迷你晶圓廠會(huì)擠占臺(tái)積電的市場(chǎng)嗎？

早在今年4 月1日，就報(bào)道日本推出的“迷你晶圓廠”（Minimal Fab），瞄準(zhǔn)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代少量、多樣的感測(cè)器需求，起價(jià)卻只要 5 億日元（0.3 億元人民幣），而以臺(tái)積電為例，蓋一座晶圓廠造價(jià)則高達(dá)610億人民幣。因此這種極具成本優(yōu)勢(shì)的新系統(tǒng)就成為了媒體眼中革命臺(tái)積電的“秘密武器”，可是真的如此嗎？

什么是迷你晶圓廠

在這種生產(chǎn)系統(tǒng)中，每臺(tái)外型流線、美觀的制造機(jī)臺(tái)，大小約與飲料自動(dòng)販賣機(jī)差不多，但各自具備洗凈、加熱、曝光等功能。每一臺(tái)機(jī)器，都相當(dāng)于一條半導(dǎo)體制造的生產(chǎn)線。一條“迷你晶圓廠”產(chǎn)線，所需的最小面積是大約是兩個(gè)網(wǎng)球場(chǎng)的大小。也僅是一座 12 寸晶圓廠的百分之一面積。因?yàn)槠洳恍枰獰o(wú)塵室，故而可以做到占地面積更小。正常情況下從提出需求到生產(chǎn)完成通常也需要五個(gè)月，到了7nm及以下有可能生產(chǎn)周期甚至長(zhǎng)達(dá)半年，而因?yàn)槊阅憔A廠不需要光罩，由此節(jié)約了大量時(shí)間，可能只需要十天左右就能制造出來(lái)，當(dāng)然產(chǎn)能比較小，一年可能五十萬(wàn)片這樣的產(chǎn)能。廠房機(jī)器設(shè)備成本更低，而生產(chǎn)周期更短，因此當(dāng)時(shí)就有媒體稱之為：“顛覆全球半導(dǎo)體業(yè)界的制造系統(tǒng)”。

這個(gè)是由日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省主導(dǎo)，由 140 間日本企業(yè)、團(tuán)體聯(lián)合開(kāi)發(fā)的新世代制造系統(tǒng)，目標(biāo)是透過(guò)成本與技術(shù)門(mén)檻的大幅降低，讓汽車與家電廠商能自己生產(chǎn)所需的半導(dǎo)體及感應(yīng)器，形同推翻臺(tái)積電董事長(zhǎng)張忠謀 30 年前所創(chuàng)的晶圓代工模式，重回早年飛利浦、Sony 等大廠都自己生產(chǎn)半導(dǎo)體的垂直整合時(shí)代。經(jīng)過(guò)數(shù)十年，各大半導(dǎo)體廠好不容易甩掉生產(chǎn)制造這個(gè)重包袱，而現(xiàn)在日本的這項(xiàng)計(jì)劃又要讓大家重新背上，負(fù)重前行。這個(gè)信心究竟來(lái)自哪里？

首先我們需要對(duì)半導(dǎo)體制造的流程有個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)和了解。在日本作家湯之上隆的書(shū)籍《失去的制造業(yè)，日本制造業(yè)的敗北》對(duì)于半導(dǎo)體制造流程有過(guò)簡(jiǎn)要的介紹：

制造半導(dǎo)體分為3個(gè)技術(shù)階段：1、組件技術(shù)；2、集成技術(shù)；3、批量生產(chǎn)技術(shù)。以存儲(chǔ)器為例，分別介紹這3個(gè)技術(shù)階段內(nèi)容。

1、組件技術(shù)

這是半導(dǎo)體制造工序的最小單位工藝技術(shù)。具體有以下技術(shù)：在硅片上形成薄膜的成膜技術(shù)，在其薄膜上形成抗蝕劑掩膜的光刻技術(shù)，按照刻蝕劑掩膜進(jìn)行加工的刻蝕技術(shù)，加工后去除殘?jiān)邦w粒（異物）的清潔技術(shù)，測(cè)定加工后的圖形尺寸以及檢測(cè)是否有缺陷等的檢測(cè)技術(shù)，等等。簡(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō)就是先在硅片表面形成一層薄膜，保護(hù)硅表面，然后如果要對(duì)某一具體位置進(jìn)行操作，這個(gè)就需要光刻技術(shù)把這個(gè)位置給挖出來(lái)，然后對(duì)這一位置進(jìn)行你要的操作，也就是刻蝕，之后再做清潔工作，最后就是檢查工作。通常需要25~30次反復(fù)進(jìn)行上述操作，才能在硅片上形成你所需要的3維結(jié)構(gòu)。

2、集成技術(shù)

將各種組件技術(shù)組合起來(lái)形成一套工藝流程的技術(shù)就是集成技術(shù)。對(duì)組件技術(shù)的組合可以有無(wú)窮多種，因?yàn)闆](méi)有限制每一組件技術(shù)的應(yīng)用次數(shù)。那如何衡量集成技術(shù)的好壞呢？這也正是集成技術(shù)的難度所在，如何在短時(shí)間內(nèi)完成從無(wú)限的組件技術(shù)組合中，制造低成本、滿足規(guī)格且能流暢運(yùn)行的工藝流程。

研發(fā)人員通常碰到的問(wèn)題是很難根據(jù)最先的計(jì)劃流程生產(chǎn)出可用的存儲(chǔ)器，此時(shí)就需要及時(shí)作出調(diào)整，有時(shí)甚至需要重新設(shè)計(jì)來(lái)過(guò)。因此一個(gè)好的集成技術(shù)人員對(duì)于企業(yè)而言也可謂是一至寶。

3、批量生產(chǎn)技術(shù)

研發(fā)中心將設(shè)計(jì)出來(lái)的工藝流程轉(zhuǎn)交給批量生產(chǎn)部門(mén)，這里就涉及到一個(gè)工藝復(fù)制的問(wèn)題。我們把基于相同設(shè)備的復(fù)制稱為精確復(fù)制，而如果對(duì)于設(shè)備不同的進(jìn)行復(fù)制則稱為基本復(fù)制。其實(shí)根本沒(méi)有精確復(fù)制，即使是相同型號(hào)的設(shè)備，在出廠時(shí)也會(huì)存在微小的性能差異，這個(gè)稱為機(jī)差。尤其是現(xiàn)在進(jìn)入納米工藝時(shí)代，機(jī)差的影響越來(lái)越不容忽視。

通常用成品率作為批量生產(chǎn)的指標(biāo)。成品率是指生產(chǎn)出來(lái)的合格產(chǎn)品所占的比率。如果最終的成本品太低，則需要返回到集成技術(shù)階段，再不行甚至需要重新改變組件技術(shù)。通常，從研發(fā)中心最初制定的工藝流程到形成能使批量生產(chǎn)工廠獲得高成品率的工藝流程，通常需要5~10次反復(fù)。

理解了半導(dǎo)體的制造流程內(nèi)容我們?cè)賮?lái)做進(jìn)一步分析。根據(jù)前述媒體分析，優(yōu)勢(shì)有以下幾項(xiàng)：1、“迷你晶圓廠”成本低，臺(tái)積電蓋一座晶圓廠造價(jià)高達(dá) 3 千億新臺(tái)幣（約合610億人民幣），而迷你晶圓廠只要0.3億人民幣；2、體積小，不需要無(wú)塵室；3、不需要光罩，可大幅減少生產(chǎn)時(shí)間，同時(shí)還可大幅降低成本，還舉了一個(gè)例子：芯片從晶圓上切割下來(lái)，大約 1 平方公分大小，“迷你晶圓廠”的年產(chǎn)量大約是 50 萬(wàn)個(gè)，一般的 12 寸晶圓廠則是兩億個(gè)。如果只生產(chǎn) 1 萬(wàn)個(gè)，市面上每一芯片要收 1 萬(wàn)日元，但“迷你晶圓廠”只要收 1，200 日元。看起來(lái)迷你晶圓廠似乎真的能帶來(lái)新的革命，但真的那么美好嗎？

迷你晶圓廠真的能帶來(lái)革命嗎？

這里分析下上述所列的幾項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，是否真的存在。迷你晶圓廠對(duì)于大廠而言，肯定是毫無(wú)吸引力的，因?yàn)樵O(shè)計(jì)大廠出貨量大，小晶圓廠的產(chǎn)能是無(wú)法滿足他們的需求的。因此迷你晶圓廠瞄準(zhǔn)的就是中小型芯片設(shè)計(jì)廠，但是一座晶圓廠的成本不僅在于其制造成本，還有其生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本、設(shè)備維護(hù)成本、土地租金以及管理成本等，后面這些成本加起來(lái)恐怕早已超過(guò)了晶圓廠本身的制造成本。

其次“迷你晶圓廠”不需要無(wú)塵室，那請(qǐng)問(wèn)如果生產(chǎn)良率太低，那人們又該如何進(jìn)入機(jī)器內(nèi)部進(jìn)行觀察，及時(shí)調(diào)整組件技術(shù)或是調(diào)整各組件計(jì)算之間的排列組合，這種調(diào)整到目前為止還沒(méi)辦法用機(jī)器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化調(diào)整，必須要有人工干預(yù)。芯片良率問(wèn)題一直以來(lái)都是芯片廠商長(zhǎng)期困擾的一個(gè)問(wèn)題，依靠小型迷你晶圓廠究竟能達(dá)到怎樣的良率，這其中涉及到精密的組件技術(shù)和排列組合復(fù)雜多樣的集成技術(shù)。這個(gè)就夠小型“迷你晶圓廠”喝一壺了。

還有迷你晶圓廠不需要用到光罩，那究竟迷你晶圓廠的工藝制造能達(dá)到什么樣的水平，這里就要打一個(gè)大大的問(wèn)號(hào)了。如果只是達(dá)到180或130nm這樣的水平，那這種競(jìng)爭(zhēng)力是上不了臺(tái)面的，如果能達(dá)到10nm工藝，那則另說(shuō)。但是目前要進(jìn)入10nm工藝的廠商也寥寥無(wú)幾，沒(méi)個(gè)十幾年積累，就想瞬間彎道超車，也不太現(xiàn)實(shí)。

最后簡(jiǎn)單計(jì)算單個(gè)芯片造價(jià)的方式本身就是一種誤解，芯片產(chǎn)業(yè)從來(lái)都是一個(gè)講究規(guī)模經(jīng)濟(jì)的產(chǎn)業(yè)，要理解一點(diǎn)，芯片和互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品一樣，有著幾乎為0的邊際成本，當(dāng)產(chǎn)量大的時(shí)候，多生產(chǎn)一塊芯片和少生產(chǎn)一塊芯片，對(duì)于設(shè)計(jì)廠商而言成本幾乎是一樣的。所以要說(shuō)50萬(wàn)片的競(jìng)爭(zhēng)力確實(shí)有限。

最后指一下一個(gè)認(rèn)知上的誤區(qū)，未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，并不是意味著會(huì)有各種各樣定制化的芯片會(huì)出現(xiàn)，因?yàn)樾酒陨淼募商匦詻Q定了萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代芯片會(huì)走向的格局是大一統(tǒng)，而先進(jìn)制程的芯片會(huì)去侵噬落后制程的芯片市場(chǎng)，就像先進(jìn)的工業(yè)文明去侵略落后的農(nóng)耕文明一樣。我們?cè)谶@里做個(gè)計(jì)算，大家就能有些感受。以明年臺(tái)積電量產(chǎn)7nm工藝為例，使用7nm工藝其尺寸是現(xiàn)在主流工藝28nm的四分之一，而集成度就是其16倍，因此其成本可以是其十六分之一，成本可以低這么多，即使在芯片中刻意為增加新的功能而提高其面積依然具有很大的優(yōu)勢(shì)，或者甚至浪費(fèi)掉一些功能，也依然有很大的成本優(yōu)勢(shì)。因此所謂的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代芯片需求多樣化，帶來(lái)的芯片種類多樣化本身就是一個(gè)偽命題。

未來(lái)隨著工藝制程進(jìn)入到7nm，甚至到5nm，企業(yè)與企業(yè)之間的設(shè)計(jì)能力差距不是越來(lái)越小，而是越來(lái)越大，因?yàn)檎嬲心芰κ褂孟冗M(jìn)工藝流片的企業(yè)越來(lái)越少，而擁有先進(jìn)設(shè)計(jì)能力的企業(yè)依靠先進(jìn)制程對(duì)付設(shè)計(jì)能力一般的企業(yè)那簡(jiǎn)直就是秋風(fēng)掃落葉。

對(duì)于“迷你晶圓廠”未來(lái)的市場(chǎng)，個(gè)人認(rèn)為是比較悲觀的。迷你晶圓廠能否找到一個(gè)利基市場(chǎng)抵擋住來(lái)自先進(jìn)制程芯片的攻擊成為其未來(lái)的重中之重。筆者認(rèn)為“迷你晶圓廠”更多是一種補(bǔ)充，而不是一種挑戰(zhàn)，也許更適合科研機(jī)構(gòu)用于研究使用。