我國半導(dǎo)體的成熟制程面臨哪些挑戰(zhàn)

　　近日，行業(yè)環(huán)境變動將對先進制程的討論推向風(fēng)口浪尖的同時，也將大眾的目光再度聚焦在成熟制程上。

　　在當下的博弈時刻，回歸成熟制程確實被不少業(yè)內(nèi)人士認為是更具有現(xiàn)實意義的舉措。類似的觀點中國工程院院士、浙江大學(xué)微納電子學(xué)院院長吳漢明也早有提及，在去年的高峰論壇上，他表示，相比完全進口的7納米，本土可控的55納米意義更大。

　　那么，當下回歸成熟制程有多重要？以及我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)要想在成熟制程領(lǐng)域做強還需要突破哪些困難？

　　成熟制程，可滿足大部分應(yīng)用場景

　　我們可以從應(yīng)用場景、技術(shù)水平以及經(jīng)濟成本這三個維度來看成熟制程的重要程度。

　　首先是應(yīng)用場景，該半導(dǎo)體行業(yè)資深人士打了個比方，“媒體關(guān)注先進制程就如同大眾關(guān)注奧運冠軍”，但回歸現(xiàn)實，絕大多數(shù)普通人并不需要跑那么快，大部分的電子應(yīng)用也根本不需要先進制程，更多需要28納米、90納米、130納米等成熟制程。

　　比如中小容量的存儲芯片、模擬芯片、MCU、電源管理芯片、模數(shù)混合芯片、CMOS 傳感器、傳感器等主要采用成熟制程。在應(yīng)用層面，受益于下游新能源汽車、新一代通信技術(shù)、安防、云計算等領(lǐng)域的快速發(fā)展，射頻、功率半導(dǎo)體等使用成熟制程的芯片需求量大增。

　　事關(guān)國家安全的國防領(lǐng)域也并不需要先進制程。因為這些芯片對運算速度和空間的要求沒有那么高，而是更強調(diào)在極端環(huán)境下的穩(wěn)定性和可靠性，所以主要采用成熟制程的芯片。

　　哪個應(yīng)用領(lǐng)域需要先進制程呢？手機的處理器芯片。隨著手機成為生活、辦公、娛樂都必不可缺的終端設(shè)備，人們對手機的性能要求也越來越高，因此手機芯片既需要運算速度快，又得功耗低、功能齊全。

　　其次，在技術(shù)水平上，顧名思義，成熟制程各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的技術(shù)都要比先進制程更成熟。

　　目前業(yè)界普遍將28納米作為成熟制程和先進制程的分水嶺，28納米及以上為成熟制程，28納米以下則為先進制程，這其中關(guān)鍵的考量因素就是技術(shù)成熟度。

　　臺積電在2011年時就率先實現(xiàn)了28納米芯片的量產(chǎn)，這意味著，到今天為止，28納米芯片的制造技術(shù)經(jīng)歷了超過十年的驗證，因此，無論是在良率還是產(chǎn)業(yè)鏈完善程度上，都有所保障。

　　目前全球各大晶圓代工廠28納米制程的良率大多在90%以上，但是隨著制程越往前推進，良率越低，比如，三星4納米制程只有35%的良率，目前3nm良率僅維持在10%~20%之間。

　　良率直接與晶圓廠的利潤掛鉤。半導(dǎo)體材料廠商Entegris中國銷售副總裁張凱翔此前在接受采訪時表示，對于3D NAND晶圓廠而言，1%的良率提高可能意味著每年1.1億美元凈利潤的增加；對于尖端的邏輯晶圓廠而言，1%的良率提升則意味著每年1.5億美元凈利潤的增加。

　　產(chǎn)業(yè)鏈層面，對我國最現(xiàn)實的影響，就是光刻環(huán)節(jié)不必依賴ASML的EUV光刻機。7納米到3納米的芯片制造需要用到EUA光刻機，這種設(shè)備只有荷蘭的ASML能生產(chǎn)，不過ASML的EUV技術(shù)受控于美國；但是0.13微米到7納米使用的是DUV光刻機，除了ASML之外，日本的Nikon和Canon也能生產(chǎn)。

　　此外，在刻蝕、沉積、離子注入等其他工藝環(huán)節(jié)上，上海微電子、北方華創(chuàng)、沈陽拓荊、中微公司、中科信、華海清科等國產(chǎn)設(shè)備商的產(chǎn)品已基本可以滿足國內(nèi)成熟制程的制造需求。

　　國產(chǎn)設(shè)備可基本滿足國內(nèi)成熟制程的制造需求資料來源：中國臺灣工研院、Gartner、方正證券研究所，制圖：芯師爺

　　最后在經(jīng)濟帳上，制程越往前推進，成本越高。吳漢明曾給過一個數(shù)據(jù)，搭建一個32nm芯片的產(chǎn)線，建廠成本需要45億美元，研發(fā)成本需要9億美金，設(shè)計成本需要1億美金；而到了16nm階段，晶圓廠的建設(shè)成本會去到90億美元，研發(fā)成本增加到18億美元，設(shè)計成本漲到22億美元，整體成本較之32納米產(chǎn)線翻了一番。

　　這些前期投入成本最終都會分攤到芯片造價上，但是并非所有的電子設(shè)備都像蘋果手機一樣有足夠的銷量及價格空間來支撐高端芯片的運用。因此，更具有性價比的成熟制程芯片才是大多數(shù)電子應(yīng)用的首選。總結(jié)一下，重視成熟制程的發(fā)展對于我國邁向半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)強國至關(guān)重要，主要是因為：

　　● 在應(yīng)用領(lǐng)域上，成熟制程能滿足大多數(shù)電子設(shè)備以及國防設(shè)備的智能化需求。

　　● 在技術(shù)水平上，成熟制程比先進制程更加穩(wěn)定、可靠且產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)更加完備。

　　● 在經(jīng)濟成本上，對于量產(chǎn)規(guī)模不大、售價不高的中低端電子設(shè)備而言，成熟制程的芯片更具有性價比。

　　當然，還有一個重要原因，就是我們半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)成熟制程的精良程度還遠遠不夠。

　　成熟制程，困在工藝里

　　首先需要明確的是，我們芯片產(chǎn)業(yè)目前的成熟工藝處于什么樣的水平？根據(jù)方正證券研究所整理的數(shù)據(jù)，2020年全球各地區(qū)晶圓產(chǎn)能按制程拆分來看，中國大陸在28納米以上制程的占比最高，其中在28-45納米段是僅次于中國臺灣的第二大產(chǎn)能供給地。

　　不過，這其中的產(chǎn)能貢獻，外資晶圓代工廠占據(jù)了半壁江山。根據(jù)市場調(diào)研機構(gòu) Counterpoint Research 的統(tǒng)計，2020年40nm 及以上成熟制程的全球市占率，中國大陸排名第一的中芯國際僅占 11%。這也意味著，在成熟制程的自主產(chǎn)能上，我國的全球市場占比還比較低。

　　另外，在制造設(shè)備上，“28納米制程能夠?qū)崿F(xiàn)完全國產(chǎn)化依舊是一個很大的挑戰(zhàn)。”上述半導(dǎo)體行業(yè)資深人士表示，“2017年以前，因為在市場上很容易買到國外設(shè)備，所以相比較前期投入研發(fā)以及培育人才，國內(nèi)工廠更愿意依賴進口，這也導(dǎo)致了國產(chǎn)化開始發(fā)力時，技術(shù)、人才各方面的積累不夠，還需要花時間扎扎實實地做起來?！?/p>

　　據(jù)方正證券研究所梳理，2020年國內(nèi)晶圓廠（包含三星、臺積電等晶圓廠的設(shè)備采購）設(shè)備采購總額約為154億美元，其中國產(chǎn)設(shè)備采購額僅為9.9億美元，占比7%。

　　技術(shù)、人才、市場都是我們在做精成熟工藝路上需要加強的環(huán)節(jié)。

　　技術(shù)層面，努力實現(xiàn)設(shè)備國產(chǎn)自給的觀點早已成為共識，但我們通常會忽略工藝層面的提升同樣至關(guān)重要。設(shè)備自給與否決定了我們能不能生產(chǎn)，而工藝精良與否決定了我們能不能生產(chǎn)好。

　　“技術(shù)本身也是一個生態(tài)，有了設(shè)備之后，怎么通過工藝去提升良率，需要晶圓廠商同設(shè)備廠商進行緊密溝通，共同開發(fā)，不斷試錯、調(diào)整，這個過程非常花時間，也是我們的短板?！鄙鲜霭雽?dǎo)體行業(yè)資深人士介紹道。

　　人才是技術(shù)生態(tài)中不可或缺的重要一環(huán)。以模擬和射頻芯片為例，大部分的的模擬和射頻芯片，包括運用在汽車和手機上的，全球都不需要使用到先進制程，而是采納28納米、65納米甚至90納米等的成熟制程。

　　但這其中卻對IC設(shè)計人才有著極高的要求，因為模擬和射頻芯片不是由純粹的數(shù)字和邏輯組成的，需要各種精巧的電路設(shè)計?！斑@方面人才，國內(nèi)是奇缺，因為不僅要求設(shè)計師具備十幾二十年的經(jīng)驗，而且水平要求很高?！痹摪雽?dǎo)體行業(yè)資深人士表示。

　　同時，模擬和射頻芯片的設(shè)計跟相應(yīng)的制造工藝有很深的結(jié)合，需要設(shè)計人員和廠商共同來調(diào)試產(chǎn)品。在這方面，國外的IDM巨頭由于設(shè)計和制造是一體的，因此內(nèi)部進行協(xié)調(diào)優(yōu)化的過程非常方便。但是國內(nèi)的芯片制造模式多是設(shè)計公司和晶圓廠分開，因此更依賴設(shè)計人員的經(jīng)驗。

　　市場競爭上，國內(nèi)晶圓廠作為芯片制造領(lǐng)域的后發(fā)者并不如領(lǐng)先的巨頭具備更多的價格優(yōu)勢。打個比方，臺積電在2011年就率先實現(xiàn)28納米的量產(chǎn)，而中芯國際是在2015年，這意味著臺積電的設(shè)備折舊提完，而中芯國際卻還在面臨計提設(shè)備折舊的問題。

　　因此，臺積電可以制定更低的價格來搶奪市場份額，打壓競爭對手。事實上，這也是臺積電最早采取的策略——在先進制程上定價很高，對成熟制程反而定價很低，讓競爭對手難以盈利，最終沒有足夠的資金投入到研發(fā)上的。

　　中芯國際趙海軍就曾表示，憑借折舊周期以及良率優(yōu)勢，臺積電28nm產(chǎn)品的價格給中芯國際帶來非常大的壓力。

　　同樣道理，在其他購買不受限制的半導(dǎo)體設(shè)備領(lǐng)域，國產(chǎn)設(shè)備也面臨著國外設(shè)備的激烈競爭。在國產(chǎn)設(shè)備還不夠成熟，操作上尚需不斷調(diào)試的爬坡階段，國產(chǎn)晶圓代工廠自然而然會更偏向性價比更高的外國設(shè)備。

　　目前我國在成熟制程上的設(shè)備自給率依舊比較低，同時成熟工藝的精進面臨著技術(shù)、人才、市場這三個主要方面的挑戰(zhàn)。

　　● 技術(shù)層面，除了設(shè)備自給率比較低外，與設(shè)備相配合的工藝也有待磨合提升。

　　● 人才層面，迫切需要經(jīng)驗豐富、水平高的研發(fā)人才。

　　● 市場層面，需要扛住領(lǐng)域巨頭的價格狙擊戰(zhàn)。

　　寫在最后

　　回歸成熟制程再造并不意味就止步于成熟制程。這是在現(xiàn)階段先進制程受到牽制的情況下，一種比較務(wù)實的戰(zhàn)略選擇，同時也符合我國目前成熟制程自主產(chǎn)能相比占比較低，設(shè)備國產(chǎn)化率仍有待提高的現(xiàn)狀，是成熟制程從產(chǎn)業(yè)鏈基本具備走向產(chǎn)業(yè)制造工藝精良的必經(jīng)之路。

　　另一方面，在成熟制程基礎(chǔ)上進行芯片性能提升的空間同樣相當大。比如，通過將多個成熟工藝制程的模塊拼裝在一起Chiplet技術(shù)，也能接近先進制程芯片的部分性能。

　　最后，回歸成熟制程再造的同時，也需要吹響對先進制程的攻堅號角。只不過對于兩者，應(yīng)該分別對待，在推動成熟制程發(fā)展上，既需要在政策上給予各種補貼幫助，又需要引入市場化的力量推動。而在推動先進制程的突破上，更需要政府牽頭研發(fā)機構(gòu)，匯聚最頂尖的人才、技術(shù)，共同攻堅，共享成果。

編輯：黃飛