芯片產(chǎn)業(yè),外憂內(nèi)患并存。在中國本土芯片的解圍紓困之戰(zhàn)中,首先抵達(dá)14nm工藝的排頭兵中芯國際,12個月之內(nèi),在北京、深圳兩地,投入百億美金,兩度大幅擴(kuò)增28nm及12英寸晶圓產(chǎn)能。
其實(shí)大力擴(kuò)展28nm產(chǎn)能的,除開中芯國際,還有干脆放棄先進(jìn)工藝研發(fā)、已經(jīng)做出28nm特色的聯(lián)電,甚至還有領(lǐng)軍晶圓代工的臺積電,斥資28.87億美元,擴(kuò)充其南京廠28nm產(chǎn)能。
當(dāng)摩爾定律開始挑戰(zhàn) 3nm 工藝,大家的眼光都聚焦在 蘋果A、驍龍、麒麟這些基于先進(jìn)技術(shù)的明星芯片產(chǎn)品時,當(dāng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈在逆全球化趨勢境下,成為卡住我們脖子的最急需突破時,中芯為什么不大力穩(wěn)固14nm先進(jìn)工藝,甚至向7nm更高制程發(fā)起沖擊呢?
先進(jìn)制程是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的絕對主流嗎?在半導(dǎo)體現(xiàn)狀下,務(wù)實(shí)與先進(jìn)追求如何平衡?
本文試圖解釋這些疑惑。
世界缺芯,以28nm需求最旺盛,有些14nm及以上產(chǎn)能卻不飽和
目前,全球半導(dǎo)體產(chǎn)能供不應(yīng)求,且業(yè)界普遍預(yù)期產(chǎn)能短缺情況會延續(xù)到2022~2023年。缺芯最缺的是哪種芯片?
代工廠的行動最能說明答案。中國臺灣和大陸地區(qū)的多家知名半導(dǎo)體廠相繼宣布建設(shè)新的12英寸晶圓廠,這其中以擴(kuò)產(chǎn)12吋28納米以下制程為主,主要輻射到5G智能手機(jī)配件、數(shù)據(jù)中心邊緣運(yùn)算、電動車與自動駕駛等缺芯現(xiàn)象突出的領(lǐng)域。
來自芯片行業(yè)的專業(yè)消息稱,大陸目前產(chǎn)能最緊張的產(chǎn)能不是14nm,或者7nm工藝,而是55nm。
一線代工廠28nm產(chǎn)能已經(jīng)排到明年
盡管國內(nèi)龍頭中芯國際,已經(jīng)實(shí)現(xiàn)14nm的大規(guī)模量產(chǎn),但是由于客戶、設(shè)備、材料的不確定性,中芯國際最近披露的月財(cái)報(bào)顯示,14/28nm工藝在2020年第四季度收入占比下降至5%,低于三季度的14.6%。也就是說,中芯國際14nm 產(chǎn)線在全面缺芯的情況下,產(chǎn)能目前反而是不飽和的。
臺積電剛剛公布2021年第一季度工藝節(jié)點(diǎn)收入:7nm占所有收入的35%,而5nm現(xiàn)在占14%。數(shù)據(jù)表明臺積電的5nm收入在減少,反而是較老的工藝節(jié)點(diǎn)需求仍然強(qiáng)勁,其中28nm及以上工藝占公司占據(jù)收入最高的37%。
為什么28nm產(chǎn)能需求如此強(qiáng)勁?
目前典型芯片工藝的設(shè)計(jì)成本:7nm芯片則需要2.71億美元;16nm /14nm芯片的平均IC設(shè)計(jì)成本約為8000萬美元;而28nm一般約為3000萬美元。
28nm制程處于晶圓工藝的先進(jìn)制程和成熟工藝結(jié)合點(diǎn),是整個產(chǎn)業(yè)毋庸置疑的成本性能控制最好的工藝。28nm在功耗設(shè)計(jì)、頻率控制、性能穩(wěn)定等方面具有明顯優(yōu)勢。
顯然是參考了目前國內(nèi)半導(dǎo)體現(xiàn)狀,最新的華為車載芯片,麒麟990A系列芯片使用了華為自研的泰山架構(gòu),采用穩(wěn)妥的28nm生產(chǎn)。
而且對于動輒投資超過百億美元的晶圓廠而言,制造工藝的成本和性能比,是運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。資本開支每代工藝節(jié)點(diǎn)增速平均達(dá)30%,比如每萬片月產(chǎn)能,在12英寸晶圓的初代節(jié)點(diǎn)90nm時,只需要4.8億美金資本開支,而進(jìn)入14nm則需要20億美金的資本開支,7nm則高達(dá)25億美金,資本開支每代節(jié)點(diǎn)增速達(dá)到30%。
28nm 是國產(chǎn)芯片產(chǎn)業(yè)鏈整體最接近破局的制程
我國的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈國產(chǎn)替代進(jìn)程一直穩(wěn)步推進(jìn),在設(shè)備和材料的國產(chǎn)替代上,很多方向上已經(jīng)開始突破28nm,比如中微的刻蝕產(chǎn)品在業(yè)內(nèi)開始領(lǐng)先,工藝節(jié)點(diǎn)甚至已經(jīng)達(dá)到 5nm,進(jìn)入臺積電的產(chǎn)線驗(yàn)證。
刻蝕和清洗設(shè)備,曾經(jīng)是美系半導(dǎo)體巨頭應(yīng)用材料和Lam的傳統(tǒng)優(yōu)勢領(lǐng)域,我們已經(jīng)可以從應(yīng)用材料和Lam的虎口里奪食了。
離子注入機(jī)、涂膠顯影設(shè)備,仍處于國產(chǎn)化突破前夕,支持到28nm制程的光刻機(jī),我們更是在日思夜盼。
半導(dǎo)體材料是中國半導(dǎo)體最薄弱環(huán)節(jié)之一,高度依賴進(jìn)口。目前在多個方向上,也開始有了一定國產(chǎn)化比例。
所以說,略顯落后的28nm,是我們整體半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)務(wù)實(shí)的第一目標(biāo)。
大陸目前的28nm產(chǎn)線規(guī)模的提升,相信會為更多的國產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備和材料帶來更多驗(yàn)證的機(jī)會,從而帶動整體產(chǎn)業(yè)鏈的升級,如果不是整體產(chǎn)業(yè)站穩(wěn)在28nm這個層級,即使往上突破,也存在很大風(fēng)險(xiǎn),因?yàn)槠渖a(chǎn)許可都是掌握在別人手里的。
28nm制造鏈上我們的企業(yè)已全面涉足,這意味著,假設(shè)最艱險(xiǎn)的時刻到來時,中國芯并非全無依仗。
7nm 制程是DUV工藝的極限,即使能量產(chǎn),也需付出成本和良率的代價
我們不能否認(rèn),中芯國際依靠目前能獲得的有限資源,正在做向7nm先進(jìn)制程延展的技術(shù)攻關(guān),這種突破當(dāng)然具有閃耀的意義。
DUV(深紫外光)光刻機(jī)使用的光源都是193nm波長的ArF excimer laser,EUV(極深紫外線)光刻機(jī)光源則是13.3nm的laser pulsed tin plasma。在EUV技術(shù)出現(xiàn)之前,技術(shù)人員利用 DUV光刻機(jī),通過把鏡頭放在水里、相移掩模、多重曝光的方法,一步步推進(jìn)芯片技術(shù)節(jié)點(diǎn),使得193nm浸沒式光刻可以實(shí)現(xiàn)到10nm甚至7nm的分辨率。
雖然通過復(fù)雜的DUV光刻多重曝光技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)7nm量產(chǎn)。但是,每多一次曝光都會增加生產(chǎn)工序,使得制造成本大大提升,而且良品率也難以控制。
例如臺積電的7nm制程,前兩代工藝N7、N7P就是基于DUV工藝,2018年度的華為麒麟980就是其代表作。
尤其是涉及到7nm,其設(shè)備、材料、EDA,這些七寸更加掌握在他人手里,中芯國際即使實(shí)現(xiàn)了 7nm 的量產(chǎn),因?yàn)闊o法面向某些伙伴客戶,其成本肯定無法與前三位大佬:臺積電、三星和英特爾競爭,無力獲取更多的國際訂單。
28nm是科技逆全球化趨勢下的安全區(qū)域
華為的遭遇使得我們早就看清,一定要準(zhǔn)備面臨最難的境地。
考慮到 28nm 工藝的廣泛性,在這條線上任何人試圖建立約束規(guī)則,顯然不太現(xiàn)實(shí)。ASML 首席執(zhí)行官Peter Wennink日前表示,出口管制不僅不能停止其技術(shù)進(jìn)步,而且還會損害自身經(jīng)濟(jì)。并且多次聲明DUV光刻技術(shù)的相關(guān)設(shè)備,不受限制。
14nm、10nm最近多次被提及,更別說7nm了,顯然這個點(diǎn)要被某些人設(shè)置成紅線,拉大我們與世界先進(jìn)的差距。這是國產(chǎn)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)必須面對的。中芯國際成熟14nm工藝的主要客戶高通和博通,就是因?yàn)橐恍┎淮_定性,而選擇轉(zhuǎn)單。
而28nm似乎成為了某種意義上的安全區(qū),而增添安全感的,不僅有因?yàn)閺V泛性,而仍在發(fā)揮作用半導(dǎo)體全球化根基,還有最重要的,是我們正在崛起的本土產(chǎn)業(yè)鏈。
生存是第一位的,“擁有”的才是珍貴的,“能用”的才是好用的,在艱難前行的路上,站穩(wěn)28nm 顯然意義非凡。
28nm哪里是什么落后工藝
以28nm工藝為代表的成熟工藝在未來的一段時間內(nèi),還將是眾多廠商維系利潤,能夠參與半導(dǎo)體先進(jìn)工藝研發(fā)的基礎(chǔ)。
聯(lián)電是一個很好的案例:
2018年,聯(lián)電做了一個決定:停止12nm以下先進(jìn)工藝的研發(fā),在晶圓代工市場上不再拼高制程技術(shù),專注28nm的產(chǎn)能及技術(shù)成熟度。專注28nm的聯(lián)電,目前成為炙手可熱的代工企業(yè)。
連三星的ISOCELL圖像傳感器和顯示驅(qū)動芯片,都需求著聯(lián)電代工。聯(lián)電也成功拿下高通、英偉達(dá)、德州儀器、意法半導(dǎo)體及索尼等大單,主要采用28nm、40nm或55nm等成熟制程,產(chǎn)品大多為模擬芯片。
28nm顯然不是什么落后工藝,仍然需要打磨。至于先進(jìn)制程,受制于研發(fā)成本、技術(shù)難度和潛在客源的雙重壓力,終將屬于少數(shù)的頂級玩家。
根據(jù)Gartner的統(tǒng)計(jì),2020年全球28nm芯片市場規(guī)模約94億美元,其中臺積電的48億美元已占據(jù)51%。而中芯國際2020年財(cái)報(bào)顯示28/14nm收入約4億美元左右,就是說即使是有些被瞧不起的28nm,我們也差得很遠(yuǎn)呢!
所以,一方面需要堅(jiān)持完善28nm甚至是40nm等成熟工藝,加緊完善供應(yīng)鏈,實(shí)現(xiàn)自我造血,另一方面,積極參與先進(jìn)工藝的研發(fā)和制造,保持與先進(jìn)制造的身位差距不要太大,才是我們的國產(chǎn)代工企業(yè)最恰當(dāng)?shù)牟呗浴?/p>
寫在最后
隨著半導(dǎo)體晶圓工藝不斷逼近極限,某些先發(fā)優(yōu)勢不斷被削減,這是晶圓的后來者廠商的歷史機(jī)遇。
國際化分工協(xié)作,全球共贏發(fā)展經(jīng)濟(jì)的好日子一去不復(fù)返了。先進(jìn)制程是我們追求的,但顯然不是我們急需的。目前我們的處境非常困難,仍需做最艱苦努力的準(zhǔn)備。
28nm 其實(shí)是大有可為,如果相關(guān)的國產(chǎn)化進(jìn)程取得突破,我們的市場規(guī)模和完善的工業(yè)體系,將凸顯優(yōu)勢效應(yīng),可以大膽預(yù)見:中國芯片鏈的崛起,是全球缺芯現(xiàn)象的決定性治愈因素,到那時,將我們排除在先進(jìn)半導(dǎo)體體系之外的任何舉措都是徒勞的。