在技術(shù)迭代速度方面,半導(dǎo)體制程工藝步入14/16nm節(jié)點(diǎn)之后,需要采用FinFET工藝來(lái)抑制晶體管漏電和可控度降低的問(wèn)題,由此導(dǎo)致技術(shù)開(kāi)發(fā)難度和資本投入都大幅度增加,因此,這一門(mén)檻也被視為先進(jìn)制程技術(shù)的準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)。
14nm制程主要用于中高端AP/SoC、GPU、礦機(jī)ASIC、FPGA、汽車(chē)芯片等,對(duì)于各廠(chǎng)商而言,該制程也是收入的重要來(lái)源。
目前,具備14nm FinFET制程量產(chǎn)能力的晶圓廠(chǎng)主要有以下幾家:臺(tái)積電、三星、英特爾、格芯(GlobalFoundries)、聯(lián)電和中芯國(guó)際。而這些廠(chǎng)商都曾經(jīng)被14nm制程“卡脖子”:臺(tái)積電被三星“卡”了一下,量產(chǎn)時(shí)間落后于對(duì)方;格芯和聯(lián)電的FinFET工藝都止步于14nm;英特爾則多年依靠14nm打天下,等待10nm制程量產(chǎn);中芯國(guó)際的情況大家都懂。
三星阻擊臺(tái)積電
三星與臺(tái)積電的全面競(jìng)爭(zhēng)要追溯到早些年14nm制程的量產(chǎn)。
三星于2015年宣布正式量產(chǎn)14nm FinFET制程,先后為蘋(píng)果和高通代工過(guò)高端手機(jī)處理器。
2015~2016年,隨著14nm制程的逐步成熟,三星從臺(tái)積電那里奪得了不少大客戶(hù)訂單,收入頗豐。彼時(shí)的智能手機(jī)市場(chǎng)處于平臺(tái)期(開(kāi)始出現(xiàn)衰退,但對(duì)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的影響有滯后效應(yīng)),對(duì)于相關(guān)芯片的需求量還是比較旺盛。這兩方面因素,使得三星晶圓代工業(yè)務(wù)在2016年出現(xiàn)了大幅度增長(zhǎng)。
稍微落后于三星,臺(tái)積電于2015下半年量產(chǎn)16nm FinFET制程。與三星和英特爾相比,盡管它們的節(jié)點(diǎn)命名有所不同,三星和英特爾是14nm,臺(tái)積電是16nm,但在實(shí)際制程工藝水平上處于同一世代。臺(tái)積電的16nm有多個(gè)版本,包括16nm FinFET、16nm FinFET Plus技術(shù)(16FF +)和16nm FinFET Compact技術(shù)(16FFC)。
量產(chǎn)后,臺(tái)積電16nm FinFET制程逐步追趕并超過(guò)當(dāng)時(shí)在14nm工藝技術(shù)最強(qiáng)的英特爾。
而到了2017年,隨著臺(tái)積電16nm制程的進(jìn)一步成熟,三星部分大訂單又被臺(tái)積電搶了回去;此外,全球智能手機(jī)市場(chǎng)全面衰退,其負(fù)面效應(yīng)也開(kāi)始顯現(xiàn),對(duì)相關(guān)先進(jìn)制程芯片的需求大減。這兩個(gè)因素導(dǎo)致三星晶圓代工業(yè)務(wù)在2017年銷(xiāo)售額同比增幅(4%)大幅下降。
特色工藝雙雄止步14nm FinFET
與臺(tái)積電和三星你追我趕地追求先進(jìn)制程工藝領(lǐng)先地位不同,格芯和聯(lián)電不約而同地將發(fā)展策略放在了特色工藝上,同時(shí)放棄了10nm及更先進(jìn)制程的研發(fā),在FinFET工藝方面,這兩家在14nm處達(dá)到了頂峰。
在全球五大晶圓代工廠(chǎng)商中,格芯的歷史最短(成立于2009年),是脫胎于傳統(tǒng)的IDM公司AMD,在經(jīng)過(guò)了一系列的分拆、整合、并購(gòu)和更名以后,形成了今天的格芯。
雖然有中東母公司的巨額投入,但格芯的盈利能力一直難以令人滿(mǎn)意。2018年,該公司正式對(duì)外宣布,放棄10nm及更先進(jìn)制程技術(shù)的研發(fā),將精力放在特色工藝技術(shù)研發(fā),特別是SOI工藝技術(shù)上來(lái)。之后,該公司先后出售了幾項(xiàng)業(yè)務(wù),以將資源集中于核心業(yè)務(wù)。
格芯制定了兩條工藝路線(xiàn)圖:一是FinFET,這方面,該公司有14LPP和新的12LPP;二是FD-SOI。格芯的14nm制程產(chǎn)線(xiàn)位于美國(guó)紐約州馬耳他,這里除了14nm,還有28nm的。主要用于代工高端處理器。目前來(lái)看,14nm產(chǎn)能占其總營(yíng)收的比例較小。
聯(lián)電與格芯的策略非常相似,也于2018年宣布不再投入14nm FinFET以下先進(jìn)制程技術(shù)的研發(fā),將主要精力放在特色工藝技術(shù)和優(yōu)化客戶(hù)服務(wù)水平上。這樣做,可以避開(kāi)與臺(tái)積電硬碰硬式的競(jìng)爭(zhēng),提升資金利用效率。
聯(lián)電的14nm FinFET制程于2017年初開(kāi)始量產(chǎn),該公司還開(kāi)發(fā)了第二套14nm平臺(tái),但是,在繼續(xù)投資14nm制程方面,該公司持保守態(tài)度,因此,聯(lián)電的14nm制程營(yíng)收占比只有3%左右,并不是其主力產(chǎn)線(xiàn)。
英特爾的苦惱
自2015年正式推出14nm制程后,英特爾對(duì)其依賴(lài)了4年的時(shí)間,該制程也為這家半導(dǎo)體巨頭帶來(lái)了非??捎^(guān)的收入。從Skylake(14nm)、Kaby Lake(14nm+)、Coffee Lake(14nm++),到2018年推出的14nm+++,該公司一直在保持對(duì)14nm制程的更新。而英特爾原計(jì)劃在2016年推出10nm,但經(jīng)歷了多次延遲,2019年才姍姍來(lái)遲,從這里也可以看出該公司對(duì)14nm制程的倚重程度。
在依靠14nm制程打天下的那個(gè)時(shí)段,產(chǎn)能不足是令英特爾最為頭疼的問(wèn)題,不僅給該公司,還給其主要客戶(hù),如戴爾、惠普和聯(lián)想等帶來(lái)了不少麻煩,2019年,因?yàn)橛⑻貭栠t遲不能交貨,使得戴爾等PC廠(chǎng)商不得不改變事先制定好的產(chǎn)品上市策略和節(jié)奏。這對(duì)雙方都是件尷尬的事。
14nm產(chǎn)能不足的問(wèn)題不僅僅出現(xiàn)在2019年,在更早的時(shí)間就有苗頭,只是問(wèn)題在2018和2019年較為集中地爆發(fā)出來(lái)。之所以如此,一方面是因?yàn)橛⑻貭枌?duì)先進(jìn)制程工藝的要求較為嚴(yán)苛,對(duì)“摩爾定律”高度摩拜,幾乎是一絲不茍地按照每18~24個(gè)月,將CPU的晶體管數(shù)量和性能提升一倍的規(guī)律進(jìn)行,在很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)是不打折扣的,這種策略與晶圓代工廠(chǎng)還是有區(qū)別的。畢竟彼時(shí)的英特爾是傳統(tǒng)的IDM模式,芯片的生產(chǎn)制造是一個(gè)完全面向內(nèi)部的閉環(huán)系統(tǒng),不需要面對(duì)各種各樣的Fabless客戶(hù)需求壓力。
另外,在堅(jiān)定不移地遵循“摩爾定律”的情況下,英特爾對(duì)先進(jìn)制程(10nm及7nm)的研發(fā)困難程度預(yù)估不足,導(dǎo)致10nm制程經(jīng)過(guò)5年多的攻關(guān)才進(jìn)入初步量產(chǎn)階段。這也是導(dǎo)致其14nm產(chǎn)能不足的一個(gè)重要原因,因?yàn)樵摴驹?0nm上投入了大量資源,本來(lái)認(rèn)為會(huì)按照事先制定的時(shí)間表量產(chǎn),但事與愿違,量產(chǎn)時(shí)間一拖再拖,這打亂了該公司先進(jìn)制程發(fā)展節(jié)奏,從而對(duì)14nm的推進(jìn)產(chǎn)生了影響。因此,2018和2019年不斷傳出其14nm制程CPU要找外部晶圓代工廠(chǎng)代工生產(chǎn)的消息。
到了2019年11月,外媒稱(chēng),英特爾將部分CPU的生產(chǎn)訂單外包給了三星,這在很大程度上緩解了其14nm產(chǎn)能不足的問(wèn)題。
中國(guó)大陸14nm制程一路坎坷
相對(duì)于美、韓和中國(guó)臺(tái)灣地區(qū),中國(guó)大陸在14nm制程方面是絕對(duì)的跟隨者,中芯國(guó)際經(jīng)過(guò)多年的研發(fā)努力,取得了突破。
2019年初,中芯國(guó)際14nm FinFET進(jìn)入客戶(hù)驗(yàn)證階段,2019年第二季度在上海工廠(chǎng)投入新設(shè)備,下半年進(jìn)入量產(chǎn)階段。
2019年2月,中芯國(guó)際聯(lián)席首席執(zhí)行官梁孟松指出:“我們努力建立先進(jìn)工藝全方位的解決方案,特別專(zhuān)注在FinFET技術(shù)的基礎(chǔ)打造,平臺(tái)的開(kāi)展,以及客戶(hù)關(guān)系的搭建。目前,中芯國(guó)際14nm技術(shù)進(jìn)入客戶(hù)驗(yàn)證階段,產(chǎn)品可靠度與良率已進(jìn)一步提升。同時(shí),12nm的工藝開(kāi)發(fā)也取得突破?!?/p>
據(jù)悉,中芯國(guó)際14nm制程量產(chǎn)主要分三個(gè)階段:第一階段是成本>ASP,第二階段成本與 ASP相抵,第三階段成本<ASP。這三個(gè)階段需要控制產(chǎn)能逐步爬升,產(chǎn)品品類(lèi)也需要慎重選擇。第一階段主要聚焦高端客戶(hù)、多媒體應(yīng)用等,第二階段聚焦中低端移動(dòng)應(yīng)用,并且在 AI、礦機(jī)、區(qū)塊鏈等應(yīng)用有所準(zhǔn)備。第三階段為實(shí)現(xiàn)高 ASP,會(huì)發(fā)展射頻應(yīng)用。
在2020年11月召開(kāi)的第三財(cái)季說(shuō)明會(huì)上,談到先進(jìn)制程進(jìn)展時(shí),中芯國(guó)際表示:14nm良率已達(dá)業(yè)界量產(chǎn)水準(zhǔn),公司將持續(xù)提升產(chǎn)品和服務(wù)競(jìng)爭(zhēng)力,引入更多國(guó)內(nèi)外客戶(hù)。第二代先進(jìn)工藝技術(shù)“N+1”穩(wěn)步推進(jìn),正在做客戶(hù)產(chǎn)品驗(yàn)證,已進(jìn)行小量試產(chǎn)階段,產(chǎn)品應(yīng)用主要為高性能運(yùn)算,相對(duì)第一代,第二代技術(shù)平臺(tái)以低成本、客制化為導(dǎo)向,第二代相較14nm性能提升20%,功率減少57%,邏輯面積減少63%,集成系統(tǒng)面積減少55%。公司正在與海內(nèi)外客戶(hù)合作10多個(gè)先進(jìn)工藝流片項(xiàng)目,包含14nm及更先進(jìn)工藝技術(shù)。
產(chǎn)能計(jì)劃方面,中芯國(guó)際一直秉持謹(jǐn)慎規(guī)劃原則,以市場(chǎng)和客戶(hù)需求為導(dǎo)向,統(tǒng)籌計(jì)劃與布建,先進(jìn)制程產(chǎn)能規(guī)模相對(duì)較小。
而在中國(guó)大陸,無(wú)論是從芯片的量,還是對(duì)先進(jìn)制程的渴求程度,華為海思無(wú)疑是排在首位的,這也與中芯國(guó)際14nm制程量產(chǎn)第一階段的目標(biāo)非常吻合。由于受到美國(guó)貿(mào)易限制,海思來(lái)自于臺(tái)積電16nm制程芯片的代工產(chǎn)能難以保證,導(dǎo)入中芯國(guó)際是必然選擇。
在實(shí)現(xiàn)14nm制程量產(chǎn)后,由于美國(guó)加緊了對(duì)中國(guó)大陸晶圓廠(chǎng)購(gòu)買(mǎi)美日歐先進(jìn)半導(dǎo)體設(shè)備的限制,使得中芯國(guó)際無(wú)法得到EUV光刻機(jī),因此,發(fā)展到14nm后,要想在更先進(jìn)制程量產(chǎn)方面更進(jìn)一步,非常困難。
結(jié)語(yǔ)
目前,先進(jìn)制程已經(jīng)發(fā)展到了3nm,三星和臺(tái)積電分別于2022上半年和下半年宣布量產(chǎn)。相對(duì)而言,14nm制程已經(jīng)很難被稱(chēng)為先進(jìn)制程,其在前文提到的各大晶圓廠(chǎng)營(yíng)收中的占比也在逐年下降。
雖然不像成熟制程(28nm及以上)那樣具有廣闊且穩(wěn)定的市場(chǎng),也不像最先進(jìn)制程(7nm及以下)那么吸引眼球,但14nm依然是不可或缺的,它似乎是一個(gè)沙漏的中間部分,雖然很細(xì),不像兩頭(成熟制程和最先進(jìn)制程)那么顯眼,卻是必不可少的,沒(méi)有它,整個(gè)沙漏將無(wú)法工作。
作者:暢秋