光刻机与芯片制造竞争

新一轮EUV光刻机争夺战开打

在全球范围内，作为EUV光刻机的唯一供应商，ASML在业内受到的关注度越来越高，特别是以台积电为代表的先进制程发展得风生水起的当下，ASML的重要性与日俱增。

ASML发布了2021第四季度和全年财报，内容是一如既往的亮眼。该公司2021年第四季度营收为50亿欧元，净利润为18亿欧元，毛利率54.2%，新增订单金额71亿欧元，其中，26亿欧元来自0.33 NA（数值孔径）和0.55 NA EUV系统订单；2021年全年营收达186亿欧元，其中，63亿欧元来自于42台EUV系统，全年净利润59亿欧元，毛利率52.7%。
ASML还公布了2022年第一季度财测，预估营收净额约33亿到35亿欧元，预估2022全年的营收净额可比2021年增长约20%。

EUV光刻机重要性愈加凸出

EUV光刻机的波长比现有的氟化氩 (ArF) 曝光短1/14，这有利于实现半导体最先进制程的实现。近年来，对10nm以下先进制程的需求不断增长，也增加了EUV曝光设备的供应。由于EUV设备加工复杂，ASML年产量也很小。最近，ASML 正专注于提高其产能和供应量。
由于市场对最先进制程工艺的需求增加和客户群的扩大，EUV光刻机供应的数量将持续增长。预计两年内累计供应量将增加一倍以上。
据统计，在2020年第三季度~2021年第二季度这四个季度内，ASML共向市场出货了40 台EUV设备，比前四个季度（2019年第三季度~2020年第二季度）的24台增长了66%。
具体来看，7nm~5nm逻辑芯片（以每月45000片晶圆计算）需要一台 EUV 设备来绘制一个EUV层。16nm以下DRAM（以每月10万片计算）一层需要1.5~2台EUV设备。作为全球最大的存储芯片供应商，三星电子计划将14nm DDR5 DRAM 的 EUV 应用层数从 1 层增加到5层，SK海力士也计划增加EUV应用层数，这些将推动对EUV设备需求的增长。
另外，继三星电子在2018年首次引入 7nm 工艺的 EUV 设备后，台积电和 SK 海力士也进入了 EUV 竞争，市场规模一直在扩大，因为美国的美光和英特尔也在推动引入 EUV 设备。
对于这样的市场需求，ASML首席执行官 Peter Wennink表示，“计划2022年将EUV设备的产量增加到55台，并在2023年增加到60台。” 两年后，将有超过240台EUV设备投入市场，超过迄今为止的累计供应量。

新版本EUV光刻机呼之欲出

目前，每台EUV设备都有超过 100,000 个零组件，需要40个货运集装箱或四架大型喷气式飞机来运输，每个价值约1.4亿美元。
为了满足不断进化的先进制程，ASML正在研发更先进的EUV光刻机，主要体现在高NA上。
与目前的EUV设备相比，更高NA意味着更大、更昂贵且更复杂。高NA设备具有更高的分辨率，这将使芯片特征缩小1.7倍，芯片密度增加2.9倍。这可以使客户减少流程步骤的数量，还可以显着减少缺陷、成本和芯片生产周期。
新的EUV设备，NA值将从0.33 提升至0.55，以实现更高分辨率的图案化。
据悉，第一台高NA设备仍在开发中，预计2023年开始提供抢先体验，以便芯片制造商可以开始试验并学习如何使用。客户可以在2024年将用于研发，从2025 年开始，这些高NA的EUV设备有望用于芯片量产。
更高的NA值允许在机器内部产生更宽的EUV光束，然后再照射晶圆。该光束越宽，照射晶圆时的强度就越大，提高打印线条的准确度。可以实现更小的几何形状和更小的间距，增加密度。
ASML的新设备将允许芯片制造商制造2nm及以下制程的芯片。

不过，高NA设备意味着高昂的价格，据悉，每台NA值为0.55的EUV设备价格将达到3 亿美元，是现有EUV设备的两倍，还需要复杂的新镜头技术。

目前，制造先进制程（如5nm、3nm）芯片的厂商不得不依赖双重或三重图案技术，这很耗时，使用高NA EUV设备，能够在单层中打印这些特征，缩短周转时间，提高工艺灵活性。

先进EUV争夺战打响

EUV光刻机，特别是最新设备的客户是台积电、三星、英特尔、SK海力士和美光，目前来看，前三家对于ASML产能的争夺愈演愈烈。
上周，台积电公布其资本支出高达400亿到440亿美元，首度揭露用于2nm先进制程投资，台积电在2nm有重大突破，下单采购高NA的EUV，以投入2nm研发及试产。台积电供应链透露，台积电内部规划2nm试产部队将于今年第四季度正式成军。
据悉，台积电已经获得了目前市场上供应的EUV设备的一半。台积电拥有约50台EUV设备。鉴于EUV设备的独家供应体系，快速确保设备安全将成为三星和SK海力士等半导体制造商面临的挑战。

三星也在紧急抢购一台高NA EUV，并要ASML直接拉到三星工厂内进行测试，创下ASML直接出货到客户厂内再测试的首例，可见台积电与三星在先进制程竞赛的激烈程度。
三星表示，该公司将于2022上半年推出3nm制程，三星电子副会长李在镕假释出狱后，立即宣布未来3年投入240兆韩元(约2050亿美元) ，巩固该公司在后疫情时代科技产业的优势地位，称该公司下一代制程节点3nm制程采用GAA（Gate-All-Around）技术不会输给竞争对手台积电。
三星强调，与5nm制程相比，首颗3nm制程GAA工艺芯片面积将缩小35%，性能提高 30% 或功耗降低 50%。三星称3nm制程良率正在逼近4nm制程，预计2022 年推出第一代3nm 3GAE技术，2023年推出新一代3nm 3GAP技术，2025年2nm 2GAP 制程投产。这些对先进EUV设备的需求将不断提升。
目前，三星正在抢购更多的EUV光刻机，缩小与台积电之间的数量差距。据统计，截止2020年，台积电的EUV光刻机数量约40台，三星则是18台左右，不到台积电的一半。预计2022年三星会购入大概18台EUV光刻机，拉近与台积电之间的数量差距，总数将达到台积电的60%左右。
根据台积电年报信息，3nm基于EUV技术展现优异的光学能力，与符合预期的芯片良率，以减少曝光机光罩缺陷及制程堆栈误差，降低整体成本，2nm及更先进制程上将着重于改善极紫外光技术的质量与成本。
台积电积极与ASML紧密合作，不仅取得EUV设备数量有优势，设备技术的开发致关重要，这是能超越三星、英特尔的关键原因之一。
英特尔也在加大先进EUV设备的投入。
2021年，英特尔宣布重返晶圆代工市场，在同年7月正式宣布推出先进制程技术蓝图，计划在未来4年推出5个新世代芯片制程技术，宣布将原本的10 nm Enhanced SuperFin正名为Intel 7，原先的7nm正名为Intel 4，之后分别为Intel 3、Intel 20A、Intel 18A 等，2025年就会达到2nm制程的领域，目标是赶超台积电。
为了实现这一目标，英特尔在争夺ASML最先进EUV光刻机方面不遗余力。
本周，英特尔宣布领先于台积电和三星订购了ASML的TWINSCAN EXE:5200光刻机。这是ASML正在开发的高NA EUV光刻机，单台价格将达到3亿美元。据悉，吞吐量超每小时220片晶圆。按照ASML的规划，TWINSCAN EXE:5200最快将于2024年底投入使用，用于验证，2025年开始用于芯片量产。
四年前，英特尔是第一个下单ASML第一代0.55 NA光刻机EXE:5000的公司。
与0.33NA光刻机相比，0.55NA的分辨率从13nm升级到8nm，可以更快更好地曝光更复杂的集成电路图案，突破0.33NA单次构图32nm到30nm间距的极限。EXE:5000有望率先用于3nm制程，EXE:5200则很可能用于英特尔未来的20A或者18A制程。

结语

2022年，随着3nm制程的量产，市场对先进EUV光刻机的需求量进一步提升，未来的2nm、1nm，以及更先进制程不断迭代，为更先进EUV设备的研发提供着动力，同时难度也在不断增加，产量恐怕会愈加吃紧，相应的设备争夺战将会更加激烈。

苹果造芯：有人欢喜，有人愁！

据某供应链芯片消息，iPhone 14或许是苹果最后一款搭载第三方基带芯片的iPhone产品。到iphone 15，苹果或将全部采用自研芯片。虽然真实性还有待确认，但是苹果自研这条路已经走的炉火纯青，全自研只是时间上的问题。这些年来，苹果自研芯片这个蹊径误伤了一片苹果的供应商，甚至有些厂商面临生死存亡。但另一方面，苹果此举，也教会了系统厂商，探索起新玩法。

苹果一手建立起芯片帝国

几年来，苹果一直在稳步设计越来越多的处理器芯片。控制处理器是苹果长期垂直整合运动中最新和最大的一步。如今，苹果已经为其iPhone、iPad、Mac和手表生产了许多芯片。

很早之前，乔布斯就认为，苹果就应该拥有其产品内部的技术，而不是依赖多家其他芯片制造商的芯片混搭。所以，2008年，苹果收购了PA Semi，开始了自研之路。自研芯片是个烧钱的生意，但只要该公司每年销售3亿台设备，苹果进军复杂而昂贵的芯片业务就很有意义。事实证明，苹果自研芯片是一项明智的举措。
首先是手机芯片，2010年苹果内部设计出第一款处理器A4。A系列芯片凭借在工艺制程、CPU架构和GPU核心上的代代改进，一直是移动平台上高性能芯片的代表。下图展示了到A11芯片的历年开发时间和主要特点，如今苹果的A系列芯片已经到了A15仿生芯片。

 

 

 再就是苹果手表芯片S系列，2015年苹果为手表研发了第一款芯片S1，2016年苹果又相继推出了S1P和S2，2017年发布了S3，如今已到了S7芯片。

然后是苹果的无线芯片W系列和H系列，2016年苹果研发出了第一款无线芯片W1，第一代AirPods用的便是W1芯片，真无线耳机AirPods一经推出，便收到业界广泛的追捧。2017年苹果特意为Apple watch 3 研发了能支持蓝牙的W2芯片。2018年苹果又研发出了W3芯片。2021年，苹果又一款自研芯片H1问世，相比原来的W1主要是加强了无线连接表现。
2019年苹果推出了超宽带技术U1芯片，iPhone 11和Apple Watch S6是首款配备U1的设备。U1中的U是指的UWB技术，因为苹果的加入，UWB技术也引起了业界的广泛关注，
2020年11月，苹果放弃X86架构，推出了基于Arm的Mac电脑芯片M1，M1芯片的推出使得苹果将自己与PC行业的其他公司进一步区分开来。正如iPhone塑造了智能手机市场一样，Apple的新设计自由度可能会对其他PC制造商产生影响。

误伤芯片供应商

多年来苹果一直使用三个独立的CPU 供应商为其台式机和服务器产品提供动力。从1983年到1990年使用摩托罗拉的CPU，1994年到2005年使用PowerPC，从2006年到2020年采用英特尔的CPU。苹果M1芯片的发布，使得英特尔失去了苹果这个客户，失去苹果对英特尔来说并不是一个巨大的打击，因为苹果在个人电脑领域只是一个小玩家，但增加了英特尔已经失去魔力的感觉。

虽然大家都以为苹果发布M1最大的受害者是英特尔，但其实正在谋求复兴的AMD才最受伤。M1芯片的成功首秀，让同处于X86阵营的AMD接受了一次来自ARM芯片的跨界打击，让业界有机会对个人电脑的硬体设计，乃至芯片架构的归属进行思考。这势必会引起其他依托Arm架构厂商的关注和试探。在这方面，高通和三星都在ARM PC上跃跃欲试。

 

 

 在GPU方面，2008年11月，Imagination首度拿下Apple的设计订单，开始授权其PowerVR SGX绘图处理器。2014年2月，Apple扩展多年授权协议，得以使用Imagination现有以及未来的PowerVR绘图和视讯IP核心系列。但是2017年，苹果开始进军GPU，宣布将在2年内逐步在产品中停止使用Imagination的PowerVR GPU IP核心，决定转向自家研发，此举无疑误伤了Imagination的业务。在失去最大客户Apple之后，Imagination被Canyon Bridge集团收购。在2020年，苹果与Imagination又签订了新的“多年许可协议”。而现在，随着5G和新能源汽车等的需求，Imagination的GPU IP将发挥比以往任何时候都重要的作用。

射频和模拟半导体厂商Skyworks有近6成的收入是来自苹果，华尔街资本市场分析机构Seekingalpha表示，随着苹果扩大自己的内部芯片制造业务，苹果可能会慢慢与包括Skyworks在内的一些主要芯片供应商减少甚至断绝关系。去年年底，彭博社爆出的苹果为 “无线设计验证工程师”大规模招聘职位，消息传出当天，Skyworks股价下跌11%。彭博社之前提到，苹果很可能会直接从Skyworks挖人，挖人是苹果一贯的做法。
现在的消息是，苹果自研基带芯片走上了正轨，多年来，苹果一直在研究内部调制解调器芯片，1月10日，根据《工商时报》的报道表示，苹果公司自研的5G基带以及和5G基带配套的5G射频IC已经完成设计，目前正准备投入试产阶段。日经亚洲报道也指出，苹果计划采用台积电的4纳米芯片生产技术，从 2023 年起量产其首款内部 5G 调制解调器芯片。如果苹果基带芯片成功研发出来，高通将是下一个被误伤的芯片厂商。
高通首席财务官 Akash Palkhiwala在2021年11月的一个投资日活动上表示，高通预计2023年将仅供应苹果调制解调器芯片的20%。不过高通似乎不担心苹果自研或者转向其他供应商，这主要是因为，除了苹果这个客户外，与小米公司、Oppo 和 Vivo 等高端智能手机制造商的合作，手机收入增长将快于整体市场。

系统厂商从中悟道

苹果走在了自研芯片的前列，收获了成功的果实。这令系统厂商嗅到了其中的好处。许多系统厂商已经感到创新步伐受限于芯片制造商的时间表。摩尔定律走到极限，芯片发展速度放缓，采用定制化的芯片，能够更好地控制软件和硬件的集成，与竞争对手区分开来。于是，许多系统厂商都开始不满足于依赖高需求的标准芯片，包括亚马逊、Facebook、特斯拉和百度等正在开发半导体。

受到苹果自研芯片的启发，谷歌已经确认即将推出的 Pixel 6 智能手机将配备谷歌设计的片上系统(SoC)。据日经亚洲的报道，谷歌正在为 Chromebook 开发芯片设计，取代英特尔、AMD、联发科和其他品牌提供的 CPU。谷歌的新 Chromebook 芯片显然将基于Arm设计。据了解此事的人士称，预计到2023年推出相关的芯片。此举显然是受到苹果 M1 Mac 成功的“启发”。据IDC的报道，在过去的几个季度中，Chromebook 已成功成为全球最受欢迎的 PC。
国内的手机系统厂商在自研芯片上加速进击。对于手机厂商来说，宇宙的尽头就是造手机芯片，在这方面华为是做手机芯片的佼佼者，国内其他几家主要手机厂商小米、OV、荣耀等基本以联发科和高通手机芯片为主，如此标准化的芯片很难打出差异化优势。但SoC的投入更大、研发难度更高、失败风险也大，所以国内的手机厂商大多选择在其他如影像和充电领域的周边芯片做起，随着手机摄影向生产力工具的演变，消费者拍摄需求的增加，手机的计算能力面临运算量大和高能耗的问题，于是独立的影像芯片成为手机厂商的必争之地。
目前小米已发布了三款自研芯片，分别是SoC芯片澎湃S1、ISP（Image Signal Processor，图像处理器）芯片澎湃C1、充电芯片澎湃P1。虽然小米在手机SoC芯片上高开低走，受到了一些质疑，但证明了SoC芯片的开发难度之大。不过据半导体行业观察记者从多方获悉，小米正在招募团队，重新杀入手机芯片赛道。从当前的市场现状看来，无论是小米的业务，还是财务数据，对小米来说，都是一个投入的好时机。
OPPO已发布公司首款自研影像芯片——MariSilicon X，据其称，目前市面上没有任何独立6nm NPU的参考设计，这是全球第一个6nm影像专用NPU芯片。据悉，MariSilicon X的算力可高达18TOPs，iPhone 13 Pro上的A15芯片算力为15.8TOPS，凸显了定制化芯片的优势。
OPPO在做芯片这个事情上很有决心，OPPO创始人兼首席执行官陈明永表示，如果没有底层核心技术，就不可能有未来；没有底层核心技术的旗舰产品，更是空中楼阁。OPPO现在正在大张旗鼓进入手机芯片领域，不但高规格打造芯片团队，在手机主控芯片，甚至在蓝牙和 PMU 等多方面广泛布局。据半导体行业观察了解，OPPO也正在UWB芯片上布局，去年发布了“一键联”手机壳套装，投资了UWB芯片公司瀚巍微电子。
去年9月，历时24个月，超300人研发，vivo自研的专业影像芯片V1也在vivo X70系列上亮相。这也是vivo自研的首款芯片。此前vivo与三星合作研发芯片，推出了5G SoC芯片Exynos 980与Exynos1080等。
华为则可以跟苹果媲美，在手机SoC芯片的成就自不必多说。华为还推出了TWS蓝牙芯片麒麟A1，华为表示，与苹果H1芯片相比，麒麟A1芯片的时延为190mm，功耗降低50%，性能提升了30%。华为还自研了鲲鹏等PC芯片。华为转向研发电脑CPU，首款芯片或叫“盘古”。

打破芯片领域技术限制，成功出货核心设备！

 

 

 芯片困境下的自主技术突破。在相关限制的不断升级之下，全球陷入了全面的缺芯状态，华为在面临打压时表现的从容不迫，能够有惊无险地度过多次难关，主要还得归功于技术的高度自主性，这也很好地给国内企业“上了一课”，目前越来越多的企业加入了半导体领域的技术研发，国内半导体领域的劣势也在不断地缓解。清华作为国内最高等的学府之一，内部拥有着最顶尖的研究所，已经多次在半导体技术研发上立功了，近期也再次不负众望，成功自研了芯片制造过程中的核心设备，这项技术是困扰着中国多年的难题，此次清华大学实现技术突破，让国产芯片的自主化程度又进了一步。

清华大学自研核心设备出货。就在近日，清华的华海清科正式出货了自研的核心设备，这是一台12英寸的化学机械抛光设备，主要用于硅通孔化学机械的抛光，简单点来讲的话，就是用于高密度的芯片封装，这台设备是芯片封装过程中不可或缺的设备，可以在最大程度上实现芯片表面的光滑，使得芯片的性能实现最大化。

在清华实现技术攻克之前，国内并没有真正意义上的先进抛光封装设备，此前并没有企业能够实现技术的突破，由于国产芯片还没完成14nm以下的自主化，因此此前对于封装的工艺要求并不高，但实现高端的制程工艺是迟早的事，必须要对相对应的高端技术储备做准备。

清华能够实现技术突破的主观原因。关于清华突破核心技术的原因，此前团队成员王同庆在接受采访的时候曾表态：“坚持自主创新，是实现技术突破的关键”!众所周知在半导体领域大量的技术专利都被欧美企业占据，留给机会并不多，不能绕开的技术专利，就意味着无法完成技术突破。

 

 

 根据相关消息得知，为了能够成功绕开欧美技术专利，仅仅是一个小小的零部件，都需要制定相应的几十种方案，从中选择一种最佳的方案，这也是确保万无一失的表现，可想而知整个过程持续下来是多么地艰难，由此可见清华实现技术突破并非偶然，坚持独立、创新才是关键。清华大学作为国内最高学府之一，其中聚集了大量的人才，如今流失海外的比例也有所降低，配合上最新的产学研模式，很好地集结了科研人员、校内尖端人才、业内专家以及海归精英等等高端复合型人才，让团队在各方面都不存在劣势，很好地保证在研发生产中的质量。

 

 

 为了更好地开展科研工作，清华大学专门设立了CMP实验室，对人才的培养以及团队的研发进度都有着显著地提升，产学研模式经过多方的测试，目前也已经达到了一个相对成熟的状态，未来很多高等学府或可以借鉴这种形式，从而诞生更多的尖端科研机构，这是目前国内迫切需求的。

 

 

 清华能够实现技术突破的客观原因。除了清华大学自身的努力之外，和国家政策的扶持也是密不可分的，目前国家重点发展高端设备、电子信息等未来产业，开始大力扶持整个半导体领域的发展，在国家以及地方机构的通力配合下，给予了清华大学旗下的研究机构很大的支持，在有了成功的案例之后，其它地方部门也可以效仿这样的方式。

清华出货核心设备的优势。在清华的国产高端抛光设备出货之后，意味着在真正意义上实现了设备的国产化，这将会为之后国产芯片的发展赋予更大的能量，每一项技术的自主化，都意味着离完全自主化的国产芯片又进了一步，减少对于海外技术的依赖，是国内芯片领域急需的突破口。

 

 

 在有了高端的配套技术之后，也能够给国内企业冲击先进制程工艺带来更大的信心，就算短期之内不能实现先进设备的国产化，但有了尖端的设备之后，也能够实现一定的出口量，从而占据芯片领域高端设备市场一定的份额，此前由中微半导体研发的刻蚀机，就已经走进了台积电的生产线了，而由清华自研的封装设备，也是有很大可能走向国际市场的。

 

 

 很显然未来的芯片产值将会进一步提升，中国作为全球最大的芯片消耗市场，如果持续依赖进口芯片，将会直接影响到未来科技领域的发展，显然谁能够掌握更多芯片领域的核心技术，就能够在未来科技发展当中占据更多的话语权，对此是怎么看的呢？

 

参考链接：

https://mp.weixin.qq.com/s/cNrk5AOr6qHayjP_7J4gmQ

https://mp.weixin.qq.com/s/2IBtQN1dR_WsbjKRRSwz5A

https://mp.weixin.qq.com/s/qRfw57utu76eOzwnFXtPlg

标签：芯片,制程,竞争,苹果,光刻机,EUV,台积,设备
来源： https://www.cnblogs.com/wujianming-110117/p/15898839.html