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          半导体国产化浪潮起,未来可期

          日期:2020/8/20 10:27:52
          摘要:根据《中国制造2025》,我国计划在2025年之前要制造出EUV光刻机。但是,22nm光刻机到7nm光刻机的跨越,路漫漫其修远兮

          《中国制造2025》有这么一个目标——在2020年实现40%芯片自给率,在2025年实现70%芯片自给率。

          2019年,我们已经实现了21%的芯片自给率。然而,到了今年,正是这个目标的中期节点上,美国的半导体设备和技术对中国企业进行了封锁,中芯国际上市的招股书里也提到没有美国商务部的许可,无法为若干客户服务。

          芯片制造为何被制约?

          为什么我们的芯片制造可以被制约得如此彻底?看下图,你就懂了,半导体设备市场基本被日本、美国、欧洲企业瓜分。

          半导体产业链主要包含电路设计、晶圆制造和封装测试三个部分,而其中的制造环节与包含了层层精密复杂的制作工艺。其中,光刻工艺是集成电路制造中最复杂、最关键的工艺步骤。在集成电路诞生之初,光刻技术就被认为是集成电路制造工艺发展的驱动力。

          目前高端光刻机被荷兰ASML公司垄断,中低端光刻机供应商有Canon和Nikon。EUV光刻机是目前最先进的光刻机,可以用于生产7nm和5nm的芯片。目前全球只有ASML能生产EUV光刻机,售价高达1.2亿美元。

          格罗方德首席技术官Gary Patton曾说:“如果在5nm的时候没有使用EUV光刻机,那么光刻的步骤将会超过100步”。EUV光刻机的重要性可想而知。

          那国内光刻机现在是什么状况呢?

          首先,国内90nm光刻机已经成熟。近期有上海微电子宣布28nm光刻机已经研制成功,并将在2021年交付,将会实现从90nm到28nm的跨越。但是这种光刻机,仍然属于DUV光刻机,理论上,DUV光刻机采用沉浸式的方法,也可以达到比较高的精度,达到14nm甚至7nm的精度要求。而EUV,则是7nm以下必须采用的方式。

          目前国内光刻机设备商较少,在技术上与国外还存在巨大差距,上面提到的上海微电子装备(集团)股份有限公司(SMEE)代表了国内顶尖水平,也就是说,国内最先进的光刻机是28nm级别的。最近有消息透露说上微电22nm光刻机也已经研制成功。

          根据《中国制造2025》,我国计划在2025年之前要制造出EUV光刻机。但是,22nm光刻机到7nm光刻机的跨越,路漫漫其修远兮。

          中流砥柱——中芯国际

          分析国内芯片水平,被誉为“全村的希望”的芯片代工厂商——中芯国际可以作为代表。

          成熟制程市场仍然庞大

          八月一日,中芯国际与北京开发区管委会合作成立公司,生产 28nm及以上集成电路项目。该项目首期投资76亿美元,约51%注册资本由中芯国际出资。

          在这之前,上海微电子宣布28nm光刻机已经研制成功,并将在2021年交付。结合这两个消息,似乎表明我国已经可以组建完全自主的28nm工艺国内产业链。

          中芯国际首次量产28nm工艺是在2015年,但业务占比一直偏低,28nm工艺还处于亏损状态。中芯国际这次投资建厂,一是因为国内芯片供不应求,二来也是为了盈利。

          你可能会问,现在7nm、甚至5nm都已经开始量产,28nm还有市场吗?

          先来看看中芯国际2020年第一季度营收。40/45nm到250/350nm的成熟工艺占比92%,而28nm和14nm先进制程技术分别为占比6.5%和1.3%。

          从中芯国际产线的生产情况来看,先进节点的产能不高,成熟工艺占了营收大头。这都表明了成熟工艺仍有很大市场。

          中芯国际主要生产基地

          一般将不同工艺节点分为传统工艺、成熟工艺、先进工艺。

          其中传统工艺主要包括0.5um、0.35um、0.25um、0.18um、0.13um;

          成熟工艺主要包括90nm、65/55mm、45/40nm、32/28nm;

          先进工艺主要包括16/14nm、10nm、7nm等。

          成熟制程的芯片为什么仍有市场呢?

          第一个原因是许多应用于通信、汽车和工业的集成电路(IC)都具有相当长的生命周期,并且,一个手机里的芯片很多,但只有CPU芯片要求最高工艺,其他的功能芯片要求没那么高。

          第二个原因是很多领域不需要先进工艺,比如电脑、人工智能设备、5G基站、导航定位设备、物联网、汽车、军工、航天等,14nm到28nm甚至微米级别的都在用。

          另外,许多国内芯片开发商倾向于设计经过验证的成熟节点。

          先进制程继续追赶

          下图是来自TrendForce的全球晶圆代工厂2020第二季度市场份额报告,目前世界上最大的芯片代工厂是台积电,中芯国际远远落后于台积电。

          其中格罗方德(GlobalFoundries)和联电(UMC)都放弃了对先进制程的追逐,决定专注于成熟制程。

          中芯国际仍在研究先进制程,和中芯有直接竞争关系的只有台积电和三星了。

          从进入先进节点的时间看,中芯国际落后于领头羊台积电大约4年的时间。并且这个时间在慢慢缩小,不过,由于中美贸易战,谁也说不准这个时间差距会不会延长。

          先进制程领域,目前中芯国际是第二梯队厂商中唯一的先进制程追赶者,联电和格罗方德已经宣布放弃了7nm 及以下工艺的研发,中芯国际 14nm 及以下先进制程进展顺利,14 nm于2019 年三季度顺利量产,N+1 及 N+2 节点研发进度稳步推进中。

          我们为什么要追赶先进制程?

          芯片的研发投入非常大,越往上走投入越多,不仅是技术壁垒还有金钱壁垒。格罗方德和联电都放弃了对先进制程的研发,为什么中芯国际还在苦苦追赶呢?

          随着制程的进步,单位产能投资显著增长

          除了本土需求外,还有另外一个原因:强者愈强、弱者愈弱,我们必须前进。

          在先进工艺上,台积电遥遥领先,所以它对客户有着极强的产品议价力,它的先进制程可以享受到新产品的红利。

          以 14nm 节点为例,当竞争对手 14nm 量产之际,台积电 14nm 已经完成了设备折旧,即使折价,仍能保持较高的盈利能力,而追赶者一方面要承受巨额的折旧摊销,另一方面在价格端没有优势,因此导致追赶者的盈利水平相比领先者始终有较大差异。

          晶圆制造设备折旧年限一般为 5-7 年,相比其他厂商,台积电在折旧政策上更为激进,台积电的设备折旧年限一般为 2-5 年,而中芯国际折旧年限为 5-10 年。

          台积电通过快速折旧的方式,当竞争对手完成了先进制程的扩产,台积电可以在保证自身盈利能力的情况下,通过降价的方式来削弱竞争对手的盈利能力。格罗方德和联电的先进制程研发投入就是这么被拖垮的。

          中芯国际在培养人才上也下了不少功夫。

          中芯国际在成立之初就聘用了数百名前台积电工程师。因此也得到了一些台积电的工艺技术、工艺流程、配方等必要信息。也因为这件事,台积电和中芯国际打了很多年的官司,中芯国际赔了不少钱,最后是给了台积电10%的股权才达成和解的。

          尽管早期的中芯国际从对手那里获取技术,但该公司也在国内培养了本土的半导体工程师。中芯国际与大学签订了协议,还从台湾和美国聘请了人才。2001 - 2003年,中芯国际从海外引进的400名工程师培训了800名本地工程师。当时,中芯国际有一句口号:一个旧的带来两个新的。

          此外,它还与特许半导体公司(Chartered) (180nm)和IBM (40/45nm、32nm和28nm)签署了工艺许可协议,从其它公司获得制造工艺和相关技术,为中芯国际带来了必要的知识产权。这些举措使中芯国际在代工业务上取得了显著的增长。到2005年,它已成为全球第四大半导体代工制造商。

          半导体国产化浪潮起

          国家意志

          2014 年,国家发布《国家集成电路产业发展推进纲要》,提出建立从晶片到终端产品的产业链规划,支持集成电路企业在境内外上市融资。

          2015 年,国家集成电路大基金一期成立,首期募集资金达 1387.2 亿人民币,以直接入股方式,对半导体企业给予财政支持或协助购并国际大厂。中芯国际获得国家大基金一期重点支持。

          国家集成电路产业投资基金二期于 2019 年 10 月 22 日注册成立,注册资本为 2041.5 亿元。

          5 月 15 日,中芯国际发布公告,国家大基金二期与上海集成电路基金二期同意分别向子公司中芯南方注资15 亿美元、7.5 亿美元。

          今年七月中旬,中芯国际在上海证券交易所进行首次公开募股,此次中芯国际上市募集资金超过450亿元。

          如果一切按计划进行,那么中芯国际今年的研发预算大概是90亿元,相较去年花费的44亿研发资金,今年直接翻了一番。

          国家政策和资金的支持造就了第二梯队唯一追赶者,这也就是为什么中芯国际在台积电的不断打压下,还能在先进工艺上的道路上穷追不舍。

          本土需求增长

          根据 IC Insights 数据,由于 2019 年上半年的需求萎靡,全球纯晶圆代工需求同比 2018 年下滑了 2%,而大陆地区是 2019 年唯一实现正增长的区域。预计 2018~2023 年晶圆代工市场复合增速为 4.9%。

          以中芯国际为首的晶圆厂商借助于地域优势,为大陆 Fabless(IC设计公司)提供全方位、本土化的解决方案;中美贸易摩擦和华为事件也使得国内 Fabless 厂商更加重视本土化。随着中芯国际先进产能的扩产,将有望为本土客户提供更多先进制程晶圆代工服务,持续带动晶圆代工需求的国产化趋势。

          摩尔定律放缓

          英特尔创始人戈登摩根总结出摩尔定律:“当价格保持不变时,集成电路上可容纳的元器件数量,约每隔 18-24 个月就会增加一倍,性能也将提升一倍?!?/p>

          按照摩尔定律,芯片制程以约 0.7 倍的倍速演进。在过去十年的性能提升中,处理工艺实现了明显的性能提升,每3.6年能效提升一倍,每3年密度提升一倍。

          2001 至 2012 年,先进制程基本保持了如摩尔定律所述的速度向前发展,从AMD给出的路线图来看22nm节点之后就开始放慢,14nm节点之后尤为明显。

          AMD 认为摩尔定律依然有效,但是演进速度已经放慢。

          摩尔定律放慢,给了追赶者缩小差距的可能。

          『本文转载自网络,版权归原作者所有,如有侵权请联系删除』

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