本文來(lái)自微信公眾號(hào)“半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫”，作者/暢秋。
總體來(lái)看，當(dāng)下的晶圓代工業(yè)，有兩類代工廠，一類專注于數(shù)字技術(shù)，以滿足行業(yè)對(duì)存儲(chǔ)、CPU和邏輯芯片的代工需求，這類多采用先進(jìn)制程工藝，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)更小的節(jié)點(diǎn)尺寸和更高的運(yùn)算能力，其產(chǎn)品生命周期較短，因?yàn)橹瞥坦?jié)點(diǎn)在不斷演進(jìn)。
另一類則是特殊工藝（特色工藝）晶圓代工廠，它們專注于小眾市場(chǎng)。不同于先進(jìn)制程代工廠，特色工藝技術(shù)的差異化是通過(guò)技術(shù)的多樣性實(shí)現(xiàn)的，其制程節(jié)點(diǎn)演進(jìn)壓力要小得多，這有利于延長(zhǎng)產(chǎn)品的生命周期，降低資本密集度。另外，特色工藝代工廠還可以通過(guò)碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）這類新半導(dǎo)體材料的應(yīng)用，來(lái)拓展硅基技術(shù)的極限。
在全球半導(dǎo)體市場(chǎng)，IDM正走在“失寵”的道路上，晶圓代工憑借其高效、靈活的固有特性，越來(lái)越吃香。2019年之前，行業(yè)的關(guān)注點(diǎn)更多的集中在最先進(jìn)制程上，但近幾年，隨著中美科技戰(zhàn)升溫，以及疫情對(duì)全球電子半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)形成的影響，行業(yè)的關(guān)注點(diǎn)開(kāi)始分散，有越來(lái)越多的資源投入到非先進(jìn)制程，特別是特色工藝上。
01
先進(jìn)制程的利與弊
之所以說(shuō)特色工藝的重要性在逐步提升，一個(gè)很重要的原因是先進(jìn)制程的發(fā)展瓶頸越來(lái)越凸出。
最先進(jìn)制程產(chǎn)線多用來(lái)制造各種處理器，這些處理器的一個(gè)最大特點(diǎn)就是晶體管數(shù)量巨大，少則幾十億個(gè)，多則幾百億個(gè)。雖然晶體管越多越好，但由于處理器芯片尺寸有限，因此，通過(guò)縮小晶體管之間的空間來(lái)增加密度，將更多晶體管封裝到芯片中成為關(guān)鍵。因此，不斷推出新的先進(jìn)制程節(jié)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)更高晶體管密度的主要途徑。
先進(jìn)制程工藝不僅能增加晶體管密度，還可以提高時(shí)鐘速度和效率，例如，用臺(tái)積電5nm制程制造的Ryzen 7000和RX 7000處理器，與其較早的7nm工藝版本相比，可以在相同功率下提供15%的時(shí)鐘速度提升，或在相同頻率下減少30%的功耗。直到2000年代中期，隨著制程工藝的演進(jìn)，頻率和效率的提高還是積極正向的，因?yàn)楣牡南陆岛苊黠@。
然而，隨著制程工藝演進(jìn)到10nm以下，特別是最新的3nm節(jié)點(diǎn)，它可以顯著提高邏輯晶體管的密度，但對(duì)高速緩存（SRAM）的密度沒(méi)有任何改善，而無(wú)法縮小緩存是致命的，因?yàn)樗鼤?huì)限制整體密度的提升，同時(shí)，功耗下降越來(lái)越不明顯。如果晶圓廠不能持續(xù)提升晶體管密度，在芯片尺寸不斷減小的情況下，晶體管數(shù)量就不能增加，處理器性能也就難以提升。這會(huì)形成惡性循環(huán)，從而阻礙先進(jìn)制程技術(shù)的演進(jìn)，特別是未來(lái)的2nm和1nm，難度很大。
另外，設(shè)計(jì)費(fèi)用的大幅提升，也是阻礙最先進(jìn)制程普及的一個(gè)重要原因。例如，7nm芯片設(shè)計(jì)成本超過(guò)3億美元，華為早些年推出的麒麟980芯片采用了臺(tái)積電的7nm制程，麒麟980是由超過(guò)1000名半導(dǎo)體工程師組成的團(tuán)隊(duì)歷時(shí)3年時(shí)間，經(jīng)歷超過(guò)5000次的工程驗(yàn)證才成功應(yīng)用的，這期間所花費(fèi)的成本是絕大多數(shù)芯片企業(yè)承受不起的。而最新的3nm制程的成本更是驚人，據(jù)IBS測(cè)算，如果基于3nm制程開(kāi)發(fā)英偉達(dá)GPU的話，設(shè)計(jì)成本就高達(dá)15億美元，據(jù)悉，芯片設(shè)計(jì)公司要想用臺(tái)積電3nm制程制造芯片，其產(chǎn)線上一片晶圓的花費(fèi)就要25000美元。
后摩爾時(shí)代半導(dǎo)體工藝發(fā)展方向
因此，先進(jìn)制程發(fā)展遇到了瓶頸，這為特色工藝發(fā)展提供了更多機(jī)會(huì)。
02
特色工藝百花齊放
什么是特色工藝？簡(jiǎn)單地說(shuō)，不按照摩爾定律指定的時(shí)間和節(jié)奏縮小工藝節(jié)點(diǎn)的半導(dǎo)體工藝就可稱為特色工藝。從需求來(lái)看，特色工藝的市場(chǎng)應(yīng)有前景廣闊，它可以使更多企業(yè)在各自擅長(zhǎng)的領(lǐng)域做精做強(qiáng)，特別是在模擬和模數(shù)混合芯片領(lǐng)域，如MCU、OSD（Optical-Sensor-Discrete，光電-傳感-分立器件）等，它們對(duì)制程工藝的先進(jìn)性要求較低，是特色工藝應(yīng)用的主要市場(chǎng)。
與先進(jìn)制程相比，目前特色工藝在晶圓代工廠的滲透率相對(duì)較低，模擬芯片、MCU、分立器件廠商多為IDM，這些廠商在研發(fā)投入和晶圓廠資本開(kāi)支方面的雙重需求拉低了毛利率等關(guān)鍵業(yè)績(jī)指標(biāo)，隨著投入規(guī)模的擴(kuò)大，這些IDM會(huì)將更多易于標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品外包出去，從而推動(dòng)特色工藝在晶圓代工業(yè)的發(fā)展。
從晶圓代工廠的營(yíng)收變化情況來(lái)看，無(wú)論是年度營(yíng)收還是季度營(yíng)收，特色工藝代工廠的波動(dòng)相對(duì)較小，這說(shuō)明該行業(yè)的穩(wěn)定性和客戶的粘性更佳。特色工藝代工廠盈利能力的波動(dòng)小，主要有兩方面原因：一是需求端的穩(wěn)定使代工廠的經(jīng)營(yíng)管理更具有可預(yù)期性；二是制程工藝的成熟度較高，特色工藝代工廠的設(shè)備資本開(kāi)支和研發(fā)投入規(guī)模相對(duì)較小，可以很好地控制成本。
從行業(yè)發(fā)展層面來(lái)看，即使是在晶圓代工業(yè)發(fā)達(dá)的中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)，能夠持續(xù)進(jìn)行先進(jìn)制程工藝開(kāi)發(fā)的廠商也僅剩下臺(tái)積電一家，先進(jìn)與特色工藝的結(jié)合才是一個(gè)地區(qū)發(fā)展晶圓代工業(yè)并形成綜合競(jìng)爭(zhēng)力的保障。
那么，特色工藝包括哪些具體類型呢？實(shí)際上，微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS），F(xiàn)D-SOI和RF-SOI，嵌入式非易失性存儲(chǔ)器（eNVM），CIS圖像傳感器，功率器件，模擬、電源管理和射頻等差異化工藝平臺(tái)，BCD工藝平臺(tái)，以及以SiC和GaN為代表的新一代化合物半導(dǎo)體工藝等，都可以歸為特色工藝。
03
國(guó)際大廠的特色工藝戰(zhàn)略
除了臺(tái)積電、三星和中芯國(guó)際，多數(shù)晶圓代工廠將發(fā)展重點(diǎn)放在了特色工藝上，典型代表就是聯(lián)電（中國(guó)臺(tái)灣）、格芯（美國(guó)）和X-FAB（歐洲），前兩家已經(jīng)完全拋棄了12nm以下先進(jìn)制程，將全部資源和精力都投入到成熟制程和特色工藝上，之所以如此，有以下幾點(diǎn)原因：1、提升差異化競(jìng)爭(zhēng)力；2、更好地滿足客戶需求，很多客戶希望代工廠的投入、發(fā)展方向與它們的技術(shù)發(fā)展方向一致，工藝具備足夠的差異化屬性；3、客戶希望從每一代技術(shù)中獲得更多價(jià)值，充分利用每個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)的投資。
聯(lián)電最近推出的特色工藝包括14nm 14FFC、22nm超低功耗22ULP和超低漏電流22ULL、28nm高性能運(yùn)算28HPC+制程等，且已進(jìn)入量產(chǎn)階段。聯(lián)電還為毫米波（mmWave）應(yīng)用推出了55nm／40nm／28nm工藝平臺(tái)。聯(lián)電是晶圓代工業(yè)界第一個(gè)用28nm高壓制程開(kāi)發(fā)并量產(chǎn)OLED面板驅(qū)動(dòng)IC的。RF-SOI方面，90nm制程已量產(chǎn)，55nm即將導(dǎo)入量產(chǎn)，同時(shí)已著手開(kāi)發(fā)40nm制程RF-SOI技術(shù)平臺(tái)。
聯(lián)電40nm制程的嵌入式閃存（eFlash）已經(jīng)量產(chǎn)，正在進(jìn)行28nm研發(fā)，40nm制程ReRAM已經(jīng)量產(chǎn)，22nm的ReRAM技術(shù)平臺(tái)和22nm的eMRAM制程平臺(tái)正在研發(fā)中。此外，該公司還在積極投入GaN功率和微波器件平臺(tái)開(kāi)發(fā)。
X-FAB是德國(guó)特色工藝晶圓代工廠，重點(diǎn)關(guān)注MEMS和SiC技術(shù)。X-FAB是全球唯一一家專注于汽車應(yīng)用市場(chǎng)的純晶圓代工廠，汽車芯片銷售額約占其總收入的一半。此外，X-FAB可提供MEMS與CMOS的整合工藝，這種技術(shù)使客戶能夠開(kāi)發(fā)智能芯片實(shí)驗(yàn)室（lab on a chip）應(yīng)用，這是一些包含微系統(tǒng)的微流控組件，用于處理微量液體，如血液，可進(jìn)行高通量篩選和測(cè)試，如病毒檢測(cè)或DNA測(cè)序。
04
中國(guó)本土晶圓廠看好特色工藝
2022年，美國(guó)政府通過(guò)的“美國(guó)芯片法案”規(guī)定，獲得美國(guó)國(guó)家補(bǔ)貼的公司，不得在中國(guó)大陸投資28nm以下制程技術(shù)，那之前，美國(guó)推出的“實(shí)體清單”明文禁止用于1X nm及以下先進(jìn)制程的美國(guó)技術(shù)銷往被列入清單的中國(guó)大陸企業(yè)。因此，多數(shù)中國(guó)晶圓代工廠積極拓展28nm及以上成熟制程技術(shù)。
在中國(guó)大陸，除了中芯國(guó)際，其它晶圓廠都在重點(diǎn)發(fā)展特色工藝，包括排名靠前的華潤(rùn)微電子、華虹半導(dǎo)體，以及后起之秀中芯集成、粵芯半導(dǎo)體、積塔半導(dǎo)體和增芯等。
華潤(rùn)微聚焦于功率半導(dǎo)體、智能傳感器和智能控制器領(lǐng)域，提供-100V-1500V范圍內(nèi)的低壓、中壓、高壓MOSFET產(chǎn)品。
華潤(rùn)微在深圳建設(shè)了12英寸特色工藝集成電路生產(chǎn)線，一期總投資超220億元，目標(biāo)是在2024年底實(shí)現(xiàn)通線投產(chǎn)。華潤(rùn)微電子總裁李虹表示，將全力以赴推進(jìn)深圳12英寸特色工藝集成電路生產(chǎn)線工程建設(shè)，滿產(chǎn)后將形成年產(chǎn)48萬(wàn)片12英寸功率器件的生產(chǎn)能力，此外，該產(chǎn)線產(chǎn)品還包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)、模數(shù)轉(zhuǎn)換、MCU和光電集成等，重點(diǎn)支持新能源汽車、光伏儲(chǔ)能、物聯(lián)網(wǎng)、傳感器等新興領(lǐng)域的應(yīng)用。
作為中國(guó)大陸特色工藝最具代表性的企業(yè)，華虹半導(dǎo)體旗下包含嵌入式非易失性存儲(chǔ)器、功率器件、電源管理和射頻等工藝平臺(tái)，其中，嵌入式閃存、電源管理工藝平臺(tái)已分別實(shí)現(xiàn)90nm超低漏電工藝和90nm高性能BCD工藝量產(chǎn)。
近兩年，華虹半導(dǎo)體新建的無(wú)錫廠產(chǎn)能快速釋放，進(jìn)一步鞏固了其在中國(guó)本土特色工藝領(lǐng)域的地位。無(wú)錫晶圓廠主要聚焦在6大平臺(tái)，分別是：邏輯&混合信號(hào)&射頻，嵌入式非易失性存儲(chǔ)器，NOR Flash，CIS傳感器，功率半導(dǎo)體，以及BCD，這里，BCD是Bipolar-CMOS-DMOS，即能夠在同一芯片上制作Bipolar、CMOS和DMOS器件的單片集成工藝技術(shù)，華虹半導(dǎo)體在這方面的發(fā)展速度比較快。
中芯集成是中芯國(guó)際的兄弟企業(yè)，聚焦特色工藝，優(yōu)勢(shì)技術(shù)包括MEMS和功率器件，是目前中國(guó)本土少數(shù)能夠制造車規(guī)級(jí)芯片的晶圓代工企業(yè)之一。中芯集成的功率器件和MEMS業(yè)務(wù)，與中芯國(guó)際形成差異化業(yè)務(wù)發(fā)展方向，目前，該公司在車載IGBT、高壓IGBT、深溝槽超結(jié)MOSFET、射頻MEMS等中高端領(lǐng)域擁有核心技術(shù)，也是國(guó)內(nèi)少數(shù)能夠提供全電壓范圍工藝平臺(tái)IGBT的晶圓代工企業(yè)。
粵芯半導(dǎo)體是近幾年發(fā)展起來(lái)的晶圓代工廠，是粵港澳大灣區(qū)首家且唯一進(jìn)入量產(chǎn)階段的中國(guó)本土12英寸晶圓廠。目前，粵芯正在進(jìn)行三期項(xiàng)目建設(shè)，目標(biāo)是在2024年投產(chǎn)。
積塔半導(dǎo)體的特色工藝制程為0.35μm~40nm，覆蓋功率器件、通用模擬電路、MCU、CIS圖像傳感器、嵌入式存儲(chǔ)等制造平臺(tái)，重點(diǎn)是汽車應(yīng)用，可以說(shuō)是為汽車芯片量身打造的工藝產(chǎn)線。
增芯是2022年12月在廣州新建的12英寸晶圓特色工藝產(chǎn)線，聚焦MEMS傳感器。這是中國(guó)本土一條重要的12英寸MEMS制造生產(chǎn)線，按照計(jì)劃，該項(xiàng)目將于2024上半年通線，2025年底滿產(chǎn)，月產(chǎn)能2萬(wàn)片晶圓。
據(jù)悉，增芯吸引了10家MEMS芯片設(shè)計(jì)企業(yè)與其簽訂合作協(xié)議，共同定制工藝設(shè)備、開(kāi)發(fā)特色工藝技術(shù)，包括加速度傳感器、慣性傳感器、磁傳感器、基因測(cè)試芯片、微流控芯片、硅基麥克風(fēng)芯片等。
除了以上這些企業(yè)，還有很多中國(guó)本土企業(yè)在大力發(fā)展特色工藝，從目前的情況來(lái)看，該產(chǎn)業(yè)發(fā)展方興未艾，潛力巨大，值得期待。
