眺望2025系列｜探前瞻：半导体制造产业发展趋势与技术革新

工業技術研究院IndustrialTechnologyResearchInstitute2024/10/23©©工業技術研究院權利所有。全球暨臺灣半導體製造業發展現況與展望半導體製程技術發展與廠商動態觀察製程技術革新推動終端電子產品創新應用1全球暨臺灣半導體製造業發展現況與展望半導體製程技術發展與廠商動態觀察製程技術革新推動終端電子產品創新應用123©工業技術研究院©工業技術研究院權利所有。1全球暨臺灣半導體製造業發展現況與展望半導體製程技術發展與廠商動態觀察製程技術革新推動終端電子產品創新應用1全球暨臺灣半導體製造業發展現況與展望半導體製程技術發展與廠商動態觀察製程技術革新推動終端電子產品創新應用123©工業技術研究院©工業技術研究院權利所有。2產業科技國際策略發展所資料來源：工研院產科國際所©©工業技術研究院權利所有。3預估2024年全球晶圓代工市場規模將成長19%產業科技國際策略發展所資料來源：工研院產科國際所•全球晶圓代工市場包含Pure-play•2023年全球晶圓代工產業規模衰退13%，主要受到全球經濟疲弱、終端需求不如預期，導致半導體市場•據TechInsights統計顯示，2024年全球晶圓代工市場有望反彈成長至19%，主要由AI與HPC應用帶動先•展望2025年全球晶圓代工產業的成長趨勢將持續，仍由AI和HPC相關應用推動，車用與工控領域需求回升，有助於改善晶圓代工產能利用率，惟須觀察未來總體經濟對終端©©工業技術研究院權利所有。4123456789—•根據TechInsights於2024年10月統計，前十大廠商占整體晶圓代工營收比重達9成•晶圓代工大廠台積電仍保持領先地位，占整體晶圓代工營收比重約6成，先進製程營收比重持續提升•臺灣在晶圓代工領域占有主導地位，前十大中占有四家•2023年整體產業市況不佳，終端需求疲弱、供應鏈庫存去化，使晶圓廠產能利用率表現不如以往，產值呈現衰退態勢；2024年受惠於AI與高效能運算相關需求提升，將重回兩位數正成長產業科技國際策略發展所資料來源：工研院產科國際所©©工業技術研究院權利所有。5預估2024年我國IC製造業產值達新臺幣3兆3,957億元，年成長27.5%•2024年臺灣IC製造業產值預估為新–晶圓代工產業產值下半年將比上半年表現好，主要受惠於AI、HPC需求帶動，推升3奈米、5奈米產出增加，預估成長28.9%，為新臺幣3兆2,137億元–記憶體產業預估AI伺服器有利提升DDR5產品需求，中低階手機銷售未改善，高階AI機種逐漸增加DRAM搭載量，AIPC滲透率處於起步期，整體消費型電子產品短期復甦力道不明顯，預估2024年記憶體相關產品產值將成長7.0%，產值為新臺幣1,820億元•展望2025年，儘管消費性電子產品產業科技國際策略發展所資料來源：工研院產科國際所©©工業技術研究院權利所有。6預估2024年臺灣晶圓代工產值將成長28.9%產業科技國際策略發展所資料來源：工研院產科國際所•2024年臺灣晶圓代工產值預估為新臺幣32,137億元，年成長28.9%，已從去年客戶庫存調整陰霾走出，且受到AI帶動伺服器、高階手機、AIPC及相關硬體需求成長，進而帶動IC製造在AI、HPC先進製程的產•展望2025年，晶圓代工產業持續受惠於AI應用需求強勁帶動 ,3奈米製程持續滿載，且2奈米開始量產並逐步貢獻營收，預估2025年臺灣晶圓代工產值為新臺幣38,603億元，年成長©©工業技術研究院權利所有。7•根據Gartner統計，2024年全球記憶體市場預估成長77.3% ,其中DRAM市場成長80.7% ,主要因2023年的低基期以及2022~2023年減產導致的價格•伺服器與LPDDR記憶體需求持續增加，帶動DRAM市場回暖。同時，高附加價值的HBM產品崛起，產能比重提升，並因高單價推動DRAM市場在2024•DRAM市場成長的主要驅動力包括HBM崛起、產品世代演進產業科技國際策略發展所資料來源：工研院產科國際所©©工業技術研究院權利所有。8產能將優先配置於高毛利率的HBM產品•因AI技術的快速發展，雲端服務業者在AI伺服器對於AI晶片算力、記憶體容量、頻寬需求持續提升，進而對高頻寬記憶體(HBM)需求強勁•根據Yole報告統計，2024年•2024年美光及SK海力士相繼宣布其2024與2025年度HBM產品都已售罄•目前AI晶片需求是以資料中心為主，但今後有望迅速擴散到高階智慧型手機、PC、汽車等•HBM產品發展，目前已量產8層HBM3E，12層HBM3E預計2024年底至2025年初量產產業科技國際策略發展所資料來源：工研院產科國際所©©工業技術研究院權利所有。9全球暨臺灣半導體製造業發展現況與展望半導體製程技術發展與廠商動態觀察製程技術革新推動終端電子產品創新應用1全球暨臺灣半導體製造業發展現況與展望半導體製程技術發展與廠商動態觀察製程技術革新推動終端電子產品創新應用123©工業技術研究院©工業技術研究院權利所有。•根據Gartner於2024年10月所發布之數據統計，全球晶圓代工來自先進製程節點占產業科技國際策略發展所資料來源：工研院產科國際所•3奈米營收占比從2023Q36%上•7奈米及以下營收占比從2023Q35©©工業技術研究院權利所有。11台積電先進製程技術A16預計2026下半年量產•相較於N3E，在相同功耗下，速度耗降低25～30%，同時晶片密度增技術，透過靈活的元件寬度調節，最大化效能、功耗和面積(PPA)優勢。短單元能節省面積並提高能源效率，高單元則提升效能。客戶可在設計中靈活組合短單元及高單元 ,提升15%的速度，同時在面積與•主要客戶已完成2奈米矽智財設計A16製程(Nanosheet)電晶體技術，•相對於N2P，A16在相同電壓下可得到8%~10%速度15%~20%的功耗，並提升•SPR將供電線路移到晶圓•N3E製程在相同功耗下速度增快18%，在相同速度下功耗降低32%•N3P製程提供額外的效能和面積優勢。相較於N3E，在相同漏電下，速度增快5%；在相同速度下，功N3X製程•相較於N3P，在驅動電壓1.2伏特下，速度提升5%，並擁有相同的產業科技國際策略發展所資料來源：工研院產科國際所©©工業技術研究院權利所有。12••空間不足：訊號網路跟供電網路資源排擠，使元件微縮成為晶片設計的挑戰•電力損失：電源線、訊號線共存線路層變成混亂的網路將供電網路轉移到晶圓背面••解決佈線擁擠問題：晶背供電設計能分離邏輯IC的電源供應網路與訊號線，減緩後段製程佈線壅塞的問題•效能提升：晶背供電設計可從系統層面提升整體供電效能產業科技國際策略發展所資料來源：工研院產科國際所©©工業技術研究院權利所有。13技術名稱SuperPowerRail超級電軌技術PowerViaBacksidePowerDeliveryNetwork(BSPDN)使用製程A16製程Intel20A、18ASF2Z量產時間2026年2025年2027年表現•SPR也能大幅度降低IRdrop，進而提升供電效率•實現超過90％的單元利用率，提升單元密度同時降低成本率提升提高效能、功耗、及面積PPA綜合參數，降HPC/AI晶片性能產業科技國際策略發展所資料來源：工研院產科國際所•晶背供電技術於2019年由比利時微電子研究中心(imec)首度發表。將供電線配置於晶片背面，克服與訊號線的互連瓶頸問題、改善單元利用率等•2022年imec於IEEE國際超大型積體電路技術研討會（VLSISymposium）上展示晶背供電的邏輯IC佈線方案，透過奈米矽穿孔（nTSV）結構，將晶圓正面的元件連接至埋入式電源軌（BPR）©©工業技術研究院權利所有。14••台積電在日本預計投資約3兆日圓JASM股權分配：台積電(86.5%)、Sony(6%)、電熊本Fab23一廠：2024年2月24日舉行開幕典禮，熊本Fab23二廠：預計2024年底開始興建，預計•熊本12吋99•亞利桑那12吋bb•台積電在德國預計投資約100億歐元•台積電在德國預計投資約100億歐元•台積電在美國預計總投資650億美元2024/4月獲美國晶片與科學法案宣布補助66億美元(最高50產業科技國際策略發展所資料來源：工研院產科國際所©©工業技術研究院權利所有。15•2奈米製程SF2Z採用優化的晶背供電網路(BSPDN)技術，將電軌建置於晶圓背面，有效解決電源與訊號線的資源排擠問題發表全新製程節點SF2Z、SF4USF2Z•與第一代2奈米節點的SF2相比，將BSPDN技術導入SF2Z不僅能改善功耗、效能和面積(PPA)，還能顯著減少電壓下降(IRdrop)、強化高效能運算(HPC)設計效能•SF2Z預計於2027年量產SF4U•SF4U為高價值的4奈米更新版，其藉由光學收縮改善PPA，預定於2025年量產SF1.4三星表示SF1.4(1.4奈米)的籌備工作進展順利，將如期實現性能表現和良率目標預計將於2027年進入量產階段持續提升GAA成熟度•三星GAA製程已邁入量產的第三年，在良率和效能方面持續提升成熟度•三星計畫於2024年下半年量產第二代3奈米製程(SF3)，並將GAA應用於未來的2奈米製程一站式SamsungAI解決方案•一站式AI平台SamsungAI解決方案為三星晶圓代工、記憶體和AVP等事業部的合作結晶•透過整合各事業部的獨特優勢，提供高效能、低功耗和高頻寬的解決方案，並根據客戶的特定AI需求量身訂製•企業跨域合作亦能簡化供應鏈管理、縮短上市時程•三星計劃在2027年推出全方位、CPO整合式AI解決方案，為客戶提供一站式AI解決方案產業科技國際策略發展所資料來源：工研院產科國際所©©工業技術研究院權利所有。16將延後平澤P4、泰勒市晶圓廠投資•泰勒市12吋•平澤市12吋•三星將延後平澤第四工廠(P4)動工•三星將延後平澤第四工廠(P4)動工,待市場需求回升再進行調整•三星在美國德州泰勒廠建廠時程延後產業科技國際策略發展所資料來源：工研院產科國際所©©工業技術研究院權利所有。17因營運困頓宣布四項新措施(2024年9月)•代工部門獨立•擴大與亞馬遜雲端運算部門(AWS)合作•生產國安晶片•暫緩新廠投資(減少資本支出)加強晶圓代工能力•英特爾「四年五個製程節點」計畫−Intel20A(取消量產，快速轉向更先進Intel18A)−Intel18A預計2025年投產晶圓代工業務成立子公司•計畫將IntelFoundry設立為英特爾內部的獨立子公司，此管理架構預期2024年完成，將英特爾晶圓代工部門與英特爾產品部門的帳目與財務報告分離美國半導體政策補助•2024年3月美國政府宣布透過《晶片與科學法案》提供英特爾85億美元補助，以及110億美元低利率貸款，另包含1,000億美元的25％租稅抵免•2024年9月額外獲美國政府的30億美元補助，用於生產國防系統晶片的「安全領域」計畫產業科技國際策略發展所資料來源：工研院產科國際所©©工業技術研究院權利所有。18暫緩新廠擴建，削減成本應對市場壓力•Intel將投資1,000億美元在美國擴產俄勒岡州(研發中心),投入高數值孔徑EUV設備•2024/3月獲美國晶片與科學法案宣布補助85億美元(最高110億美元低利率貸款)•Intel原規劃投資250億美元興建以色列晶圓廠，現已暫停如產業科技國際策略發展所資料來源：工研院產科國際所©©工業技術研究院權利所有。19C•台積電以領先製程技術，3奈米在2022年底實現量產，並於2023年Q3開始貢獻營收6%，2024Q3貢獻營收達20%•先進製程節點2奈米將於2025年量產，2026~2027年陸續量產1.6奈米、1.4奈米製程產業科技國際策略發展所資料來源：工研院產科國際所©©工業技術研究院權利所有。20圖片來源：ASML產業科技國際策略發展所資料來源：工研院產科國際所圖片來源：ASML產業科技國際策略發展所資料來源：工研院產科國際所重點內容-ASML是全球唯一的EUV設備製造商，擁有獨家的技術與市場地位-該機台成為台積電、英特爾、三星三大晶圓廠進入2奈米以下先進製程的必備設備ASML新一代曝光機-單次曝光解析度可達8奈米，在同樣單位面積的晶片上實現較高的電晶體密度-HighNAEUV的導入將可減少量產晶片的製造工序，顯著降低製程缺陷、成本和生產週期-造價約3.5億歐元（約新臺幣100多億元）-大小等同於雙層巴士，重量約150公噸(需250名工程人員組裝，裝機時間約6個月)布局進展最早取得High-NAEUV設備--導入High-NAEUV策略--預計2025年導入研發使用-©©工業技術研究院權利所有。21而減緩資本支出計劃•DRAM廠•根據Gartner統計，2023年半導體資本支出年衰退5.6%，2024年預估成長約1%•2024年，前20大半導體廠商資本支出占整體半導體資本支出比重達八成•主要以記憶體、Foundry廠商資本支出占比最高產業科技國際策略發展所資料來源：工研院產科國際所2024年半導體各類別元件廠商資本支出比重©©工業技術研究院權利所有。22三家DRAM大廠將於2025年量產1γDRAM201620172018201920202021202220232024202520262027Samsung1xnm1ynm1xnm1ynmMicronA節點•SK海力士第六代10奈米級(1γ)DRAM推出時間預期將略早於三星，並採用EUV製程產業科技國際策略發展所資料來源：工研院產科國際所©©工業技術研究院權利所有。23HBM3E產品進展加速，各大廠競爭激烈，顯示市場未來成長潛力全球DRAM廠商之高頻寬記憶體HBM產品進度2016201720182019202020212022202320242025202620272028層數:4/8層速度:3.6Gbps層數:8/12層(預計2026年)層數:4/8層速度:3.6Gbps頻寬:410-460GB/s層數:8/12層頻寬:819GB/s層數:8/12層(預計提前2025下半年)層數:4/8層速度:3.6Gbps頻寬:410GB/s層數:8/12層(預計2026年)層數:12/16層(預計2027年)層數:12/16層•隨著輝達、AMD等推出新一代AI晶片，對高頻寬記憶體(HBM)的需求將持續上升，將進一步推動HBM市場•同時5G和物聯網技術的快速發展，HBM在邊緣運算和雲端運算等領域產業科技國際策略發展所資料來源：工研院產科國際所©©工業技術研究院權利所有。24HBM3E將逐漸成為市場主流，南韓與臺灣成為關鍵生產基地SK海力士8層2024年3月2024年Q32024年2月預計2024/12月量產樣品測試中預估2025年量產2024/9月已送樣客戶預估2025年初量產製程節點HBM主力規格容量：24(8Hi)/36(12Hi)傳輸速度：>9.2Gb/s頻寬：>1.18TB/s容量：24(8Hi)/36(12Hi)頻寬：=1.2TB/s容量：24(8Hi)/36(12Hi)傳輸速度：>9.2Gb/s頻寬：>1.2TB/s生產地韓國利川廠韓國平澤廠日本廣島廠/臺灣台中廠•三家HBM3E產品陸續通過驗證、量產，HBM3E將於2025~2026年成為市場主流HBM產品•SK海力士以南韓利川市M16產線生產HBM，並將M14產線升級為1α/1β製程，以供應DDR5和HBM產品，並預計在2028年投資高達748億美元，其中80%將用於HBM的研發和生產，包括在美國印第安納州建高頻寬記憶體先進封裝製造和研發設施（2024/8月獲美國4.5億美元補助）•三星將南韓平澤廠區P1/P2/P3，逐步升級為DDR5和HBM共用產線•美光將提升日本廣島廠之HBM前段產能，同時增加臺灣產能因應，而HBM後段封裝目前則以臺灣為主產業科技國際策略發展所資料來源：工研院產科國際所©©工業技術研究院權利所有。25重點重點•SK海力士和三星強調與台積電的合作關•在堆疊技術上，面臨16層以上的技術瓶頸，計劃採用混•三星目前的熱壓鍵合(TCB)技術在1產業科技國際策略發展所資料來源：工研院產科國際所©©工業技術研究院權利所有。26全球暨臺灣半導體製造業發展現況與展望半導體製程技術發展與廠商動態觀察製程技術革新推動終端電子產品創新應用1全球暨臺灣半導體製造業發展現況與展望半導體製程技術發展與廠商動態觀察製程技術革新推動終端電子產品創新應用123©工業技術研究院©工業技術研究院權利所有。2024年通訊用、運算用半導體仍為前兩大市場運算用、儲存用半導體具高成長動能，CAGR高於平均水準•根據Gartner統計，2024年前兩大應用市場:–通訊用半導體(1,916億美元/YoY20.7%)–運算用半導體(1,882億美元/YoY33.1%)•未來具高成長動能：–儲存用(12.8%)–運算用(11.4%)產業科技國際策略發展所資料來源：工研院產科國際所©©工業技術研究院權利所有。28XeonGraniteRapids(第六代)EPYCTurin(第五代)I/O晶片採Intel7製程TSMC3/4nm製程最高128核心(P核心)最高192核心(Zen5架構)•功耗從最低150瓦到500瓦•時脈達3.9GHz•內含1,500億個電晶體•功耗從最低155瓦到500瓦•時脈達5GHz資料中心處理器資料中心處理器2024年9月2024年10月•第五代EmeraldRapidsCPU與GraniteRapidsXeon6900P系列相比，後者的效能提升2.28倍，且效率平均提高60%•ClearwaterForestXeon預計於2025年問世，將成為首款採用Intel18A製程量產的處理器，也是Intel轉型計劃成功與否的關鍵•最高階的192核心處理器在效能上相比競爭對手同級產品提升高達2.7倍•其運作時脈達到5GHz，相較於競爭對手同級產品下，速度提升28%，使GPU能夠更輕鬆應對嚴苛的人工智慧工作負載與資料處理需求•預計將在製程技術上繼續領先，並結合台積電的先進製程，以進一步鞏固競爭優勢產業科技國際策略發展所資料來源：工研院產科國際所©©工業技術研究院權利所有。29NVIDIAAMD2020Q42024Q22024Q42025上半年2023年6月2023年6月2024Q42025下半年GPUA100MI250XMI300XMI325XMI350AmpereHopperBlackwellBlackwellCDNA2CDNA3CDNA3CDNA47nm4nm4nm4nm6nm5nm+6nm4nm+5nm542億800億2,080億-記憶體40GB192GB256GB288GBHBM2HBM3EHBM3E-HBM2EHBM3HBM3EHBM3E400W-560W750W--•生成式AI應用的迅速崛起，推動資料中心對高效能GPU的需求成長。NVIDIA在此領域持續領先，憑藉其H200、B200等GPU產品，在2023年全球資料中心GPU以9•這些GPU以其優異的運算效能和訓練、推理能力，可處理多種工作負載，包含大型語言模型、推薦系統和聊天機器人等應用•AMD也不斷提升其在AIGPU市場中的競爭力，除了去年推出MI250X、MI300X等產品，此外AMD將於今年Q4推出MI325X，進一步產業科技國際策略發展所資料來源：工研院產科國際所©©工業技術研究院權利所有。30AIPC處理器競爭白熱化：Intel、AMD、Apple與Qualcomm齊頭並進LunarLakeStrixPoint(RyzenAI300)SnapdragonXElite2024/9月2024下半年2024/5月2023Q4TSMCN3B製程(ComputeTile)TSMC4nmTSMC3nmTSMC4nm48TOPS50TOPS38TOPS45TOPS產業科技國際策略發展所資料來源：工研院產科國際所•傳統x86架構處理器廠商Intel已將AIPC處理器的CPUTile的生產委託給代工廠，專注於在2025年將推出的Intel18A製程•儘管AIPC市場將隨著應用增加而逐步成長，但其發展速度預計會較為緩慢。目前市場重點仍在AI伺服器，而AIPC則處於起步階段。儘管短期內成長速度不明顯，但預計在未來一到兩年，隨著應用端的推動，AIPC的發展趨勢將變得更加明確©©工業技術研究院權利所有。31–2023年占比10%–2024年占比22%–2025年占比43%–2027年占比58%•AIPC將在2025年成為市場主流產品，％，•2027年，商用電腦中的AIPC占比將達•儘管預期未來AIPC在整體PC市場中的占比將迅速提升，但在未來兩到三年內 ,主要依賴雲端型生成式AI應用，對於裝置端的處理需求相對較低。然而，隨著基礎設施成本上升及隱私問題日益受到重視，更多應用將逐步轉向裝置端處理產業科技國際策略發展所資料來源：工研院產科國際所©©工業技術研究院權利所有。32發表時間2024/09月2023/10月2024年10月2024年5月（N3E）大的差異在於支援光GPU效能在開啟光線•硬體加速光線追蹤•整體運算效能提升約•整體運算效能提升約強大AI算力