28nm來(lái)到臨界點(diǎn) 臺積電高通格羅方德等決戰

　　在摩爾定律的指引下，集成電路的線(xiàn)寬不斷縮小，基本上是按每?jì)赡昕s小至原尺寸的70%的步伐前進(jìn)。如2007年達到45nm，2009年達到32nm，2011年達到22nm。但是到了2013年的14nm時(shí)開(kāi)始出現偏差，英特爾原先承諾的量產(chǎn)時(shí)間推遲。

　　Fabless大廠(chǎng)Altera2013年把它原來(lái)交由臺積電生產(chǎn)的14nm代工訂單轉給英特爾，這一事件曾經(jīng)引起業(yè)界一陣躁動(dòng)。但是由于英特爾14nm量產(chǎn)的推遲，風(fēng)向又開(kāi)始轉向，傳說(shuō)將把訂單轉回給臺積電代工。這一事件反映出，集成電路微縮之路未來(lái)的前進(jìn)規則將要改變。兩年的周期很難再維持下去，存在兩種可能性：一種是延長(cháng)時(shí)間，另一種是把30%的縮小比例減緩一些。

　　之所以單把28nm提出來(lái)講，是因為產(chǎn)業(yè)界在從45nm向下演進(jìn)時(shí)，原本公認的32nm節點(diǎn)并未成熟，反而又向前延伸了一步，達到28nm，中間跳過(guò)32nm。因此28nm這個(gè)節點(diǎn)非常特殊，估計28nm制程的生存周期會(huì )相當長(cháng)。另外，在SoC中包括嵌入式SRAM(eSRAM)、I/O及其他邏輯功能時(shí)，在大部分情況下28nm是最優(yōu)化成本。甚至有人計算得出這樣的結論：28nm以下集成電路的成本沒(méi)有下降反而上升。這說(shuō)明28nm已經(jīng)是一個(gè)臨界點(diǎn)了，摩爾定律到達28nm后，實(shí)際已經(jīng)面臨終結。

　　28nm既然如此特殊，自然值得仔細研究一下。

　　28納米工藝角逐

　　28nm制程主要有兩個(gè)工藝方向：高性能型和低功耗型。而高性能型才是真正的高介電常數金屬閘極工藝。

　　目前，28nm制程主要有兩個(gè)工藝方向：HighPerformance(HP，高性能型)和LowPower(LP，低功耗型)。LP低功耗型是最早量產(chǎn)的，不過(guò)它并非Gate-Last后柵工藝，還是傳統的SiON(氮氧化硅)介質(zhì)和多晶硅柵極工藝，優(yōu)點(diǎn)是成本低，工藝簡(jiǎn)單，適合對性能要求不高的手機和移動(dòng)設備。而HP才是真正的高介電常數金屬閘極(HKMG)+Gate-Last工藝，又可細分為HP、HPL(LowPower)、HPM(Moblie)三個(gè)方向。HP工藝擁有最好的每瓦性能比，頻率可達2GHz以上;HPL的漏電流最低，功耗也更低;HPM主要針對移動(dòng)領(lǐng)域，頻率比HPL更高，功耗也略大一些。

　　高通是第一家量產(chǎn)28nm制程的移動(dòng)芯片廠(chǎng)商，2013年是28nm制程的普及年。

　　Intel一直是以技術(shù)領(lǐng)先為導向的，雖然自己的CPU在移動(dòng)通信領(lǐng)域中不太受歡迎，但是其最先使用HKMG+Gate-Last工藝，又最先量產(chǎn)3D晶體管，其制程領(lǐng)先對手可以按代來(lái)計算。目前移動(dòng)通信領(lǐng)域與Intel展開(kāi)合作的公司不是太多。

　　TSMC受到移動(dòng)終端芯片廠(chǎng)商的青睞，長(cháng)期以來(lái)霸占著(zhù)集成電路代工市場(chǎng)占有率的第一名。高通驕龍800就采用了TSMC的28nmHPMHKMG這一最高標準，而高通MSM8960和聯(lián)發(fā)科四核芯片MT6589T以及聯(lián)芯、展訊等廠(chǎng)商的芯片使用的則是TSMC相對較差的28nmLP工藝。據說(shuō)，MTK的MT6588和八核芯片MT6592采用的是TSMC的28nm級別最好的HPM工藝。臺積電共同執行長(cháng)魏哲家在此前召開(kāi)的法說(shuō)會(huì )上提及，相較于采用Poly/SiON技術(shù)的28LP制程，28HPM在相同功耗下可提升30%的運算速度，而在相同運算速度下，則可降低15%功耗。因此，28HPM制程成為移動(dòng)裝置芯片的首選。

　　臺積電去年開(kāi)始量產(chǎn)28nmHKMG技術(shù)的28HPM制程，下半年受到高端智能手機銷(xiāo)售力道減緩的影響，產(chǎn)能利用率出現松動(dòng)，但因競爭對手一直無(wú)法在28nmHKMG制程上達到如臺積電一樣的高良品率，隨著(zhù)今年全球景氣逐步復蘇，以及新款移動(dòng)裝置需求轉強，臺積電今年已拿下100個(gè)設計定案(tape-outs)。

　　臺積電的28nm產(chǎn)能今年沒(méi)有太大的擴產(chǎn)幅度，但因在HKMG技術(shù)上領(lǐng)先同業(yè)，28nm營(yíng)收今年仍可能有至少20%成長(cháng)，預估可為臺積電帶來(lái)超過(guò)1600億元新臺幣的營(yíng)收。

　　從全球代工領(lǐng)域看，美林證券說(shuō)臺積電在28nm上的市場(chǎng)占有率超過(guò)90%。在2013年第四季度，它的28nm占營(yíng)收的34%。

　　三星發(fā)展勢頭迅猛，長(cháng)期以來(lái)都為自家芯片和蘋(píng)果A系列移動(dòng)芯片提供集成電路制造服務(wù)。三星較早采用HKMG工藝，在業(yè)界進(jìn)入HKMG時(shí)代之初，又秘密研發(fā)后柵極工藝。三星目前的28nm級別制程使用的是HKMG柵極和前柵極工藝。三星自家的Exyons5系列芯片和蘋(píng)果的A7都是采用的此種工藝。近日報道三星電子已擴大其28nm的代工，可提供RF的代工生產(chǎn)能力。

　　盡管GlobalFoundries的發(fā)言人在IDEM會(huì )上大肆宣傳其28nm工藝是基于gate-firstHKMG工藝基礎，但他又表示：“我們也本著(zhù)特事特辦的精神，正在為滿(mǎn)足某些特殊客戶(hù)的特殊請求而為某些特殊產(chǎn)品提供基于28nmPoly/SiON制程的代工，這類(lèi)產(chǎn)品并不需要HKMG技術(shù)帶來(lái)的性能提升和降低漏電的優(yōu)勢。”

　　GlobalFoundries還稱(chēng)目前已經(jīng)有多家客戶(hù)的芯片產(chǎn)品處于硅片驗證階段，而且公司旗下的德累斯頓Fab1工廠(chǎng)也已經(jīng)在測試相關(guān)的原型芯片，很快便會(huì )進(jìn)入試產(chǎn)階段。

　　GlobalFoundries與臺積電目前因所用的HKMG工藝的不同而在市場(chǎng)上火藥味很濃：GlobalFoundries在28nm上會(huì )使用gatefirst型HKMG工藝，而臺積電則會(huì )使用Gate-lastHKMG工藝。GlobalFoundries還宣稱(chēng)自己的GatefirstHKMG工藝在成本方面要比臺積電的Gate-lastHKMG工藝節能約10%～15%。

　　聯(lián)電苦熬一年多的28nm制程近期取得重大突破，承接了先進(jìn)網(wǎng)通及高端手機芯片的關(guān)鍵HKMG制程，且已獲全球第二大IC設計商博通(Broadcom)認證，今年第二季度開(kāi)始接單投片，營(yíng)運出現大轉機。

　　聯(lián)電去年即已建成28nmHKMG約1.5萬(wàn)片月產(chǎn)能，但短期內仍難撼動(dòng)臺積電在28nm上的領(lǐng)先優(yōu)勢，但對聯(lián)電而言意義重大。設備商透露，聯(lián)電28納米HKMG去年積極追趕臺積電腳步，并采取“T-Like”模式，爭取成為臺積電客戶(hù)的第二供應來(lái)源，但進(jìn)展不如預期，也使聯(lián)電去年28nm制程營(yíng)收占比還只是個(gè)位數。

　　另外，中芯國際近來(lái)也不斷地傳出好消息，在MWC會(huì )上，高通總裁談及高通與中芯國際在28nm工藝上的合作，稱(chēng)這對產(chǎn)業(yè)將有著(zhù)深遠意義。“高通已將最先進(jìn)的28nm制程技術(shù)引入到中芯國際。我們以前在海外跟其他的半導體客戶(hù)有基于28nm的合作，便把這些合作的經(jīng)驗帶到中國，與中芯國際進(jìn)行分享，希望借此能夠加快中芯國際在采用更先進(jìn)半導體制程方面的速度，達到快速成長(cháng)和共贏(yíng)。目前，我們跟中芯國際的28nm合作已經(jīng)有商用的產(chǎn)品了，并且產(chǎn)品已經(jīng)大量出貨。”

　　另一家重郵信科近水樓臺，依靠著(zhù)與三星的戰略合作伙伴關(guān)系，其包括赤兔6310和赤兔8320在內的赤兔系列芯片都采用了三星先進(jìn)的HKMG柵極LP工藝。

　　中國必須攻克28nm難關(guān)

　　開(kāi)發(fā)28nm工藝需要巨額的研發(fā)經(jīng)費，在初始階段企業(yè)是無(wú)法單獨承擔的，迫切需要國家的經(jīng)費支持。

　　無(wú)論IDM還是fabless，都把28nm工藝制程看做是未來(lái)實(shí)現盈利的重要手段，因此競爭會(huì )非常激烈。盡管中國處于后進(jìn)者地位，但是也必須加入，不可退縮。

　　業(yè)界有部分人認為，從性?xún)r(jià)比角度講，除非有特殊的應用，否則28nm可能是最優(yōu)化的一個(gè)制程。特殊應用大抵只有兩種情形：一種是數量巨大的產(chǎn)品，如memory、CPU與FPGA等;另一種是特定的低功耗或者高頻率的SoC需求。

　　因此，歸納起來(lái)有以下幾點(diǎn)體會(huì );

　　一是不能操之過(guò)急，不要急于擴大28nm的產(chǎn)能。一定要待技術(shù)成熟以及市場(chǎng)有需求之后再進(jìn)行，通常這個(gè)周期也就9到12個(gè)月。

　　二是先進(jìn)技術(shù)是買(mǎi)不來(lái)的，必須要自己努力攻克難關(guān)。28nm工藝制程有難度，不會(huì )如90nm轉進(jìn)65nm那樣輕松，也不要指望某個(gè)公司會(huì )把28nm技術(shù)無(wú)償轉讓。另外開(kāi)發(fā)28nm工藝需要數億美元的研發(fā)經(jīng)費，在初始階段企業(yè)是無(wú)法單獨承擔的，迫切需要國家的經(jīng)費支持。

　　三是28nm之后的下一代工藝制程是否繼續跟進(jìn)?需要仔細斟酌，這將是一個(gè)綜合平衡利弊的結果。