原创 乘风破浪的中芯国际,何时能突围而出?

2020-8-8 11:01 617 4 4 分类: EDA/ IP/ 设计与制造
中芯国际是中国大陆主要的半导体代工厂,在中国提供着最尖端的工艺技术,且被人们期待能够为中国芯片行业做出巨大贡献。目前,中芯国际正竭力追赶在半导体工艺中领先的台积电和三星电子。
中芯国际现在已经开始生产14纳米芯片,且成功步入了能够生产FinFET的半导体厂家(Foundry)的行列。此外,中芯国际还继续扩大投资,并已经回到科创板上市,募集资金。然而,由于特朗普政政权的干预,中芯国际无法使用一部分尖端的半导体生产设备。在这种情况下,中芯国际能否长期、稳定地为SoC的尖端厂家提供技术工艺支持呢?
从营收上看,全球最大的晶圆代工厂台积电(TSMC)的销售额几乎是三星电子的三倍,而三星的销售额是排名第三的格罗方德(GLOBALFOUNDRIES)的三倍左右,也是排名第四的联电UMC的三倍左右。位于第五名的中芯国际与GLOBALFOUNDRIES和UMC之间的差距也不小。
中芯国际积极获取投资
与专注于某项特殊技术的GLOBALFOUNDRIES和UMC不同,中芯国际致力于尖端节点(Node)技术,因此,从理论上来讲,中芯国际可以与TSMC和三星电子这样的拥有健全财务体制的厂家分庭抗礼。
研发尖端节点技术需要花费数十亿美金的成本,此外,要产生利润,还需要300mm晶圆生产产线(这同样需要花费数十亿美金)。近年来,之所以有很多半导体厂家放弃研发尖端技术,也是出于同样原因。因此,中芯国际致力于研发尖端节点技术这点令人感到意外。但中芯国际能获得包括政府在内的多方提供的资金支持,且拥有其自身独特的业务模式(Business Mode)。因此,中芯国际可以大幅度削减其自身的设备投资、研究经费支出。
其实回看美国如GLOBALFOUNDRIES、Intel等半导体厂家在建设新工厂的时候也从地方政府、联邦政府获得了补助金,这并不稀奇。而美国现在也正在推动资金支持本土的晶圆厂建设,其实这可以理解,半导体工厂不仅可以代来高薪职业,而且可以直接和间接地为当地带来可观的利益。然而,对于半导体工厂而言,即使地方政府提供补助金、免税措施,但几十亿美元的投资毕竟不是小数目。
然而,有些问题需要引起中芯国际的高度注意。例如要建造一家当代的半导体工厂,至少花费100亿美元(约人民币700亿元),这就需要大量的投入,中芯国际如何筹集这些资金,并且能够给投资者带来更多的回报,这是一个值得思考的问题。
在半导体行业,共同致力于摸索前进道路、合作研发是极其普通的事情,因此以共同研发新材料、晶体管构造而合作的企业、团体十分常见。这种团体和企业之间的资金合作可以切实促进半导体工艺技术的研发和进步。但是,资金的落实需要花费一定的时间。
比方说,2017年,IBM引领的“Research Alliance”与纽约州立理工大学(SUNY Polytechnic Institute)的纳米科技研究小组“Albany Nanotech Complex”合作,不仅研发了应用于GLOBALFOUNDRIES和Samsung Foundry的硅纳米片(Silicon Nano Sheet)GAAFET工艺技术,而且,通过运用5纳米工艺生产技术(依靠硅纳米片GAAFET),验证了此项技术的实用性。虽然GLOBALFOUNDRIES最终宣布放弃研发尖端工艺,而专注于特色工艺的研发。但三星电子公布方面称,计划在2022年-2023年使用以3纳米GAA为基础的“BC(Multi Bridge Channel)FET”。以上这些技术都是基于之前的研发小组构筑的框架。
中芯国际的研发范围十分广泛,且近年来一直在增加研发投入。据说,中芯国际与国际研发、革新据点--imec、IMECAS(Institute of Microelectronics of the Chinese Academy of Sciences)都有合作关系。此外,中芯国际不仅与华为、高通等客户合作,还与Brite Semiconductor、CEVA等企业建立了合作关系,以推进商用技术节点(Node)、平台(Platform)实用化方向的研发。同时,通过构筑以上这些合作关系,华为和高通等大客户也会希望中芯国际可以成功在中国生产出半导体。
尖端工艺的研发成本可达数十亿美元。虽然中芯国际通过各种方法优化设备投资,由于成本过高,还需要进一步增加投资。因此,中芯国际为了获得用于研究开发和扩大规模的资金(从32亿美元计划增至75亿美元),已经在上海证券交易所发行IPO。2019年中芯国际的研发费用达到6亿2,900万美元(约人民币44.03亿元),由此推测,如果此次的资金全部按照计划推进的话,2020年的研发预算还要在2019年的基础再追加数亿美元,可以说这是一笔不小的数目。
中芯国际七大工厂现状
如今,中芯国际在运营的有七处工厂,其中,三处为200mm晶圆工厂、四处为300mm晶圆工厂。2016年,公司收购了意大利LFoundry公司70%的股份,开始进军车载半导体行业。然而,却在2019年将收购的工厂卖掉,理由无从得知。但是,从中芯国际的业务模式(Business Model)来看,此次卖掉工厂股份的行为绝对不是首次。
中芯国际在成立之初,就建设了200mm工厂、专注于已经有实绩的技术。2001年首次受到上海政府的支持、完成工厂建设,自开始建厂到竣工仅用了13个月的时间,速度极快。而且,2008年开始着手建设中国首例逻辑半导体方向的300mm工厂。现在回顾来看,中芯国际当时前进的速度真是非同一般。

2020年第一季度时间点中芯国际的工厂汇总。

在中芯国际的200mm工厂里,已经在利用成熟的逻辑节点技术和专用工艺技术来生产半导体芯片。针对混合信号(Mixed Signal)、RF、MEMS、PMIC、eNVM等,中芯国际拥有各种各样的专有实用技术节点。这些技术的需求都十分旺盛,因此有分析师指出,“未来数年之内,200mm工厂的生产能力与需求之间的鸿沟还会继续扩大”。
中芯国际200mm工厂的产能达到23万3,000片/月,可以满足现有客户的需求。但是,如果未来200mm的需求继续扩大的话,中芯国际也应该会在未来数年内扩充产能。但是,找到适应于新旧200mm工厂的生产设备应该也比较困难。
300mm项目对于中芯国际来说还是比较困难的,300mm工厂的建厂费用、设备费用、运营成本都很高。如今,中芯国际正在运营的300mm工厂有四处。北京郊区的两处工厂中,其中一处为“2P1”,可以处理采用了55纳米-180纳米工艺技术的晶圆,最大月度产能为5万2,000片。另一处为“2P2”工厂,可以处理采用了28纳米、40纳米工艺技术的晶圆,月度产能为5万个(“2P1”工厂的设备也可应用于“2P2”工厂)。此外,上海工厂的300mm晶圆工厂“8P1”在2020年第一季度时间点,月度产能仅为2,000片。此外,“JN1”工厂目前正在研发基于FinFET的工艺技术。另外,据说深圳的300mm工厂也在扩大产能。中芯国际的300mm工厂生产能力虽然不及TSMC的300mm工厂“GigaFab”,但是我们需要注意的是“产能(Capacity)因工艺技术不同而不同,且差异很大”。这是因为如果生产中存在较多的Multi-patterning,那么晶圆在洁净室(Clean Room)中停留的时间就会很长。规模越大、成本越低(GigaFab之所以能够降低单个晶圆的成本,原因也在此),但是,前提是需要巨额的资金投入、还要确保较高的稼动率。对于中芯国际来说,很大一部分的销售额来自于成熟技术工艺的贡献,从这一点来看,中芯国际专注于中等规模工厂的投入是正确的决策。
中芯国际认为,“未来,中芯国际肯定需要能够使用尖端工艺技术的、规模较大的工厂”。金融服务公司Bocom International Holdings的香港分处的分析师Christopher Yim则指出,“中芯国际的最新的上海工厂、北京工厂的规模都很大,可以供应的产品范围也很广。比方说,就上海的300mm的SN1工厂而言,如果整备所有的设备,建设成本将会达到100亿美元左右(约人民币700亿元),最大产能可达7万WSPM。然而,这么大的工厂是需要巨额的投资。
海思也许释放了好信号
就新工艺的导入而言,中芯国际的进步十分明显。2001年,中芯国际Fab 1开始供应0.25um生产技术,2002年已经开始量产0.18um逻辑半导体。2008年第一季度,开始供应多种技术节点,并发布65纳米技术。最后,中芯国际在2012年下半年开始生产40纳米芯片,2015年启动28纳米产品产线,2019年下半年首次开始基于FinFET的14纳米工艺。另一方面,中芯国际落后于“雷打不动”的TOP1---TSMC多年。
工艺技术的研发需要大量的资金和技术。为了进一步降低研发风险、提高研发速度,中芯国际自成立之初就招募了不少来自TSMC等先进晶圆厂的技术人员,通过这些技术人员,中芯国际积累了工艺技术、工艺流程和技术要点等。此外,中芯国际还与一些晶圆厂达成了公司工艺许可(Process License)的协议。通过从其他公司获取生产工艺、相关技术,中芯国际获得了必要的IP(Intellectual Property,知识产权),且获得了一些特殊客户(如有的客户虽然希望利用现有成熟技术获得第二家芯片供应商,却不希望进行大规模的再次设计)。
通过以上努力,中芯国际在Foundry业务方面获得了显著的增长,到2005年成为了仅次于TSMC、UMC、Chartered的全球第四的专业芯片代工厂。
在尖端工艺方面,中芯国际虽然落后于TSMC,但是由于能够提高提供具有竞争力的价格、差异化服务、统筹性的供应链,因此受到华为旗下海思、高通、Fingerprint Cards等大企业的青睐。
在中芯国际2020年第一季度的销售额中,成熟工艺(250/350nm~40/45nm)占92%,28纳米和14纳米分别占6.5%、1.3%。
海思是利用中芯国际14纳米工艺的客户之一。利用此工艺,为海思生产了用于智能手机的入门级SoC“Kirin 710A”(应该也在考虑应用到车载方面),这款芯片最初是利用TSMC的12纳米工艺生产的。
中芯国际28纳米和14纳米启动较晚、原有代际工艺占据九成以上的销售额,这两点毫无疑问证明了“有大量的芯片是不需要尖端工艺的”。比方说,通信、民生设备、汽车、工业设备方向的很多IC的生命周期都很长。此外,很多中国的芯片厂家存在运用现有节点技术进行设计的倾向。以上原因也解释了为什么2020年第一季度时间点,中芯国际工厂的稼动率为98.5%。另一方面,中芯国际14纳米 FinFET工艺是其自主研发的,很难被其他竞争对手采用,不过这项技术实际步入正轨还需要一段时间。
中芯国际要赶上TSMC,很难估算需要多长时间,但是对于中芯国际来说,不断激化的中美贸易摩擦、电子行业的大趋势(Megatrend)也许是一个良机,但同时也是一个挑战。

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