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28nm制程还能兴盛多久?

2018-12-19
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12月11日,华虹集团旗下的12英寸晶圆代工厂上海华力与联发科共同宣布:基于上海华力28nm低功耗工艺平台的一颗无线通讯数据处理芯片成功进入量产阶段。


至此,除了中芯国际之外,又有一家大陆晶圆代工厂具备了28nm制程的量产能力。


随着研发难度和生产工序的增加,IC制程演进的性价比提升趋于停滞,造成了“28nm长制程”的现象。20nm和16/14nm制程的成本一度高于28nm,这是摩尔定律运行60多年来首次遇到制程缩小但成本不降反升的问题。


由于性价比提升一直以来都被视为摩尔定律的核心意义,所以20nm以下制程的成本上升问题一度被认为是摩尔定律开始失效的标志,而28nm作为最具性价比的制程工艺则被认为将长期活跃于市场。


图:IBS认为28nm制程市场占比将长期稳定(来源:IBS)


成本优势


在设计成本不断上升的情况下,只有少数客户能负担得起转向高级节点的费用。据Gartner统计,16nm /14nm芯片的平均IC设计成本约为8000万美元,而28nm体硅制程器件约为3000万美元,设计7nm芯片则需要2.71亿美元。IBS的数据显示:28nm体硅器件的设计成本大致在5130万美元左右,而7nm芯片需要2.98亿美元。 对于多数客户而言,转向16nm/14nm的FinFET制程太昂贵了。


就单位芯片成本而言,28nm优势明显,将保持较长生命周期。一方面,相较于40nm及更落后制程,28nm工艺在频率调节、功耗控制、散热管理和尺寸压缩方面具有显著的优势。另一方面,由于20nm及更先进制程采用FinFET技术,维持高参数良率以及低缺陷密度难度加大,每个逻辑闸的成本都要高于28nm制程。


28nm工艺处于32nm和22nm之间,业界在更早的45nm阶段引入了high-k值绝缘层/金属栅极(HKMG)工艺,在32nm处引入了第二代 high-k 绝缘层/金属栅工艺,这些为28nm的逐步成熟打下了基础。而在之后的先进工艺方面,从22nm开始采用FinFET(鳍式场效应晶体管)等。可见,28nm正好处于制程过渡的关键点上,这也是其性价比高的一个重要原因所在。 


虽然高端市场会被 7nm、10nm以及14nm/16nm工艺占据,但40nm、28nm等并不会退出。 如28nm~16nm工艺现在仍然是台积电的营收主力,中芯国际则在持续提高28nm良率。


2015~2016年,28nm工艺主要用于手机应用处理器和基带,同时,机顶盒和数字电视等市场需求不断提升,预计2019~2020年,28nm工艺将渗透到混合信号产品和ISP芯片领域, 不断涌现的新应用将促使28nm制程保持较长的时间窗口。据IBS估算,2014年全球28nm晶圆需求量为291万片,2018年将增至430万片,预计2024年将缓减至351万片。


群雄争霸28nm


目前,行业内的晶圆代工企业主要包括以下几家:台积电,GF(格芯),联电(UMC),三星,中芯国际(SMIC),华虹,TowerJazz,力晶和世界先进等,另外,IDM大厂Intel和ST也会提供一些晶圆代工业务。


然而,在这些厂商中,TowerJazz,力晶和世界先进等代工厂主要面向8英寸晶圆的特种工艺,最高水平的制程也就是90nm,几乎不涉及28nm制程业务(即使有,市占率也很少,不足3%)。下图为世界先进的制程概况。


图源:世界先进官网


此外,Intel的制造水平虽然很高,但其主要制造逻辑和存储IC,工艺一般都很先进,所以涉及28nm制程有限。


因此,行业内的28nm制程主要在台积电,GF,联电,三星和中芯国际这5家之间竞争,另外就是刚刚宣布量产联发科28nm芯片的华虹旗下的华力微电子。


下面看一下各家导入28nm制程的时间点。


台积电于2011年开始导入28nm制程量产,并在2012年攻克了28nm HKMG制程,三星则是在2012年实现了28nm的量产,并于2013年导入了 28nm HKMG,而GF和UMC稍晚一些,于2013年开始量产,中芯国际则是在2015年开始导入28nm制程量产的,并于今年8月宣布完成28nm HKMG的研发。


台积电


台积电的28nm制程在2011年投入量产后,营收占比只用了一年时间就从2%爬升到了22%,迅速扩张的先进产能帮助台积电在每一个先进制程节点都能抢占客户资源、扩大先发优势,并使其产能结构明显优于同业竞争对手,用更高的产品附加值带来了更高的毛利率。


28nm制程是台积电的核心业务,制程良率在90%以上,28nm制程营收占其总营收的比例为:2016年时26%,2017和2018年都是23%,这个比例仅次于其同期16/20nm制程的28%,25%和25%,是该公司的第二大业务版块。


中芯国际


作为中国大陆第一家制程工艺达到28纳米,并且同时提供28纳米PolySiON(多晶硅)、28纳米HKMG工艺的晶圆代工企业,中芯国际在国内有多个工厂,而其28纳米制程产品主要在位于北京的两座中芯北方工厂生产,分别是FAB B2和FAB B3,尤以FAB B3为主力产线。


该公司28nm制程的收入贡献从2016年的1.6%增至2017年的8.0%,2018年Q3 略降至 7.1%,主要原因在于其28nm以较为低端的 PolySion 工艺为主,HKMG 产能及良率尚不高,同时,全球28nm产能目前处于过剩状况。中芯国际28nm HKMG 的升级工艺 HKC+,对标台积电的28nm HPC+,该工艺可以显著提升性能、降低功耗,有望开拓部分智能手机及物联网应用市场。


中芯国际第二代HKMG,即HKC+预计于2019上半年量产,有望拉动28nm收入回升。此外,该公司的14nm FinFET已于近期开始导入客户,预计2019下半年量产。


对于中芯国际来说,28nm属于先进制程,表面上看其占比提升应该会提高该公司晶圆的出厂均价。但实际情况确是晶圆的出厂均价从2016年末的743美元/片(8英寸约当晶圆)逐季下跌至2017年末的700美元/片(8英寸约当晶圆),全年跌幅达 5.8%。


在中芯国际的 4Q17 电话会议上,CEO赵海军表示:竞争对手的28nm已经是成熟制程,可以凭借折旧周期以及良率优势进行高强度的价格竞争。目前28nm产品的价格对中芯国际的压力非常大,导致这部分产品的产能爬坡过程给总体毛利率带来很大挑战,公司目前对于 28nm的扩产事宜采取谨慎态度。


联电


对于重点发展特殊工艺的联电来说,28nm是其重点业务版块,为此,该公司还放弃了14nm以下先进制程的研发工作。


对于目前市场上28nm产能有些过剩,使得各代工厂在这个节点上面临的挑战逐年增加这一问题,联电总经理简山杰先生表示:“我们的28nm poly产能是满载的,而28nm HKMG还有些空余。过去,28nm HKMG主要用于手机的基带和AP芯片制造,而随着先进制程的逐步成熟,如14nm、10nm,以及最新的7nm工艺,手机处理器都在向这些制程上转,这就导致28nm HKMG产能利用率下降。一种解决方法就是将更多中小客户的需要引入到28nm HKMG上来,当然,这需要一定的时间积累。这方面,UMC目前都20多产品在这条线上,而且量在稳步增加,”


据悉,UMC的28nm HPC+工艺已经就绪,这样,新的客户会不断补充进来,以提升产能利用率。


另外,在特殊工艺方面,LCD Driver IC、OLED Driver IC量很大,多数采用的是80nm、40nm工艺,在此基础上,UMC准备将这些IC制造导入到28nm上来。另外,在MCU的特殊工艺方面,UMC也在持续发展,总的来说,就是希望28nm产线的内容更加多样化,产能利用率更高。


近期,某欧系外资机构在联电最近的财报会后发布了研究报告,指出联电财报显示其第四季业绩展望逊于预期,28nm因市场新产能开出,会使明年出现供过于求的态势,联电营运的压力正在加大。


报告进一步指出,预期联电与其他晶圆代工厂将在2019年面临产能利用率和利润率下行的压力,这主要源于缺乏在先进制程上的突破点、消费类/汽车/PC等需求放缓,以及加密货币ASIC客户从28/14nm转向台积电7nm制程等挑战。


SOI的崛起


近几年,SOI工艺快速崛起,这在很大程度上得益于格芯(GF)的大力推动。


业内关于FD-SOI与FinFET工艺的优劣历来各执一词,尽管或许FinFET目前在高密集运算(能耗大,比较热)占据上风,但FD-SOI却在低功耗,防辐射,低软错误率,耐高温和EMC,和车载可靠性方面有着无可比拟的优势。目前采用FinFET工艺的主要有英特尔、台积电、中芯国际、联电等,而IBM、意法半导体、三星、高塔半导体、格芯等却是FD-SOI工艺的忠实拥趸。


业内人士普遍认为,对于SOI工艺来说,28nm制程更具优势,可以撑很久,而且当工艺再往前演进时,SOI会越来越有优势。28nm算是一个分界点。到了这个节点,工艺可以很轻松的转换到SOI,而且目前有越来越多的EDA工具支持这种转变。


在制程方面,Globalfoundries采取双路线图方案,即SOI与FinFET,但该公司更看重特种工艺的研发工作,为此,它们于今年夏天宣布放弃12nm以下先进制程的研发工作。


在FD SOI方面,该公司在与三星的28nm FD SOI工艺进行竞争,而后者今年推出了新的18nm FD SOI。对此,Globalfoundries表示,我们很高兴看到三星也参与其中,这有助于让更多的人进入该市场。


三星是FD-SOI的重要推动力量。由于摩尔定律发展到28nm工艺节点的时候,出现了不同以往的情况,即从28nm开始,再向更高节点发展,如20、16、14、10、7nm等,集成电路中每个晶体管的成本不再下降,而是上升。


三星认为28nm工艺更适合物联网(IoT)在成本、功耗和性能方面的要求,特别是MCU和传感器产品。因此,三星LSI推出了“28FDS”技术和产品,并于2016年开始量产。


三星Foundry业务部门的发展路径主要分为两条,从28nm节点开始,一条是按照摩尔定律继续向下发展,不断提升FinFET的工艺节点,从14nm到目前的7nm,进而转向下一步的5nm和3nm.


另一条线路就是FD-SOI工艺,该公司还利用其在存储器制造方面的技术和规模优势,着力打造eMRAM,以满足未来市场的需求。


实际上,三星在MRAM研发方面算是起步较早的厂商,2002年就开始了这项工作,并于2005年开始进行STT-MRAM的研发,之后不断演进,到了2014年,生产出了8Mb的eMRAM。


三星28FDSOI嵌入式NVM分两个阶段。 第一个是2017年底之前的电子货币风险生产,第二个是2018年底之前的eMRAM风险生产。


然而,提供28nm嵌入式非易失性存储器具有挑战性。普遍的观点认为,将闪存转换为28nm是不现实的,MRAM,相变存储器(PCM)和电阻性RAM(ReRAM)等其他选项缺乏工程成熟度。


而eFlash的问题包括28nm的耐用性和功耗方面的困难。


三星于2017年研制出了业界第一款采用28FDS工艺的eMRAM测试芯片。


另外,据三星Foundry业务总经理ES Jung介绍,该公司已经不像2016年那样,只是固守在28FDS,而是开始向18FDS(18nm的FD-SOI)进发。看来,三星对SOI的乐观程度有增无减,估计很快会看到更新的SOI产品推出。


Globalfoundries一直关注嵌入式MRAM,但其他公司正在提供替代品,例如,三星在其28nm FDSOI上提供嵌入式MRAM和闪存选项,意法半导体(STMicroelectronics)已选择28nm FDSOI上的相变存储器(PCM),并实现了汽车应用的高端微控制器出样。


还能兴盛多久?


28nm虽然是个很不错的高性价比制程,但各代工企业在该节点处的竞争愈发激烈,除了台积电、联电、、三星、格芯及中芯国际之外,眼下华虹也加入了战团。


由于台积电技术突破最早,目前凭借较小的折旧压力打低价战来获得更多的市场份额,加上整个制程扩产相对激进,供大于求,给其它几家厂商的毛利率带来很大压力。


对于这样的市况,国泰君安证券分析师王聪认为:先进制程的性能和功耗逐代优化幅度并未减小,客户依然愿意支付更高价格来使用最新制程工艺生产高附加值产品。对先进制程最敏感的当属手机处理器领域,苹果、高通、三星、华为海思、联发科等SoC大厂之间在性能上的竞争非常激烈,一旦落后一代就会产生20%~40%的综合性能差距,这在更迭迅速的消费电子市场是不可接受的。因此,手机处理器厂商都是顶尖制程的忠实客户,不惜花费重金争夺最先进制程的产能。


客户对于先进产能的旺盛需求在最新制程的产能爬坡速度上有很直观的体现。以第一梯队的台积电为例,虽然每一代制程的推出间隔正在逐步放缓,例如:45nm到28nm之间相隔9个季度,28nm到16/20nm之间相隔11个季度,16/20nm到10nm之间相隔12个季度,但从65nm以后的历次新制程产能爬坡情况来看,新制程量产后的扩产和替代速度正在迅速加快:40/45nm制程的产能占比从0提升到20%耗时9个季度,28nm制程耗时7个季度, 16/20nm制程耗时5个季度,而10nm制程只耗时3个季度。


那么在自身产能过剩,以及先进制程量产速度不断加快的双重压力下,28nm制程在未来几年的市况和命运走向如何呢?拭目以待吧。


文/半导体行业观察 张健




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