旧 / wafer)暴增到 US$800 以上的原因,随后 1Q15~3Q15 20nm 比率维持在 15~20%,总折旧摊提金额降低,(折旧 / wafer)下降到 US$769、US$791 和 US$795,预料未来一年,随着更多 20nm 和 16nm 设备投产认列折旧,以及 16nm 製程产品 cycle time 长达 3 个月,(折旧 / wafer)未来接近或超过 US$800 将成为常态,一旦不景气产能利用率跌破 90% 时,(折旧 / wafer)更可能高于 US$850,也就是说,先进製程虽然 ASP 高,分摊设备折旧也高,加上 cycle time 长,metal 和 poly 层数更多,耗用的材料成本也更多,量产初期几季,良率还不够好的时候,往往 GM 反而低于成熟製程。

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将 3Q15(其他营业成本 / wafer 出货量),=每片 wafer 其他营业成本 US$765,比 1Q15 的 US$792 低,而比 2Q15 的 US$740 高,这个数字,最能看出一家半导体公司的真正工厂效率和经营绩效,有点类似 EBITDA margin 的观念,但直接算成 per wafer 的数字,更为实际,其他营业成本,主要是製程中消耗的原材料、设备 / 设施 / 无尘室维持、线上工程师和作业员等,和会计上的变动成本接近,但有些项目,理论上可变动,实务上不太能变动,例如直接人工、工厂维持等,还是要算在(其他营业成本 / wafer),影响因素包括:

    生产效率,例如各厂区、各机台和产品的最适当分配、各机台的普遍嫁动率、产品总良率和各单站机台良率、工厂 layout 等,尤其是 foundry 厂,有几百个不同製程的产品在各工厂里面跑,要最佳化的安排这些多种少量的产品,最能显现出台积电这种专业 foundry 和 Samsung LSI 这种 IDM foundry 管理效率的差距,这一、两年台积电开始将一些 product life cycle 长的客户产品,自行在淡季时增加投片量,降低生产高低波动,也是提高生产效率的一个做法;製程组合和 cycle time,越先进製程耗用的材料越多,有些材料耗用和先进製程成正比(例如光阻剂),有些材料和製程比较无关,但先进製程 layer 数多,多做几 layer 本来就会用更多材料、更多人力时数、更多厂房设施维持成本(气体水电环保等)。良率。产能利用率的影响不若(折旧 / wafer)大,但仍有些许影响。依据台积电法说会给的 4Q15 guidance,计算出 4Q15 的(其他营业成本 / wafer)将下降到 US$715,在 16nm 製程放量、产能利用率下降的情况下,这个数字还能下降,表示 16nm、20nm 甚至主流的 28nm 良率,应有明显进步,带来相当的 cost down 效果。
半导体景气调整,2016 年温和成长

2015 年全球经济成长趋于缓和,终端产品需求不振,全球 Smarphone 约成长 10%、PC 衰退 6~7%、Tablet PC 衰退 15%,半导体市场,年初展望乐观,下单积极,2Q15 中期之后,逐渐发现景气有变数,下单转趋保守,但对于年中旺季还有期待,2H15 forecast 不敢砍太多,到 3Q15 中期确定今年景气不佳,库存偏高,厂商纷纷大幅下修 9~12 月的订单,严格控制库存。终端产品需求不振,让半导体产业库存调整时间拉长,2015 年全球半导体市场大概只有零成长,预料到 2015 年底或 1Q16 季中,才有机会消化完毕,而于 2Q16 恢复比较健康的成长轨道,预估 2016 年半导体成长 3%。

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2016~2017 年,除了总体经济之外,半导体产业的成长动力,来自于以下几个方面:

    高阶手机的半导体含量(silicon content)继续成长:手机市场明显 M 型化,高阶手机这几年,性能快速提升,CPU / GPU performance 已经追上低阶 PC、Mobile DRAM 和 NAND Flash 容量接近 PC DRAM 和 SSD 容量,其他如 CMOS sensor、Baseband Modem、LCD 解析度都让半导体含量持续成长,不但半导体含量增加,基于 performance、power 和 cost 考量,高阶手机对先进製程的需求还是十分强烈,这个趋势对先进製程技术、产能和服务都相对领先的台积电有利。物联网(Internet of Things)逐渐成型:最先看到有量应用领用,例如汽车、无人机、机器人、穿戴式装置等,虽然这些产品用到的製程多是成熟製程,半导体含量也不高,但是数量庞大,当联网的东西巨量成长之后,背后所需要的运算和储存能量也将成长,包含资料中心、伺服器、网路处理器、CPU / GPU、影像处理等,这些则需要半导体先进製程。主导新应用的系统公司:以往,foundry 的客户最大是 Fabless IC 设计公司、其次是 IDM、系统公司(sysem houses)非常少,只有 Microsoft、Sony、Cisco 等少数几家。但 Apple 自从涉入 AP 处理器之后变成 foundry 超大客户之后,未来将看到越来越多大型系统公司,或者因为想掌控供应链、或者因为市面上的标準 IC(ASSP)不符合本身的应用需求,像 Apple 一样,开始成立 IC 设计部门,设计自身产品需要的 ASIC,例如华为 / 海思集团、LG 集团,在 foundry 的投片量越来越大。
20nm 和 16nm 製程良率大幅改善,2016 年 16FFC 推进主流市场

台积电的先进製程近年来仅落后英特尔,但领先 IBM 联盟的 Samsung LSI 和 GlobalFoundries。英特尔早在 22nm 製程技术,就开始使用 3D Tri-gate transistors,14nm Tri-gate 也在 2014 就量产。台积电和 Samsung 都是到 14 / 16nm 才导入 3D FinFET transistors,并且到 2015 年才量产。

Samsung LSI 这两年靠 Apple AP 大订单练兵,在 32 / 28nm 製程逐渐赶上台积电,当时台积电继 28nm 取得技术和市场的主导地位后,接下来发展的 20nm,更几乎是垄断地位,Samsung LSI 自认 20nm 已经来不及,加上判断 20nm 还是用 2D planar transistors,performance / cost 不会很好,製程技术生命週期不长,22 / 20nm 仅有研发和自製 in-house AP,数量不多,没有外接 foundry 订单,而把主力直攻 14nm FinFET,原本外界质疑没有经过 22 / 20nm 的大量产经验,直接发展 14nm 本来就很困难,又採用新的 3D FinFET transistors,应该不会很顺利,没想到 Samsung 真的做到了,首度在 14nm FinFET 製程领先台积电于 1Q15 量产,率先生产自家 Exynox AP,接着生产 Apple A9 和 Qualcomm Snapdragon 820,使得台积电公开承认 2015 年 14 / 16nm 製程 foundry 市场市佔率将首度落后竞争对手。

台积电 20nm(20SoC)经验和良率持续进步,在 2015 全年扮演重要的业绩贡献角色,但 2016 年因为主要的 20nm 业务将转进到 16nm,20nm 将衰退,虽然不会消失,仍将是一个长期生存的製程技术(long-lived node),只是因为部份需求转移到 16nm,台积电的部份 20nm 製程设备也将转为用于 16nm FinFET 製程产品。

台积电的 16nm FinFET+(16FF+)製程,策略上是将 16nm 视为 20nm 的延伸,使用和 20nm 相同的「metal backend process」,虽然 scaling 等规格上比不上 Samsung 的 14nm,製作的晶片 die size 较大,但因为是延续 20nm 技术,不仅可以充分利用 20nm 的量产经验缩短学习曲线,而且 90% 以上的设备可以共用。台积电的 16nm FinFET+ 製程产品已经于 2Q15 正式量产,7 月开始小量出货,3Q15 逐渐增大的投产量,将于 4Q15 大量出货贡献营收,研判 4Q15 时 16nm FinFET+ 的良率应可大幅拉升。新产品(Apple iPhone 6s / 6s+ 用的 A9 AP)量产动能可持续到 1H16。台积电预测 2016 年全年的 16nm 製程营收,将比 2015 年的 20nm 营收,还要大很多,并将于 2016 年重新取得主要地位的市佔率(14 / 16nm)。至于 20nm 台积电仍是唯一大量产的 foundry。如果用 16nm+20nm 一起看,无论是 2015 或 2016 年,台积电都是最大的主要供应商。

台积电正在开发新版 16nm FinFET C(16FFC)製程,C 的意思是 compact,在 performance、power(降低漏电)和 area(die size)都比 16nm FinFET+ 改进,并能在 0.6V 以下执行,透过製程简化让 cycle time 缩短。即使性能大幅改进,原先基于 16FF+ 製程的晶片设计,还是可以很容易的转换成 16FFC 製程,16FFC 的市场定位为 mainstream 和 ultra low power,意味在 performance 的改进,没有 power 和 cost 那幺多。

(全文未完;本文由 Richard’s Research Blog 授权转载;首图来源:达志影像)

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