「芯調查」晶片製造篇·國內晶圓代工業崛起還有多遠的路?

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【編者按】中美貿易戰,美國以晶片為籌碼來遏制中國高科技產業以及經濟的發展。

在這樣的背景下,中國亟需推動自主創新,做大做強自家晶片。

然而,目前中國晶片發展存在諸多癥結。

為此,集微網設立【國產晶片如何破局】專題,分別從國產替代率、政府採購、產業生態篇、產品篇等多個角度進行深入剖析和展開,也歡迎分享寶貴建議!

集微網報導(記者 樂川)2019年註定是中美兩國科技產業的多事之秋。

隨著貿易糾紛持久不下,華為事件後,眾多國內大型半導體廠商及跨國企業均開始重新評估自身在供應鏈中的定位。

貿易拉鋸戰也將在某些方面迫使中國企業尋求自主創新,加快國產產品替代過程,緩解未來風險的衝擊。

作為半導體產業鏈上技術壁壘最高的一環,半導體製造除了半導體設備本身極具技術難度之外,各個環節設備之間的工藝配合以及誤差控制需要大量的經驗積累。

一般集成電路製造需經過幾十步甚至上千步的工藝,例如在20nm技術節點,集成電路產品的晶圓加工工藝步驟約1000步,在7nm時將超過1500步,任何一個步驟的誤差放大都會帶來最終晶片良率的大幅下滑,因此半導體製造行業是一個高度精密的系統工程。

國內晶圓代工「兩頭在外」,工藝製程差距2~3代

作為技術及資本密集型行業,晶圓代工行業集中度達到了空前的地步。

自中芯國際2000年成立開始,中國大陸在半導體製造領域一直追趕,但目前差距仍然十分明顯。

根據集邦諮詢旗下拓墣產業研究院最新報告統計,2019年第二季全球晶圓代工市場市占率排名前三分別為台積電、三星與格芯,台積電更是豪取全球幾乎半數市場份額



目前大陸晶圓代工企業和本土設計公司在產值方面出現嚴重的不匹配。

局限主要體現在兩方面:

從產能端來看,「兩頭在外」現象嚴重,本土晶圓製造代工廠給國外設計公司做代工,國內設計公司也依靠海外代工廠去製造晶片。

西南證券報告指出,2017年,大陸整個晶圓代工產業規模為440億元,其中本土晶圓代工規模370億元,外資在國內設立晶圓代工廠產業規模為70億元。

中國本土IC設計公司占據中國本土晶圓代工營收規模中的190億元,占比高達51%。

2017年中國IC設計公司對晶圓產值需求約671億元,中國本土晶圓代工廠提供給本土IC設計公司的產能按照產值僅滿足28.3%,還存在481億元的晶圓代工缺口,「兩頭在外」現象十分顯著。

從晶圓代工工藝角度來看,目前國內晶圓代工廠在特色工藝領域(BCD等模擬工藝、射頻、e-NVM、功率器件等)同國外晶圓代工廠差別不大,基本能滿足國內設計公司要求,同時也承接了大規模海外設計公司的需求。

國內晶圓代工廠難以滿足國內設計公司對主流工藝(16nm及以下)和高性能模擬工藝的需求。



從製程端來看,與海外巨頭有2~3技術代的差距。

本土IC設計公司近年來設計工藝逐漸向90nm以內節點發展。

2017年,設計公司採用0.13um節點占比53%,2018年90nm及以下節點製程的需求將超過0.13um,至2025年中國設計公司70%會用到90nm以內製程。

而大陸目前最先進的工藝製程為28納米,僅有中芯可提供,第一代FinFET 14納米技術進入客戶驗證階段,而全球最領先的台積電則已向5納米進軍。

與英特爾和三星對比,代表大陸最先進水平的中芯在量產14納米與其有近5年的時間差距。

根據西南證券的分析報告,28納米是中芯和台積電技術差距的拐點。

90納米中芯落後台積電1年,65納米落後2年,40納米落後3年,28納米整整落後6年,技術差距呈增大趨勢。

28納米之後的先進位程,中芯和台積電的差距越來越小,14納米落後台積電3.5年,比原計劃提前了半年,10納米及以下預計落後3年。

滿足於「從0到1」?!工藝越發展越落後為哪般?

自中芯國際起,中國大陸發展晶圓代工事業已近20年,近10年來更是得到政策、資金多方面的支持,為何與業內先進的差距依然明顯?

一位在本土晶圓廠任職的管理層A君指出了大陸落後的一個客觀原因:在大陸發展代工產業的早期,國際廠商通過瓦森納條約等禁令對大陸實施半導體設備、材料等先進技術出口限制,導致從晶片設計、生產等多個領域,大陸都不能獲取到國外的最新科技。

例如就光刻機而言,英特爾、三星、台積電2015年能買到ASML 10納米的光刻機。

而大陸的中芯國際,2015年只能買到ASML 2010年生產的32納米的光刻機。

5年時間對半導體來說,已經足夠讓市場更新換代3次了。

因此,國際上對大陸的限制,一定程度上阻礙了大陸半導體發展的進程。

A君還指出,隨著工藝演進,越先進的工藝研發製造複雜性越高,成本也越高昂,單個企業已獨力難支,因此一些行業領先者已組成了先進工藝研發聯盟,以共同負擔研發力量和成本,例如IMEC的協同創新聯盟,而這些聯盟事實上都不向大陸開放,使大陸更失去了寶貴的學習機會。

「就像一群研究生,肯定不會帶著你這個小學生玩啊。

然而只有和高手一起玩,你才能成為高手。

」他比喻說。

此外,深有體會的A君還表示,晶圓代工是一個技術密集、資金密集、研發周期長的行業。

每一代工藝節點的挑戰、成本都顯著上升,而且隨著IC設計成本的飆升,能夠負擔得起先進節點費用的客戶越來越少,工藝實現量產的過程也越來越複雜,很難找到影響量產的致命缺陷。

國內晶圓廠雖然近幾年看起來是獲得了大基金等的大量資金投入,但是相比同行研發投入還是不夠。

在國內晶圓廠曾工作超過十年的B君告訴集微網記者,國內晶圓代工行業在先進技術方面始終無法追趕的一個原因在於,技術發展對應的窗口期導致在邏輯器件工藝發展的過程,永遠都是邏輯最先、1~2年後RF產品、3~4年後MCU產品,最後是power類的產品。

所以從這個角度來看,無法實現真正意義上的追趕,因為領先者永遠可以拿到最初的紅利,跟進者只能在MCU這個窗口期利用成本和服務的配合去實現價值,這部分也足以支撐企業的發展。

「國內晶圓廠這幾年是取得了一些成績,但是嚴格說起來也只是實現了『從0到1』的突破,1就夠了嗎?後面還有99步呢?!現在大陸最先進就做到14納米,現在還在驗證,是否能做出來,做出來又能做到什麼水平?」半導體行業專家莫大康對集微網記者表示,「又以28納米為例來看,台積電當年量產過程用了9個季度左右就實現,並迅速占領了市場。

反觀國內,中芯國際花了幾年,現在HKMG還是不過關,市場占有率也很低。

現在廈門聯芯都能提供28納米 HKMG工藝了,華力也快了,國內、境外競爭很激烈,也反應出國內晶圓廠在先進工藝研發上的不紮實、競爭性不強。

眾所周知,在中國IC設計業剛剛起步時,作為還在學習發展階段中的中國IC設計業來講,反向設計服務公司曾被很多公司青睞。

通過對晶片內部電路的提取與分析、整理,實現對晶片技術原理、設計思路、工藝製造、結構機制等方面的還原,來幫助自己進行晶片設計。

「在先進工藝上,我們也會參考一些同行的樣本進行分析,但是半導體工藝不可能像IC設計一樣做反向,越先進的工藝,涉及的製程步驟越多越複雜,不可能還原的。

因此只能自己一步一步摸索。

」A君指出。

對此,莫大康表示,工藝know-how怎麼來的?是一片一片矽片試出來的,100片不行,那就1000片、10000片……沒有捷徑可走。

人才匱乏,被嫌棄的代工行業

國內晶圓廠在先進工藝上本就缺失,那研發工作是怎麼進行的?他們如何得到先進工藝的知識?這方面,除了下決心長期培養,就是挖掘海外人才。

然而在過去一段時間,大陸由於在全球尤其是日韓台灣挖掘半導體人才,引發了爭議和敵視,這種做法可行性值得商榷。

「技術人才不足、客戶產品多元化不夠、基礎研發歷練不深。

」曾在國內外資晶圓廠擔任高級管理職務的C君對集微網表示。

「人才的培養需要時間,必須從學校開始培養物理、化學、材料、數學的人才。

可惜大陸本來就缺乏國際性的師資,招回來的千人計劃也是參差不齊。

他指出,短期內只能靠海外進口人才,例如最近引進的梁孟松、蔣尚義等。

但是老師父帶著一堆小學生,怎麼能做出好東西?小學生需要時間的磨練和經驗累積,研發基礎不夠好,就像練武的人馬步扎不穩,耍的功夫都是花槍。

「蔣爸(蔣在台灣行業的暱稱)有一定的影響力,但是老師父還是需要一幫子的高手徒弟。

一個門派的強大不能只是靠掌門人,要大師兄,二師兄,三師兄…都武藝高強。

師父傳授的武藝,徒弟要有慧根能舉一反三,甚至更上一層樓。

沒有很深的基本教育,加上多年的實戰經驗,不容易成功。

」他強調,「而且從另一個角度看,蔣爸在台灣德高望重,大陸的晚輩是否會認可,從而鼎力支持?各級政府又將如何擺正角色?蔣爸又如何平衡國家利益和企業利益?」

對於引進人才「魚龍混雜」的情況,A君給出了另一個角度的解釋。

他認為,不排除確實有部分人員參差不齊的情況,但是有一些引進人才沒有發揮出期望的水平,卻是因為「水土不服」。

他解釋,每個晶圓廠的工藝都有自己的獨特之處,硬體環境也不同,因此有一些高手換了一個環境後出現了不適應的狀況是很正常的,這就需要看公司管理者是否能進行正確引導。

筆者一位曾在比利時IMEC學習工作多年的同學卻感慨,張忠謀全世界也就一個啊!國內在先進工藝上完全沒經驗,有錢可以招人,而且得挖團隊,各個環節都要專家,學費肯定是要交的,招到好的人,學費省一些。

但是現在多少僱傭兵是真的有乾貨的,得打問號。

另外他還指出,現在代工行業普遍薪資低,年輕人有得選都不願意去工廠。

「在上海,碩士畢業進fab也只是開個8000元,博士12000元左右,再看看網際網路、金融行業又是什麼水平?行業被嫌棄,大城市生活成本高,小城市fab沒人願意去,聰明人都不願意入行,怎麼發展?」他戲稱,如果當初有得選,也去考財大了。

莫大康直指:每年800萬大學畢業生,但是能進入代工行業的少之又少,進來的也沒有經驗,領軍人才更是缺乏。

好在情況有所轉變。

B君指出,人才的培養,從高校、技術人才培養和整體配套的政策措施,利於產業發展和進步。

看美國從高校、科研到企業的連貫性,培養力促成了今天的正向循環,美日做的很好,韓國台灣也有改善,大陸現在開始重視這個問題。

實現突破靠R&D,而不是RMB

在巨大的市場和國家意志需求下,中國大陸掀起晶圓建廠熱潮,根據SEMI截止今年2月份的數據,大陸目前擁有全球最多數量的晶圓廠項目,多達30個新的廠房或產線在建或計劃建造。

其中,13個瞄準了晶圓代工市場,其餘的廠房則面向LED、存儲或其他技術。

2月份以來,又有多個晶圓廠項目公布,建廠潮仍在持續。

對此,業內人士均是憂心忡忡,認為最終國內晶圓廠洗盤勢在必行。

「新建的廠,技術在哪裡?訂單在哪裡?太離譜!」莫大康感嘆道,國內研發體系還很薄弱,現在還靠投資拉動,「大基金今年已經第五年,投資拉動的政策是否需要作出改變了?圖快不一定有利,效果不一定好還浪費資金。

」他指出,「現在這麼多項目,最後的結果一定會洗盤,但是在這之前會死掉多少項目?損耗又得有多少?」

C君也表示很悲觀:「中央也沒有好好管理,放縱每個地方政府,沒有制度和管理,更沒有懲罰機制,造成今天晶圓廠項目片地開花,最終大部分都會成為廢墟。

需要資源集中,優先做出一個成功的項目,要有當初『兩彈一星』的精神和制度,才能讓國內的代工廠有出頭的一天。

最重要的還是中央需要控制資源,集中開發,看到成果再給巨大激勵,重賞重罰,去除弊端。

」他說,急功近利的問題會帶來很多困擾,最後換下CEO,一切又要重新開始,悲哀。

「華為也是避開了剛才上述的很多問題,資源集中和研發專注,加上一個強勢又不斷自我改進的領導,才能有今天。

他說,看台灣的例子,精英都集中在台積電,人才不會像大陸這樣分散,聯電和其他廠的工藝也相對落後,領先的都在台積電。

資源整合和集中,才能開發出先進的產品。

他甚至建議,蓋這些fab廠,中央應該學股市IPO的流程,讓項目組和地方領導去審議會評估項目的可行性,不合格的就打回去重做,第三次不及格就永久廢棄。

「中國賺快錢的文化促成了產業這樣發展。

」B君指出,從國家投入來看,各地競爭不如協同發展。

「從日、韓、台來看均是傾盡國家之力發展半導體,最優秀的人才都在半導體行業,反觀大陸,並非如此。

大基金兩期與全球資本投入比,相差甚遠,更何況這些資金並非投入一個領域。

互補型發展方式,比競爭更好。

從現有形式來看,只是拉長了戰略的成效時間。

」他強調,要麼資源整合集中力量做一件事,要麼貫通產業鏈以提升競爭力,更好地服務客戶。

最後的希望

A君表示,好在現在矽材料到了極限,工藝再繼續發展就要通過新的路徑,這對國內晶圓廠來說算是一個好消息,屆時大家都會處在同一起跑線。

B君補充說,工藝到了FinFET會是一個不同的局面,我們並沒有落後太多,能夠趕上RF這一波的紅利,爭奪更多市場空間。

因為智慧型手機市場有40%是中低端產品,以每年18億支出貨量的總數來看,足以支撐包含主控晶片、RF產品等。

此外還有汽車市場,包含所有的主控晶片、總線、ADAS等配套晶片(汽車的MRAM),AI人工智慧、物聯網(以台積電的技術路線來看),讓中國有機會與最先進企業競爭,加上MCU將迎來更大的市場與空間。

同時以16、12和10nm為主的FinFET會與28/40nm一樣成為FinFET的成熟工藝,隨著成本的降低帶來更多應用的切入。

莫大康表示,業內對中美貿易摩擦始終存了僥倖心理,認為中美打不起來,不可能決裂,卻沒想到川普這麼狠。

「要留好後手,踏踏實實做好研發。

各方面的政策也應重新審視,以更好地支持企業的研發工作。

「半導體市場是一個全球市場,不能關起門來做事。

」B君贊同道,「從這個角度來看,貿易戰某種程度來說是好事,能促進我們審視自我,補齊短板。

」(校對/范蓉)


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