先進(jìn)or成熟制程，芯片熱下的冷思考
發(fā)布人：傳感器技術(shù)
時(shí)間：2022-11-03
來(lái)源：工程師
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在當下的博弈時(shí)刻，回歸成熟制程確實(shí)被不少業(yè)內人士認為是更具有現實(shí)意義的舉措。類(lèi)似的觀(guān)點(diǎn)中國工程院院士、浙江大學(xué)微納電子學(xué)院院長(cháng)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，當下回歸成熟制程有多重要？以及我國半導體產(chǎn)業(yè)要想在成熟制程領(lǐng)域做強還需要突破哪些困難？
成熟制程，可滿(mǎn)足大部分應用場(chǎng)景
我們可以從應用場(chǎng)景、技術(shù)水平以及經(jīng)濟成本這三個(gè)維度來(lái)看成熟制程的重要程度。首先是應用場(chǎng)景，該半導體行業(yè)資深人士打了個(gè)比方，“媒體關(guān)注先進(jìn)制程就如同大眾關(guān)注奧運冠軍”，但回歸現實(shí)，絕大多數普通人并不需要跑那么快，大部分的電子應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、模數混合芯片、CMOS 傳感器、傳感器等主要采用成熟制程。在應用層面，受益于下游新能源汽車(chē)、新一代通信技術(shù)、安防、云計算等領(lǐng)域的快速發(fā)展，射頻、功率半導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。因為這些芯片對運算速度和空間的要求沒(méi)有那么高，而是更強調在極端環(huán)境下的穩定性和可靠性，所以主要采用成熟制程的芯片。
哪個(gè)應用領(lǐng)域需要先進(jìn)制程呢？手機的處理器芯片。隨著(zhù)手機成為生活、辦公、娛樂(lè )都必不可缺的終端設備，人們對手機的性能要求也越來(lái)越高，因此手機芯片既需要運算速度快，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(gè)生產(chǎn)環(huán)節的技術(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(shí)就率先實(shí)現了28納米芯片的量產(chǎn)，這意味著(zhù)，到今天為止，28納米芯片的制造技術(shù)經(jīng)歷了超過(guò)十年的驗證，因此，無(wú)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(chǎng)28納米制程的良率大多在90%以上，但是隨著(zhù)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(chǎng)的利潤掛鉤。半導體材料廠(chǎng)商Entegris中國銷(xiāo)售副總裁張凱翔此前在接受采訪(fǎng)時(shí)表示，對于3D NAND晶圓廠(chǎng)而言，1%的良率提高可能意味著(zhù)每年1.1億美元凈利潤的增加；對于尖端的邏輯晶圓廠(chǎng)而言，1%的良率提升則意味著(zhù)每年1.5億美元凈利潤的增加。
產(chǎn)業(yè)鏈層面，對我國最現實(shí)的影響，就是光刻環(huán)節不必依賴(lài)ASML的EUV光刻機。7納米到3納米的芯片制造需要用到EUA光刻機，這種設備只有荷蘭的ASML能生產(chǎn)，不過(guò)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，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)節上，上海微電子、北方華創(chuàng )、沈陽(yáng)拓荊、中微公司、中科信、華海清科等國產(chǎn)設備商的產(chǎn)品已基本可以滿(mǎn)足國內成熟制程的制造需求。
最后在經(jīng)濟帳上，制程越往前推進(jìn)，成本越高。吳漢明曾給過(guò)一個(gè)數據，搭建一個(gè)32nm芯片的產(chǎn)線(xiàn)，建廠(chǎng)成本需要45億美元，研發(fā)成本需要9億美金，設計成本需要1億美金；而到了16nm階段，晶圓廠(chǎng)的建設成本會(huì )去到90億美元，研發(fā)成本增加到18億美元，設計成本漲到22億美元，整體成本較之32納米產(chǎn)線(xiàn)翻了一番。
這些前期投入成本最終都會(huì )分攤到芯片造價(jià)上，但是并非所有的電子設備都像蘋(píng)果手機一樣有足夠的銷(xiāo)量及價(jià)格空間來(lái)支撐高端芯片的運用。因此，更具有性?xún)r(jià)比的成熟制程芯片才是大多數電子應用的首選。總結一下，重視成熟制程的發(fā)展對于我國邁向半導體產(chǎn)業(yè)強國至關(guān)重要，主要是因為：
● 在應用領(lǐng)域上，成熟制程能滿(mǎn)足大多數電子設備以及國防設備的智能化需求。
● 在技術(shù)水平上，成熟制程比先進(jìn)制程更加穩定、可靠且產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)更加完備。
● 在經(jīng)濟成本上，對于量產(chǎn)規模不大、售價(jià)不高的中低端電子設備而言，成熟制程的芯片更具有性?xún)r(jià)比。
當然，還有一個(gè)重要原因，就是我們半導體產(chǎn)業(yè)成熟制程的精良程度還遠遠不夠。
成熟制程，困在工藝里
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？根據方正證券研究所整理的數據，2020年全球各地區晶圓產(chǎn)能按制程拆分來(lái)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(guò)，這其中的產(chǎn)能貢獻，外資晶圓代工廠(chǎng)占據了半壁江山。根據市場(chǎng)調研機構 Counterpoint Research 的統計，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(zhù)，在成熟制程的自主產(chǎn)能上，我國的全球市場(chǎng)占比還比較低。
另外，在制造設備上，“28納米制程能夠實(shí)現完全國產(chǎn)化依舊是一個(gè)很大的挑戰。”上述半導體行業(yè)資深人士表示，“2017年以前，因為在市場(chǎng)上很容易買(mǎi)到國外設備，所以相比較前期投入研發(fā)以及培育人才，國內工廠(chǎng)更愿意依賴(lài)進(jìn)口，這也導致了國產(chǎn)化開(kāi)始發(fā)力時(shí)，技術(shù)、人才各方面的積累不夠，還需要花時(shí)間扎扎實(shí)實(shí)地做起來(lái)?！?/span>
據方正證券研究所梳理，2020年國內晶圓廠(chǎng)（包含三星、臺積電等晶圓廠(chǎng)的設備采購）設備采購總額約為154億美元，其中國產(chǎn)設備采購額僅為9.9億美元，占比7%。
技術(shù)、人才、市場(chǎng)都是我們在做精成熟工藝路上需要加強的環(huán)節。
技術(shù)層面，努力實(shí)現設備國產(chǎn)自給的觀(guān)點(diǎn)早已成為共識，但我們通常會(huì )忽略工藝層面的提升同樣至關(guān)重要。設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(gè)生態(tài)，有了設備之后，怎么通過(guò)工藝去提升良率，需要晶圓廠(chǎng)商同設備廠(chǎng)商進(jìn)行緊密溝通，共同開(kāi)發(fā)，不斷試錯、調整，這個(gè)過(guò)程非?；〞r(shí)間，也是我們的短板?！鄙鲜霭雽w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，包括運用在汽車(chē)和手機上的，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設計人才有著(zhù)極高的要求，因為模擬和射頻芯片不是由純粹的數字和邏輯組成的，需要各種精巧的電路設計?！斑@方面人才，國內是奇缺，因為不僅要求設計師具備十幾二十年的經(jīng)驗，而且水平要求很高?！痹摪雽w行業(yè)資深人士表示。
同時(shí)，模擬和射頻芯片的設計跟相應的制造工藝有很深的結合，需要設計人員和廠(chǎng)商共同來(lái)調試產(chǎn)品。在這方面，國外的IDM巨頭由于設計和制造是一體的，因此內部進(jìn)行協(xié)調優(yōu)化的過(guò)程非常方便。但是國內的芯片制造模式多是設計公司和晶圓廠(chǎng)分開(kāi)，因此更依賴(lài)設計人員的經(jīng)驗。
市場(chǎng)競爭上，國內晶圓廠(chǎng)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(jià)格優(yōu)勢。打個(gè)比方，臺積電在2011年就率先實(shí)現28納米的量產(chǎn)，而中芯國際是在2015年，這意味著(zhù)臺積電的設備折舊提完，而中芯國際卻還在面臨計提設備折舊的問(wèn)題。
因此，臺積電可以制定更低的價(jià)格來(lái)?yè)寠Z市場(chǎng)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(jià)很高，對成熟制程反而定價(jià)很低，讓競爭對手難以盈利，最終沒(méi)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(jià)格給中芯國際帶來(lái)非常大的壓力。
同樣道理，在其他購買(mǎi)不受限制的半導體設備領(lǐng)域，國產(chǎn)設備也面臨著(zhù)國外設備的激烈競爭。在國產(chǎn)設備還不夠成熟，操作上尚需不斷調試的爬坡階段，國產(chǎn)晶圓代工廠(chǎng)自然而然會(huì )更偏向性?xún)r(jià)比更高的外國設備。
目前我國在成熟制程上的設備自給率依舊比較低，同時(shí)成熟工藝的精進(jìn)面臨著(zhù)技術(shù)、人才、市場(chǎng)這三個(gè)主要方面的挑戰。
● 技術(shù)層面，除了設備自給率比較低外，與設備相配合的工藝也有待磨合提升。
● 人才層面，迫切需要經(jīng)驗豐富、水平高的研發(fā)人才。
● 市場(chǎng)層面，需要扛住領(lǐng)域巨頭的價(jià)格狙擊戰。
寫(xiě)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)的戰略選擇，同時(shí)也符合我國目前成熟制程自主產(chǎn)能相比占比較低，設備國產(chǎn)化率仍有待提高的現狀，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，在成熟制程基礎上進(jìn)行芯片性能提升的空間同樣相當大。比如，通過(guò)將多個(gè)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(shí)，也需要吹響對先進(jìn)制程的攻堅號角。只不過(guò)對于兩者，應該分別對待，在推動(dòng)成熟制程發(fā)展上，既需要在政策上給予各種補貼幫助，又需要引入市場(chǎng)化的力量推動(dòng)。而在推動(dòng)先進(jìn)制程的突破上，更需要政府牽頭研發(fā)機構，匯聚最頂尖的人才、技術(shù)，共同攻堅，共享成果。
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