28nm工藝在芯片制造領(lǐng)域的地位

成熟工藝芯片有巨大市場(chǎng)，中國(guó)大陸芯片代工廠要補(bǔ)的功課不少

文| 陳伊凡 周源

編輯 | 謝麗容

據(jù)金融時(shí)報(bào)報(bào)道，華為將在上海建設(shè)一家45nm（納米，納米級(jí)芯片工藝）工藝起步且不使用美國(guó)技術(shù)的芯片工廠，計(jì)劃在2021年年底為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備制造28nm芯片，且預(yù)計(jì)在2022年底之前為5G設(shè)備供應(yīng)20nm芯片。

該報(bào)道稱，由于華為此前并沒有制造芯片的經(jīng)驗(yàn)，因此該工廠將由上海市政府支持的上海集成電路研發(fā)中心有限公司（ICRD）運(yùn)營(yíng)。

對(duì)此華為未予置評(píng)。無(wú)論華為是否實(shí)質(zhì)性涉足不使用美國(guó)技術(shù)的芯片制造領(lǐng)域，中國(guó)芯片制造業(yè)正加快追趕更高工藝，已是不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。

也在近期，全球半導(dǎo)體代工巨頭臺(tái)積電（NYSE:TSM）發(fā)布了三季度財(cái)報(bào)，其中有兩項(xiàng)數(shù)據(jù)值得注意：在臺(tái)積電，28nm及以上成熟工藝芯片代工業(yè)務(wù)收入占比為38%，折合成營(yíng)收約為46.13億美元；此外，智能手機(jī)和高性能計(jì)算的收入占據(jù)臺(tái)積電總營(yíng)收的83%，而臺(tái)積電28nm以下先進(jìn)工藝占比為62%。這意味著，臺(tái)積電所代工的智能手機(jī)和高性能計(jì)算里，使用28nm及以上的成熟工藝占比約為25%。

此時(shí)需要說明一下28nm工藝在芯片制造領(lǐng)域的地位。

隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的進(jìn)步，芯片越做越小，帶來的是芯片集成度與性能不斷提升，功耗越來越低，但同時(shí)也意味著技術(shù)含量和成本越來越高。

3nm明年才有可能面世；5nm和7nm是芯片工藝的高端圈子，通常只有高端手機(jī)和一部分高性能計(jì)算芯片才會(huì)使用；28nm是一條分界線，28nm及以下工藝被稱為“先進(jìn)工藝；28nm以上被稱為“成熟工藝”。有時(shí)，28nm也被劃分到成熟工藝這個(gè)陣營(yíng)。

根據(jù)《2019集成電路行業(yè)研究報(bào)告》，28nm及以下工藝的先進(jìn)工藝占據(jù)了48%的市場(chǎng)份額，而成熟工藝則占據(jù)了52%的市場(chǎng)份額。

對(duì)于中國(guó)大陸芯片制造公司來說，尚無(wú)法造出代表目前芯片制造領(lǐng)域最高點(diǎn)的7nm、5nm芯片，但28nm以上成熟工藝領(lǐng)域的芯片制造，則是滿滿的機(jī)會(huì)。

中國(guó)大陸半導(dǎo)體代工廠中，除了中芯國(guó)際（SH:688981）以突破先進(jìn)工藝為使命，其余半導(dǎo)體代工廠可量產(chǎn)工藝皆在28nm及以上。在需求端，真正用得上14nm及以下這樣先進(jìn)工藝的只有華為海思一家，其余設(shè)計(jì)企業(yè)的需求都集中在成熟工藝上。大陸龐大的終端市場(chǎng)，加上本土化優(yōu)勢(shì)，再乘著國(guó)產(chǎn)替代的東風(fēng)，這都給大陸這些代工企業(yè)擴(kuò)大市場(chǎng)份額創(chuàng)造了條件。

不過，《財(cái)經(jīng)》記者采訪到的芯片設(shè)計(jì)行業(yè)人士普遍有一個(gè)共同看法：即便在28nm以上成熟工藝，中國(guó)大陸的芯片代工廠也有不少功課需要補(bǔ)足。一位資深行業(yè)人士告訴《財(cái)經(jīng)》記者，此前行業(yè)普遍盛行一個(gè)風(fēng)氣：大家往往在某個(gè)工藝上做到“基本可用”就開始攻克下一個(gè)，而不是繼續(xù)投入研發(fā)實(shí)力去做到“好用”，且服務(wù)意識(shí)不強(qiáng)，資料不全、數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，給芯片設(shè)計(jì)公司帶來了各種不愉快的體驗(yàn)。

市場(chǎng)比想象中的大

第三方數(shù)據(jù)機(jī)構(gòu)IBS近期發(fā)布的一份白皮書數(shù)據(jù)顯示，2020年半導(dǎo)體代工市場(chǎng)中，28nm及以上工藝的市場(chǎng)份額能占據(jù)大約三分之二，未來五年，先進(jìn)工藝的市場(chǎng)將不斷擴(kuò)大，但成熟工藝的市場(chǎng)份額仍將不低于50%。

不過，雖然28nm目前是先進(jìn)工藝和成熟工藝的分界點(diǎn)，但這個(gè)分界點(diǎn)并不固定。如果大批代工廠都突破了14nm，那14nm就成為了成熟工藝。

芯片設(shè)計(jì)公司并非都追著上14nm、7nm工藝。全志智能硬件部總經(jīng)理李震告訴《財(cái)經(jīng)》記者，選擇什么樣的工藝最重要的是看芯片用在什么產(chǎn)品上，從而確定芯片功能、性能、功耗三大指標(biāo)，確定好三大指標(biāo)后再選擇最具性價(jià)比的工藝。

先進(jìn)工藝固然很好，但是成本高昂。美國(guó)研究機(jī)構(gòu)CSET做過一個(gè)測(cè)算，在臺(tái)積電，采用7nm工藝加工的12寸晶圓價(jià)格為9346美元，采用5nm工藝所加工的12寸晶圓價(jià)格為16988美元一片，價(jià)格提高了將近45%。

選擇14nm及以下先進(jìn)工藝的主要是智能手機(jī)。手機(jī)追求高性能高集成度低功耗，并且智能手機(jī)單價(jià)高，也能夠擔(dān)得起幾十美金一顆芯片的成本。其他如5G射頻芯片、中低端手機(jī)、藍(lán)牙芯片、可穿戴設(shè)備、指紋芯片等產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的芯片工藝都在成熟工藝范疇。

28nm作為介于先進(jìn)工藝和成熟工藝之間的工藝，對(duì)大多數(shù)芯片而言都具備較好的性價(jià)比。

性能上，28nm較之前的成熟工藝，在功耗、尺寸、散熱等指標(biāo)上更具優(yōu)勢(shì)；成本上，它的成本剛剛好。20nm及之后的先進(jìn)工藝采用FinFET（鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管）工藝，復(fù)雜度提升帶來工藝成本的提高。

臺(tái)積電是在2011年最先投入量產(chǎn)28nm制程，量產(chǎn)后市場(chǎng)需求巨大，一年時(shí)間，營(yíng)收占比從2011年四季度的2%上漲到2012年四季度的22%。

全球第四大晶圓代工廠，中國(guó)臺(tái)灣的芯片代工公司聯(lián)電（NYSE:UMC）敏銳捕捉到了這一市場(chǎng)需求。它的策略是，淡化對(duì)先進(jìn)工藝的研發(fā)，強(qiáng)化對(duì)成熟工藝以及差異化工藝市場(chǎng)的開發(fā)。在其最新發(fā)布的2020年三季度財(cái)報(bào)中，成熟工藝給聯(lián)電創(chuàng)造了自2004年二季度以來的新高，合計(jì)448.7億臺(tái)幣，28nm收入占營(yíng)收14%，40nm收入占比最高，為23%。

隨著物聯(lián)網(wǎng)和5G商用化的發(fā)展，信息產(chǎn)品的強(qiáng)勁勢(shì)頭帶動(dòng)了更多成熟工藝的產(chǎn)能，例如近幾年一直產(chǎn)能吃緊的8寸晶圓，其工藝極限最高也只到90nm（晶圓尺寸和芯片工藝并行發(fā)展，每一個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)都有對(duì)應(yīng)的晶圓尺寸。8寸晶圓對(duì)應(yīng)的工藝節(jié)點(diǎn)為0.5μm到90nm之間）。

無(wú)論從哪個(gè)方面看，成熟工藝都是一個(gè)巨大的市場(chǎng)。

機(jī)會(huì)多大？

第三方數(shù)據(jù)公司IC Insights的數(shù)據(jù)顯示，在中國(guó)的代工市場(chǎng)中，臺(tái)積電仍占超過一半的市場(chǎng)份額，是排名第二的中芯國(guó)際市場(chǎng)份額的接近4倍左右。目前最高可量產(chǎn)到28nm工藝的華虹集團(tuán)，2018年、2019年僅占中國(guó)市場(chǎng)的8%，且這個(gè)份額2020年預(yù)計(jì)不會(huì)發(fā)生變化。另外，中芯國(guó)際和華虹集團(tuán)超過一半的銷售額都是中國(guó)市場(chǎng)貢獻(xiàn)的。

可以看出，即使是在成熟工藝，大陸半導(dǎo)體代工廠在中國(guó)的市場(chǎng)份額也微乎其微，那未來能否更進(jìn)一步？

久好電子創(chuàng)始人劉衛(wèi)東的觀點(diǎn)是，如果單純從市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的角度考慮，大陸代工廠大幅度從臺(tái)積電手中搶下成熟工藝的訂單的可能性不大，就好比做一個(gè)CPU去替代英特爾那樣，可能性不會(huì)太大。久好電子是一家從事物聯(lián)網(wǎng)傳感器芯片及可穿戴物芯片設(shè)計(jì)公司。

但如果考慮到國(guó)產(chǎn)替代、特殊工藝等機(jī)會(huì)，中國(guó)的代工廠還是有不少機(jī)會(huì)。

自2018年“中興被制裁事件”之后，石溪資本的投資合伙人高峰發(fā)現(xiàn)，一些企業(yè)開始將訂單轉(zhuǎn)移到大陸，一是出于供應(yīng)鏈安全考慮，二是大陸的終端市場(chǎng)巨大。在擔(dān)任石溪資本的投資合伙人之前，從特許半導(dǎo)體、臺(tái)積電再到華虹NEC，高峰有20多年從事制造的經(jīng)歷。

一家國(guó)內(nèi)芯片設(shè)計(jì)上市公司的公關(guān)負(fù)責(zé)人表示，他們的產(chǎn)品主要集中在40nm工藝，平時(shí)會(huì)在中芯國(guó)際和臺(tái)積電下訂單。

除了供應(yīng)鏈安全，一些特殊工藝的需要，也是企業(yè)們選擇大陸代工廠的原因。因?yàn)榕_(tái)積電一般不會(huì)為了一家公司專門開發(fā)特殊工藝。

馬青華是上海傲睿科技有限公司的聯(lián)合創(chuàng)始人。這家公司的產(chǎn)品主要包括工業(yè)打印系統(tǒng)、工業(yè)級(jí)打印頭、生物自動(dòng)3D打印機(jī)等，芯片需要代工廠針對(duì)他們的產(chǎn)品進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。但臺(tái)積電的做法是開放標(biāo)準(zhǔn)工藝，按照標(biāo)準(zhǔn)工藝進(jìn)行器件設(shè)計(jì)。因此，對(duì)于他們來說，與一家國(guó)內(nèi)的代工廠合作，共同研發(fā)應(yīng)用于流體打印頭的特殊工藝，是更好的選擇。

此外，在40nm以上的成熟工藝上，大陸代工廠與臺(tái)積電的差距正在縮小。一家從事芯片設(shè)計(jì)企業(yè)的高管告訴《財(cái)經(jīng)》記者，他們?cè)诖箨懘S代工的傳感器芯片，所需的工藝在180nm-55nm的范圍，質(zhì)量上差別并不大。另外，這個(gè)工藝并不是臺(tái)積電的重點(diǎn)，臺(tái)積電會(huì)把更多資源和精力放在毛利更厚的先進(jìn)工藝上，這對(duì)于大陸代工廠來說是一個(gè)好機(jī)會(huì)。

另一個(gè)好的趨勢(shì)是，越來越多的芯片設(shè)計(jì)企業(yè)在成立之初就選擇在大陸的代工廠進(jìn)行流片，有助于提高大陸半導(dǎo)體代工廠能力和市場(chǎng)份額。

做好成熟工藝的工藝，除了研發(fā)投入，很大程度上取決于是否有大客戶與代工廠共同成長(zhǎng)、迭代產(chǎn)品。畢竟，許多產(chǎn)品設(shè)計(jì)上的know-how是從設(shè)計(jì)公司得來，二者相互磨合，積累經(jīng)驗(yàn)。

2016年起，臺(tái)積電就成為蘋果公司A系列處理器的獨(dú)家代工廠，除了蘋果，還有華為海思、聯(lián)發(fā)科、高通、AMD等這樣的大客戶選擇臺(tái)積電代工，與臺(tái)積電一起調(diào)試產(chǎn)線、進(jìn)行試錯(cuò)，提高良率。

正是因?yàn)楹芏嘣O(shè)計(jì)企業(yè)已經(jīng)在臺(tái)積電代工了幾代產(chǎn)品，臺(tái)積電才能夠不斷突破新的工藝節(jié)點(diǎn)，提高良率，反過來也提高了臺(tái)積電承接訂單的能力，形成良性循環(huán)。

中國(guó)大陸的代工廠之所以發(fā)展速度不快，其中一個(gè)原因就是缺少客戶和他們共同走完這個(gè)試錯(cuò)和升級(jí)流程。

隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，中國(guó)大陸成為全球最大的終端市場(chǎng)，需求倒逼行業(yè)的發(fā)展。根據(jù)芯謀研究的預(yù)測(cè)，2020年底，中國(guó)大陸的芯片設(shè)計(jì)企業(yè)將突破3000家，這意味著，這套臺(tái)積電已經(jīng)很成熟的良性循環(huán)機(jī)制，有望會(huì)在中國(guó)大陸的代工廠中跑起來，有了開端，就有了希望。訂單同時(shí)意味著更大的現(xiàn)金流，為代工廠進(jìn)行高端工藝的研發(fā)儲(chǔ)備了資金。

從“可用”到“好用”

多位行業(yè)人士告訴《財(cái)經(jīng)》記者，中國(guó)大陸的代工廠在成熟工藝的工藝上已經(jīng)能夠滿足大部分設(shè)計(jì)企業(yè)的需要，沒有太高的技術(shù)壁壘，與臺(tái)積電仍存在“能用”和“好用”的差距。

上述資深行業(yè)人士指出，中國(guó)代工廠如果想要變“好用”，最重要的是補(bǔ)充兩方面的能力：服務(wù)能力與生態(tài)能力。

服務(wù)能力很簡(jiǎn)單，例如到餐館吃飯，兩家餐館都能解決吃飽的問題，但一家餐館服務(wù)員的服務(wù)沒那么好。又比如同樣打印4號(hào)字，你能打印黑白，別人可以打印彩色。

生態(tài)能力指的是代工廠積累的供貨渠道、合作伙伴、客戶之間的關(guān)系。IP授權(quán)廠商、EDA廠商會(huì)將自己的主流核心架構(gòu)通過合作的方式提供給晶圓代工廠，和代工廠的制程做匹配。例如Synopsys就與臺(tái)積電合作采用臺(tái)積電5nm的制程開發(fā)新產(chǎn)品。

另外，如果在原材料缺貨時(shí)，與生態(tài)伙伴長(zhǎng)期積累的關(guān)系能夠給代工廠提供優(yōu)先貨源。再比如，臺(tái)積電創(chuàng)辦者張忠謀于1994年創(chuàng)辦世界先進(jìn)半導(dǎo)體，承擔(dān)臺(tái)積電之外的特殊集成電路制造，補(bǔ)充臺(tái)積電的代工生態(tài)。

其實(shí)設(shè)計(jì)企業(yè)和代工廠的合作很像一起炒一盤紅燒肉。設(shè)計(jì)企業(yè)主要負(fù)責(zé)肉如何選型、切成什么形狀、和豆腐一起炒還是和粉條一起燉。至于做到幾分熟，用什么溫度炒，放多少鹽、多少糖，這是代工廠做的事。所以，盡管切塊、選型都差不多，但調(diào)料不一樣，炒的溫度不一樣，做出來的肉也各式各樣，這就是代工廠的工藝。

做出來的肉好吃與否，影響了代工廠承接訂單的能力。一位中國(guó)大陸代工廠研發(fā)負(fù)責(zé)人告訴《財(cái)經(jīng)》記者，臺(tái)積電有完善的服務(wù)和生態(tài)，不同工藝只是一個(gè)平臺(tái)下的不同產(chǎn)品，能力大的代工廠可以根據(jù)需要修改產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，也能夠幫助代工廠進(jìn)行調(diào)試。通俗地說，就是工藝能力強(qiáng)的設(shè)計(jì)企業(yè)可以自己提出菜品的配方選擇，告訴代工廠放多少糖，放多少鹽，能夠更優(yōu)化口感。

高通、華為等大型芯片設(shè)計(jì)企業(yè)喜歡臺(tái)積電。原因很簡(jiǎn)單，他們已經(jīng)在臺(tái)積電迭代了幾代產(chǎn)品，IP廠商們的架構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)等都已經(jīng)得到了驗(yàn)證，加上有大型IP廠商的支持，臺(tái)積電在先進(jìn)節(jié)點(diǎn)上的IP比較完備，為設(shè)計(jì)企業(yè)們省去很多時(shí)間和精力。

對(duì)于一些設(shè)計(jì)能力不強(qiáng)的企業(yè)來說，尋找臺(tái)積電代工更加省時(shí)省力，畢竟它能夠提供一整套標(biāo)準(zhǔn)工藝支持，保證按時(shí)交付。

另產(chǎn)能的大小也是企業(yè)們考慮的一點(diǎn)。目前在28nm工藝上，中芯國(guó)際目前的良率和臺(tái)積電相差不太多，但產(chǎn)能卻相差3倍-4倍，如果企業(yè)需要臨時(shí)加單，需要找一個(gè)能夠滿足擴(kuò)產(chǎn)需求的代工廠。

遷移的成本也是企業(yè)們考慮的因素。由于代工廠和設(shè)計(jì)企業(yè)深度綁定的合作伙伴關(guān)系，如果更換代工廠，需要針對(duì)不同代工廠的工藝和特點(diǎn)進(jìn)行修正。這種修正帶來的是高額遷移成本，對(duì)于設(shè)計(jì)公司本身來說也是一次考驗(yàn)。另外，要和新代工廠重新磨合，也需要一定的時(shí)間。設(shè)計(jì)企業(yè)需要一個(gè)足夠的理由，說服他們?nèi)ブЦ哆@部分遷移成本。

責(zé)任編輯：haq