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台积电南京扩产引争议:28纳米芯片制造“黄金线”之辩

2021-04-29 04:05

文 / 钛媒体APP   编辑 / 庄梅

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      主观与客观:28nm缘何成为芯片制程节点的“黄金线?

  熟悉产业的知识,在芯片制造中,28nm被认为是芯片制造的黄金线,分为成熟过程和先进过程,即28nm(包括28nm)以上为成熟过程(例如40nm、55nm等),以下为先进过程(例如16nm、14nm、7nm等)。

  所谓知道,需要知道。为什么28nm被称为芯片制造的金线?

  众所周知,芯片产业的发展一直遵循摩尔法则,但随着芯片产业的发展,半导体制造商们发现维持摩尔法则继续推进的成本越来越大,工艺的微缩不再跟随晶体管单位的成本下降的效果,产业界从32/28nm节点进入22/20nm工艺节点时,首次遇到成本上升的情况,即28nm工艺节点,摩尔法则失。效。

  事实上,早在2016年,三星的Semicon West 2016大会的简报中,预测了28纳米是完全符合摩尔法则(晶体管密度增加,成本下降)的最后一个技术节点,即28纳米以后,虽然产业能继续把晶体管做得更小、却无法更便宜。

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  此后,市场研究机构International Business Strategies (IBS)的数据显示,28nm后芯片成本迅速上升。28nm工艺成本为0.629亿美元,到了7nm和5nm,芯片成本急剧增加,5nm增加到4.76亿美元。三星表示,3nmGAA的成本可能超过5亿美元。高昂的研发费用降低了芯片设计制造商向先进的技术节点转移的欲望。从性能指标来看,与40nm相比,28nm开关速度上升了约50%,动态能源消耗量减少了50%,静态能源消耗量也下降,性能大幅度上升,但由于成本差距小,确立了28nm金线的优势,简而言之,28nm是当前芯片制造中最具成本效益的技术节点。

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  同样是市场研究机构International Business Strategies(IBS)最近发表的白皮书数据显示,2020年半导体代理市场,28nm以上技术的市场份额约占3分之2,今后5年,先进技术的市场扩大,但成熟技术的市场份额仍在50%以上。

  根据IC Insights发布的《2020-2024年全球晶片生产能力》报告,40nm以上成熟工艺的比例近年来没有明显变化,市场规模相当大,表现为40nm以上的成熟工艺,180nm以下,180nm以上,市占率均相当稳定。

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  另外,去年世界汽车产业芯片不足,与28nm以上工艺的芯片不足密切相关,在一定程度上推进了28nm。

  28nm竞争激烈,台积电加码客观冲击中国芯片制造不可避免

  由于28nm以上的成熟工艺在技术和成本平衡以及市场需求的主要客观作用下,几乎所有芯片制造商都没有完全放弃28nm以上的成熟工艺的生产(只是占自己产品线的比例不同),包括现在芯片制造业最先进的台积电去年突然的世界汽车产业芯片不足,制造商陆续扩大了28nm的产品线,之后的竞争非常激烈。

  那么问题来了,最近业内备受争议的台积电在南京28nm生产线会给中国芯片制造产业带来冲击吗?

  在回答这个问题之前,让我们先看看台积电去年的收入构成。台积电发表的财报显示,去年台积电的收入为1.339兆元的新台币(474亿4千万美元,约3097亿8千万美元),其中28nm工艺占收入的12.67%,约60.11美元和392亿5千万美元。

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  让我们来看看目前28nm最成熟的中国芯片制造商中心国际2020年的收构成。据中心国际年报报道,去年中心国际收入274.71亿元,其中28nm/14纳米工艺合并占收入比例9.2%,约25.27亿元。

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  需要说明的是,中心国际去年第二季度合并计算了14nm、28nm,因此不确定两个技术的具体比例,如果没有意外的话,28nm的份额应该是最多的。

  相比之下,台积电仅28nm工艺的收入超过了中心国际的全部收入,是其1.43倍。与28nm工艺相比,台积电是中心国际的15.53倍,可以说差距很大。

  在收入如此悬殊的现实下,台积电九牛一毛的年产4万张28nm的生产能力,一旦被释放,放在中心国际也是很大的压力。

  更重要的是,去年中心国际相继投入2次重资建设28nm生产线,计划在28nm工艺中加大力度。现在,不是构成台积电收入主力工艺的28nm扩大生产,对中心国际绝对不利。原因是什么?其中,双方都有竞争的起源。

  时间回到2017年,在中心国际2017年第四季度的电话会议上,首席执行官赵海军表示,竞争对手(意大利台积电)的28nm已经是成熟的工艺,可以以以折旧周期和良好率的优势进行高强度的价格竞争。因此,28nm产品的价格对中心国际的压力非常大,这部分产品的生产能力上升过程给整体毛利率带来了很大的挑战,公司现在对28nm的扩大采取了慎重的态度。

  到去年为止,中心国际科学创造板上市时,在上市公告书中,现在28纳米世界纯晶圆厂商的生产能力布局多,世界28纳米市场的生产能力过剩。公司根据市场经营战略和客户需求,在满足订单需求的前提下,优化产品组合,将部分原用于28纳米工艺的通用设备转用于生产利润高的其他工艺产品。

  实际情况是,由于工艺的革新、良好率和生产能力的优良控制,台积电可以以过激的折旧和领先优势以价格竞争阻止对方。通常,台积电的工艺技术领先,意味着设备折旧率先结束(台积电一般为5年),竞争对手还在计算设备折旧。台积电可以利用成本优势遏制对手,抢占市场份额。

  以28nm为例,台积电2011年新进入的生产能力在2016年底计算折旧,从2017年开始降价,在竞争中,中心国际和联电28nm产品的收益性大幅度下降,中心国际上述自己所说的困境,到去年为止,28nm产品的毛利率还是负的,这完全是技术创新和市场自由竞争的结果,将来会更加如此。

  因此,我们在看台积电南京扩大生产28nm生产线时,必须从正常市场自由竞争的角度承认这种压力,同时不断完善自己产品的竞争力。

  说到28nm的竞争,除了台积电,包括台联电、格芯等芯片制造企业都选择在这个节点上完善自己的制造技术,在这个节点上引进新的升级产品应用。

  重资28nm,中国芯片制造切忌剑走偏锋

  正是因为28nm在芯片工艺中的黄金线属性和去年全球芯片不足,我们的芯片制造业看到了机会,从去年到现在,国家政策水平和相关企业都在对28nm工艺进行释放。

  去年8月,国务院发布了《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的几项政策》(以下简称政策)。根据《政策》,国家鼓励的集成电路宽度不足28纳米(含),经营期在15年以上的集成电路生产企业和项目,从第一年到第十年免除企业所得税。

  据不完全统计,目前a股至少有20家上市公司宣布相关技术进入了所谓的28nm时代。

  作为中国芯片制造的代表,中芯国际更是重资28nm。

  首先,去年,中心国际与国家大基金合作建立了合资企业的中心城市,投资500亿元扩大了28nm生产线。据此前公告,500亿元是上述项目的首期投资,一期项目计划于2024年完成,完成后每月约达到10万张12英寸晶片生产能力。

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  今年3月,中心国际宣布与深圳政府建议出资,通过中心国际集成电路制造(深圳)有限公司(以下称中心深圳)进行项目发展和运营,重点生产28纳米以上的集成电路,提供技术服务,最终每月实现约4万张12英寸晶片的生产能力预计2022年开始生产。

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  仅仅12个月,与背后的国家力量合作,中心国际在北京、深圳两地投入100亿美元,两次大幅度扩大了28nm以上技术的12英寸晶片生产能力。

  关于中心国际28nm线的扩大,业内专家也陆续背书。例如,中国工程院士吴汉明在今年3月举办的SEMICON上发言,注意到28nm的扩大生产能力。以现在的速度发展,再过几年,中国芯片的生产能力和需求的差距至少相当于8个中心国际现在的生产能力,必须加快生产扩大。

  太好了。但是,我们的担心也来了。因为在我们的上述情况下,去年中心国际在自己的招聘书中也说:现在28纳米世界纯晶圆厂商的生产能力布局多,世界28纳米市场的生产能力过剩。公司考虑到市场经营战略和客户需求,在满足订单需求的前提下,优化产品组合,将部分原用于28纳米工艺的通用设备转用于生产利润高的其他工艺产品。为什么重资28nm产品线?也就是说,什么让中心国际在这么短的时间内判断芯片产业完全不同?

  去年突然汽车芯片不足,芯片产业整体成熟工艺产品供应不足的事实吗?还是各种权威机构对未来28nm以上成熟工艺芯片市场的期待?或者自己的28纳米以下(例如14m和7nm)的挫折?总之,中心国际对28nm的重资总是让我们感到剑偏锋。

  首先,从去年全球芯片短缺来看,包括台积电和英特尔电和英特尔的CEO在内,该短缺将于2023年解决。

  其次,当我们仔细研究相关权威机构对28纳米以上芯片工艺产品的预测周期时,我们基本上从2020年到2025年,例如我们上述引用的IBS统计从2020年到今后5年是周期,ICInsights发表的《2020-2024年全球晶片生产能力》的报告周期为4年,去年年底Omdia发表的28nm将在今后5年成为半导体应用的长节点工艺的报告周期也将以5年为周期。那么问题来了,5年后,28nm以上成熟工艺的芯片产品市场会怎样呢?

  第三,从现在的5年周期之后,28nm及以下制程的技术会发展到何种程度?从芯片制造老大台积电去年公布的财报看,其28nm以下的先进制程(包括20nm、16nm、10nm、7nm、5nm)的营收已经占据接近60%的份额,尤其是7nm高达33.5%,而众所周知的事实是,台积电的3纳米也计划在2022年量产,照台积电制程节点的创新速度,5年过后,现有的诸如16nm、7nm恐怕早已经过了折旧周期,届时,现在位于先进制程范畴的芯片成本将会大幅下滑,所谓28nm的“黄金线”是否会发生转移?

  更重要的是,与现在成熟的工艺芯片密切相关的产业(例如汽车)5年后需要更先进的工艺芯片来满足自己的需求吗?

  第四,从中心国际现在扩大生产的28nm生产线来看,预计最快明年生产,最慢到2024年,基本上处于产业预计的5年周期的下半部分,台积电最激进的5年折旧周期(保证产品创新和良好率),中心国际扩大生产的28nm生产线的折旧也延长到2026年,到2030年。在此期间,中心国际承受了巨大的成本压力,产能过剩的概率翻了一番。

  最后,也是最为重要的是,中芯国际从2015年宣布量产28nm至今,已经过去接近6年时间,但其竞争力依然羸弱(其在自家营收占比始终维系在10%左右,或者中低个位数),甚至在去年年底产业普遍缺芯的情况下,竟然出现了28nm线客户转单台积电的现象。

  相比之下,台积电2011年首次投入批量生产28nm工艺,仅1年,其收入从2011年第四季度的2%上升到2012年第四季度的22%,5年就完成了28nm线的折旧,其中良率非常重要。因此,在扩大生产的28nm线正式生产产后,中心国际的28nm是否真的具有板台积电和其他节点发力厂商的实力。

  中国芯片制造崛起,做芯片产业的“米其林”才是关键

  说到良率,当然与芯片制造密切相关。去年,《日本经济新闻》(简称日经)的文章可能会给我们的芯片制造业带来很好的启发。

  本文通过米其林星级餐厅的评级,引出了均质制造同一产品的概念,称均质制造同一产品无聊,必须按照规定重复细致的工序。其实这离不开半导体和发动机。半导体和发动机在了解原理和制作工艺后,只要有原材料和制造设备,每个人都可以模仿。但是,制造看起来很简单,但是必须重复恐怖精密的工作。

  具体来说,在芯片制造方面,中国台湾地区工程研究院电子和光电系统研究所所长吴志毅在接受相关媒体采访时指出,先进工艺的程序至少有1000个程序,要使良好率达到一定水平,并非所有程序都达到99.99%。因为到最后可能连四成的良好率都达不到。只有使大部分步骤的良率达到100%,才能有一定的良率表现,受到顾客的欢迎。

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  台积电共享其7纳米经验时,在设备中配置了大量传感器,确保能够收集有用的数据,利用人工智能和大数据改善工艺。事实上,早在2017年,台积电掌门张忠谋就透露,台积电的先进制造环境已经采用了独特的专家系统、先进算法和神经网络自学模式。

  在制造管理方面,看起来跑得快的台积电实际上有稳定的风格。例如,在导入EUV时,与技术不成熟时直接采用EUV的三星相比,台积电沿着FinFET发售7纳米产品,发售EUV的高级版本,一步一步地发布足迹。

  根据这个测量,我们相关的芯片产业怎么样了?

  总结:

  从2019年的14nm热到去年(持续到今年)的28nm大,再到最近台积电南京扩大28nm生产线引起的争论,中国芯片制造业总是热点不足。但是,我们关心的是,在这些热点背后,我们相关的企业和业界是否真的找到了振兴中国芯片制造业的真正意义(包括经验和教训)?你真的学会了如何判断未来芯片制造业的趋势,准备好了吗?你知道如何提高自己产品的竞争力吗?

  盲目自大是不可取的,妄自菲薄不是我们需要的,只有踏入现场,踏足千里精神和行动,中国芯片制造业才有更强的未来。

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