28nm 增产竞赛,缺芯只是表面原因

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2021-05-05 17:02

近几个月,晶圆代工厂相继宣布扩充产能,华虹半导体宣布建设一条工艺等级为 90-65/55nm 的生产线,台积电、联华电子及中芯国际也纷纷指向了 28nm 产能扩充。

最早是今年 3 月 18 日,中芯国际发布公告称公司与深圳市签订合作框架协议,中芯深圳将重点生产 28nm 及以上的集成电路和提供技术服务,最终实现每月约 4 万片 12 吋晶圆产能,预计项目投资金额 23.5 亿美元(折合 152.75 亿元人民币)。

4 月份,台积电宣布斥资 28.87 亿美元(折合 187.19 亿元人民币)扩充南京台积电 28nm 产能,预计达到美元 4 万片的生产规模。紧接着,联电也召开线上会议,宣布投资约 135.3 亿元人民币扩充在台南科学园区的 12 吋厂 Fab12 的 28nm 产能。

这几家宣布扩产的代工厂,都预计将在 2022 年开始正常生产。十多年前开发出的 28nm 工艺制程,在 5nm 先进制程被广泛用在智能手机上的今天,依然热度不减,甚至引发各个晶圆厂之前新一轮竞争。

值得注意的是,这次 28nm 产能的集体扩充,与当下备受关注的缺芯潮并无太大直接联系。

代工巨头台积电的“转折点”

依然是在摩尔定律的推动下,芯片工艺制程在 2010 年左右发展到 28nm,彼时的半导体公司受金融危机影响元气大伤,很多 IDM 公司或剥离制造业务或将更多的资源投资到芯片设计中,给晶圆代工厂带来更多发展空间。

在 78 岁高龄的张忠谋重回归台积电后,台积电在 2011 年成为首个量产 28nm 工艺制程的代工厂。当时的报道称,台积电推出的第一个版本的是低功耗 28nmLP,采用传统的 SiON 工艺,引入了多晶硅栅和二氧化硅硝酸盐,适合低频环境。

事实上,工艺制程发展到 45nm 时,核心面积减少导致单位面积密度增高,漏电问题更加严重,此时传统的二氧化硅栅极介电质工艺遇到瓶颈,也就是台积电所量产的第一代 28nm 产品,虽然能够缩小芯片面积但并未解决高功耗的问题,因此业界普遍转向了能够降低漏电的 HKMG(high-k 绝缘层 + 金属栅极)叠层技术。

而在选择 HKMG 晶体管结构上,业界分成两大阵营,一家是以 IBM 为首的 Gate-First 工艺流派,其支持者还有英飞凌、NEC、GF、三星和意法半导体等芯片制造技术联盟所属成员。另一家是以 Intel、台积电为代表的 Gate-Last 工艺流派。这两种工艺流派各自都有需要攻克的难点,前者的 PMOS 管门限电压难以控制,后者需要设计环节积极配合修改电路来提升管芯密度。尽管双方都宣称自己的工艺更适合 HKMG 晶体管,但未有实际产品出世证明谁更优越。

率先在 2012 年攻克了 28nm HKMG 制程的台积电证明了更少人看好的 Gate-Last 更具潜力与优势,推出适用于高频的 28nm 而后继续向 20nm 前进。

台积电工艺节点发展历程,图片源自台积电官网

而这一次在 HKMG 上的选择让台积电大获全胜,营收与获利屡创新高,将彼时最大竞争对手三星、GF 远远甩在身后。在迅速转向 28nm 的 2012 年,台积电在第四季度财报会上表示:公司在这一年里实现了创纪录的营收和利润,出货量相比 2011 年增长了 30 倍。

到了 2013 年,三星、GF 以及 UMC 的 28nm HKMG 才刚刚导入量产,而台积电则利用先发优势快速抢占客户资源、占领市场,28nm 出货量持续攀升,甚至占据了超过 80% 的细分节点市场份额。

各晶圆厂 28nm 及以下的量产能力,图片源自 OMDIA

虽然摩尔定律指出,集成电路上可容纳的晶体管数目大约每经过 18 个月便会增加一倍,处理器性能每隔两年翻一倍,但并不意味着工艺节点发展到下一代时,上一代就失去存在的意义,对 28nm 而言更是如此。

效益最高、应用广泛的黄金 28nm

台积电虽然早在 2011 年就实现了 28nm 的量产且一直在开发更加先进的工艺,但 28nm 却始终是台积电的核心业务,2016 年营收占比 26%,2017 年和 2018 年占比 23%,直到 2020 年,28nm 的营收也依然占总营收的 12.67%,仅次于 7nm 和 16nm,需要用到 EUV 光刻机才能制造的 5nm 节点营收也只占全年收入的 7.72%。

28nm 能够支撑台积电核心业务近十年,主要有两个重要原因。一方面是先进制程中 28nm 成本效益高,往后需要 FinEFT 工艺的 16/14nm 节点,晶圆制造成本将增加至少 50%,同时使用寿命比不上 28nm 节点,更先进的工艺成本更高,只用拥有最大市场的智能手机才能承受如此昂贵成本。

另一方面,随着 28nm 工艺的成熟,市场需求呈爆炸性增长,从最开始应用在手机处理器和基带上,到后来在 OOT 盒和智能电视等更加广泛的应用领域。

随着个人集成电路时代的到来以及物联网、5G 等技术的演进,无论是用来改善手机屏幕的 OLED 驱动器,还是满足物联网设备的各种连接芯片,还是用在混合计算中心、无线基站以及自动驾驶汽车等专有领域的 FPGA,高性能低功耗的 28nm 工艺都是理想的选择。

放眼于全球,根据 TrendForce 调查研究,2020 年 28nm 及以上制程的产品线更加广泛,包括 CMOS 图像传感器、小尺寸面板驱动 IC、射频元件、电视系统单芯片、WiFi 及蓝牙芯片等众多需求增长,28nm 订单持续爆满。

还有一个重要原因是,尽管客户更愿意使用更加成熟的工艺和更低的成本制造,但 8 吋晶圆厂随着设备折旧而数量大幅下降,即 200mm 晶圆利用率升高且产能增长缓慢,因此原本能够用更加成熟制程的电子产品也被迫往 28nm 迁移。

扩产 28nm 是共识,缺芯潮只是引爆点

晶圆代工厂们相继宣布扩产 28nm,表面上看似乎与当下的缺芯潮密切相关,扩产已经发展成熟、效益最高的 28nm 产能,能更好更快地解决缺芯问题。

不过产能扩充往往需要较长的时间周期,这些 28nm 芯片至少明年才能正常生产,短时间内依然无法解决产能短缺的问题。实际上业界和市场早已对 28nm 做出评估,即使没有这一次缺芯潮,依然会选择扩产 28nm 工艺。

一位半导体行业资深人士告诉本网,扩产反应了业界对 28nm 工艺制程的共识,未来半导体行业的整体用量依然会继续增加,包括车用、电源等方面,就整个晶圆厂目前 28nm 的产能,也没有特别大,中芯国际目前 28nm 月产能大约在 8 万片。

“产能迟早都要往前走,这次的缺芯潮是一个诱因,让各个晶圆厂下定决心一起往前走。”

值得注意的是,去年年底我国国务院也发布《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》,政策显示,国家鼓励的集成电路线宽小于 28 纳米 (含),且经营期在 15 年以上的集成电路生产企业或项目,第一年至第十年免征企业所得税。从某种程度上也证明了 28nm 的重要性。

或许 28nm 看上去没有 5nm、2nm 高端,但适用范围确实更加广泛,人人都在关注更加先进的制程支撑智能手机这块巨大的市场,但最先进的不一定适合所有,应用范围最广泛的不一定最先进。

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