文｜美股研究社
去年，我一直在詳細(xì)介紹臺積電（紐約證券交易所代碼：TSM）的絕唱（最初的跡象可以追溯到更遠(yuǎn)），因為臺積電在遵循摩爾定律方面的進(jìn)展似乎與英特爾（納斯達(dá)克股票代碼：INTC ）類似) 回到 10nm。
在我看來，隨著最新信息的披露，臺積電在 10nm 工藝上將經(jīng)歷與英特爾類似的五年“黑暗時代”，現(xiàn)在有很多危險信號，臺積電的制程領(lǐng)導(dǎo)地位現(xiàn)在已經(jīng)完全站不住腳。
這在不久前是完全不可想象的，證明臺積電的技術(shù)地位正在迅速惡化。投資者應(yīng)該意識到，臺積電很快將不再是他們可能仍然認(rèn)為自己正在投資的行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者。到那時，只有慣性——以及競爭對手快速建立新晶圓廠的能力——才能讓臺積電繼續(xù)前進(jìn)。盡管如此，我預(yù)計客戶很快就會對臺積電缺乏進(jìn)展感到不滿，這使英特爾成為無可爭議的受益者。
臺積電的低預(yù)期
摩爾定律指出，芯片上的晶體管數(shù)量應(yīng)每兩年翻一番，半個多世紀(jì)以來，它一直是衡量半導(dǎo)體進(jìn)步的金蠟燭。由于芯片尺寸大致保持不變，這實際上意味著晶體管密度（即針對相同面積歸一化的晶體管數(shù)量）應(yīng)該每兩年翻一番。
在這方面已經(jīng)普及的度量標(biāo)準(zhǔn)是 MTr/mm2（每平方毫米數(shù)百萬個晶體管），為方便起見，將進(jìn)一步縮寫為簡單的 MT。比如Intel的10nm（改名為Intel 7）的密度是100MTr/mm2，或者干脆是100MT。
1、N5差于預(yù)期
雖然 N5 作為臺積電在 2018 年從英特爾手中奪取制程領(lǐng)先地位的 N7 的繼任者，在 2020 年推出的蘋果（ AAPL ）A14中延續(xù)了臺積電的領(lǐng)導(dǎo)地位，但迄今為止，臺積電對實際工藝規(guī)格仍然非常模糊，此外說 N5 與 N7 相比縮小了 1.8 倍（略低于 2 倍基準(zhǔn)，但符合臺積電每個節(jié)點的平均縮?。＿@讓很多人得出結(jié)論，N5 的邏輯密度達(dá)到了 171MT 甚至更高，遠(yuǎn)超 Intel 最先進(jìn)的 10nm/7 工藝的 100MT。
然而，Angstronomics基于實際測量的新分析表明，情況并非如此。雖然在 2020 年蘋果公司報告 A14 的晶體管數(shù)量時，N5 沒有實現(xiàn)預(yù)期縮小的第一個暗示已經(jīng)浮出水面，但實際的晶體管測量提供了確鑿的證據(jù)，即 N5 實際上只實現(xiàn)了 1.52 倍的縮小。
對于投資者來說，這應(yīng)該是一個危險信號。
2、N3也比預(yù)期差
正如投資者所知，積累財富的關(guān)鍵是復(fù)合回報。然而，反過來也是正確的：以較低的復(fù)合年增長率進(jìn)行復(fù)利將顯著降低累積長期回報。
因此，鑒于 N5 帶來的收縮低于預(yù)期，這會流向 N3，因此也提供低于預(yù)期的密度。例如，幾年前曾預(yù)計 N3 將提供約 300 公噸的密度。然而，上述信息得出的新（初步）密度估計僅為 215 公噸。
雖然較低的密度肯定會降低節(jié)點的絕對競爭力，但最終重要的是相對競爭力，例如英特爾此后也推遲了其 7nm 節(jié)點（更名為英特爾 4）。
在這方面，最近英特爾在一次會議上透露了相當(dāng)多的信息。最令人驚訝的是，英特爾 4 基本上已淪為一個權(quán)宜之計節(jié)點，只有一個高性能邏輯庫。作為比較，以前的節(jié)點具有三個庫以及更多功能，例如 I/O 和模擬。
因此，盡管 Intel 4 提供了 2 倍的擴(kuò)展（因為 CPU 大量使用高性能庫），但節(jié)點的理論最大密度（本文的主題）僅為 123MT。因此，直到 2024 年初的 Intel 3，Intel 才會再次實現(xiàn)密度的重大飛躍。根據(jù)我的分析，2-1 庫（數(shù)字代表每個 PMOS 和 NMOS 晶體管的鰭片數(shù)量）應(yīng)該提供大約 200MT 的密度，而 1-1 庫可以提供超過 230MT 的密度，超過 TSMC 的 N3。雖然 TMSC 正在開發(fā)更高密度的 N3S 節(jié)點，但它的精確時間尚不清楚。
為了完整起見，請注意，目前這只是猜測，因為英特爾甚至還沒有正式確認(rèn)英特爾 3 將有一個高清庫，只是說它將有一個“更高密度的惠普庫”。盡管如此，英特爾的每個 FinFET 節(jié)點（從 22nm 開始）都有一個高清庫，如果英特爾 3 沒有一個高清庫，這將是令人驚訝的，特別是因為英特爾 3 也是針對英特爾代工服務(wù)客戶的。
另外，我對2-1或1-1 fin庫的猜測是在臺積電宣布自己的N3 2-1庫之前做出的，而N3S很可能是1-1庫；這驗證了 2-1 庫是合理的?？傊?，2-1 庫將使英特爾在鰭片數(shù)量和整體晶體管密度方面基本上與臺積電相當(dāng)（英特爾 3 大約為 200 噸，而 N3 大約為 215 噸）。盡管英特爾在上市時間方面會晚一年。
我在 2020 年的初步分析表明，英特爾 4（當(dāng)時稱為 7nm）在晶體管密度方面將落在 N5 和 N3 之間。但是，根據(jù)目前的信息，僅考慮 HP（高性能）庫時，Intel 4 實際上似乎比 N5 更接近 N3，而由于缺少 HD（高密度）庫，Intel 4 在最大密度方面明顯落后。因此，直到英特爾 3，即英特爾 4（和 N3）一年后，英特爾才會推出新的高清庫。不過，與 HP 庫的情況類似，Intel 3 HD 庫實際上應(yīng)該與 N3 差不多。
3、N2 也比預(yù)期的差
英特爾 3 不僅比之前預(yù)期的更接近臺積電 N3，而且 N2 也一直在違背預(yù)期的下行空間。如前所述，N2 的時間安排使該節(jié)點比 N3 的節(jié)奏慢了 3 年，而 N3 本身已經(jīng)處于相對緩慢的 2.5 年節(jié)奏，同時也帶來了約 1.55 倍的平庸收縮。
但血腥屠殺仍在繼續(xù)。臺積電最近在其技術(shù)研討會上提供了更多關(guān)于 N2 的信息，而且非常糟糕。臺積電表示，預(yù)計 N2 將帶來“1.1 倍”的縮小。這個數(shù)字是基于 50% 邏輯、30% SRAM 和 20% 模擬的芯片組成。即使假設(shè) SRAM 和模擬根本不縮小，那么邏輯縮放比例應(yīng)該在 20-30% 左右（除非 TSMC 出于某種原因顯著降低了 >1.1 倍的數(shù)字）。
最終，這意味著在 2026 年 N2 投放市場時，臺積電將提供人們直到最近才真正期待 2023 年 N3 的晶體管密度。
擴(kuò)展趨勢與英特爾
如果以上聽起來臺積電不會有競爭力而失去領(lǐng)導(dǎo)地位，這似乎是正確的。雖然如上所述還沒有官方確認(rèn)，但 Bob Swan 在 2019 年底曾表示 7nm（英特爾 4/3）和 5nm（20A/18A）都將實現(xiàn) 2 倍的縮小。
從那以后，英特爾進(jìn)一步表示，它可以在超過 20A/18A 的節(jié)點上實現(xiàn) 40-100% 的密度進(jìn)一步增加。從表面上看，這意味著到 2025 年初，英特爾可能會提供 400 噸的晶體管密度，到 2026 年將達(dá)到 800 噸。從上面的討論中，N2 幾乎完全沒有規(guī)?；馕吨_積電在 2026 年甚至可能很難達(dá)到 300 噸。
這意味著，在最壞的情況下，到 2026 年，英特爾的晶體管密度可能是臺積電的 3 倍。這將是一個令人震驚且非常迅速的消亡。
總體而言，從 N5 到 N3 再到 N2（時間是從 Q3'20 到 Q2'26），臺積電將在 6 年內(nèi)實現(xiàn)約 2 倍的擴(kuò)展，復(fù)合年增長率為 13%。相比之下，從英特爾 4 到 3 到 20A 到 18A 到 14A（時間是從 23 年第二季度到 26 年第四季度），英特爾將在 3.5 年內(nèi)實現(xiàn)約 6.5 倍的擴(kuò)展。
需要明確的是，對于臺積電來說，直到 N3 的數(shù)字基本得到確認(rèn)，而根據(jù)臺積電本身的說法，所討論的 N2 僅代表輕微的收縮（>1.1x”）。對于英特爾來說，直到英特爾 4 的數(shù)字得到確認(rèn)，而英特爾 3 假定英特爾 7 縮小了 2 倍，英特爾 18A 假定英特爾 3 縮小了 2 倍。此信息來自 Bob Swan 在 2019 年談到“7nm”和“5nm”時“縮小。顯然，其中一些目標(biāo)可能在過去三年中發(fā)生了變化。
最后，2026 年的 14A 節(jié)點假設(shè)再縮小 2 倍。這個節(jié)點也有一些假設(shè)，盡管總體假設(shè)是英特爾將簡單地以繼續(xù)遵循摩爾定律為目標(biāo)。例如，2021 年 10 月 Pat Gelsinger 表示，結(jié)合英特爾的 3D 封裝，他預(yù)計未來十年英特爾的發(fā)展速度將超過摩爾定律。特別是，假設(shè)該節(jié)點引入了英特爾在 2021 年 12 月披露的“CFET”晶體管架構(gòu)，并評論說這可以實現(xiàn) 30-50% 的縮小。雖然此處假設(shè)的 50% 縮?。? 倍密度）處于該范圍的高端，但即使 14A 實現(xiàn)了 0% 的縮小，英特爾仍將保持其領(lǐng)先地位。
英特爾為自己設(shè)定的目標(biāo)是繼續(xù)摩爾定律，每個節(jié)點（每兩年）將晶體管密度提高 2 倍。為了重新奪回制程領(lǐng)先地位，英特爾正在通過將節(jié)奏加速至 20A（這兩個節(jié)點之間僅相差 18 個月左右）來彌補英特爾 4 的延遲。
另一方面，臺積電在 N5（~1.5 倍）開始顯著減緩其密度擴(kuò)展并在 N2（估計為~1.25 倍）接近停滯，同時在 N3 和 3 也顯著放緩至 2.5年才能達(dá)到 N2。
風(fēng)險及注意事項
正如英特爾披露的英特爾 4 所表明的那樣，主要困難在于工藝技術(shù)和實際芯片通常由幾個不同的“單元庫”組成，每個單元庫在性能、功率和面積 (PPA) 方面都有不同的權(quán)衡。
首先，這意味著本文的討論有點學(xué)術(shù)性。例如，英特爾（在大多數(shù)情況下）一開始甚至沒有為其 CPU 使用 100MT HD 庫，因為 CPU 旨在達(dá)到盡可能高的時鐘速度（性能）。盡管如此，正如上面引用的 Angstronomics 文章所示，理論和實際實現(xiàn)的晶體管密度之間仍然存在很強的相關(guān)性。舉個假設(shè)的例子，如果 Intel 3 和 TSMC N3 的密度都在 210MT 左右，那么在這兩種工藝上制造的 Apple SoC 應(yīng)該會產(chǎn)生大致相同的芯片尺寸。
其次，更重要的是，不同的庫可能會在節(jié)點之間實現(xiàn)不同的收縮。在這種情況下，雖然英特爾已經(jīng)詳細(xì)說明了英特爾 4 HP 庫是如何實現(xiàn) 2 倍縮小的，但還不能肯定地說這將如何轉(zhuǎn)化為英特爾 3 的高清庫。事實上，英特爾 4 節(jié)點并沒有甚至一開始就有一個高清庫。這種實踐上的變化也為 20A 和 18A 引入了一些問號。雖然，由于 18A 的引入，與英特爾 3 的一整年相比，該節(jié)點將比 20A 落后大約半年（與英特爾 4 相比）。
因此，英特爾在 2024 年和 2026 年可能達(dá)到 400MT 和 800MT 的密度的推斷并不確定，因此可能需要修改（如果當(dāng)年沒有高清庫可用）。盡管如此，由于臺積電提供的信息暗示它將在 2023 年達(dá)到 215 噸，在 2026 年達(dá)到 270 噸左右，因此英特爾重新獲得晶體管密度領(lǐng)先地位的安全邊際似乎非常大，即使英特爾的密度低于目前的預(yù)期。
最后一個風(fēng)險是更多的心理風(fēng)險?；氐?14nm 左右，英特爾不斷對其晶體管密度的領(lǐng)先地位大肆宣傳。相比之下，目前英特爾管理層仍然對重新獲得晶體管密度領(lǐng)先地位一無所獲。英特爾唯一聲稱的是，到 2025 年它將重新獲得每瓦工藝性能的領(lǐng)先地位。人們會假設(shè)英特爾管理層會在屋頂上尖叫（就像它最初在 14/10nm 所做的那樣），如果它真的能獲得材料優(yōu)勢超過臺積電（如本文所述）。如前所述，英特爾根本沒有談?wù)摼w管密度這一事實可能會導(dǎo)致一些謹(jǐn)慎。
如上所述，假設(shè)英特爾即將推出的所有產(chǎn)品都縮水 2 倍的驗證來自前首席執(zhí)行官 Bob Swan 在 2019 年的評論，以及 Pat Gelsinger 的聲明，即未來十年它將遵循摩爾定律。如前所述，臺積電落后的一個原因可能是在開發(fā)環(huán)柵晶體管方面遇到了麻煩。
投資者建議
我目前認(rèn)為臺積電的制程領(lǐng)導(dǎo)地位正在崩潰，比任何人（包括我自己）之前預(yù)期的都要嚴(yán)重。
首先，實際測量證實 N5 的密度至少比之前在技術(shù)出版物中報道的密度低 20%（~1.25 倍）。其次，由于復(fù)合定律，這意味著 N3 的密度也低于之前的預(yù)期。這反過來意味著英特爾 3 可能幾乎與 N3 相匹敵。第三，雖然英特爾將在 6 個月和 12 個月內(nèi)分別以 20A 和 18A 跟進(jìn)英特爾 3，但臺積電已將 N2 置于 36 個月的長周期中。此外，臺積電的最新披露表明，邏輯晶體管密度將增加不到 30%。
從這個意義上說，英特爾的追趕將類似于臺積電最初是如何獲得其工藝領(lǐng)導(dǎo)地位的：只需（幾乎）遵循摩爾定律，而其他公司則面臨著大大減緩它們的問題。
這最終意味著臺積電將以難以置信的速度和驚人的數(shù)量失去其密度領(lǐng)導(dǎo)地位。英特爾將在 2024 年初憑借英特爾 3 幾乎趕上 N3，在明年以 20A/18A 實現(xiàn)近 2 倍的領(lǐng)先地位，然后到 2026 年底將其領(lǐng)先地位進(jìn)一步提升至 3 倍。