半导体工艺与工厂 – 晶圆代工厂篇

赵明

专注芯片产品和市场+个人修行

FAB厂在全球半导体地位和格局表1 2021年 全球 FAB代工厂业绩

全球晶圆代工厂占据集成电路销售20%，基本上算是集成电路中成本部分。TSMC做为晶圆代工厂的龙头，一骑绝尘，营收增长快，毛利率高，已然成为晶圆代工业绝对霸主。SMIC作为大陆本土代工厂业奋起直追，伴随中国大陆本土半导体的快速发展。本文根据的2021年财报对典型的五家代工厂，TSMC, UMC, GlobalFoundries, SMIC和华虹展开分析。

2. 主要晶圆代工厂介绍

2.1 台积电（TSMC）

首先分一下龙头TSMC年报，按照不同维度如：不同地域，不同终端应用，不同工艺节点占比与变化，以及总体的经营情况进行全面分析。

表2 TSMC 2019到2021年的 不同地域收入占比

2021年，来自大陆销售收入比例急速下降。

北美是TSMC主要收入来源，并且保持高位上增长。

表 3 TSMC 2019到2021年的 不同市场领域收入占比

手机和计算带来营收超过 80%，成为TSMC最大收来源。

表4 2019到2021年 TSMC不同工艺节点收入占比

5nm, 7nm和16nm先进工艺收入占比很高，最先进的工艺增长迅速

表5 TSMC 2019到2021年 整体运营和财务概况

毛利率2021年高达 51%，研发费用8%左右

针对TSMC一个简单总结，

美国客户带来的收入比例很高而且还有持续的增长，当然这里面存在大陆公司被制裁造成不能生产带来的减少有相关性，所以经济角度来看，TSMC铁定要要咬定美国，作为美国半导体产业界和拜登政府，从供应安全角度出发，让TSMC站队也是自然的现象，在美国建厂虽然会使得成本上升，但是这也可以避免地区危机时候，造成美国自己被卡脖子。

TSMC如果真要站边，肯定要丢车保帅，放弃大陆市场来迎合美国市场。

TSMC主要收入还是先进工艺，而且占比持续上升。5nm，16nm，28nm和40nm占比越来越高。21年总比例超过了80%，两三年后，肯定要超过90%。这样和大陆厂商也可以错位竞争。与工艺直接相关的就是产业，手机和高性能计算等严重依赖于先进工艺的产业，整体占据TSMC的营收超过80%。

毛利率超过50%，在制造业毛利率超过50%，这个在全球大规模的制造业中，确实算是非常高的比例。

所以我个人的一个观点是，如果在有条件的情况下，短期内尽量采用非TSMC的工艺，可能从长期看对于国产半导体是十分重要，特别是TSMC非大陆工厂的产线，需要尽量避免使用。但是有些工艺节点只有它有，也是涉及到金字塔塔尖的高性能计算与手机。

2.2 联电（UMC）

UMC作为台湾代工厂第二把交椅，其工艺上紧随TSMC之后，在销售额上与Global Foundries接近，算作是晶圆代工厂里面第二梯队。按照不同维度如：不同地域，不同终端应用，不同工艺节点占比与变化，以及总体的经营情况进行全面分析。

表6 UMC 2019到2021年的 不同地域收入占比

与TSMC不同，因为UMC涉及到先进工艺不多，2021年，来自大陆销售收入比例有多上升，这与UMC对于HEJIAN技术授权与对于UMC 厦门FAB 12X授权应该会有相关性。

表 7 UMC 2019到2021年的 不同市场领域收入占比

通信产品如wifi，蓝牙，无线通信，IOT和消费电子带来营收接近 80%，成为UMC最大收来源。

表8 2019到2021年 TSMC不同工艺节点收入占比

虽然UMC的年报中针对14nm和22nm花了很多篇幅描述领先性，但是从销售额上看，主要收入来自于28nm以及以上的节点，28,40,65和90nm占据65%。

表9 UMC 2019到2021年 整体运营和财务概况

毛利率在过去三年快速上升，与28nm等先进工艺占比变高，以及21年快速增长市场有很大相关性。

表10 UMC主要工业节点介绍

表11 UMC的12寸厂信息

针对UMC一个简单总结，

第一， UMC主要客户来自台湾本地，如MediaTek，Realtek和Novatek应该UMC的TOP10的客户。这些客户在无线通信WIFI, 4/5G，蓝牙IOT以及Driver市场份额很高，UMC很多工艺应该也是和这些客户一些打磨完善的。

第二， 面对大陆的市场，UMC通过对于HEJIAN以及厦门UMC的投资，来满足大陆客户需求，通过技术授权，UMC厦门工厂已经可以生产28，40nm，55nm和65nm的工艺。

第三， UMC通过与IBM合作不断优化14nm的FINFET工艺，在2021年已经实现了小批量出货。22nm的ULP和ULL工艺应该是另外一个重要节点，未来会在一些对于功耗和速度要求高场景替换28nm，并针对14nm形成一些成本优势。22nm应该会是后来者如UMC，Global Foundries与TSMC叫板的工业节点。

从财务数据上看，TSMC是一个Located在台湾美国代工厂，因为服务大部分客户都是美国大公司。而UMC更像是一个服务台湾本地设计公司代工厂，主要服务于台湾本地芯片设计公司，再通过HEJIAN在服务中国大陆公司。从工艺节点收入以及毛利水平等诸多因素上看，UMC的水平上与SMIC相当，但是随着大陆本土设计公司快速发展，SMIC在2022年超越UMC应该是确定性的事件。

2.3 格芯（Global Foundries）Global Foundries 作为晶圆代工中唯一总部在美国晶圆代工厂，脱胎于处理器厂商AMD，至今AMD也是它的第一大客户。过去在先进工业的投资不及TSMC，长期一直亏损。于是公司转型更多经历放在特殊工艺上，经营状况转好。21年已经接近盈利的边缘。表 12 Global Foundries经营状况

经营状况2019 M$2020 M$2021 M$Revenue583148516585Gross Profit5327131013GP Rate9.1%14.7%15.4%R&D583476478R&D rate10.0%9.8%7.3%净利润-1371-1351-256

表 13 Global Foundries主要工业节点概况

地点工艺技术Wafer大小21年产能 KWPAMalta, New YorkFinFET, RF SOI, SiPh300mm357Burlington, VermontRF SOI, SiGe200mm263Dresden, Germany22nm FDX, 40nmNVM, 28nm HV, 55nm BCDL300mm500East Fishkill, New YorkHP CMOS, RF SOI, SiPh（从IBM收购）300mm138SingaporeBCD/BCDL, HV, NVM, DDI, RF SOI, LP SiGe300,200mm1075

表14 Global Foundries主要工艺特性介绍

工艺应用特点RF SOIWireless, WIFILow power, high frequencyFINFETRF, AI, AutomotiveULP, 12-16nmFeature-Rich CMOSPower Management, display Driver, ENVM for MCUBCDFDX数模混合，5G, Radar，卫星ULP, RF&MM, MRAMSiGeRF&MM, 光与无线通信，卫星通信BICMOSSiPhOptical, LIDARCMOS, RF

表15 Global Foundires TOP客户

前十客户猜测对应工艺节点1AMDFiNFET2Cirrrus Logic3InfineonBCD4MTKFINFET5NXPRFSOI, SIGe,SiPh6PsemiRFSOI7QorvoRFSOI,SiGe, FDX8QualcommFINFET, RFSOI,9SamsungFDX10SkyworksRFSOI, FDX, SiGe

2.4 中芯国际（SMIC）

接下来再研究一下的SMIC的财报，分析一下经营的变化，工艺节点收入信息与应用市场趋势。

表16 SMIC 19到22年上半年经营状况

2022年上半年202120202019营业收入24,592,245,00035,630,634,00027,470,709,00022,017,883,000归母净利润6,251,770,00010,733,098,0004,332,270,0001,793,764,000扣非净利润5,171,434,0005,325,423,0001,696,902,000-522,095,000毛利率40.3%29.3%23.8%20.8%

从SMIC经营看，毛利率进一步提升，与TSMC毛利率差距缩小，财报没有说明具体毛利率增长的原因，但是从过去一段时间缺货造成大规模涨价有关系。 另一方面，部分先进工艺的量产应该也会对于毛利率提高产生了影响。

表17 SMIC 2021年年报 不同工艺节点收入占比

以技术节点分类本报告期上年同期FinFET/28 纳米15.10%9.20%40/45 纳米15%15.60%55/65 纳米29.20%30.50%90 纳米3.20%2.80%0.11/0.13 微米5.60%5.30%0.15/0.18 微米28.70%32.60%0.25/0.35 微米3.20%4%

从图7 和 表 17 对比看，SMIC工业节点与TSMC约有9年差，如果考虑SMIC作为追赶者，可以少走弯路，伙伴上助力，可能会加速，那么也得有5年差距。从增长率上出，55/65nm工艺增长最高，可以看出工艺逐渐成熟带来市场放量。0.18um工业也得到了快速增长，大概率来自于一些特殊高压工艺的稳定带来营收的放量。

表18 SMIC 2021年不同应用领域收入占比

应用分类本报告期上年同期智能手机32.20%44.40%智能家居12.80%17.10%消费电子23.50%18.20%其他31.50%20.30%

从SMIC收入来看，大消费占据整体营收的70%，这个主要得益于本土半导体厂商在消费市场份额已经占比很高，消费市场上，除了手机类核心处理器之外，大陆本土的自给率已经很高。我个人估测在其他市场还有一定比例是通信产品，那么真正在工业和汽车领域占比也就15%不到。侧面反映了了大陆的半导体公司在工业和汽车市场份额也是极低的。

2021 年，在先进工艺方面，多个衍生平台开发按计划进行，稳步导入客户，正在实现产品的 多样化目标。

同时，特色工艺技术研发成绩斐然。55 纳米 BCD 平台进入产品导入，55 纳米及 40 纳米高压 显示驱动平台进入风险量产，0.15 微米高压显示驱动进入批量生产。多种特色工艺平台研发也在 稳步进行中，将按照既定研发节奏陆续交付。

表19 SMIC主要工艺平台现状与进展

数据来源项目名称进展或阶段性成果拟达到目标具体应用前景21年财报FinFET衍生技术平台开发多个衍生平台开发按计划进行，稳步导入客户，正在实现产品的多样化目标在通用工艺平台基础上，开发系列衍生应用平台，进一步优化器件性能、提高集成度、满足多种应用需求。主要应用于智能家居和消费电子等。21年财报22纳米低功耗工艺平台器件电性基本匹配目标值，器件设计完成，开始工艺验证，并完成初版工艺冻结。完成平台开发，导入客户，并实现批量生产。主要应用于各类物联网产品，以满足智能手机、数字电视、机顶盒、图像处理器、可穿戴设备以及消费性电子产品等需求。21年财报28纳米射频工艺平台基于28HKC+平台，优化器件射频性能，提供各类射频器件，完成工艺冻结，并开始客户验证。完成平台开发，导入客户，并实现批量生产。主要应用于家用网络、路由器、WIFI、移动端设备通信等。21年财报28纳米高压显示驱动工艺平台基于28HKC+平台，已完成中压和高压器件开发。与40 纳米高压显示驱动工艺平台相比SRAM面积缩小，容量增大，为高端显示提供技术解决方案。完成平台包括全套低、中、高压器件，提供高容量SRAM，降低功耗，适应各种高端显示技术需求。主要应用于高端智能手机AMOLED 屏幕驱动22年半年报40纳米嵌入式存储工艺平台工艺平台可靠性通过汽车电子标准，并引入客户进行产品设计。完成平台开发，工艺及IP可靠性达到车规级标准，满足汽车电子产品需求主要应用于汽车电子领域，实现汽车电子智能化需求。22年半年报40 XNOR Flash 工艺平台试验产品良率达标，开始工艺验证，完成初版工艺冻结，并引入客户进行产品设计。完成平台开发，为客户提供技术更先进，存储单元尺寸更小，更具有竞争力的NOR Flash工艺平台，并实现批量生产主要应用于物联网、汽车等领域21年财报55纳米BCD工艺平台 (22年量产)完成55纳米BCD平台第一阶段中低压器件的性能开发和可靠性验证，器件性能达到业界领先水平，引入首批客户进行产品设计，预计2022年开始小批量试产完整平台包括中高压应用，同步电源管理芯片智能化的发展趋势，并逐步拓展到其它各种模拟类应用主要应用于高端智能手机音频芯片。22年半年报90纳米BCD工艺平台完成90纳米BCD平台第一阶段中低压器件的性能开发和可靠性验证，发布V1.0 版本工艺设计工具包，引入首批客户进行产品设计，预计2022年开始小批量试产。完整平台包括中高压应用，同步电源管理芯片智能化的发展趋势，并逐步拓展到其它各种模拟类应用。应用于智能化电源管理高端领域、音频放大器、智能电机驱动等。22年半年报0.11微米高压显示驱动工艺平台发布V1.0版本工艺设计工具包，引入首批客户进行产品设计，预计2022年开始小批量试产。完成平台包括全套低、中压器件，以适应相机取景器、虚拟现实（VR）需求，实现批量生产。主要应用于相机取景器和虚拟现实显示IC。

针对SMIC一个简单总结，

SMIC正在追赶TSMC的路上，但是路漫漫其修远，至少与SMIC还有5年以上差距。

SMIC突破28nm FINFET工艺，未来这部分营收应该会更快速的增长，22nm等先进工艺也在突破中。55/65nm是最主要出货的工艺节点，40nm占比不高，正在进一步突破嵌入式存储技术。同时高压特殊工业全面开花，为中国模拟半导体对于世界先进的IDM厂商追赶提供了保障，这个地方看点很多。

大消费仍然是主力军，在工业和汽车市场非先进工业市场，看是否可以借助高压特殊工艺形成突破。

2.4 华虹宏力（Huahong）

根据华虹宏力21年财报，针对总体经营状况，按照不同产品，应用，工艺节点，在研和量产工艺的分析。

表20 华虹宏力2021年运营情况

20212020增长率Revenue1,630,754,000961,279,00070%Gross Profit451,598,000234,793,00092%GP Rate28%24%13%Profit Before Tax296,320,00046,077,000543%R&D Cost86,068,000108,042,000-20%Total1,630,754,000961,279,00070%

表21 2021年华虹宏力 按照产品营收分析

20212020增长率增长驱动因素eNVM459,104,000334,663,00037%MCU产品Standalone NVM88,796,00011,711,000658%Discrete557,893,000353,019,00058%最大业务Logic&RF272,053,000124,952,000118%12寸CMOS CIS传感器产品Analog & Power250,466,000135,581,00085%12寸平台的量产Others2,442,0001,353,00080%Total1,630,754,000961,279,00070%

表22 2021年华虹宏力 按照工艺节点营收分析

20212020增长率增长驱动因素55nm&65nm157,854,0006,692,0002259%Standalone-NVM,CIS, 逻辑和RF产品90nm&95nm280,235,000100,315,000179%图像传感器，智能卡，MCU和电源管理产品0.11um&0.13um302,920,000229,965,00032%0.15um&0.18um164,260,000141,317,00016%0.25um22,926,00016,536,00039%>=0.35um702,559,000466,454,00051%最大的业务，主要是分立器件Total1,630,754,000961,279,00070%

表23 2021年华虹宏力 按照终端应用市场营收分析

20212020增长率增长驱动因素Consumer1,039,325,000594,087,00075%Standalone-NVM,CIS, 逻辑和RF产品Industrial & Automotive316,194,000203,890,00055%图像传感器，智能卡，MCU和电源管理产品Communication218,946,000127,413,00072%Computing56,289,00035,889,00057%Total1,630,754,000961,279,00070%

表24 华虹宏力2021年主要工艺节点信息

工艺节点地点主要特点终端市场40nm-elash-12寸（在研）低功耗，高性能MCU40nm RF （在研）无锡射频55nm-eflash-12寸MCU90nm-eflash-12寸智能卡，MCU90nm-BCD -12寸数字电源，数字功放90nm/110nm-CMOS 12寸低功耗，低漏电MCU, TYPE-C, 触摸屏控制器，智能表，汽车电子180nm- BCD – 8寸高压模拟电源IC, 电机控制180nm-BCD 600-700v 8寸超高压照明，工业，家电驱动器DMOS/SGT/SJ/IGBT 8寸到12寸升级大功率新能源，家电，通信，工业市场， USB-PD, OBC, 数据中心电源，OBC, 主逆变，太阳能和风能

主要工艺节点，12寸 90nm CMOS with E-FLASH 主要被用在智能卡和MCU的市场。MCU达到二位数增长。0.11um 和 90nm的低功耗超低漏电的CMOS工艺被广泛使用在MCU，TYPE-C和触摸屏控制器，智能表，汽车电子中。于此同时，55nm的E-FLASH的CMOS工艺开始量产。

2021年公司分立器件, IGBT被用在新能源，基础设施建设，家电，通信和工业市场。

DMOS/SGT小尺寸特性被用在快充手机，笔记本的USB-PD设备中。 新一代DTI的公司被用在数据中心电源和OBC设备中。新一代的IGBT工艺的被用在新能源汽车主逆变器，太阳能和风能设备中。公司DMOS/SGT/SJ/IGBT工艺开始从8寸升级到12寸线。

2021年，随着电源需求增加，华虹BCD工艺产品达到3位数增长，广泛使用中低压，高压和超高压产品中。在模拟电源IC，电机控制领域，8寸的0.18um的BCD工艺快速上量。 12寸的90nm的BCD工艺，被用在数字电源，数字功放产品上。600-700V的BCD工艺被用在照明，工业和家电驱动设备中。

2022年，华虹的将继续在扩展12寸无锡工厂。进一步研发用于RF的40nm的工艺，根据55nm的EFLASH量产经验，进一步研发40nm的E-FLASH工艺。40nm的eflash的性能和功耗特性将有利于为MCU市场提供竞争力。在PMIC领域上，90nm的12寸BCD工艺良率改善，随着越来越多的客户需求，PMIC将占据越来越高的比例。

针对华虹宏力一个简单总结，

在CMOS工艺上，从工艺节点收入数据看，华虹宏力与SMIC至少还得有3年差距。

华虹宏力在功率器件和模拟特殊工艺上，应该算是一个特色。

与SMIC类似，配合大陆本土半导体需求，大消费占据非常高的比例。

CMOS工艺上，90nm和110/130nm是主要出量的工艺节点。

3. 总结与展望2021年全球芯片销售5559亿美金，这些营收主要有Fabless和IDM销售收入构成，Fabless公司销售收入中，成本部分就是晶圆代工厂和封测厂的收入，晶圆代工厂总共营收占1106亿美金，也就是整个半导体收入中，晶圆代工厂占据20%。其它80%则是fabless公司的毛利润，IDM销售额以及封测厂的销售额。作为最赚钱的制造业，TSMC的毛利率超过50%。晶圆制造工厂大部分分布中国台湾，中国大陆，韩国。Global Foundries算是硕果仅存的总部和主要晶圆厂在欧美的大厂。这也反映了晶圆制造实际上也是一个苦差，需要将运营做好才能产生效益，而Global Foundries也是持续亏损。但是也不能说在欧没有晶圆工厂，大量IDM厂商，如TI, ST, ADI, Infineon和NXP的工厂广泛分布在欧美。所以中美博弈中，美国要TSMC，三星去美国建厂，还是在先进工艺方面，因为大部分IDM基本已经不再投28nm的先进工艺了，都是老老实实的选择代工，因为投入实在太大了。中国大陆的代工也逐渐在全球半导体代工市场占据一席之地，与国产半导体可以做到相互加持。但是国产半导体和国内FAB也不能把自己圈到一个小圈子，还是要保持一定比例对外合作，合作和竞争才能够形成良性的竞争力。写在最后：作为半导体从业者，对于半导体工艺，晶圆厂，封测厂，半导体加工设备都星星点点的有些了解，但是始终没有完整做分析。作为半导体老人，产品Marketing的新人，经过两个周末的学习，将五个典型的晶圆代工厂的财报信息进行了解读。后面希望能坚持将IDM篇，工艺篇，封测篇，设备篇坚持写下来，补齐半导体知识。

4. 参考文献：

2021年 TSMC 财报 美股

2021年 UMC财报 美股

2021年和2022年 SMIC半年报 中国科创板

2021年 Global Foundries 财报 美股

2021年华虹宏力财报 中国港股

发布于 2022-09-17 19:59

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