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过桥10nm

畅秋 半导体行业观察 2021-02-13


上周,中芯国际被美国商务部列入实体清单的消息引起轩然大波。对此,中芯国际作出了回应,经该公司初步评估,该事项对其短期内运营及财务状况无重大不利影响,对10nm及以下先进工艺的研发及产能建设有重大不利影响,公司将持续与美国政府相关部门进行沟通,并视情况采取一切可行措施,积极寻求解决方案,力争将不利影响降到最低。

当下,中芯国际正处在攻克先进制程(14nm~10nm之间)量产的重要阶段,其中14nm已经于2019年底实现量产,在不久前11月中旬召开的2020第三财季说明会上,谈到先进制程进展时,中芯国际表示:14nm良率已达业界量产水准,公司将持续提升产品和服务竞争力,引入更多国内外客户。第二代先进工艺技术“N+1”稳步推进,正在做客户产品验证,已进行小量式产,产品应用主要为高性能运算,相对第一代,第二代技术平台以低成本、客制化为导向,第二代相较14nm性能提升20%,功率减少57%,逻辑面积减少63%,集成系统面积减少55%。公司正在与海内外客户合作10多个先进工艺流片项目,包含14nm及更先进工艺技术。

产能计划方面,中芯国际一直秉持谨慎规划原则,以市场和客户需求为导向,统筹计划与布建,先进产能规模相对较小,对于可能的出口管制,正与供应商积极梳理相应解决方案。总的来说,今年的研发任务基本完成,虽然先进工艺研发取得一些成绩,但距离世界一流水平还有很长的路要走。

可见,中芯国际对于被列入实体清单是有准备的,特别是进行到10nm级别制程工艺攻坚阶段,更加谨慎,做好了多手应对措施。

10nm,是半导体先进制程的一道坎儿,它就像一座独木桥,将有志于掌握最先进制程工艺的厂商阻拦在了对岸,要想过去,需要花费相当大的力气。在这种困难面前,有的选择继续前进,有的选择停步观望、改变策略,而一旦过了桥,到达先进制程彼岸,就可以占得先机,且可具有天时和地利优势,对还想过桥的竞争者产生先发和代次优势,使后来者过桥难度陡增。更为重要的是,10nm这座桥只是一个重要的通路,在上边停留的时间很短。

当下,具备10nm量产,或是有志于掌握这种能力的晶圆厂只剩下台积电、三星、英特尔和中芯国际这四家了。原本想过桥的另外几家,因为被台积电和三星占先,从而在市场竞争中的劣势越来越明显,多数选择改变发展策略,转而将重心放在了成熟制程工艺上。

抢先过桥


台积电早在2013年就开始了10nm工艺的研发。而按照早期规划,台积电的计划是 2016 年第四季度量产10nm工艺,实际量产时间与其规划基本吻合,2017年初实现了量产,标志性应用就是苹果的A11处理器,这给台积电带来了巨大的收益。2018年其10nm营收持续增长,并向Fab12和Fab15转移。产品主要包括手机AP、基带和ASIC。

那之后,台积电10nm营收的比例基本持平,且相对份额不高,28nm和16nm一直是该公司收入的主要来源。

三星方面,几乎与台积电同步量产10nm制程。2015年7月,该公司旗下的制造部门Samsung Foundry的Kelvin Low 在网上发布了一段视频,确认三星已经将 10nm FinFET 工艺正式加入路线图;2016年10月,该公司第一代10nm FinFET LPE制程大批量生产;2017年4月,三星第二代10nm FinFET工艺技术10LPP通过认证;2017年10月,8nm FinFET工艺技术8LPP通过认证;2017年11月,第二代10nm FinFET工艺技术量产。

在10nm这个节点,三星和台积电的进度相差不大,但总体水平,台积电仍然略胜一筹。

英特尔也早就开始了10nm的研发,原计划是在2016年量产,当时,EUV还不成熟,因此,英特尔选择了多重四图案曝光(SAQP)技术,但研发过程中遭遇困难,导致10nm量产时间一再推迟。而从当时的情况来看,采用SAQP技术造成良率较低可能是迟迟无法规模量产的主要原因。

在那之后,英特尔一直未对外公布10nm量产进度,2017年初,时任英特尔CEO科再奇在美国CES展会前,宣布首颗10nm处理器Cannon Lake就绪,将迎战台积电和三星。然而,没过多久,英特尔官方对外发布了继承当年主打的第七代核心处理器Kaby Lake的第八代Core处理器细节,表示仍将采用14nm制程生产,10nm量产时间又被延迟了。经过多年的周折和延迟,英特尔的10nm终于在2019年底实现量产。

自2018年下半年以来,英特尔在升级和建立用于生产10nm芯片的新生产线方面投入了大量资金,但要想扩大规模还需要几年时间。在此期间,英特尔必须提高其14nm芯片的产量。因此,传闻它将一部分CPU转由三星代工,希望能够解决产能不足的问题。

不过,英特尔对制程节点的严谨追求是很值得称道的,从具体的性能指标,特别是PPA和晶体管密度来看,英特尔的10nm比台积电的10nm有优势。

短暂停留


目前,已经实现10nm大规模量产的只有台积电和三星。英特尔的生产规模有限,不做过多评论。

不过,即使是像台积电和三星这样的龙头企业,在10nm这座桥上停留的时间都比较有限。

来自台积电的统计显示,2017年,10nm营收在该公司所有制程中的占比为10%,2018年Q2,占比上升到了13%,Q3占比为6%,2018全年营收占比为11%。2019年,这一比例下降到了3%。


从上图可以看出,过去两年,台积电16nm及更成熟制程工艺的营收比例变化不大,变化主要体现在最先进制程方面,具体就是7nm和10nm,2018年,这两种制程的营收占比不分伯仲,而到了2019年,情况出现很大变化,随着7nm的成熟和放量,一举超越10nm,成为了营收第一主力。

还有一点:2017上半年,联发科为了进攻高端市场,全力打造Helio曦力品牌,推出了x30处理器,工艺制程也从原先的16nm,升级到10nm,计划交给台积电代工生产。但是,台积电一方面要解决10nm制程良率的问题,一方面要全力供给苹果处理器,造成联发科x30处理器难产。这间接导致在华为和苹果试水之前,几乎没有厂商大规模采用台积电的10nm制程。这也成为了该公司10nm制程发展的一个障碍。

从今年的情况来看,台积电16nm及更成熟制程工艺的营收比例变化也不会大,而5nm和7nm的占比将会进一步提升。在这样的趋势下,该公司在今年第二季度的营收中,没有了10nm的踪影。如下图所示。


可见,今年,台积电将重点放在了7nm和5nm上,10nm似乎是一个过渡性的制程节点,所占比重在不断降低。

总体来看,7nm量产之后,台积电就将主要资源投入在了该制程方面,10nm在比较短的时间内,就完成了它的历史任务。

三星方面,2017年,几乎与台积电同步量产10nm制程后,三星将大部分的高通骁龙处理器订单收至麾下。不过,为了赶上台积电7nm制程量产的步伐,三星在10nm上花费的精力和时间也比较有限,2019年,三星的7nm制程收到了高通骁龙765的订单。而与台积电相似,将规划的重点放在了未来的5nm和3nm上,10nm很可能也是匆匆走过。

结语


综上可见,10nm成为了对最先进制程工艺有强烈渴望厂商必经,但又难以长时间停留的窄桥,台积电是这样,三星也是如此,而相对来讲,英特尔的情况还不是很明朗,或许它能成为相反的案例。不过,从市场传出该公司将于明年把大量7nm和6nm芯片外包出去生产的消息来看,英特尔似乎对10nm制程也没有太大的信心。

如何成功迈过10nm这道坎儿,是晶圆厂必须要面对的挑战。而在麻烦不断的当下,犯错的可能性似乎在加大,不过,谁又不会犯错呢?半导体行业霸主英特尔犯过错,就连山姆大叔成长史上难得一见的非“公务员”出身的、被一部分人称为其政界“革命者”的这一届总统,在疫情面前也出现了大昏招,不然他连任几无悬念。

在重压之下产生偏差是难免的,此时,练好内功,做足准备,寻机应变很重要。此处,不禁想起了爱德蒙·邓蒂斯最后说的那句话:“人类的一切智慧是包含在这四个字里面的:‘等待’和‘希望’!”

不过,等待希望的前提是做好充足准备,并且要坚持不放弃,既不放弃事,也不放弃人。


*免责声明:本文由作者原创。文章内容系作者个人观点,半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点,不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持,如果有任何异议,欢迎联系半导体行业观察。


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