晶圆代工是什么?

2018年7月13日21:51:12 发表评论 388 views

什么是晶圆代工呢?用最简单的话讲,就是专门帮别人生产晶圆片。

目前,大家熟知的晶圆代工厂大概有台积电、格芯、联电、中芯国际、三星、英特尔等。

其中有些是专做代工,比如台积电、联电、格芯、中芯国际。

有些是集芯片设计、芯片制造、芯片封测等多个产业链环节于一身,比如三星、英特尔,这些企业既可以自己生产晶圆,同时也可以为其他Fabless提供晶圆代工服务。

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晶圆代工业务的由来

在台积电出现之前,基本所有的半导体厂商都有自己的晶圆厂,就是像三星和英特尔,如果按照这个模式发展下去,对大部分的芯片新进者来说,无疑是一个巨大挑战,因为晶圆生产工厂的投资,不是个小数目。

然而,台积电创始人张忠谋的一个决定,改变了整个半导体行业的走势。半导体公司大多把晶圆制造作为副业,因为主业不是晶圆制造,而是设计和销售自己的产品,所以他们替别人代工的服务很不好,不够专业。

当时,台湾正好拥有日益进步的制造优势,技术人员的素质也大有提高的空间和可能,只要有人引路,就会大成功。张忠谋看准了这个机会。

1986年,他成立了全世界第一家专业晶圆体制造公司:台湾集成电路制造公司(台积电),并担任董事长。而且一开始,就设立大目标:“当我办一个半导体公司,当然要它长期繁荣。那只有一条路——世界级。”

然而,过程中遇到了很多问题。一是找不到合适的人才,二是半导体代工是一个新话题,半导体业界人士一时没有办法接受,三是当时正是半导体业的萧条期,开始一两年,订单非常少,生计困难。

要做世界级就必须有世界级的总经理。张忠谋当时先是找到包括英特尔副总裁在内的几位前任部属,这些人看好张忠谋,却不看好台湾半导体以及张忠谋提出的代工这个话题。后来终于说动原美国通用电气公司半导体部门总裁戴克加盟,可是不到一年,又因家人不能适应台湾而离职。

专业半导体代工,对于当时的市场环境来说,太新鲜了。人们接受新事物总是没有那么快,刚刚诞生的台积电即使拥有秘密武器,也一时敲不开市场的大门。设在美国的一位业务代表,虽然四处奔波拜访客户,但一年多,没也有带进什么客户。

以上这些问题,都需要得到解决。

1988年,台积电迎来大转机。改任台湾工研院董事长的张忠谋和刚刚上任的总经理戴克一起,通过私人交情将老朋友格鲁夫请到台湾对台积电开展认证,并争取到为英特尔代工的机会。

台积电要打世界大战,第一个难题就是得到世界的认可,当时还没有ISO9000,拿到英特尔的认证,就等于拿到世界的认证。但它背后的意义,远不局限于此。

厉害的格鲁夫丝毫没因私交而对老朋友网开一面,他让部属发狠挑出200多个问题,要台积电立即改进。半导体有200多道制程,英特尔一站一站地检查,检查通过后,才到下一站。

另外,半导体业的发展开始回暖后,张忠谋抓住机会火线出击,年年打胜仗,年年大成长。1994年,他辞去工研院董事长职务,全力投入企业经营,不但将台积电在台湾证交所上市,还同时创办另一家集成电路公司——世界先进。以此为起点,台积电的规模不断扩张,而且获利惊人,连连成为台湾最赚钱的公司。

台积电从创立到规模不断扩张的过程,也是专业芯片代工模式从半导体产业成功独立出来的过程。台积电的成功,也促使无厂半导体 (Fabless) 的兴起。Fabless的兴起同时也加大了晶圆代工的发展与竞争。

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今天的晶圆代工市场

如今,三十年过去了,晶圆代工已经成了半导体业界极其重要的一项业务。除了台积电,大家熟知的大概格芯、联电、中芯国际、三星、华虹宏力、力晶等。当然台积电多年来,一直稳居晶圆代工领域龙头地位。

前段时间,拓墣产业研究院最新报告指出,受到高运算量终端装置以及数据中心需求的带动,2017年全球晶圆代工总产值约573亿美元,较2016年成长7.1%,全球晶圆代工产值连续五年年成长率高于5%。

以下是2017年十大晶圆代工营收排名情况,通过这张图表也可大致了解,三十年后晶圆代工领域的发展现状。

晶圆代工 <wbr>是什么?

事实上,近年来晶圆代工竞争越来越激烈。

前段时间,路透社报道称,晶圆代工厂格芯,指控晶圆代工龙头台积电涉有不公平的竞争行为,并向欧盟执委会的反垄断机关要求调查一事。台积电则表示,外界指控与事实不符,台积电是凭借扎实的基本功以及技术领先的实力,才能与客户建立当前的信任关系。

可以看出,在两大晶圆代工厂之间虚与委蛇的背后,是越发激烈的晶圆代工市场的争夺战。

目前,台积电在全球的市场占有率排名第一,领先其他对手。根据ICInsights的调查报告,台积电去年合并营收接近300亿美元(294.88亿美元),市场占有率高达59%;排名第二的是格芯,去年合并营收为55.45亿美元,市场占有率仅11%。紧随其后的是台湾联电,去年营收45.82亿美元,市场占有率为9%。

据了解,台积电在2016年度的资本支出高达 95 亿至 105 亿美元(约新台币 3,050 亿至 3,380 亿元),已超越 Intel。而在明年上半年,台积电将率先量产7纳米制程。

下表是台积电现金制程布局情况。

晶圆代工 <wbr>是什么?

另外,来看看除台积电以外的几家知名晶圆代工技术发展和市场情况。

格芯

格芯成立于 2009 年 3 月,是从美商超微 (AMD) 公司亏损连连后拆分出来的晶圆厂,加上阿布达比创投基金 (ATIC) 合资成立。

AMD 仅持有 8.8% 股份,余下大部分由 ATIC 持有。借助背后石油金主 ATIC 的资金优势, 四个月后收购了新加坡特许半导体,成为仅次于台积电和联电的世界第三大晶圆代工厂。

毕竟是由 AMD 拆分出来的公司,格芯原先主要承接 AMD 处理器和绘图晶片的生产订单。

然而2011年,AMD Bulldozer 架构的微处理器由格芯代工 32 纳米制程时,因良率过低,造成原订 2011 年第 1 季出货的进度,一路延误到 2011 年第 4 季,使得后来 AMD 将部分订单转交给台积电。

ATIC作为金主,持续投入高额资本在先进制程的研发上;然而这条路走得始终不顺遂。台积电在2011 年即量产 28 纳米制程,格芯却迟至 2012 下半年才正式量产。

在 14 纳米 FinFET 工艺上,格芯于 2014 年获得三星的技术授权专利,但自主研发能力也因此遭人诟病。虽然如此,格芯的发展速度之快以及营收情况之好,还是有目共睹的。

9月14日,格芯成都项目举行“上梁仪式”。这是一个全球信息技术产业都在关注的项目——布局成都的格芯12英寸晶圆制造基地项目,其基地投资加相关配套投资超过100亿美元,是格芯在全球投资规模最大、技术水平最先进的生产基地,这也是全球首条22纳米FD-SOI先进工艺12英寸晶圆代工生产线。

此外,从技术上层面来讲,在今年6月底举行的上海世界移动大会上,格芯宣布7纳米技术将于2018年制成,然后会随着成本的降低实现量产。7纳米后格芯会投入5纳米芯片的研制,并预计最早将于2022年面世。

那么,被大众认为技术存在局限的格芯,能否按预期这样一步步实现目标呢,只有时间能给我们答案。

联电

联电曾经是仅次于台积电、全球第二大晶圆代工厂,然 2015 年已被格罗方德超过成为老三。事实上代工产业只有龙头一枝独秀,景气不佳时仅台积电始终维持获利,其余 2、3、4名皆是一团混战。

台积电的 28 纳米制程早在 2011 年第 4 季即导入量产。反观联电 28 纳米制程迟至 2014 年第 2 季才量产,足足落后台积电长达2年半时间。

近来竞争趋烈, 中芯也已在 2015 年下半量产 28 纳米,故联电计划跳过20纳米,原因在于20纳米制程在半导体上有其物理侷限,可说是下一个节点的过渡制程,效果在于降低功耗,效能上突破不大,因此下一个决胜节点会是16/14纳米制程。

三星

三星晶圆业务早期以自用为主,然而产能若仅自己用会太小、故也接苹果的单。制程飞越,直接从 28 纳米跳过 20 纳米,飞到现在的14纳米和 10 纳米。

三星的晶圆代工事业的发展之所以能成功,苹果可以说是一股最主要的助力。三星是动态随机存取记忆体 (DRAM) 和快闪记忆体 (NAND) 的领导厂商,全球市占率达 15.5%。

故其始终掌握著 iPhone 的记忆体关键零组件,比如 iPhone 4 使用的快闪记忆体晶片来自三星、iPad显示器也是由三星生产。

再加上三星的电子产品,使用的是自家生产的处理器 (如:Exynos猎户座);为了获得苹果的资源发展晶圆产业、同时不让自己的产能过剩 (若处理器仅用在三星自身产品上会有多余产能),其晶圆代工几乎是用成本价吃掉苹果单、记忆体打包一起折扣卖,来帮自己的晶圆代工练兵。

从 iPhone 的第一代晶片开始,苹果一直向三星采购ARM 架构的晶片。

2010年苹果自主研发的 A4 晶片被搭载在 iPad 上正式发表、随后又搭载在 iPhone 4 中。A4 处理器虽出自苹果,三星自家发表的 S5PC100 处理器和 A4 晶片上 采 用的内核一模一样,两款晶片的电路设计上可以说是同一批人马。后续的 A5、A6、A7 也都是三星生产。

不过苹果和三星在代工处理上的关系,直到三星在 Android 智慧型手机与苹果的iOS开始起了摩擦。 2011 年苹果正式起诉三星 Galaxy 系列产品抄袭 iPhone 和 iPad、三星又反起诉苹果侵犯其 10 项技术专利,苹果与三星的专利诉讼战几乎遍及全世界。

台积电之所以一直没办法获得苹果订单,是由于台积电报价强硬,而苹果迫使台积电接受与三星同样的成本价、另一方面是当时台积电厂房产能已经满载,无法接下苹果如此大量的订单。

后来苹果因与三星争讼、力行“去三星化”政策,且三星在 20 纳米制程的良率无法突破,最后只用来生产自家 Exynos 5430 (用在 Samsung GALAXY A8 ) 与 Exynos 5433 (用在 Samsung GALAXY Note 4 )。

另一方面,台积电 20 纳米制程领先三星,同时台积电已经将产能扩张完毕,最后才由台积电首度拿下 iPhone 6 的 A8 处理器全部订单。

不过三星的急起直追,对于台积电投入好几年、几千亿的研发资金的技术仍颇有压力。

由于三星的 14 纳米已超越台积电的 16 纳米,加上苹果 A9 的大部分订单更转到了三星,对台积电所造成的损失高达好十几亿美元。张忠谋在 2014 年的法说会上,坦承 16 纳米技术被三星超前,使台积电一度股价大跌、投资评等遭降。

这个局势在 iPhone 6s A9 晶片忽然扭转,使得台积电在苹果A9处理器一战成名。

同时采用三星及台积电制程的 A9 处理器在功耗上发生的显著的差异:台积电的晶片明显较三星地省电,适才爆发知名的 iPhone 6s 晶片门争议。

这显示著三星虽然在制程上获得巨大的进步,但在良率及功耗的控制下仍输给台积电,使得苹果 A9 后续的追加订单全到了台积电手裡;到了 A10 处理器,其代工订单由台积电全部吃下。

为什么三星的 14 纳米会不如台积电的 16 纳米制程的另一个原因,在于FinFET (鳍式场效应电晶体) 先进制程上的命名惯例被三星打破。

当初台积电刚采用立体设计的 FinFET 工艺时,原本计画按照与 Intel 一致的测量方法、称为 20 纳米 FinFET,因为该代制程的线宽与前一代传统半导体 2D 平面工艺 20 纳米的线宽差不多。

但三星抢先命名为“14 纳米”,为了不在宣传上吃亏,台积电改称为“16 纳米”。事实上,三星与台积电皆可称为“ 20 纳米FinFET”。

英特尔

全球第一大半导体公司 Intel 近几年来,由于在个人电脑市场持续衰退、又在行动通讯市场表现不佳,势必要寻找其他成长动能。

早在四年前,Intel就在投资者大会上说,要对所有芯片企业开放代工服务。英特尔的制程水平在业界还是处于领先水平的。虽然说对所有芯片开放代工,然而只是它作为IDM厂商并不是单纯的代工厂,会考虑到竞争问题。

我们知道,英特尔为Atmel做过代工,原因很简单,Altera是卖FPGA的,和消费市场用的芯片不一样,不存在竞争关系。

未来 14 纳米制程晶片可能上到中阶手机采取。从一家身为IDM (Integrated Device Manufacturer, 整合元件制造) 公司转型到先进制程晶圆代工,Intel 的每一步都意欲在行动通讯市场上力挽狂澜。

在制程技术上,Intel 确实有世界顶尖的技术工艺。国际半导体评测机构 Chipworks 指出其 14 纳米制程将晶片的电晶体鳍片间距做得最为紧密,真正达到了 14 纳米,而非台积电与三星的宣称的 16 纳米/ 14 纳米,事实上仅有 Intel 20 纳米的程度。

然而,晶圆代工注重的不只是制程──产量、良率与背后的一连串支援服务,才是晶圆代工真正的关键价值链,对此张忠谋也指出英特尔并不是专业晶圆代工,只是把脚伸到池裡试水温,并道:“相信英特尔会发现水是很冰冷的”。

中芯国际

中芯国际成立于 2000 年,是一家集成电路晶圆代工企业,提供0.35微米到28纳米不同技术节点的晶圆代工与技术服务。

在上海建有一座300mm晶圆厂和一座200mm晶圆厂;在北京建有一座300mm晶圆厂和一座控股的300mm先进制程晶圆厂;在天津和深圳各建有一座200mm晶圆厂;在江阴有一座控股的300mm凸块加工合资厂;在意大利有一座控股的200mm晶圆厂。

根据公开资料显示,中芯国际2016年经审计总资产10,115,278千美元、净资产5,403,227千美元、营业收入2,914,180千美元、净利润316,434 千美元;2017年6月30日未经审计总资产10,801,650千美元、净资产 5,945,084千美元、营业收入1,544,278千美元、净利润97,529千美元。

我国半导体行业正处于即将爆发的临界点,2014年6月出台的《国家集成电路产业发展推进纲要》中提出了具体目标:到2015年电路线宽28纳米制造工艺实现规模量产,到2020年14纳米制造工艺实现规模量产,而到2030年,集成电路产业链主要环节达到国际先进水平。

要实现这一宏伟目标,主要是要解决资金和技术问题。2014 年底获得中国政府 300 亿人民币产业基金支持。另外,前几日兆易创新以每股10.65港元的价格认购中芯国际发行配售股份50,003,371股,总金额532,535,901.15港元。

兆易创新称,公司参与认购中芯国际本次公开发行配售股份,是基于对中芯国际未来发展前景的认可,有助于进一步巩固双方的战略合作伙伴关系。从另一个角度来看,中芯国际在资金方面,有着多方面的来源。

所以,亟待解决的问题是技术。而半导体核心技术仅靠自身摸索短期难见成效,关键技术人才的引进是行之有效的快速突破技术短板的方式。这也是中芯国际“三顾茅庐”邀请梁孟松加入战队的原因。(10月中旬,中芯国际任命赵海军、梁孟松博士为中芯国际联合首席执行官兼执行董事。)

梁孟松有着33年夯实的半导体IC和晶圆制造经验积累,曾师承FinFET发明人之一的胡正明门下,先后就职AMD、台积电(16年)和三星(7年)担任技术研发要职并业绩卓著,在行业内已树立其起强大的影响力;

二是梁孟松对14纳米、10纳米和7纳米 FinFET先进工艺技术的掌握以及管理经验的谙熟,将直接为中芯国际带来利好。目前,中芯国际恰逢28纳米和14纳米的关键节点,而梁孟松的加入,将直接加速其14纳米工艺的研发进程。

虽然如此,梁孟松能否带领中芯国际突围仍面临不小挑战。目前中芯国际主要的收益仍来自0.15um-0.18um工艺,最先进的28纳米营收目前只占6.6%,而14纳米工艺才刚投入研发,主要竞争对手台积电、三星等已成熟量产14纳米工艺及10纳米工艺,7纳米已开始进入研发阶段。

同时,联电今年Q2也在14纳米开始贡献收入(1%),28纳米的贡献已经达到了28%。相比之下,中芯国际的差距还很明显。如何缩短此技术与时间差,是一个很大的挑战。虽然中芯国际在28纳米低端Polysion良率不错,但在主流28纳米HKMG良率方面一直不如预期。

如果中芯国际不能在28纳米HKMG、14纳米FinFET先进制程追赶上对手,在越来越高难度的10纳米和7纳米则更难突破。

我们期待中芯国际能够做出更好的成绩。

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如何看待大陆晶圆代工

谈起大陆晶圆代工,大家首先想到的肯定是中芯国际,在获得大基金的投资之后,中芯国际于2016年10月13日宣布在上海开工建设新的12英寸晶圆厂,该项目投资超过675亿人民币,计划于2017年年底建成,这座工厂计划使用14nm工艺。

如果能够如期达成目标,就意味着中芯国际在制造工艺上达到国际先进、国内领先水平。横向对比的话,台积电和三星也不过是在2015年前后才实现14/16nm芯片商业化量产。

自中国成立国家集成电路大基金以来,全国各地开始大量投资半导体产业。上海、北京、武汉、合肥、成都、南京等地纷纷新建或扩建晶圆厂。

在2016年11月9日,国家“909”工程二次升级改造——华力微电子二期12英寸高工艺等级生产线项目正式启动,总投资达387亿元,规划月产能4万片。初期制程规划为28纳米,并计划用数年时间逐步走到20、14纳米。

大手笔投资的还有紫光集团,在2016年投资1600亿元人民币在武汉开工建设了存储工厂之后,2017年1月18日,总投资额达2600亿元人民币的紫光南京半导体产业基地及新IT投资与研发总部项目在南京正式签约。

紫光南京半导体产业基地项目主要产品为3D-NANDFLASH、DRAM存储芯片等,项目一期投资约100亿美元,月产芯片10万片。除上述两地工厂之外,紫光还计划于成都兴建12寸厂。

除了中芯国际、华力微电子、紫光集团之外,国内外诸多公司在中国大陆开建晶圆厂。比如德科玛在淮安规划2万片CIS产能,CIS多用于智能手机摄像头,国内品牌的中高端智能手机的CIS基本被日本索尼垄断,这个项目有利于提升中国在该领域的话语权。

另外,格芯在成都投建晶圆厂,一直以来备受瞩目。11月初,格芯2017技术大会在上海举行,格芯全球副总裁兼中华区总经理白农表示:“格芯成都工厂作为与成都市 共同合作的晶圆制造基地,正在以惊人的速度实施建设。从今年年初项目宣布启动,到之后的破土动工以及9月份的上梁仪式,成都工厂的建设再一次见证了中国速度。”

在9月初举行的2017北京微电子国际研讨会上,魏少军教授表示,目前中国新建的12英寸生产线共26条,占全球计划建设的12英寸生产线的42%,全部建成后,中国大陆的全部产能将达到111.4万片/月。

前段时间,台积电3纳米制程新厂确定落在台湾南科。当时张忠谋在接受媒体采访是表示,目前中国大陆芯片代工技术仍不成气候,可能需要花好几年的时间才有机会达到台积电的技术门坎,主因是没有业内企业愿出售自身拥有的领先技术。

代工业务经历了30多年的高速增长,人才、先进工艺和产能一直以来都是晶圆厂的核心业务。短期来看,中国的晶圆厂全部建好,也只能满足全球约45%的产能。如果站在未来来看,跟随摩尔定律走势,未来晶圆厂的业绩增长可能会有所改变。

另外,中国半导体教父之称的张汝京博士协同大批合作伙伴,上月在广州投资68亿元建设协同式芯片制造(CIDM)项目,是否会引领下一个业务模式的兴起,也很受业内人士关注。

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