先進(jìn)制程工藝止步14nm制程的原因有哪些？

在技術(shù)迭代速度方面，半導(dǎo)體制程工藝步入14/16nm節(jié)點(diǎn)之后，需要采用FinFET工藝來抑制晶體管漏電和可控度降低的問題，由此導(dǎo)致技術(shù)開發(fā)難度和資本投入都大幅度增加，因此，這一門檻也被視為先進(jìn)制程技術(shù)的準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)。

14nm制程主要用于中高端AP/SoC、GPU、礦機(jī)ASIC、FPGA、汽車芯片等，對(duì)于各廠商而言，該制程也是收入的重要來源。

目前，具備14nm FinFET制程量產(chǎn)能力的晶圓廠主要有以下幾家：臺(tái)積電、三星、英特爾、格芯（GlobalFoundries）、聯(lián)電和中芯國(guó)際。而這些廠商都曾經(jīng)被14nm制程“卡脖子”：臺(tái)積電被三星“卡”了一下，量產(chǎn)時(shí)間落后于對(duì)方；格芯和聯(lián)電的FinFET工藝都止步于14nm；英特爾則多年依靠14nm打天下，等待10nm制程量產(chǎn)；中芯國(guó)際的情況大家都懂。

01

三星阻擊臺(tái)積電

三星與臺(tái)積電的全面競(jìng)爭(zhēng)要追溯到早些年14nm制程的量產(chǎn)。

三星于2015年宣布正式量產(chǎn)14nm FinFET制程，先后為蘋果和高通代工過高端手機(jī)處理器。

2015~2016年，隨著14nm制程的逐步成熟，三星從臺(tái)積電那里奪得了不少大客戶訂單，收入頗豐。彼時(shí)的智能手機(jī)市場(chǎng)處于平臺(tái)期（開始出現(xiàn)衰退，但對(duì)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的影響有滯后效應(yīng)），對(duì)于相關(guān)芯片的需求量還是比較旺盛。這兩方面因素，使得三星晶圓代工業(yè)務(wù)在2016年出現(xiàn)了大幅度增長(zhǎng)。

稍微落后于三星，臺(tái)積電于2015下半年量產(chǎn)16nm FinFET制程。與三星和英特爾相比，盡管它們的節(jié)點(diǎn)命名有所不同，三星和英特爾是14nm，臺(tái)積電是16nm，但在實(shí)際制程工藝水平上處于同一世代。臺(tái)積電的16nm有多個(gè)版本，包括16nm FinFET、16nm FinFET Plus技術(shù)（16FF +）和16nm FinFET Compact技術(shù)（16FFC）。

量產(chǎn)后，臺(tái)積電16nm FinFET制程逐步追趕并超過當(dāng)時(shí)在14nm工藝技術(shù)最強(qiáng)的英特爾。

而到了2017年，隨著臺(tái)積電16nm制程的進(jìn)一步成熟，三星部分大訂單又被臺(tái)積電搶了回去；此外，全球智能手機(jī)市場(chǎng)全面衰退，其負(fù)面效應(yīng)也開始顯現(xiàn)，對(duì)相關(guān)先進(jìn)制程芯片的需求大減。這兩個(gè)因素導(dǎo)致三星晶圓代工業(yè)務(wù)在2017年銷售額同比增幅（4%）大幅下降。

02

特色工藝雙雄止步14nm FinFET

與臺(tái)積電和三星你追我趕地追求先進(jìn)制程工藝領(lǐng)先地位不同，格芯和聯(lián)電不約而同地將發(fā)展策略放在了特色工藝上，同時(shí)放棄了10nm及更先進(jìn)制程的研發(fā)，在FinFET工藝方面，這兩家在14nm處達(dá)到了頂峰。

在全球五大晶圓代工廠商中，格芯的歷史最短（成立于2009年），是脫胎于傳統(tǒng)的IDM公司AMD，在經(jīng)過了一系列的分拆、整合、并購(gòu)和更名以后，形成了今天的格芯。

雖然有中東母公司的巨額投入，但格芯的盈利能力一直難以令人滿意。2018年，該公司正式對(duì)外宣布，放棄10nm及更先進(jìn)制程技術(shù)的研發(fā)，將精力放在特色工藝技術(shù)研發(fā)，特別是SOI工藝技術(shù)上來。之后，該公司先后出售了幾項(xiàng)業(yè)務(wù)，以將資源集中于核心業(yè)務(wù)。

格芯制定了兩條工藝路線圖：一是FinFET，這方面，該公司有14LPP和新的12LPP；二是FD-SOI。格芯的14nm制程產(chǎn)線位于美國(guó)紐約州馬耳他，這里除了14nm，還有28nm的。主要用于代工高端處理器。目前來看，14nm產(chǎn)能占其總營(yíng)收的比例較小。

聯(lián)電與格芯的策略非常相似，也于2018年宣布不再投入14nm FinFET以下先進(jìn)制程技術(shù)的研發(fā)，將主要精力放在特色工藝技術(shù)和優(yōu)化客戶服務(wù)水平上。這樣做，可以避開與臺(tái)積電硬碰硬式的競(jìng)爭(zhēng)，提升資金利用效率。

聯(lián)電的14nm FinFET制程于2017年初開始量產(chǎn)，該公司還開發(fā)了第二套14nm平臺(tái)，但是，在繼續(xù)投資14nm制程方面，該公司持保守態(tài)度，因此，聯(lián)電的14nm制程營(yíng)收占比只有3%左右，并不是其主力產(chǎn)線。

03

英特爾的苦惱

自2015年正式推出14nm制程后，英特爾對(duì)其依賴了4年的時(shí)間，該制程也為這家半導(dǎo)體巨頭帶來了非?？捎^的收入。從Skylake（14nm）、Kaby Lake（14nm+）、Coffee Lake（14nm++），到2018年推出的14nm+++，該公司一直在保持對(duì)14nm制程的更新。而英特爾原計(jì)劃在2016年推出10nm，但經(jīng)歷了多次延遲，2019年才姍姍來遲，從這里也可以看出該公司對(duì)14nm制程的倚重程度。

在依靠14nm制程打天下的那個(gè)時(shí)段，產(chǎn)能不足是令英特爾最為頭疼的問題，不僅給該公司，還給其主要客戶，如戴爾、惠普和聯(lián)想等帶來了不少麻煩，2019年，因?yàn)橛⑻貭栠t遲不能交貨，使得戴爾等PC廠商不得不改變事先制定好的產(chǎn)品上市策略和節(jié)奏。這對(duì)雙方都是件尷尬的事。

14nm產(chǎn)能不足的問題不僅僅出現(xiàn)在2019年，在更早的時(shí)間就有苗頭，只是問題在2018和2019年較為集中地爆發(fā)出來。之所以如此，一方面是因?yàn)橛⑻貭枌?duì)先進(jìn)制程工藝的要求較為嚴(yán)苛，對(duì)“摩爾定律”高度摩拜，幾乎是一絲不茍地按照每18~24個(gè)月，將CPU的晶體管數(shù)量和性能提升一倍的規(guī)律進(jìn)行，在很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)是不打折扣的，這種策略與晶圓代工廠還是有區(qū)別的。畢竟彼時(shí)的英特爾是傳統(tǒng)的IDM模式，芯片的生產(chǎn)制造是一個(gè)完全面向內(nèi)部的閉環(huán)系統(tǒng)，不需要面對(duì)各種各樣的Fabless客戶需求壓力。

另外，在堅(jiān)定不移地遵循“摩爾定律”的情況下，英特爾對(duì)先進(jìn)制程（10nm及7nm）的研發(fā)困難程度預(yù)估不足，導(dǎo)致10nm制程經(jīng)過5年多的攻關(guān)才進(jìn)入初步量產(chǎn)階段。這也是導(dǎo)致其14nm產(chǎn)能不足的一個(gè)重要原因，因?yàn)樵摴驹?0nm上投入了大量資源，本來認(rèn)為會(huì)按照事先制定的時(shí)間表量產(chǎn)，但事與愿違，量產(chǎn)時(shí)間一拖再拖，這打亂了該公司先進(jìn)制程發(fā)展節(jié)奏，從而對(duì)14nm的推進(jìn)產(chǎn)生了影響。因此，2018和2019年不斷傳出其14nm制程CPU要找外部晶圓代工廠代工生產(chǎn)的消息。

到了2019年11月，外媒稱，英特爾將部分CPU的生產(chǎn)訂單外包給了三星，這在很大程度上緩解了其14nm產(chǎn)能不足的問題。

04

中國(guó)大陸14nm制程一路坎坷

相對(duì)于美、韓和中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)，中國(guó)大陸在14nm制程方面是絕對(duì)的跟隨者，中芯國(guó)際經(jīng)過多年的研發(fā)努力，取得了突破。

2019年初，中芯國(guó)際14nm FinFET進(jìn)入客戶驗(yàn)證階段，2019年第二季度在上海工廠投入新設(shè)備，下半年進(jìn)入量產(chǎn)階段。

2019年2月，中芯國(guó)際聯(lián)席首席執(zhí)行官梁孟松指出：“我們努力建立先進(jìn)工藝全方位的解決方案，特別專注在FinFET技術(shù)的基礎(chǔ)打造，平臺(tái)的開展，以及客戶關(guān)系的搭建。目前，中芯國(guó)際14nm技術(shù)進(jìn)入客戶驗(yàn)證階段，產(chǎn)品可靠度與良率已進(jìn)一步提升。同時(shí)，12nm的工藝開發(fā)也取得突破?！?/p>

據(jù)悉，中芯國(guó)際14nm制程量產(chǎn)主要分三個(gè)階段：第一階段是成本>ASP，第二階段成本與 ASP相抵，第三階段成本

在2020年11月召開的第三財(cái)季說明會(huì)上，談到先進(jìn)制程進(jìn)展時(shí)，中芯國(guó)際表示：14nm良率已達(dá)業(yè)界量產(chǎn)水準(zhǔn)，公司將持續(xù)提升產(chǎn)品和服務(wù)競(jìng)爭(zhēng)力，引入更多國(guó)內(nèi)外客戶。第二代先進(jìn)工藝技術(shù)“N+1”穩(wěn)步推進(jìn)，正在做客戶產(chǎn)品驗(yàn)證，已進(jìn)行小量試產(chǎn)階段，產(chǎn)品應(yīng)用主要為高性能運(yùn)算，相對(duì)第一代，第二代技術(shù)平臺(tái)以低成本、客制化為導(dǎo)向，第二代相較14nm性能提升20%，功率減少57%，邏輯面積減少63%，集成系統(tǒng)面積減少55%。公司正在與海內(nèi)外客戶合作10多個(gè)先進(jìn)工藝流片項(xiàng)目，包含14nm及更先進(jìn)工藝技術(shù)。

產(chǎn)能計(jì)劃方面，中芯國(guó)際一直秉持謹(jǐn)慎規(guī)劃原則，以市場(chǎng)和客戶需求為導(dǎo)向，統(tǒng)籌計(jì)劃與布建，先進(jìn)制程產(chǎn)能規(guī)模相對(duì)較小。?

而在中國(guó)大陸，無論是從芯片的量，還是對(duì)先進(jìn)制程的渴求程度，華為海思無疑是排在首位的，這也與中芯國(guó)際14nm制程量產(chǎn)第一階段的目標(biāo)非常吻合。由于受到美國(guó)貿(mào)易限制，海思來自于臺(tái)積電16nm制程芯片的代工產(chǎn)能難以保證，導(dǎo)入中芯國(guó)際是必然選擇。

在實(shí)現(xiàn)14nm制程量產(chǎn)后，由于美國(guó)加緊了對(duì)中國(guó)大陸晶圓廠購(gòu)買美日歐先進(jìn)半導(dǎo)體設(shè)備的限制，使得中芯國(guó)際無法得到EUV***，因此，發(fā)展到14nm后，要想在更先進(jìn)制程量產(chǎn)方面更進(jìn)一步，非常困難。

05

結(jié)語

目前，先進(jìn)制程已經(jīng)發(fā)展到了3nm，三星和臺(tái)積電分別于2022上半年和下半年宣布量產(chǎn)。相對(duì)而言，14nm制程已經(jīng)很難被稱為先進(jìn)制程，其在前文提到的各大晶圓廠營(yíng)收中的占比也在逐年下降。

雖然不像成熟制程（28nm及以上）那樣具有廣闊且穩(wěn)定的市場(chǎng)，也不像最先進(jìn)制程（7nm及以下）那么吸引眼球，但14nm依然是不可或缺的，它似乎是一個(gè)沙漏的中間部分，雖然很細(xì)，不像兩頭（成熟制程和最先進(jìn)制程）那么顯眼，卻是必不可少的，沒有它，整個(gè)沙漏將無法工作。

編輯：黃飛

?