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。