近期電子科技大學張波教授提出“特色工藝將成為中國半導體業的機遇”,由于有獨特的見解,已引發業界的贊許。
特色工藝這個詞有些“新”,但是經張波教授的解釋,它原是摩爾定律的三個方向之一,英語叫“More Than Moore”,之前的譯名為“超越摩尓定律”。
張波教授把“特色工藝”稱為“非尺寸依賴”, 是指器件價值或者性能的提升,不完全靠尺寸縮小,而是通過功能的增加。
實際上定律延續50多年來,半導體業的驅動力有兩個,一個是尺寸縮小,另一個是硅片直徑增大,顯然尺寸縮小起主要作用。
由于定律有自身的局限性,在那個時代它只能預測到晶體管的密度要增加,成本可下降,實際上它無法揭示隨之而來的功耗增大及晶體管的性能提高等。所以近期指出定律的另一個方向,”非尺寸依賴”具有指導意義。
為什么特色工藝成香餑餑
全球半導體業在2000年時銷售額達2000億美元,至2013年,經過13年時間達到3000億美元,然而僅用了4年時間,至2017年時己上升到4000億美元,而2018年達到4700億美元,非常可能在2020年時達到5000億美元。它反映全球電子產品市場中硅含量的急速提升及價值鏈的體現。
但是從另一方面觀察,由于定律不可避免的趨向物理極限,IC設計成本的急速飆升,全球能夠繼續追蹤尺寸縮小的廠商數量越來越少,導致依賴工藝尺寸縮小的推動力減弱。所以半導體業界試圖開辟另一個戰場,所謂特色工藝其理在其中。
依業界的觀點,特色工藝主要指模擬、RF、功率及MEMS,以及近期非常火熱的2.5D、3D的堆疊封裝等。在未來20年中它非常可能成為主要推動力之一。
按現在的認識,特色工藝可能集中于8英寸硅片,及少部分的12英寸硅片中,從工藝尺寸覆蓋可能在28nm以上。顯然這個分界線逐步在改變,在2000年時12英寸硅片剛興起時,這個分界線是90nm。如今8英寸硅片逐步升級也己擴展到65nm。這一切取決于經濟因素,因為升級8英寸設備要投資,以及90nm以下的光刻機需要重新購買,增加了成本。
如果采用8英寸硅片設備作特色工藝,有它的獨特優勢:1),設備的折舊期已過,節省成本;2),250nm-130nm工藝相對成熟穩定;3),設備的軟件升級較少受原廠控制等。
張波教授總結特色工藝具有市場分散,品種眾多、與應用關系強,且無壟斷企業等特點。
但是仔細羅列全球摸擬,RF,功率及MEMS等全球前十位廠商中,發現排在前列的都是歷史悠久的資深老廠,如歐洲的NXP、Infineon及STMicron及日本的Sony、東芝、三菱、富士通、瑞薩、及美國的TI、Microsemi、及ON Semi等。其中許多廠商至今仍堅守8英寸,甚至6英寸硅片,但是有舉足輕重的地位。
據SEMI 2015年數據,2016年全球8英寸硅片的市場份額,模擬占11%,分立器件14%,邏輯加微處理器21%,存儲器占3%,代工占47%及MEMS加其它占4%。
另據SEMI 2016年數據,2017年全球晶圓產能為每月1790萬片(8inch計),其中8英寸產能為月產520萬片,約占不到1/3,其中前十大8英寸廠的產能占總產能的54%。
特色工藝在中國
據廈門半導體投資集團總經理王匯聯的數據,2018年中國在建及規劃Fab產線總共33條,包括21條12英寸線、11條8英寸線,其中特色工藝線16條、邏輯產線9條、存儲產線8條。SEMI數據顯示中國晶圓產能2019年占到全球16%,到2020年將增至20%。
其中的趨勢是中芯國際,代工業的領頭羊,除了在國家資金等支持下,開發14nm及以下邏輯制程工藝之外,積極擴充它的8英寸產能,包括天津,深圳,寧波,紹興等地,而原本生存得很滋潤的華虹,華潤微電子,士蘭等,卻由8英寸延伸至12英寸,目的都是為了實現產品差異化,跨入特色工藝中。
實際上企業的決策才是最真實的反映,它們的感覺十分靈敏及深刻。那么多條特色工藝生產線的興建,至少反映現階段它可能適合于中國半導體業發展的需要。
因為從產業利益出發,現階段由中芯國際,華力微積極跟蹤14nm及以下邏輯制程,以及由長江存儲做3D NAND閃存,合肥長鑫做19nmDRAM等都是很有必要,首先要解決“0”到“1”的突破問題,具備能力之后才逐步擴充產能。顯然這段路十分崎嶇,投資巨大及周期長,技術難度高,未來產品市場的競爭力將經受考驗。
而絕大部分的中國半導體企業,它們首要任務是求生存,能實現盈利,所以讓它們去追蹤定律,或者嘗試存儲器的IDM模式量產是不客觀的。所以它們紛紛轉向選擇特色工藝可能是必由之路。
分析中國半導體業在代工業中8英寸制程與全球的先進水平接近,有一定優勢,但是在非邏輯制程中,如模擬、高壓、MEMS、包括IDM模式的產品等方面可能差距較大。
另據張波教授的資料,采用特色工藝可能有助于提高國產化率。因為中國進口集成電路的均價只有7毛五,不足一美元。其中進口了大量每塊價值達數百美元的高端CPU,同時也大量進口了不需要先進工藝的分立器件、電源管理IC、微控制器等。因此釆用特色工藝,國產替代的空間非常巨大。
顯然在市場競爭中,對于中國半導體業發展不可能有一條“捷徑”,做特色工藝是機遇與風險同在。因為對手都十分強大,經驗豐富,而我們是“追趕者”,從先天性方面不存在優勢,僅僅是由于市場機會多,產品分散,與應用結合強,而中國擁有全球最大的市場,具這樣的優勢地位有可能讓我們從中分得一杯羹。
企業成功的要素取決于市場空間,技術能力及時機,關鍵要有一位強有力的CEO。
近期貿易戰對于中國半導體業發展的影響不可小視,一個是電子產業鏈有部分外移出中國,另一個是美國的封鎖持續加緊等,導致中國半導體業要維持年均增長率達20%可能有一定難度。不過事物有它的“兩重性”,有時“壞事”也可能變成“好事”,如貿易戰下促使部分人才加速回流,以及在外壓力下能激發斗志,更加團結,有可能取得更大的成績。
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