從年報睇台積電，晶圓龍頭比你想象中強大

轉載：本文來自微信公眾號“半導體行業觀察”（ID:icbank），轉載經授權發布。

呢排，台積電發布‌該公司2020年年度財報。正如該公司聯席CEO喺致股東說明書中所說，對於台積公司而言，2020年是深具挑戰嘅一年，但都系顯著成長同進步嘅一年。面臨全球COVID-19疫情帶來嘅動蕩同地緣政治嘅緊張局勢，台積電同客戶积極合作，並且加強技術領先、卓越製造，以及客戶信任嘅承諾。

受惠於客戶對於台積電領先業界嘅5納米（N5）及7納米（N7）技術嘅強勁需求，台積公司嘅營收連續11年締造‌歷史新高嘅紀錄，以美金計算，台積電喺2020年嘅營收同比增長‌31.4%。作為對比，全球半導體產業較前一年成長約10%。

台積電方面繼續表示，，喺5G及高效能運算（HPC）應用嘅產業大趨勢驅動之下，使半導體芯片內含量得到提升，台積公司將當年度資本支出增加至172億美元。由於台積公司進入‌另一波更高嘅成長期，公司將會持續投資以掌握隨之而來嘅商機。

喺這份年度財報度，台積電還對公司嘅市場、技術和未來發展進行‌深入探討，本文摘錄如下，以饗讀者：

台積電嘅業績表現

首先睇財報方面，以美元計算，台積2020年嘅全年合併營收為455億1,000萬美元，稅後凈利為176億美元，較前一年度嘅全年合併營收346億3,000萬美元增加31.4%，較前一年度嘅稅後凈利111億8,000萬美元增加‌57.5%。

來到毛利率方面，據介紹，台積電喺2020年獲得‌53.1%嘅利潤率，而前一年這項數據為46.0%；營業利益率為42.3%，前一年則為34.8%。稅後純益率為38.7%，也較前一年嘅稅後純益率32.3%增加‌6.4個百分點。

喺客戶合作方面，台積電方面表示，公司喺2020年可以提供281種唔同嘅製程技術，為510個客戶生產1萬1,617種唔同嘅產品，應用範圍涵括成個电子應用產業，包括於個人計算機同其周邊產品、信息應用產品、有線同無線通訊系統產品、服務器同數據中心、汽車同工業用設備，以及包括數位電視、遊戲機、數位相機等消費性电子、人工智能物聯網及穿戴式裝置，同第啲好多產品同應用。

台積電繼續指出，公司积極布局全球各國專利，以質量並重為核心管理原則。喺專利申請數量上，截至2020年年底，台積公司喺全球專利申請總數已累積超過6萬2,000件，包括2020年申請6,900件專利；喺美國申請數名列專利申請人排行榜第三名，創歷史新高紀錄；且喺台灣嘅專利申請數亦連續五年位居全島第一。喺專利獲准數量上，截至2020年年年底，台積公司喺全球總數已累積超過4萬5,000件，包括2020年取得超過4,500 件全球專利，其中美國專利超過2,800件，名列美國專利權人第八名。

據總結，台積公司喺2020年嘅主要成就包括：

首先，台積電喺2020年嘅晶圓出貨量等效於1,240萬片十二吋晶圓，而2019年呢個数字約為1,010萬片十二吋晶圓。

這主要得益於台積電台灣公司嘅四座十二吋超大晶圓廠（GIGAFAB® Facilities）、四座八吋晶圓廠和一座六吋晶圓廠，並擁有一家百分之百持有之海外子公司—台積電（南京）有限公司之十二吋晶圓廠及二家百分之百持有之海外子公司—WaferTech美國子公司、台積電（中國）有限公司之八吋晶圓廠產能支援。

台積電進一步指出，公司四座超大晶圓廠嘅總產能已超過900萬片十二吋晶圓。晶圓十二廠、晶圓十四廠和晶圓十五廠目前提供0.13微米、90納米、65納米、40納米、28納米、20納米、16納米、10納米和7納米全世代以及其半世代設計嘅生產，目前5納米正喺度晶圓十八廠加速量產中。

此外，為提供更先進嘅製造技術，公司亦喺晶圓十二廠建置部分產能作為研發用途，以支援3納米、2納米及更先進製程嘅技術發展。

其次，擁有最先進嘅製程技術是台積公司喺專業集成電路製造服務領域取得強大市場地位嘅重要關鍵。2020年，台積電有58%嘅晶圓營收來自先進製程技術（16納米及以下更先進製程），高於2019年嘅50%。值得一提嘅系，台積公司佔全球半導體（唔含存儲器）產值嘅24%，喺2019年，呢個数字為21%。

台積電邏輯技術嘅進展

根據財報，喺2020年，台積電持續投資研究同開發，全年研發總預算約佔總營收之8.2%，此一研發投資規模相當或超越‌好多第啲高科技領導公司嘅規模。台積電進一步指出，為‌延續每二年半導體運算能力增加一倍之摩爾定律所面臨嘅技術挑戰日益困難，公司研發組織嘅努力住重於讓台積公司能夠提供客戶率先上市且先進嘅技術和設計解決方案，幫助客戶取得產品嘅成功。

台積電喺財報中指出，喺2020年，隨住5納米技術嘅移轉及量產，公司嘅研發組織持續推動技術創新以維持業界嘅領導地位。當台積公司3納米技術，作為第六代三維晶體管技術平台，持續全面開發，並同主要客戶完成I設計及開始進行驗證嘅同時，台積公司已開始全面開發領先半導體業界嘅2納米技術，同時針對2納米以下嘅技術進行探索性研究。

據台積電總結显示，喺2020年獲得嘅技術成果，公司喺邏輯方面取得‌以下多個方面嘅進展：

1、3納米製程技術

台積電喺2020年嘅研發住重於3納米製程技術基礎製程制定、良率提升、晶體管及導線效能改善，以及可靠性評估。相較於5納米製程技術，3納米製程技術顯著地改善芯片密度，喺相同嘅功耗下提供更好嘅效能，或喺相同嘅效能下提供更低嘅功耗。

據台積電透露，公司主要客戶已經喺2020年完成3納米IP嘅設計，並開始進行驗證。台積公司預計於2020年完成3納米製程技術驗證以進入試產。

2、2納米製程技術

2nm方面，台積電於2020年初步研究及路徑尋找之後，已進行2納米製程技術嘅研發階段，住重於測試鍵同測試載具之設計同實作、光罩製作以及硅試產。

3、微影技術

台積電錶示，公司微影技術喺2020年嘅研發重點喺於3納米技術、2納米技術開發和下一世代納米技術開發嘅先期準備。針對3納米技術嘅開發，極紫外光（EUV）微影技術展現極佳嘅光學能力，同符合預期嘅芯片良率。研發單位正致力於極紫外光技術，以減少曝光機光罩缺陷及製程堆棧誤差，並降低整體成本。

台積電錶示，2020年，公司嘅2納米及更先進製程上將住重於改善極紫外光技術嘅質量同成本。台積公司嘅極紫外光項目喺光源功率及穩定度上有持續性嘅進展，光源功率嘅穩定同改善得以加快先進技術嘅學習速度同製程開發。此外，極紫外光光阻製程、光罩保護膜及相關嘅光罩基板也都展現顯著嘅進步，極紫外光技術已全面量產。

4、光罩技術

光罩技術喺先進微影技術中極為關鍵。2020年，公司研發組織成功完成3納米製程光罩技術開發，大量導入更複雜且先進嘅極紫外光光罩技術，且持續精進極紫外光光罩技術，以滿足2納米微影技術喺光罩上嘅需求。

5、導線同封裝技術整合

晶圓級系統整合技術（WLSI）喺日益複雜嘅應用領域中藉由混合同匹配唔同平台而迅速發展。呢啲包含喺晶圓級系統整合範圍內嘅技術被命名為3DFabric，因為佢能夠實現精細間距嘅芯片到芯片連接，以及利用現有晶圓製程嘅統合製造理念。

喺3DFabric下，先嵌入芯片再做導線互連嘅所有製程都稱為整合型扇出（InFO）。而先做線路重布層（RDL），然後再將芯片嵌入預製嘅RDL上就稱為CoWoS®（Chip-on-Wafer-on-Substrate）。呢個新嘅命名系統真實反映‌製程嘅本質並指向將來嘅技術推進軌跡。同同級製程系統整合芯片（System on Integrated Chips, SoIC）、SoW（System on Wafer）和SoIS（Systemon Integrated Substrate）結合喺一齊，佢們形成‌通用嘅晶圓級系統整合技術家族，將推動產業界喺面對更具挑戰和多樣化嘅運算系統整合需求下，滿足未來嘅系統級微縮需求。

6、三維集成電路（3DIC）同系統整合芯片（TSMC-SoIC）

系統整合芯片（TSMC-SoIC）是創新嘅晶圓級前段三維芯片（3DIC）堆棧平台，具有卓越嘅接合密度、互連頻寬、功耗效率和薄形輪廓，可透過系統級微縮來延續摩爾定律，具有持續性嘅效能提升和成本優勢。系統整合芯片接下來可以使用傳統封裝或台積公司新嘅3DFabric技術，

例如CoWoS®或整合型扇出來做封裝，支援下一代高效能運算（HPC）、人工智能（AI）和行動應用產品。目前台積公司已使用微米級接合間距製程完成‌芯片對晶圓（Chip on Wafer, CoW）和晶圓對晶圓（Wafer on Wafer, WoW）堆棧製程嘅驗證，具有令人滿意嘅電性良率和可靠性結

果。

台積公司將繼續追求系統整合芯片技術嘅微縮，以同台積公司先進嘅硅技術保持一致，進一步提高晶體管密度、系統功耗、性能和面積（Power, Performance, Area, PPA）同成本競爭力。

7、后芯片（Chip Last）CoWoS®含有硅中介層嘅CoWoS®是針對高端高效能運算同人工

智能產品應用嘅2.5D領先技術。此技術具有一個大型嘅硅中介層，該中介層具有次微米級嘅繞線層和整合電容（integrated capacitors, iCap），因此可以喺其上面放置系統單芯片（SoC）和高頻寬存儲器（HBM）等各種小芯片。正喺度開發嘅第五代CoWoS®具有創紀錄嘅硅中介層面積，高達2,400平方毫米，相當於三個全光罩（full-reticle）尺寸。此技術預計於2021年上半年完成驗證。

8、先芯片（Chip-First）整合型扇出（InFO）

2020年，台積公司持續領先全球大量生產第五代整合型扇出層疊封裝技術（InFO-PoP Gen-5）以支援行動應用，並大量生產第二代整合型扇出暨基板封裝技術（InFO-oS Gen-2）支援高效能運算晶粒分割嘅應用。

第六代InFO-PoP已成功通過認證支援行動應用和增強散熱性能。如期開發完成嘅第三代InFO-oS提供‌更多嘅芯片分割，整合於更大嘅封裝尺寸和更高嘅頻寬。為‌滿足HPC應用嘅需求，台積公司開發‌超高頻寬整合型扇出暨局部硅互連技術（InFO Local Silicon Interconnect, InFO_LSI），其中系統單芯片小芯片（Chiplet）藉由超高密度局部硅互連（LSI）整合到三維InFO封裝中。無基板InFO使用多芯片異質整合同更細間距嘅芯片到芯片互連技術，已成功完成驗證以滿足消費性电子產品嘅應用。

最新一代整合式被動元件技術（Integrated Passive Device, IPD）提供高密度電容器和低有效串聯電感（Effective Series Inductance, ESL）以增強電性，並已喺InFO-PoP上通過認證。AI同5G行動應用將受惠於此增強嘅InFO-PoP技術。最新一代IPD預計於2021開始大量生產。

9、先進導線技術

台積公司提供創新嘅技術讓互連導線可以持續微縮同時也兼顧芯片效能。2020年，公司提出全新未來互連導線嘅架構。喺極小尺寸之下，呢個新嘅架構可以克服銅金屬回填技術上嘅困難，同時顯著地降低導線嘅電阻跟電容。開發呢啲創新嘅解決方案，協助台積公司延續其製程技術嘅全球領先地位。

值得一提嘅系，台積電除咗持續發展技術以外，公司還聚焦喺先進技術研究方面投入。

台積電錶示，元件及材料嘅創新，持續提升先進邏輯技術嘅效能並降低功耗。2020年，台積公司喺二維材料及納米碳管晶體管嘅研究持續走喺業界前端。台積公司喺完整二吋晶圓上成功展示‌一個合成單原子層厚單晶嘅六角斜方氮化硼（hexagonal Boron Nitride, hBN）嘅製程，呢系一個重要嘅成就，因為hBN已显示為二維材料元件通道嘅理想鈍化層。此傑出嘅基礎研究成果發表於2020年三月全球領先科學期刊之一嘅《自然》（Nature）。

喺2020年舉行嘅超大型集成電路技術研討會（Symposia on VLSI Technology），台積公司展示‌使用化學氣相沉積二硫化鉬單原子層嘅二維材料晶體管，喺汲極壹伏特操作電壓下有最高嘅二維材料n通道場效晶體管電流。

台積公司也喺2020年舉行嘅國際电子元件會議（International Electron Device Meeting, IEDM）介紹‌一種新穎嘅薄膜界面介電層（ILX），佢可以喺納米碳管表面成核並均勻地長出小於0.5納米嘅薄膜，因而可以使用慣用嘅原子層沉積技術沉積納米碳管晶體管嘅high-k閘極介電層（二氧化鉿）。使用呢個新穎嘅ILX，閘極長度微縮到15納米嘅上方閘極控制納米碳管晶體管，展示‌接近理想嘅閘極控制。

台積公司持續尋找並探索支援人工智能和高效能運算應用嘅新興高密度、非揮發性存儲器硬件加速器。台積公司嘅先進技術研究處於最佳嘅位置，為持續一個技術製程接一個技術製程密度增加、提升效能、降低功耗鋪路，如同過去所做。

台積電嘅特殊工藝製程

喺上一個章節，我哋主要介紹‌台積電喺邏輯電路方面嘅進展。但作為晶圓代工巨頭，台積電其實喺特殊工藝製程方面，也取得‌唔錯嘅成績。

1、混合訊號／射頻

2020年，台積公司成功開發以3納米IP及以電磁模擬為基礎嘅LC振蕩器設計解決方案，滿足高速SerDes電路設計嘅需求，此解決方案能協助電路設計人員縮短設計周期，並針對唔同金屬層組合，提供LC振蕩器元件及電路布局之全方位服務。

據佢哋介紹，2020是第一年終端使用者開始受惠於五代行動通訊技術（5G）網絡嘅高傳輸速度、低延遲以及巨量物聯網連結嘅優勢，為‌提升5G嘅成本同受益比，台積公司提供各式7納米及6納米嘅射頻元件，以符合客戶喺收發器設計嘅需求。藉由增強射頻切換器嘅效能，台積公司開發40納米特殊製程支援頻率6GHz以下應用嘅5G射頻前端模塊設計。針對較高頻段嘅毫米波設計，台積公司亦提供28納米高效能精簡型強效版製程（28HPC+），增強功率放大器嘅效能，應用於5G毫米波前端模塊設計。

2、電源IC／雙極-互補金屬氧化半導體-雙重擴散金屬氧化半導體（BCD）

2020年，台積公司擴大其十二吋BCD技術嘅製程範疇，涵蓋90納米、55納米以及22納米，以因應快速成長嘅行動電源管理芯片應用，包括唔同嘅整合度，以及特別嘅功耗成長需求。90納米BCD技術支援5伏到35伏嘅廣泛應用，將於2021年持續擴充。

3、面板驅動

2020年，台積公司開發晶圓堆疊（WoW28HPC／40HV）技術，相較於28HPC+，具有相似嘅穩定產品良率，且降低60％功耗。同時，28HV單芯片技術完成‌客戶IP驗證以及128Mb SRAM良率驗證。呢啲技術是支援小尺寸面板4K分辨率、有機發光二極管（OLED）和120Hz显示驅動IC嘅領先技術。

此外，台積公司完成OLED喺硅產品驗證並導入AR／VR應用嘅量產，具有優異嘅量產良率同照明均勻性。2021年，台積公司規劃推出此技術嘅改良版，採用8伏晶體管提升晶圓堆棧效率，提高效能並降低成本，支援28HV OLED觸控显示整合（TDDI）之應用。

4、微機電系統

2020年年，台積公司完成模塊化微機電系統（Modular MEMS）技術嘅驗證，以大量生產高分辨率加速度計同陀螺儀。未來計劃包含開發下一世代高敏感度薄型麥克風、十二吋晶圓微機電光學影像穩定（Optical Image Stabilization, OIS）系統解決方案，以及生物微機電應用。

5、氮化鎵半導體

2020年，台積公司開始量產第一代650伏和100伏增強型高电子移動率晶體管（E-HEMT），迅速拉升至全產能，公司持續擴充產能以因應客戶嘅需求，第二代650伏和100伏E-HEMT之質量因素（FOM）較第一代改善50%，預計於2021年年投入生產。

此外，100伏空乏型高电子移動率晶體管（D-HEMT）已完成元件開發，具備優異嘅性能，且通過多家5G基地台模塊設計公司嘅工程驗證，預計於2021年進入試產。

6、互補式金屬氧化物半導體（CMOS）影像傳感器

2020年，台積公司喺互補式金屬氧化物半導體影像傳感器技術獲致數項技術創新，有四項主要成果：（1）畫素尺寸嘅微縮較前一年減少15%，目前大量生產度，支援行動裝置，高分辨率影像感測應用；（2）完成技術移轉並開始量產車用規格等級，超高動態範圍嘅影像傳感器，符合高可靠度標準；（3）鍺質飛時測距（TOF）傳感器開始試產，提供較高嘅三維物件感測準確度並使用較長嘅光源波長，相較於硅質感測器，獲致較低嘅系統功耗，適合行動裝置同機器視覺應用；（4）成功開發第二代三維金屬-介電質-金屬（MiM）高密度畫素內嵌式電容，電容密度較前一代高三倍，支援全域式快門同高動態範圍影像傳感器之應用。

7、嵌入式快閃存儲器／新興存儲器

2020年，台積公司喺嵌入式非揮發性存儲器技術領域達成數項重要嘅里程碑：喺40納米製程方面，公司已成功量產分離閘（Split-Gate）反或閘式（NOR）技術，以支援消費性电子產品嘅應用同各種車用电子產品嘅應用；

喺28納米製程方面，支援高效能行動運算同高效能低漏電製程平台嘅嵌入式快閃存儲器開發維持穩定嘅高良率，並已通過消費性电子同第一級車用电子技術驗證，預計於2021完成最高規格第零級車用电子技術驗證；

台積公司亦提供嵌入於非揮發性存儲器之電阻存儲器技術，作為低成本解決方案，支援對價格敏感嘅物聯網市場；40納米已完成技術驗證，客戶產品驗證持續進行，28納米已進入量產，22納米於2020年完成技術驗證。

2020年，台積公司喺嵌入式磁性隨機存取存儲器技術取得大幅進展，22納米已完成技術驗證並成功進入量產，並榮獲2020年度快閃存儲器高峰會之最佳參展項目獎，支援最創新嘅人工智能應用；22納米嵌入式磁性隨機存取存儲器預計於2021年完成技術驗證，支援車用电子應用；喺16納米製程方面，維持穩定嘅高良率，預計於3032年完成技術驗證，以因應下一世代嵌入式存儲器，支援MCU、車用、物聯網以及人工智能裝置等多項應用。

未來嘅主要發力點

為‌維持及強化台積公司嘅技術領先地位，台積公司計劃持續大力投資研發。對於先進嘅CMOS邏輯技術，台積公司嘅3納米及2納米CMOS技術將持續進展。

此外，公司嘅前瞻研發工作將聚焦於2納米以下嘅技術，例如三維晶體管、新存儲器及低電阻導線等領域，符合進度以期為技術平台提供堅實嘅基礎。關於三維集成電路先進封裝，具有節能效益嘅子系統整合和微縮嘅創新，能夠進一步增強CMOS邏輯應用。喺特殊製程技術方面，台積公司更加住重於新嘅特殊技術，例如射頻及三維智能傳感器，以支援5G及智能物聯網嘅應用。