28 奈米增產競賽,缺晶片只是表面、適用性高才是主因

作者 | 發布日期 2021 年 05 月 04 日 8:00 | 分類 國際貿易 , 晶圓 , 晶片 Telegram share ! follow us in feedly
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近幾個月,晶圓代工廠相繼宣佈擴充產能,華虹半導體宣布建設一條等級為 90~65 / 55 奈米的生產線,台積電、聯華電子及中芯國際也紛紛指向 28 奈米產能擴充。

最早是今年3月18日,中芯國際公告稱與深圳市簽訂合作框架協定,中芯深圳將重點生產 28 奈米以上積體電路和提供技術服務,最終達成每月約 4 萬片 12 吋晶圓產能,預計專案投資金額 23.5 億美元。

4 月台積電宣佈斥資 28.87 億美元擴充南京台積電 28 奈米產能,預計達每月 4 萬片。接著聯電也召開線上會議,宣布投資約 135.3 億元人民幣擴充在台南科學園區的 12 吋廠 Fab12 的 28 奈米產能。

這幾家宣佈擴產的代工廠,都預計將在 2022 年開始正常生產。 十多年前開發的 28 奈米製程,在 5 奈米先進製程廣泛用於智慧手機的今天,依然熱度不減,甚至引發各晶圓廠新一輪競爭。這次 28 奈米集體擴產,與備受關注的缺晶片潮並無太大關聯。

代工巨頭台積電的轉捩點

依然是摩爾定律推動下,晶片製程 2010 年左右發展到 28 奈米,彼時半導體公司受金融危機影響元氣大傷,很多IDM 公司或剝離製造業務或將更多的資源投資晶片設計,為晶圓代工廠帶來更多發展空間。

78 歲高齡的張忠謀回歸台積電後,台積電 2011 年成為首個量產 28 奈米製程的代工廠。當時報導稱,台積電第一版是低功耗 28 奈米 LP,採用傳統 SiON 製程,引入多晶矽柵和二氧化矽硝酸鹽,適合低頻環境。

製程發展到 45 奈米時,核心面積減少導致單位面積密度增高,漏電問題更嚴重,此時傳統二氧化矽柵極介電質製程遇到瓶頸,也就是台積電量產的第一代 28 奈米產品,雖然能縮小晶元面積但並未解決高功耗的問題,因此業界普遍轉向能降低漏電的 HKMG(high-k絕緣層+金屬柵極)疊層技術。

選擇 HKMG 電晶體結構,業界分成兩大陣營,一家是以 IBM 為首的 Gate-First 製程流派,支援者還有英飛淩、NEC、GF、三星和意法半導體等晶片製造技術聯盟所屬成員。 另一家是以英特爾、台積電為代表的 Gate-Last 製程流派。 這兩種流派各自都有難點,前者 PMOS 管門限電壓難以控制,後者需要設計環節積極配合修改電路提升密度。 儘管雙方都宣稱自己更適合 HKMG 電晶體,但未有實際產品出世證明誰更優越。

率先 2012 年攻克 28 奈米 HKMG 製程的台積電證明白更少人看好的 Gate-Last 更具潛力與優勢,推出適用高頻的 28 奈米而後繼續向20奈米前進。

▲ 台積電製程節點發展歷程。(Source:台積電)

這次 HKMG 的選擇讓台積電大獲全勝,營收與獲利屢創新高,將最大競爭對手三星、GF 遠遠甩在身後。迅速轉向 28 奈米的 2012 年,台積電第四季財報會議表示:公司這一年達成創紀錄營收和利潤,出貨量比 2011 年成長 30 倍。

到了 2013 年,三星、GF 及 UMC 的 28 奈米 HKMG 才剛導入量產,台積電則利用先發優勢快速搶占客戶資源、佔領市場,28 奈米出貨量持續攀升,甚至佔據超過 80% 細分節點市佔。

▲ 各晶圓廠 28 奈米以下量產能力。(Source:OMDIA)

雖然摩爾定律指出,積體電路上可容納的晶體管數目約每過 18 個月便會增加一倍,處理器性能每隔兩年翻一倍,但並不意味著製程節點發展到下一代時,上一代就失去存在意義,對 28 奈米而言更是如此。

效益最高、應用廣泛的黃金 28 奈米

台積電雖然早在 2011 年就達成 28 奈米量產且一直開發更先進製程,但 28 奈米卻始終是台積電的核心業務,2016 年營收佔比 26%,2017 年和 2018  年佔比23%,直到 2020  年,28奈米營收也依然佔總營收 12.67%,僅次 7 和 16 奈米,需要用到 EUV 光刻機才能製造的 5 奈米節點營收也只佔全年收入 7.72%。

▲ 2020 年台積電收入比例。

28 奈米能支撐台積電核心業務近十年,主要有兩個重要原因。 一方面是先進製程中 28 奈米成本效益高,往後需要 FinEFT  製程的16 / 14 奈米節點,晶圓製造成本將增加至少 50%,同時使用壽命比不上 28 奈米,更先進製程成本更高,只用擁有最大市場的智慧手機才能承受如此昂貴成本。

另一方面,隨著 28 奈米成熟,市場需求呈爆炸性成長,從最開始應用在手機處理器和基頻,到後來在 OOT 機上盒和智慧電視等更廣泛的應用領域。隨著個人積體電路時代到來及物聯網、5G 等技術演進,無論改善手機螢幕的 OLED 驅動 IC,還是滿足物聯網設備的各種連接晶片,還是混合計算中心、無線基地台及自駕車等專有領域的 FPGA,高性能低功耗的 28 奈米都是理想選擇。

放眼全球,據 TrendForce 調查研究,2020 年 28 奈米以上製程產品線更廣泛,包括 CMOS 圖像感測器、小尺寸面板驅動 IC、射頻元件、電視系統單晶片、Wi-Fi 及藍牙晶元等眾多需求增長,28 奈米訂單持續爆滿。

還有一個重要原因是,儘管客戶更願意使用更成熟的製程和更低的成本製造,但 8 吋晶圓廠隨著設備折舊而數量大幅下降,即 200 奈米晶圓利用率升高且產能增長緩慢,因此原本能用更成熟製程的電子產品也被迫往 28 奈米遷移。

擴產 28 奈米是共識,缺晶片潮只是引爆點

晶圓代工廠相繼宣佈擴產 28 奈米,表面上看似與缺晶片潮密切相關,擴產已發展成熟、效益最高的 28 奈米產能,能更快解決缺貨問題。

不過產能擴充往往需要較長時間週期,這些 28 奈米晶片至少明年才能正常生產,短時間依然無法解決產能短缺問題。業界和市場早評估過 28 奈米,即使沒有這次缺芯潮,依然會選擇擴產 28 奈米。

半導體產業資深人士表示擴產反應業界對 28 奈米製程的共識,未來半導體業整體用量會繼續增加,包括車用、電源等方面,就整個晶圓廠目前 28 奈米產能,也沒有特別大,中芯國際目前 28 奈米月產能約在 8 萬片。

或許 28 奈米看上去沒有 5、2 奈米高階,但適用範圍確實更加廣泛,人人都在關注更先進製程支撐智慧手機這塊巨大市場,但最先進不一定適合所有人,應用範圍最廣泛的不一定最先進。

(本文由 雷鋒網 授權轉載;首圖來源:shutterstock)

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