ASML同意出售光刻机,中芯却一直扩大28nm产能,为何不冲刺7nm?

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芯片产业,外忧内患并存。在中国本土芯片的解围纾困之战中,首先抵达14nm工艺的排头兵中芯国际,12个月之内,在北京、深圳两地,投入百亿美金,两度大幅扩增28nm及12英寸晶圆产能。

其实大力扩展28nm产能的,除开中芯国际,还有干脆放弃先进工艺研发、已经做出28nm特色的联电,甚至还有领军晶圆代工的台积电,斥资28.87亿美元,扩充其南京厂28nm产能。

当摩尔定律开始挑战 3nm 工艺,大家的眼光都聚焦在 苹果A、骁龙、麒麟这些基于先进技术的明星芯片产品时,当半导体产业链在逆全球化趋势境下,成为卡住我们脖子的最急需突破时,中芯为什么不大力稳固14nm先进工艺,甚至向7nm更高制程发起冲击呢?

先进制程是半导体产业的绝对主流吗?在半导体现状下,务实与先进追求如何平衡?

本文试图解释这些疑惑。

世界缺芯,以28nm需求最旺盛,有些14nm及以上产能却不饱和

目前,全球半导体产能供不应求,且业界普遍预期产能短缺情况会延续到2022~2023年。缺芯最缺的是哪种芯片?

代工厂的行动最能说明答案。中国台湾和大陆地区的多家知名半导体厂相继宣布建设新的12英寸晶圆厂,这其中以扩产12吋28纳米以下制程为主,主要辐射到5G智能手机配件、数据中心边缘运算、电动车与自动驾驶等缺芯现象突出的领域。

来自芯片行业的专业消息称,大陆目前产能最紧张的产能不是14nm,或者7nm工艺,而是55nm。

一线代工厂28nm产能已经排到明年

尽管国内龙头中芯国际,已经实现14nm的大规模量产,但是由于客户、设备、材料的不确定性,中芯国际最近披露的月财报显示,14/28nm工艺在2020年第四季度收入占比下降至5%,低于三季度的14.6%。也就是说,中芯国际14nm 产线在全面缺芯的情况下,产能目前反而是不饱和的。

台积电刚刚公布2021年第一季度工艺节点收入:7nm占所有收入的35%,而5nm现在占14%。数据表明台积电的5nm收入在减少,反而是较老的工艺节点需求仍然强劲,其中28nm及以上工艺占公司占据收入最高的37%。

为什么28nm产能需求如此强劲?

目前典型芯片工艺的设计成本:7nm芯片则需要2.71亿美元;16nm /14nm芯片的平均IC设计成本约为8000万美元;而28nm一般约为3000万美元。

28nm制程处于晶圆工艺的先进制程和成熟工艺结合点,是整个产业毋庸置疑的成本性能控制最好的工艺。28nm在功耗设计、频率控制、性能稳定等方面具有明显优势。

显然是参考了目前国内半导体现状,最新的华为车载芯片,麒麟990A系列芯片使用了华为自研的泰山架构,采用稳妥的28nm生产。

而且对于动辄投资超过百亿美元的晶圆厂而言,制造工艺的成本和性能比,是运转的关键。资本开支每代工艺节点增速平均达30%,比如每万片月产能,在12英寸晶圆的初代节点90nm时,只需要4.8亿美金资本开支,而进入14nm则需要20亿美金的资本开支,7nm则高达25亿美金,资本开支每代节点增速达到30%。

28nm 是国产芯片产业链整体最接近破局的制程

我国的半导体产业链国产替代进程一直稳步推进,在设备和材料的国产替代上,很多方向上已经开始突破28nm,比如中微的刻蚀产品在业内开始领先,工艺节点甚至已经达到 5nm,进入台积电的产线验证。

刻蚀和清洗设备,曾经是美系半导体巨头应用材料和Lam的传统优势领域,我们已经可以从应用材料和Lam的虎口里夺食了。

离子注入机、涂胶显影设备,仍处于国产化突破前夕,支持到28nm制程的光刻机,我们更是在日思夜盼。

半导体材料是中国半导体最薄弱环节之一,高度依赖进口。目前在多个方向上,也开始有了一定国产化比例。

所以说,略显落后的28nm,是我们整体半导体产业务实的第一目标。

大陆目前的28nm产线规模的提升,相信会为更多的国产半导体设备和材料带来更多验证的机会,从而带动整体产业链的升级,如果不是整体产业站稳在28nm这个层级,即使往上突破,也存在很大风险,因为其生产许可都是掌握在别人手里的。

28nm制造链上我们的企业已全面涉足,这意味着,假设最艰险的时刻到来时,中国芯并非全无依仗。

7nm 制程是DUV工艺的极限,即使能量产,也需付出成本和良率的代价

我们不能否认,中芯国际依靠目前能获得的有限资源,正在做向7nm先进制程延展的技术攻关,这种突破当然具有闪耀的意义。

DUV(深紫外光)光刻机使用的光源都是193nm波长的ArF excimer laser,EUV(极深紫外线)光刻机光源则是13.3nm的laser pulsed tin plasma。在EUV技术出现之前,技术人员利用 DUV光刻机,通过把镜头放在水里、相移掩模、多重曝光的方法,一步步推进芯片技术节点,使得193nm浸没式光刻可以实现到10nm甚至7nm的分辨率。

虽然通过复杂的DUV光刻多重曝光技术,可以实现7nm量产。但是,每多一次曝光都会增加生产工序,使得制造成本大大提升,而且良品率也难以控制。

例如台积电的7nm制程,前两代工艺N7、N7P就是基于DUV工艺,2018年度的华为麒麟980就是其代表作。

尤其是涉及到7nm,其设备、材料、EDA,这些七寸更加掌握在他人手里,中芯国际即使实现了 7nm 的量产,因为无法面向某些伙伴客户,其成本肯定无法与前三位大佬:台积电、三星和英特尔竞争,无力获取更多的国际订单。

28nm是科技逆全球化趋势下的安全区域

华为的遭遇使得我们早就看清,一定要准备面临最难的境地。

考虑到 28nm 工艺的广泛性,在这条线上任何人试图建立约束规则,显然不太现实。ASML 首席执行官Peter Wennink日前表示,出口管制不仅不能停止其技术进步,而且还会损害自身经济。并且多次声明DUV光刻技术的相关设备,不受限制。

14nm、10nm最近多次被提及,更别说7nm了,显然这个点要被某些人设置成红线,拉大我们与世界先进的差距。这是国产半导体产业必须面对的。中芯国际成熟14nm工艺的主要客户高通和博通,就是因为一些不确定性,而选择转单。

而28nm似乎成为了某种意义上的安全区,而增添安全感的,不仅有因为广泛性,而仍在发挥作用半导体全球化根基,还有最重要的,是我们正在崛起的本土产业链。

生存是第一位的,“拥有”的才是珍贵的,“能用”的才是好用的,在艰难前行的路上,站稳28nm 显然意义非凡。

28nm哪里是什么落后工艺

以28nm工艺为代表的成熟工艺在未来的一段时间内,还将是众多厂商维系利润,能够参与半导体先进工艺研发的基础。

联电是一个很好的案例:

2018年,联电做了一个决定:停止12nm以下先进工艺的研发,在晶圆代工市场上不再拼高制程技术,专注28nm的产能及技术成熟度。专注28nm的联电,目前成为炙手可热的代工企业。

连三星的ISOCELL图像传感器和显示驱动芯片,都需求着联电代工。联电也成功拿下高通、英伟达、德州仪器、意法半导体及索尼等大单,主要采用28nm、40nm或55nm等成熟制程,产品大多为模拟芯片。

28nm显然不是什么落后工艺,仍然需要打磨。至于先进制程,受制于研发成本、技术难度和潜在客源的双重压力,终将属于少数的顶级玩家。

根据Gartner的统计,2020年全球28nm芯片市场规模约94亿美元,其中台积电的48亿美元已占据51%。而中芯国际2020年财报显示28/14nm收入约4亿美元左右,就是说即使是有些被瞧不起的28nm,我们也差得很远呢!

所以,一方面需要坚持完善28nm甚至是40nm等成熟工艺,加紧完善供应链,实现自我造血,另一方面,积极参与先进工艺的研发和制造,保持与先进制造的身位差距不要太大,才是我们的国产代工企业最恰当的策略。

写在最后

随着半导体晶圆工艺不断逼近极限,某些先发优势不断被削减,这是晶圆的后来者厂商的历史机遇。

国际化分工协作,全球共赢发展经济的好日子一去不复返了。先进制程是我们追求的,但显然不是我们急需的。目前我们的处境非常困难,仍需做最艰苦努力的准备。

28nm 其实是大有可为,如果相关的国产化进程取得突破,我们的市场规模和完善的工业体系,将凸显优势效应,可以大胆预见:中国芯片链的崛起,是全球缺芯现象的决定性治愈因素,到那时,将我们排除在先进半导体体系之外的任何举措都是徒劳的。

标签: #ASML #光刻机 #28nm #7nm