台积电与ASML“共同进化”

本文由半导体产业纵横（ID:ICVIEWS）编译自jbpress

台积电如何实现高速增长？

美国研究机构Gartner公布了2022年全球前10大半导体销售额排行榜的初步数据（图1）。根据排名，继2021年之后排名第一的是韩国的三星电子（Samsung），第二名是英特尔（Intel），第三名是韩国的SK海力士等。

图1 2022年全球半导体销量Top10排名

来源：Gartner公布的数据（2023年1月17日）

继去年2021年之后，今年没有日本公司上榜。此外，前10名中的常客NVIDIA被从名单中删除，自研iPhone处理器的苹果公司排名第10。在这个榜单上，Gartner并没有算上代工厂的情况。不过，IC Insights等其他研究公司在排名时将晶圆厂也纳入其中，因为我想知道台积电的排名，所以笔者更愿意参考IC Insights的数据。

我看了一下台积电2023年1月12日发布的2022年第四季度财报，台积电2022年全年销售额为758.8亿美元。这超过了Gartner排名第一的三星电子销售额（655.85亿美元）。由此，台积电在2022年的世界半导体销售额排行榜上首次成为全球第一。笔者制作了一张主要半导体制造商自2000年以来销售额变化的图表（图2）。

图2主要半导体厂商销售趋势

来源：作者根据Gartner、IC Insights、IHS、电子期刊《半导体数据手册》数据、联发科提供数据、各公司IR数据等制作。

台积电销售额在三年内翻了一番以上

自1992年以来，英特尔一直称霸全球半导体销售排行榜。从2011年第一名英特尔、第二名三星电子、第三名台积电以来，这三家公司被称为“三巨头”（但SK海力士仅在2018年升至第三名）。

之后，内存市场从2016年开始快速增长（称为“超级周期”），2018年三星电子超越英特尔占据头把交椅。然而，当2019年内存衰退来袭时，英特尔超越三星电子，重回头把交椅。2021年，三星电子以微弱优势击败英特尔，位居第一。

2022年，疫情带来的特殊需求结束，PC需求下滑、内存价格暴跌，英特尔和三星电子业绩恶化，而继续快速增长的台积电反超这两家公司，并且自1987年成立以来首次跃升至世界排名前列。

台积电的收入增长非常快，2019年的销售额为346.3亿美元，到2022年迅速增长至758.8亿美元，大约是三年前的2.2倍。此外，台积电的营业利润率高达49.5%，可以说在758.8亿美元的销售额中，大约一半是利润。

下面，笔者想分析一下台积电为什么能取得这样的增长。

掌握EUV光刻机的台积电垄断先进制程半导体

图3显示了台积电按技术节点划分的季度销售趋势。台积电一直保留着先进节点技术的晶圆厂，因此台积电的业绩详细的展示了从0.25μm（微米）或更成熟的技术到先进节点的5nm。

图3台积电各技术节点季度销售额

来源：作者根据台积电历史营运数据制作

台积电于2018年第三季度开始生产7纳米先进半导体。然后，在2019年使用全球首个尖端EUV（极紫外）光刻机曝光系统量产7nm+，也就是7nm的改进版。在7nm+版本中，EUV光刻机被用于4到5层，主要用于孔等图案。此外，2020年第三季度，台积电开始量产5nm，同样采用EUV光刻机进行布线。据了解，5nm节点的EUV光刻机具有大约15个适用层。

EUV光刻机是一个非常难掌握的曝光工具，听说台积电在2018年练习了大约100万次曝光，首次能够将EUV光刻机应用于孔型进行量产。而且，我听说即使是现在，每个EUV光刻机单元也需要17到18名全职工程师才能正常运作。

另一边，以追赶台积电为目标的三星电子，由于逻辑代工厂规模小，租用了一条庞大的DRAM线，每月进行高达10,000次的EUV光刻机曝光实践。但是，由于三星无法像台积电一般多次练习，因此尚未完全掌握EUV光刻机，所以其生产规模和良率都比不上台积电。此外，2021年推出EUV的英特尔也暂时无法推出首款采用EUV光刻机的“Intel4”工艺的处理器。

总之，在台积电采用EUV光刻机达到7nm+工艺后，到了5nm之后台积电几乎垄断了先进制程半导体的世界。因此，Apple、Qualcomm、AMD、Broadcom、Nvidia和MediaTek等无晶圆厂公司都在争夺台积电的7nm和5nm先进工艺。

换句话说，掌握EUV技术、能够量产先进制程工艺芯片，让台积电有了惊人的成长。事实上，台积电直到2019年第三季度的季度销售额也从未超过100亿美元，但是此后销售额在2022年第三季度已经飙升至超过200亿美元。

台积电竞争力的源泉是EUV光刻机

如此一来，可以说台积电垄断全球尖端半导体份额、销量快速攀升的竞争力源泉，就是单台成本约200亿日元的EUV光刻机。每个半导体制造商拥有多少EUV光刻机？

图4显示了台积电、三星电子和英特尔拥有的EUV光刻机的预测数量。台积电预估每年增加25台，2022年底达到100台。另一方面，到2022年底，三星电子预测为35个，英特尔为15个。此外，据了解SK海力士和美光各有数个光刻机。这样一来，台积电在拥有的EUV光刻机的数量上就压倒了其他公司，而且这个差距很可能会逐年扩大。

图4台积电、三星电子、英特尔拥有的EUV光刻机数量（预测）

来源：作者预测

实际上，半导体制造商都想引入更多的EUV光刻机，例如，台积电每年有25台光刻机，但是他们想增加30到40台，而想赶超台积电的三星电子每年要需要20多台。

然而，EUV光刻机只能由荷兰曝光设备制造商ASML制造。那么，ASML到底出货了多少台的EUV光刻机（图5）？

图5 EUV光刻机出货量按ASML数据

来源：作者根据ASML财报数据等制作。

2016年，ASML开始出货量产产品（产品编号NXE：3300及更高版本）。2016年为5台、2017年为10台、2018年为18台、2019年为26台，2020年为31台、2021年为42台、2022年为40台，略有减少，ASML在2022年出货了54台EUV光刻机（也就是说还有14台EUV光刻机没有投产）。

这里令人意外的是，2020年年中，EUV光刻机订单积压（收到订单但无法发货）达到56台。而且听说2022年年中订单积压将超过100台。换句话说，尽管它每台要花费200亿日元，但是台积电、三星电子、英特尔、SK海力士和美光都在要求ASML出货更多的EUV光刻机。

台积电与ASML“共同进化”

回顾ASML公司的财务报表，找出ASML的EUV光刻机出货量，我注意到销售额急剧增加。ASML垄断了全球约95%的光刻设备市场份额。EUV光刻机作为光刻设备中最昂贵的一种，销售火爆，所以销量飙升是可以理解的。

因此，我将TSMC和ASML的销售额绘制在一张图中（图6）。然后，正如我所想的那样，两者的销售同步得很漂亮。

图6台积电与ASML（co-evolving）的销售额

来源：作者根据ASML财报数据等制作

仔细观察，ASML的销售额从2016年开始飙升，当时它开始出货EUV光刻机。六年后，2016年的销售额为68亿欧元，到2022年增长了两倍多，达到212亿欧元。

另一方面，台积电的销售额将从2019年EUV光刻机量产7nm+开始迅速扩大。收入在2019年为346.3亿美元，到2022年增长了2.2倍，达到758.8亿美元。

在生物学中，密切相关的物种相互影响的进化称为“共同进化”。例如，蝴蝶不是从被子植物的花朵中吸取花蜜，而是为花朵授粉。在这种情况下，可以说蝴蝶和被子植物是一种“共同进化”的关系。

同样，ASML供应EUV光刻机，台积电掌握EUV光刻机，量产先进半导体。随着EUV光刻机相关业务的蓬勃发展，台积电和ASML的销售额都在快速增长。也就是说，台积电和ASML可以说是“共同进化”。

半导体行业中“协同进化”和“协同下放”的过往案例

笔者过去曾在半导体行业发现过协同进化的案例。如图7所示，日本半导体产业主要生产尖端DRAM，使用的曝光设备由尼康、佳能等日本曝光设备厂商提供、垄断。1990年，日本制造装备业的份额也有所增加，达到创纪录的48%。也就是说，可以说日本的半导体产业和制造装备产业是“共同进化”的。

图7日本半导体产业和设备产业的销售额份额（共同进化和共同退化）

来源：作者根据Gartner和ICguidebook数据制作

但此后，日本半导体行业和制造设备行业的份额均出现下滑。日本DRAM厂商被三星电子等韩国厂商赶出市场，2000年前后除尔必达外全部退出。尼康、佳能等日本制造设备厂商将日本DRAM厂商放在首位，所以当日本衰落时，他们也走上了同样的道路。我将这种现象命名为“共退化”。

由于2012年尔必达破产，日本不再有一家DRAM制造商。另外，在光刻设备领域，尼康和佳能在1990年代分别占全球市场份额的50%和30%，但到2021年分别下降到2.4%和3.0%（图8）。

图8.各公司光刻设备出货量和市场份额（截至2021年）

来源：作者根据野村证券数据制作

可以把半导体的“共同体”带回日本吗？

包括DRAM在内的日本半导体产业，以及尼康、佳能等曝光设备厂商，在竞争中落败，被淘汰出局。它的出现让人联想到约2.3亿年前出现在地球上、站在生物界食物链顶端的恐龙，在进化过程中于6600万年前灭绝。

然而最近，很多人都在高呼，这是重振日本半导体产业的最后机会。不过，我不禁觉得这就像电影《侏罗纪公园》一样，逼迫古代灭绝的恐龙在现代复活。我希望有关人士重新考虑一下，这是否是正确的做法，是否是日本应该做的事情。

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