半導體國產(chǎn)化浪潮起，未來可期

時間：2020-08-20 09:05:39

關鍵字：半導體

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[導讀]《中國制造2025》有這么一個目標——在2020年實現(xiàn)40%芯片自給率，在2025年實現(xiàn)70%芯片自給率。 2019年，我們已經(jīng)實現(xiàn)了21%的芯片自給率。然而，到了今年，正是這個目標的中期節(jié)點上，美國的半導體設備和技術對中國企業(yè)進行了封鎖，中芯國際上市的招股書里也提到?jīng)]有美國商務...

本文來源：SDNLAB

《中國制造2025》有這么一個目標——在2020年實現(xiàn)40%芯片自給率，在2025年實現(xiàn)70%芯片自給率。

2019年，我們已經(jīng)實現(xiàn)了21%的芯片自給率。然而，到了今年，正是這個目標的中期節(jié)點上，美國的半導體設備和技術對中國企業(yè)進行了封鎖，中芯國際上市的招股書里也提到?jīng)]有美國商務部的許可，無法為若干客戶服務。

芯片制造為何被制約？

為什么我們的芯片制造可以被制約得如此徹底？看下圖，你就懂了，半導體設備市場基本被日本、美國、歐洲企業(yè)瓜分。

半導體產(chǎn)業(yè)鏈主要包含電路設計、晶圓制造和封裝測試三個部分，而其中的制造環(huán)節(jié)與包含了層層精密復雜的制作工藝。其中，光刻工藝是集成電路制造中最復雜、最關鍵的工藝步驟。在集成電路誕生之初，光刻技術就被認為是集成電路制造工藝發(fā)展的驅(qū)動力。

目前高端光刻機被荷蘭ASML公司壟斷，中低端光刻機供應商有Canon和Nikon。EUV光刻機是目前最先進的光刻機，可以用于生產(chǎn)7nm和5nm的芯片。目前全球只有ASML能生產(chǎn)EUV光刻機，售價高達1.2億美元。

格羅方德首席技術官Gary Patton曾說:“如果在5nm的時候沒有使用EUV光刻機，那么光刻的步驟將會超過100步”。EUV光刻機的重要性可想而知。

那國內(nèi)光刻機現(xiàn)在是什么狀況呢？

首先，國內(nèi)90nm光刻機已經(jīng)成熟。近期有上海微電子宣布28nm光刻機已經(jīng)研制成功，并將在2021年交付，將會實現(xiàn)從90nm到28nm的跨越。但是這種光刻機，仍然屬于DUV光刻機，理論上，DUV光刻機采用沉浸式的方法，也可以達到比較高的精度，達到14nm甚至7nm的精度要求。而EUV，則是7nm以下必須采用的方式。

目前國內(nèi)光刻機設備商較少，在技術上與國外還存在巨大差距，上面提到的上海微電子裝備（集團）股份有限公司（SMEE）代表了國內(nèi)頂尖水平，也就是說，國內(nèi)最先進的光刻機是28nm級別的。最近有消息透露說上微電22nm光刻機也已經(jīng)研制成功。

根據(jù)《中國制造2025》，我國計劃在2025年之前要制造出EUV光刻機。但是，22nm光刻機到7nm光刻機的跨越，路漫漫其修遠兮。

中流砥柱——中芯國際

分析國內(nèi)芯片水平，被譽為“全村的希望”的芯片代工廠商——中芯國際可以作為代表。

成熟制程市場仍然龐大

八月一日，中芯國際與北京開發(fā)區(qū)管委會合作成立公司，生產(chǎn) 28nm及以上集成電路項目。該項目首期投資76億美元，約51%注冊資本由中芯國際出資。

在這之前，上海微電子宣布28nm光刻機已經(jīng)研制成功，并將在2021年交付。結(jié)合這兩個消息，似乎表明我國已經(jīng)可以組建完全自主的28nm工藝國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈。

中芯國際首次量產(chǎn)28nm工藝是在2015年，但業(yè)務占比一直偏低，28nm工藝還處于虧損狀態(tài)。中芯國際這次投資建廠，一是因為國內(nèi)芯片供不應求，二來也是為了盈利。

你可能會問,現(xiàn)在7nm、甚至5nm都已經(jīng)開始量產(chǎn)，28nm還有市場嗎？

先來看看中芯國際2020年第一季度營收。40/45nm到250/350nm的成熟工藝占比92%，而28nm和14nm先進制程技術分別為占比6.5%和1.3%。

從中芯國際產(chǎn)線的生產(chǎn)情況來看，先進節(jié)點的產(chǎn)能不高，成熟工藝占了營收大頭。這都表明了成熟工藝仍有很大市場。

中芯國際主要生產(chǎn)基地

一般將不同工藝節(jié)點分為傳統(tǒng)工藝、成熟工藝、先進工藝。

其中傳統(tǒng)工藝主要包括0.5um、0.35um、0.25um、0.18um、0.13um；

成熟工藝主要包括90nm、65/55mm、45/40nm、32/28nm；

先進工藝主要包括16/14nm、10nm、7nm等。

成熟制程的芯片為什么仍有市場呢？

第一個原因是許多應用于通信、汽車和工業(yè)的集成電路（IC）都具有相當長的生命周期，并且，一個手機里的芯片很多，但只有CPU芯片要求最高工藝，其他的功能芯片要求沒那么高。

第二個原因是很多領域不需要先進工藝，比如電腦、人工智能設備、5G基站、導航定位設備、物聯(lián)網(wǎng)、汽車、軍工、航天等，14nm到28nm甚至微米級別的都在用。

另外，許多國內(nèi)芯片開發(fā)商傾向于設計經(jīng)過驗證的成熟節(jié)點。

先進制程繼續(xù)追趕

下圖是來自TrendForce的全球晶圓代工廠2020第二季度市場份額報告，目前世界上最大的芯片代工廠是臺積電，中芯國際遠遠落后于臺積電。

其中格羅方德（GlobalFoundries）和聯(lián)電（UMC）都放棄了對先進制程的追逐，決定專注于成熟制程。

中芯國際仍在研究先進制程，和中芯有直接競爭關系的只有臺積電和三星了。

從進入先進節(jié)點的時間看，中芯國際落后于領頭羊臺積電大約4年的時間。并且這個時間在慢慢縮小，不過，由于中美貿(mào)易戰(zhàn)，誰也說不準這個時間差距會不會延長。

先進制程領域，目前中芯國際是第二梯隊廠商中唯一的先進制程追趕者，聯(lián)電和格羅方德已經(jīng)宣布放棄了7nm 及以下工藝的研發(fā)，中芯國際 14nm 及以下先進制程進展順利，14 nm于2019 年三季度順利量產(chǎn)，N+1 及 N+2 節(jié)點研發(fā)進度穩(wěn)步推進中。

我們?yōu)槭裁匆汾s先進制程？

芯片的研發(fā)投入非常大，越往上走投入越多，不僅是技術壁壘還有金錢壁壘。格羅方德和聯(lián)電都放棄了對先進制程的研發(fā)，為什么中芯國際還在苦苦追趕呢？

隨著制程的進步，單位產(chǎn)能投資顯著增長

除了本土需求外，還有另外一個原因：強者愈強、弱者愈弱，我們必須前進。

在先進工藝上，臺積電遙遙領先，所以它對客戶有著極強的產(chǎn)品議價力，它的先進制程可以享受到新產(chǎn)品的紅利。

以 14nm 節(jié)點為例，當競爭對手 14nm 量產(chǎn)之際，臺積電 14nm 已經(jīng)完成了設備折舊，即使折價，仍能保持較高的盈利能力，而追趕者一方面要承受巨額的折舊攤銷，另一方面在價格端沒有優(yōu)勢，因此導致追趕者的盈利水平相比領先者始終有較大差異。

晶圓制造設備折舊年限一般為 5-7 年，相比其他廠商，臺積電在折舊政策上更為激進，臺積電的設備折舊年限一般為 2-5 年，而中芯國際折舊年限為 5-10 年。

臺積電通過快速折舊的方式，當競爭對手完成了先進制程的擴產(chǎn)，臺積電可以在保證自身盈利能力的情況下，通過降價的方式來削弱競爭對手的盈利能力。格羅方德和聯(lián)電的先進制程研發(fā)投入就是這么被拖垮的。

招賢納士

中芯國際近年來的飛速發(fā)展離不開一個關鍵人物——梁孟松。

梁孟松是當年臺積電研發(fā)的領頭人，在芯片領域，他個人擁有500多個專利，在臺積電的多次工藝升級中，有著不可磨滅的貢獻。后來，由于內(nèi)部政治斗爭導致了梁孟松含恨離開，轉(zhuǎn)投三星。

當年的三星芯片制造規(guī)模很小，全球市場占比2~3%，而現(xiàn)在三星占比18%，這巨大的飛躍都來源于三星當年14 nm 的突破，梁夢松的加入讓三星在芯片制造上面的技術可以匹敵臺積電。

2017年，梁孟松和三星的合約到期，他加入了中芯。他的到來，讓中芯久久不能突破的14nm已經(jīng)量產(chǎn)，7nm也有了希望。

業(yè)內(nèi)人士表示，梁孟松加入中芯國際，帶來的不僅僅是技術，還有豐富有效的管理和經(jīng)營經(jīng)驗，去掉臃腫的組織，產(chǎn)能優(yōu)化，人員培養(yǎng)，研發(fā)投入，讓公司毛利提高，財務更健康。

中芯國際在培養(yǎng)人才上也下了不少功夫。

中芯國際在成立之初就聘用了數(shù)百名前臺積電工程師。因此也得到了一些臺積電的工藝技術、工藝流程、配方等必要信息。也因為這件事，臺積電和中芯國際打了很多年的官司，中芯國際賠了不少錢，最后是給了臺積電10%的股權才達成和解的。

盡管早期的中芯國際從對手那里獲取技術，但該公司也在國內(nèi)培養(yǎng)了本土的半導體工程師。中芯國際與大學簽訂了協(xié)議，還從臺灣和美國聘請了人才。2001 - 2003年，中芯國際從海外引進的400名工程師培訓了800名本地工程師。當時，中芯國際有一句口號：一個舊的帶來兩個新的。

此外，它還與特許半導體公司(Chartered) (180nm)和IBM (40/45nm、32nm和28nm)簽署了工藝許可協(xié)議，從其它公司獲得制造工藝和相關技術，為中芯國際帶來了必要的知識產(chǎn)權。這些舉措使中芯國際在代工業(yè)務上取得了顯著的增長。到2005年，它已成為全球第四大半導體代工制造商。

半導體國產(chǎn)化浪潮起

國家意志

2014 年，國家發(fā)布《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進綱要》，提出建立從晶片到終端產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)劃，支持集成電路企業(yè)在境內(nèi)外上市融資。

2015 年，國家集成電路大基金一期成立，首期募集資金達 1387.2 億人民幣，以直接入股方式，對半導體企業(yè)給予財政支持或協(xié)助購并國際大廠。中芯國際獲得國家大基金一期重點支持。

國家集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金二期于 2019 年 10 月 22 日注冊成立，注冊資本為 2041.5 億元。

5 月 15 日，中芯國際發(fā)布公告，國家大基金二期與上海集成電路基金二期同意分別向子公司中芯南方注資15 億美元、7.5 億美元。

今年七月中旬，中芯國際在上海證券交易所進行首次公開募股，此次中芯國際上市募集資金超過450億元。

如果一切按計劃進行，那么中芯國際今年的研發(fā)預算大概是90億元，相較去年花費的44億研發(fā)資金，今年直接翻了一番。

國家政策和資金的支持造就了第二梯隊唯一追趕者，這也就是為什么中芯國際在臺積電的不斷打壓下，還能在先進工藝上的道路上窮追不舍。

本土需求增長

根據(jù) IC Insights 數(shù)據(jù)，由于 2019 年上半年的需求萎靡，全球純晶圓代工需求同比 2018 年下滑了 2%，而大陸地區(qū)是 2019 年唯一實現(xiàn)正增長的區(qū)域。預計 2018~2023 年晶圓代工市場復合增速為 4.9%。

以中芯國際為首的晶圓廠商借助于地域優(yōu)勢，為大陸 Fabless（IC設計公司）提供全方位、本土化的解決方案；中美貿(mào)易摩擦和華為事件也使得國內(nèi) Fabless 廠商更加重視本土化。隨著中芯國際先進產(chǎn)能的擴產(chǎn)，將有望為本土客戶提供更多先進制程晶圓代工服務，持續(xù)帶動晶圓代工需求的國產(chǎn)化趨勢。

摩爾定律放緩

英特爾創(chuàng)始人戈登摩根總結(jié)出摩爾定律：“當價格保持不變時，集成電路上可容納的元器件數(shù)量，約每隔 18-24 個月就會增加一倍，性能也將提升一倍?！?/p>

按照摩爾定律，芯片制程以約 0.7 倍的倍速演進。在過去十年的性能提升中，處理工藝實現(xiàn)了明顯的性能提升，每3.6年能效提升一倍，每3年密度提升一倍。

2001 至 2012 年，先進制程基本保持了如摩爾定律所述的速度向前發(fā)展，從AMD給出的路線圖來看22nm節(jié)點之后就開始放慢，14nm節(jié)點之后尤為明顯。

AMD 認為摩爾定律依然有效，但是演進速度已經(jīng)放慢。

摩爾定律放慢，給了追趕者縮小差距的可能。

總結(jié)

半導體國產(chǎn)化是一條非常艱難的道路，但也是我們唯一的出路，我們不惜傾舉國之力奮力追趕，只為了在芯片上，不再被人死死扼住喉嚨。這個過程可能需要10年，甚至20年的時間，但我們沒有選擇，只能前進。

參考鏈接：

https://www.eetimes.com/smic-advanced-process-technologies-and-govt-funding/

https://www.eet-china.com/mp/a22842.html

https://www.vzkoo.com/doc/15071.html?a=2&label=%E5%8D%8A%E5%AF%BC%E4%BD%93