先進(jìn)or成熟制程，芯片熱下的冷思考
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在當(dāng)下的博弈時刻，回歸成熟制程確實(shí)被不少業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為是更具有現(xiàn)實(shí)意義的舉措。類似的觀點(diǎn)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(jìn)口的7納米，本土可控的55納米意義更大。
那么，當(dāng)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(qiáng)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(jì)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(jìn)制程就如同大眾關(guān)注奧運(yùn)冠軍”，但回歸現(xiàn)實(shí)，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(jìn)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(jì)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(jìn)制程。因?yàn)檫@些芯片對運(yùn)算速度和空間的要求沒有那么高，而是更強(qiáng)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(jìn)制程呢？手機(jī)的處理器芯片。隨著手機(jī)成為生活、辦公、娛樂都必不可缺的終端設(shè)備，人們對手機(jī)的性能要求也越來越高，因此手機(jī)芯片既需要運(yùn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(shí)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(yàn)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(jìn)，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(shí)的影響，就是光刻環(huán)節(jié)不必依賴ASML的EUV光刻機(jī)。7納米到3納米的芯片制造需要用到EUA光刻機(jī)，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(jī)，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。
最后在經(jīng)濟(jì)帳上，制程越往前推進(jìn)，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(jì)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(jì)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?jǐn)偟叫酒靸r上，但是并非所有的電子設(shè)備都像蘋果手機(jī)一樣有足夠的銷量及價格空間來支撐高端芯片的運(yùn)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(qiáng)國至關(guān)重要，主要是因?yàn)椋?/span>
● 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(jìn)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(jì)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(dāng)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(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。
成熟制程，困在工藝?yán)?/strong>
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(xiàn)，外資晶圓代工廠占據(jù)了半壁江山。根據(jù)市場調(diào)研機(jī)構(gòu) Counterpoint Research 的統(tǒng)計(jì)，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?yàn)樵谑袌錾虾苋菀踪I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(jìn)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(shí)實(shí)地做起來?！?/span>
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(qiáng)的環(huán)節(jié)。
技術(shù)層面，努力實(shí)現(xiàn)設(shè)備國產(chǎn)自給的觀點(diǎn)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(jìn)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。”上述半導(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(yùn)用在汽車和手機(jī)上的，全球都不需要使用到先進(jìn)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(jì)人才有著極高的要求，因?yàn)?strong style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;">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(jì)?！斑@方面人才，國內(nèi)是奇缺，因?yàn)椴粌H要求設(shè)計(jì)師具備十幾二十年的經(jīng)驗(yàn)，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(jì)跟相應(yīng)的制造工藝有很深的結(jié)合，需要設(shè)計(jì)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(jì)和制造是一體的，因此內(nèi)部進(jìn)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(jì)公司和晶圓廠分開，因此更依賴設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)。
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(shí)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(jì)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(shí)上，這也是臺積電最早采取的策略——在先進(jìn)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(jìn)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(yàn)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(jìn)制程受到牽制的情況下，一種比較務(wù)實(shí)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(jìn)行芯片性能提升的空間同樣相當(dāng)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(jìn)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(jìn)制程的攻堅(jiān)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(bǔ)貼幫助，又需要引入市場化的力量推動。而在推動先進(jìn)制程的突破上，更需要政府牽頭研發(fā)機(jī)構(gòu)，匯聚最頂尖的人才、技術(shù)，共同攻堅(jiān)，共享成果。
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