芯东西（公众号：aichip001）
作者 | 温淑
编辑 | 心缘
芯东西4月20日消息，2021年第一季度，5nm芯片手机市场激战正酣，vivo、OPPO、小米等玩家连连发新。与此同时，许多芯片设计、制造玩家，已经将目光瞄准更加前沿的4nm市场。
4月19日，中国台湾经济日报报道称，联发科或抢跑一众厂商，成为台积电4nm制程产能的第一家客户。而就在据此前不到两周的4月7日，业界盛传有资格首次“尝鲜”台积电4nm制程的，还是苹果。
5nm落地仅几个月，4nm作为5nm的增强版本，到底能带来怎样的提升，让苹果联发科等大厂“抢破头”？
据此前台积电公布相关信息，尽管难以实现像3nm“相同功耗下性能（相比5nm）提升10～15%”的进步，但其最新量产时间为2021年Q4，相比3nm提早了约整一年，恰好满足3nm量产之前，智能手机芯片、显卡、各类专用芯片对性能与功耗的极致追求。
那么，在这场先进芯片性能追击战中，有谁已入局？从芯片制造、设计、到最终商用的各个环节中，又有谁已蓄势待发？芯东西挖掘全球4nm制程的相关信息，以便回答这些问题。
一、4nm芯片制造市场：台积电提前量产，三星直接跳过？
当芯片集成的晶体管直径逼近7nm及更小尺寸，这场目标为先进制程生产能力的赛场上，就只剩下台积电和三星两个选手，4nm制程赛道上也不例外。同时，两大晶圆代工领军企业针对4nm的布局，均曾经历变动。
在2020年8月25日举办的“台积电第26届技术研讨会”上，台积电公布其最新工艺路线图，计划在2022年量产4nm工艺（5nm N4工艺）。
但在今年3月初，业界有消息传出，台积电4nm工艺量产时间有望提前至2021年第四季度。
技术指标方面，台积电4nm工艺作为5nm工艺（5nm N5工艺）的改进版，相比后者在速度、功耗、密度上有所提升，但提升幅度低于3nm工艺。
据台积电工艺路线图，3nm相比5nm，相同功耗下性能可提升10～15%，相同性能下功耗可降低25～30%。
同时，4nm与5nm有100%的IP相容性，能够沿用5nm工艺既有的设计基础架构、加速产品创新。
▲台积电第26届技术研讨会上公布的工艺路线图
整理三星在2018年“晶圆代工论坛”上释放的信息，可发现对4nm工艺的相关论述。论坛上，三星高管规划称，将在2019年推出5/4nm FinFET EUV工艺。但在2019年，三星4nm工艺并未如约现身。
2020年7月2日，中国台湾媒体DigiTimes援引业内人士消息称，三星修改了晶圆代工工艺路线图，将从5nm直接跳至3nm的研发。目前三星并未回应这一说法。
不过，三星在2020年7月30日发布第二季度财报时表示“正在开发4nm工艺”。
▲三星在2018年“晶圆代工论坛”上公布的工艺路线图
二、4nm芯片设计市场：传苹果/高通/联发科青睐台积电，联发科或抢先？
盘点先进制程芯片设计市场，通常来说，苹果、三星、高通、联发科等智能手机芯片设计商，将领先其他场景中的芯片设计玩家发布新品，想来针对4nm制程也不例外。
不过，相比5nm芯片商用时间线不同的是，这次联发科有望成为台积电4nm制程产能的第一位客户。此外，由于美国出台的相关禁令，华为海思或许不得不从4nm制程“争霸赛”中退场。
回顾5nm芯片商用进程，苹果、三星、高通5nm芯片均已落地，联发科5nm芯片尚未面世，此前有报道称或将在2021年底推出。
按照惯例，苹果采用高端制程的新款自研芯片产品会在iPhone上首发，但针对4nm情况可能有所不同。
据DigiTimes援引知情人士消息报道，苹果4nm芯片将首先搭载于MacBook和iMac产品。目前，还没有关于4nm芯片版本MacBook及iMac亮相时间的更多消息。
除去上面提及的联发科和苹果，高通亦看好台积电的4nm制程工艺。
DigiTimes报道称，高通或将在2022年，将新一代5G移动芯片代工大单转移至台积电4nm产线。此前，高通2020年发布的5nm骁龙888是由三星独家代工。
三、从智能手机SoC到矿机芯片，终端商用市场或将竞逐4nm
除去上述手机芯片设计玩家，在显卡、矿机等多种专用芯片市场中，4nm等先进制程产能同样抢手。
对比5nm芯片市场，矿机芯片玩家比特大陆、嘉楠等曾被报道为台积电的首批5nm客户，同时业界亦传出GPU龙头NVIDIA的下代产品“Hopper”一代或将由台积电5nm代工。
可以想见，当4nm产能满足消费电子需求后，亦有望向矿机芯片等专用芯片市场转移。
在市场需求旺盛的另一面，4nm制程工艺还面临着制造成本高的问题。
台湾经济日报报道称，采用4nm制程技术的联发科5G新旗舰芯片产品单价将拉高到80美元（约522.01元人民币）以上，远高于现行平均单价30至35美元。
未来，如何平衡4nm芯片制造成本及芯片各项性能指标，将是芯片设计玩家、芯片制造玩家面临的共同课题。
结语：2022年，4nm芯片市场或迎来爆发
细数全球有能力实现4nm量产的芯片制造玩家，仅有台积电与三星两家。目前，三星的4nm相关进展尚不明确。假设台积电能够如约在2021年底实现4nm量产，可以想象，台积电的4nm产能将成为各大厂商争夺的关键资源。
芯片设计方面，近期，市场上已流传有关于苹果、高通、联发科4nm芯片的相关消息。或许在2022款发布的各款新机中，我们将能看到4nm芯片的“身影”。
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国际贸易摩擦叠加突发的疫情，全球半导体产业链失序，“芯荒”危机蔓延多行业。
当“芯”片缺口释放，产业链上下游也开始寻找新的成长周期：有企业豪掷数百亿扩建扩产，有企业重新走上自研芯片的险路，有企业顺势拆分芯片业务冲刺IPO。
所有的芯片问题，最终都绕不过制造环节，这让全球晶圆代工龙头台积电拥有了甜蜜的烦恼：随着订单需求急剧暴涨，一方面公司多季度营收净利双丰收；另一方面，产能吃紧的境况下，公司陷入竞争对手干扰的焦虑。
4月15日，台积电发布的2021财年Q1财报显示，其季度营收129.19亿美元，同比增长16.7%，净利润49.81亿美元，同比增长19.4%。
“我们认为，芯片需求将持续高涨，短缺状况将持续今年全年，并可能延长至2022年。”台积电CEO魏哲家在电话会议上表示。
台积电CEO魏哲家
然而，尽管实现了超预期的业绩增长，二级市场似乎不买单。4月15日美股开盘，台积电股价小幅下滑3%，总市值6289.15亿美元。
同花顺数据显示，今年开年来，台积电股价走势较为波动，最高报141.8美元，最低107.9美元，振幅达31.24%。
回顾过去一年，台积电既经历了断供华为的两难抉择，又在全球芯片短缺的浪潮中成为科技巨头们的竞争标的。台积电迈出的每一步，传递着全球半导体产业链风云诡谲的信号。
芯片短缺，产能失序
2020年底以来，芯片短缺导致车企停产的危机蔓延至消费电子全行业，芯片代工厂订单爆满。
台积电占据全球先进制程晶圆代工一半以上市场份额，过去一年业绩大爆发。
2020年全年，台积电总营收达到1.33万亿新台币（约合467.5亿美元），同比增长25.2%，刷新历史新高。在第四季度，受益于5G手机和高性能计算，其季度营收突破126.76亿美元，同比增长22%；净利润50.08亿美元，同比增长23%。
从工艺收入结构上看，台积电第四季度晶圆销售金额中，5nm制程出货占20%，7nm制程出货占29%，16nm占13%，这三大先进制程营收达到全季晶圆销售金额的62%。
分季度看，7nm制程在多个季度的营收构成上占比最高。据台积电财报，2020第三季度其营收为121.4亿美元，5nm工艺贡献8%即9.7亿美元，而在第四季度，5nm贡献了25.35亿美元，环比增长161.3%。
这不仅意味着下游客户对台积电先进工艺的需求之强烈，也反映芯片产业上下游的迭代周期已经打开。
2021年开年来，芯片产能紧张形势严峻，台积电在2021年第一季度实现了3624.1亿新台币（约合127亿美元），同比增长16.7%；净利润1396.9亿新台币（约合50亿美元），同比增长19.4%；毛利润为1898.39亿新台币，同比增长18.1%。
从工艺营收构成来看，7nm制程占2021年第一季度营收的35%；5nm制程占14%，16nm占14%，三大先进制程营收达到晶圆总销售额的63%。对比上一季度，先进制式晶圆依然是台积电获得持续稳定的现金流的关键。
从平台营收构成变化上来看，2020全年，除了汽车外的手机、HPC为主要终端需求的业务均实现了正增长。这一年，台积电的营收构成也基本遵循以手机、HPC和loT为主导的增长逻辑。
而在2021年第一季度，伴随着市场客户需求变化，台积电不同业务的产能出现了明显调整。据财报数据，台积电手机芯片产能收入出现了-11%下降，汽车芯片产能收入则出现了31%增长。
台积电称，其汽车行业客户的芯片短缺问题，将在下个季度开始缓解。而真正令市场担心的是，手机等业务的“缺芯”趋势也在酝酿中。
面对上下游产业链的失序，这个全球芯片代工巨头变成了炙手可热的竞争标的，这也带来了更多营收想象空间。
台积电预计，今年第二季度销售额将达132亿美元，高于分析师平均预期的128亿美元。按美元计算，今年全年营收可能增长20%。分析师预计，驱动增长的因素主要来自于车用芯片、服务器高速运算芯片的订单增加，而表现比较弱的是消费性电子类的芯片。
随着芯片供需矛盾严峻，上下游产业链上的任何风吹草动都会引发广泛关注。
4月14日，台积电南科晶圆14B-P7厂停电不到5个小时，有3万片晶圆受影响，损失金额或达10亿新台币（约2.3亿人民币）。分析认为，由于涉及时下货量紧张的车用电子芯片产能，这将导致其全球客户新车交付延后。
去年以来，台积电工厂多次发生意外，如德州的暴风雪和日本晶圆厂生产中断。由于芯片行业周期性，加上半导体生产商的产线本身具有24小时连轴转的特性，每一次生产意外都加剧业内的担忧。
断供华为，苹果“补位”
据2019年财报，苹果为台积电贡献了23%的营收。而华为贡献的营收占比从8%提升至14%，仅次于苹果。
去年9月15日美方禁令生效断供华为以来，市场预计台积电营收或会大幅缩水。而事实上，在相应的Q4财季，这样的推断并未出现。
从消息面来看，市场传闻称在美方禁令生效前，为扩大芯片备货，华为向台积电紧急加单，后者曾为其备货5nm工艺的麒麟9000芯片1000万颗左右。
尽管传闻并未得到双方的明确表态，但台积电在相应的第三季度净利1373亿元新台币（约合48亿美元），同比增长36%，创下了单季净利的最高纪录。
具体营收构成来看，该季度台积电手机业务营收占比达到46%，接近全年48%的水平。
华为留下的产能空缺，要怎么填补？台积电在去年6月曾回应，如果美国禁止公司向华为销售芯片，其他订单可以很快取代华为空缺。
“我们希望（禁止公司向华为销售芯片）不要发生。如果发生，我们会在很短时间补上。”在年度股东会上，台积电董事长刘德音表示。
去年7月份，有市场消息称，苹果要求台积电出货8000万颗iPhone 12及iPad Air搭载的A14处理器，这被业内人士视为台积电失去华为后依旧保持业绩涨势的指引之一。
从苹果2020年下半年密集发布上市新品的节奏来看，上述推断不无依据。下半年时间里，苹果共召开了三次产品发布会，带来了十余款新产品。其中第一款使用A14芯片的产品是第4代iPad Air与第一批支持5G的手机iPhone12系列。
除了苹果，失去华为的台积电也有了更多“补位”替代。近日，台积电表示，其订单已经预订到了2022年上半年。
更早些时候，市场曾三次传出台积电涨价消息，包括12英寸晶圆的价格涨25%，2021年彻底取消对客户的优惠价等。
台积电CFO黄仁昭在电话会议上表示，继今年前三个月支出88亿美元后，台积电预计今年将投资约300亿美元，用于产能扩张和升级，高于之前预期的250亿美元至280亿美元。黄仁昭同时指出，预计未来三年内还将投资1000亿美元，以提高产能，支持半导体技术的制造和研发。
这也让新建工厂成为了重中之重。
近日，刘德音在参加美国半导体高峰视频会议时也表示，在亚利桑那州凤凰城即将兴建的5nm先进晶圆厂计划，是美国历史上最大的海外直接投资案之一。
不过，台积电也将面临一些新挑战：美国政府扶持政策密集出台，促使美国本土半导体企业加快重整半导体供应链。
上个月底，英特尔新任CEO帕特·基辛格宣布，计划斥资200亿美元（约合人民币1300亿元）在美国新建两座晶圆厂，大幅提高先进芯片制造能力，同时向外部客户开放晶圆代工业务。
对此，魏哲家在电话强调，英特尔也是台积电重要客户，彼此在部分领域合作、部分领域竞争。“在纯晶圆代工领域上，提升先进制程技术固然重要，但让客户充分信任更是关键。台积电从来不会与客户竞争，这应该是与英特尔最大不同。”
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