後摩爾定律時代,台積電立體封裝創造絕對領先優勢(下)

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我們在上一篇文章中,討論了立體封裝在半導體技術推進的重要性,並明白了未來半導體的技術發展,必須跳脫奈米製程節點的陳述

而且在這樣的發展趨勢下,半導體必須走向垂直整合。而台積電將扮演關鍵要角,提供客戶從前端設計到後端封裝的一站式服務,並大幅拉開與競爭對手的技術差距。

但當市場討論到先進製程與先進封裝時,最大的擔憂都是「因開發成本高昂,採用的客戶可能會不多」。

這篇文章我們將就成本效率市場需求的角度,來告訴你們為什麼 FinSight 對於這件事一點也不擔心。

先進封裝很貴,誰要買單?

報載研調機構 IBS 預估,16nm 製程開發費用達到 1 億美元、10nm 為 1.74 億美元、7nm 衝上 3 億美元、5nm 要價 4.36 億美元、3 奈米更飆到 6.5 億美元。

能夠投入先進製程的廠商越來越少,因此市場一直很擔心需求的問題。

但正因為先進製程很貴,所以先進封裝反而協助客戶降低成本

按照 AMD 在 ISSCC 2020 上的說法:在某些情況下,採用 Chiplet(小晶片)系統級封裝技術可以將處理器製造成本降低一半以上。

Chiplet 是從設計端將大尺寸的多核心設計分散到個別微小裸晶片,再用立體堆疊的方式,以封裝技術做成一顆晶片。不僅各晶片可以選取最適當的製程、不需全數採用最先進製程,且當晶片尺寸變小時也有助晶片良率提升。

因此在採用先進製程時,同步使用先進封裝,反而可以降低整體成本。台積電 7nm 以下客戶即有一半採用台積電的先進封裝。

但先進製程的晶片的確還是越來越貴,所以最關鍵的重點還是「終端需求」到底在哪?

資料中心建置是最大助力:2C 買不起的,2B 幫你買!

過去幾年產業趨勢出現很大的變化。尤其「外包」產業的興起,改變了很多生活習慣與產業競合。

舉例來說:

  • Netflix 帶起的串流影音趨勢,讓人們不需要再去買租借實體 DVD,而是藉由線上方式取得相關服務。原本需要租借的 DVD,換成廠商的資料中心,用來存放相關影片內容並提供服務。
  • AWS 開啟的公有雲服務,讓消費者可以不用購買這麼多實體電腦,而是藉由網路訂閱的方式,取得電腦的相關服務。同時,公有雲廠商也會藉由持續投資各種服務,讓消費者可以藉由較低的訂閱成本,取代原本高昂的晶片建置費用。
  • 2B SaaS 則是協助企業將IT、人力資源、財務、製造、採購…等業務的外包。有了外包的助力,無論是企業的創建或是新產品線的打造,都比以往更加便捷。
  • 台積電也是在半導體供應鏈中的晶圓代工外包,使許多 IC 設計廠商不需要自建晶圓廠,也可以發展自研晶片。而昂貴的先進製程投資、先進封裝研發,就由台積電持續去研發與演進,再藉由開放平台提供給客戶。

外包的業務盛行,創造了很多「新龍頭」。

包含:網路時代的科技巨頭、雲端服務的 SaaS…等。而新龍頭的產生,就促使了對半導體先進製程晶片需求,從消費者端 (2C) 移轉到企業端 (2B)

從我們追蹤的資料中心 CapEx 數據就可以知道,美國四大公有雲廠商的資本支出仍穩健增加,預估 2020 年成長 19.6% 至 825.7 億美金、2021 年將再成長 6.6% 至 880億美元。

圖一、主要雲端廠商資本支出數據

此外,AI 演算法創造的數據需求成長高於目前硬體升級幅度。因此未來高速運算晶片 (HPC) 為了要提升硬體效能而來採用先進封裝整合的機會較高

加上 NVIDIA 近期法說會,都有強調資料中心業務的「質變」:

  1. 從公有雲為主,到公有雲與產業占比各半。
  2. AI 從訓練為主,到端點推理佔比提升。

可以看到,資料中心的需求是越來越廣泛。從傳統的公有雲到端點的企業與電信端,運算需求正不斷往端點釋放。

在這種情況下,如何降低資料中心的建置成本降低營運費用中佔比最高的電費,就是這些需要建置資料中心廠商得處理的痛點。

高速運算晶片的課題,如何提高效能並降低耗能。

台達電曾經表示,以機房至少15年壽命來看,將會有 75% 的營運支出用在電費上,為當初投資成本的 3~5 倍。

所以如何節省電費,就是各個資料中心規劃時要考量的核心問題。

大型資料中心建置之前就需要有完善的規劃,除了考量電源、電力分配、冷卻系統及空間使用,以配合能源管理系統確實監控資料中心每階段的營運狀況。若可大幅降低高速運算晶片的耗能,也可為資料中心業者節省營運成本

而上篇文章有講到,先進製程與先進封裝的技術推進,就是為了在提高運算力的同時,節省能源消耗以提高效率。

因此,用於資料中心的高速運算晶片,多採用台積電先進製程與立體封裝的原因也就來自於此:

  • 台積電為 AMD 代工的 7nm 第二代 EPYC (Server CPU),運算效能是上代 14nm 的 2 倍以上,但功耗卻反而大幅降低 50%。
  • 台積電為 NVIDIA 代工的 7nm A100 (資料中心超級電腦),因運算效能大幅提升,伺服器建置成本與前代產品相較僅 1/10,耗電量大幅降低到 1/20,同時大幅縮小機櫃的使用空間。
    CEO 黃仁勳在發布產品的同時,不斷強調「買越多省越多」。(相關文章

所以雖然採用先進製程的晶片越來越貴,但只要運算效能與功耗越來越好,對資料中心廠商而言,反而是 CP 值更高的選擇。(就像花錢買了省電冷氣,後續電費反而幫你省更多)

今年半導體論壇上,台積電董事長劉德音回顧台積電 7nm 製程協助了聯發科、AMD、 NVIDIA、Xilinx…等客戶在晶片效能上有所提升,並改善了功耗表現。他表示:「降低功耗的重要性,如今已不下於運算效能上的提升。

再從主要幾家晶片廠商的營收來看,資料中心不僅是如今主要成長的產品線、年成長性約有 30%、營收佔比達 30% 以上,而且毛利均優於其他產品線約 10%。

圖二、晶片廠商的資料中心營收

因此積極在資料中心,推出運算能源效率更加優異的產品以搶攻市佔,就是各家高速運算晶片廠商必須做的努力。而這樣的產品,必須持續追逐先進製程與立體封裝,才能達成。

我們知道疫情加速了科技滲透的速度。越來越多往雲端布局轉型的動作正在進行。上一季的大型雲端公司的資本支出就逆勢上調,顯示疫情底下,對於建置資料中心的需求仍然強勁。

在這樣的大環境下,能夠順利推出新品的 AMD、NVIDIA,就會持續取得市佔;反之,若 Intel 新品推出進度進一步遞延,顯然會再一次加速競爭對手取得市佔的速度。

而競爭情勢進一步白熱化,也許在今年第四季就會發生。

結論:現在到 2023 年,是台積電取得關鍵地位的重要過程。

從市場需求的觀點來看,我們認同台積電董事長劉德音所說:「市場對 AI 與 5G 的運算效能提升追求永不滿足,技術創新將持續推進運算能源效率發展。因此未來每兩年能源效率將持續倍增,而且看不到停止跡象。」

雖然依照 Intel 7nm 的規劃來看,若可以順利於 2022 年底 ~ 2023 年初量產,則在微縮的技術部份可望重新追上台積電。但現在效能與耗能不再完全依靠製程微縮,擁有整合型立體封裝技術的廠商,才有能力推出更優異的產品。

因此,台積電的未來,將不止於先進製程,而是在先進封裝佔據更重要地位之後,如何在半導體作為上下游垂直整合的領導者,才是評價與地位提升的關鍵

FinSight 認為:現在開始到 2023 年,是台積電取得關鍵地位的重要過程。市場將從懷疑動態競爭情勢,到確認半導體業界的版圖挪移,進而提升佔據王者地位的台積電長期評價。

台積電現在的評價,並沒有完全反映他該有的絕對領先地位

雖然到 2023 年為止,我們還將經歷一次明顯的庫存調整。但 FinSight 經過半導體庫存研究之後發現,至少到明年第二季為止,我們仍在半導體多頭循環中,短期並不需要擔心庫存調整的問題。

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