大家都关心制造,但在未来短时期之内,我们很难在既有赛道下将工艺突破到7纳米以下。解决方案在哪?就是在特殊工艺和封装上开辟新的赛道。

近年来,在地缘政治博弈下,全球半导体产业链开始出现断层,全球化的竞争已被中断。随着各国纷纷以政策强化半导体产业,行业“碎片化”、“逆全球化”进程已经启动。

在过去数十年间采取的Fabless+Foundry+Service模式,让中国半导体产业快速发展。但如今的“碎片化”模式,让 “设计-代工”模式无法实现资源全球化的最优配置,这对于中国乃至全球半导体产业都是严峻的挑战。尤其是中国集成电路制造业,如何摆脱对先进工艺的路径依赖开辟新赛道,促进“再全球化”的实现?成为了整个行业最关注的问题之一。

“大家都关心制造,但在未来短时期之内,我们很难在既有赛道下将工艺突破到7纳米以下。解决方案在哪?就是在特殊工艺和封装上开辟新的赛道。” 在第29届中国集成电路设计业2023年会暨广州集成电路产业创新发展高峰论坛(ICCAD)上,中国半导体行业协会集成电路分会理事长叶甜春说到,这意味着国内大量IC设计公司可以在新路径上开发自己的产品,并实现对本土工艺创新、系统级封装产业的支持。

也正如中国半导体行业协会集成电路设计分会理事长 魏少军教授所说,未来中国集成电路设计业,应该借助成熟工艺把产品的性能通过优化做得更好——依赖先进工艺做好产品不是真的强,有能力用14纳米甚至28纳米,做出7纳米等效性能的产品才叫强。以产品为中心,以行业解决方案为牵引,才能重塑中国半导体行业升级版的发展战略。

在ICCAD 2023上,荣芯半导体、台积电、Tower Semiconductor、摩尔精英等多家半导体制造企业接受了《电子工程专辑》等媒体的采访,就成熟/特色工艺的机遇与挑战、民营重资产如何发展、市场下行期影响等热点话题展开了深度探讨,并从制造商的角度发表了对当下中国芯片产业的看法。

如何用成熟的工艺做出先进的产品?

行业在摩尔定律的速度竞赛中不得不面临该定律的放缓和“失效”,而特色工艺正受到正面影响并焕发出活力。根据集邦咨询预测,到2024年底,中国大陆的目标是建立32座大型晶圆厂,并且都将专注于成熟/特色工艺。随着 28nm 以下成熟工艺产能的扩张,预计到 2027 年成熟工艺产能将占TOP10晶圆代工厂产能的 70%。预计到 2027 年,中国将拥有 33% 的成熟工艺产能,并有可能继续向上调整。

(来源:集咨询)

荣芯半导体成立于2021年4月,总部位于中国浙江省宁波市,是一家立足于成熟节点上的特色工艺集成电路制造企业,主要业务涉及为CIS(CMOS图像传感器)、Driver(驱动芯片)以及电源管理等产品提供诸如BCD(Bipolar-CMOS-DMOS)特色制造工艺平台等服务。

“特色工艺制造专注于小众市场,在先进工艺的发展瓶颈越来越凸出的背景下,特色工艺的重要性在逐步提升。”荣芯半导体CEO 白鹏 分享到,中国成熟节点特色工艺正面临诸多机遇,主要来自垂直市场发展及市场需求增长、创新应用与新兴市场、政策支持和产业生态建设这三个方面。

荣芯半导体CEO 白鹏

具体来说,中国目前终端市场广阔,例如人工智能、5G通信、汽车电子、物联网和工业自动化等领域定制化的芯片解决方案带来巨量需求;其次,在工业自动化、智能制造、医疗设备等领域,特色工艺节点可以提供高性能、低功耗和可靠性的芯片解决方案。

白鹏介绍到,特色工艺(40nm至180nm)的应用范围主要包括CIS、BCD、TDDI/DDIC、MCU和数模混合。在CIS领域,CIS晶圆产能跟不上手机和汽车对CIS需求的长期增长,荣芯通过与国内CIS设计厂商开展战略合作,一同定义差异化产品以快速实现产品力跃迁。在LCD领域,手机与汽车的面板技术普遍在55nm至90nm之间,中国是全球最大的LCD面板生产基地,荣芯通过实现LCD产业链本土化,便可以获得很大的成长空间。

在中国特色工艺(40nm至180nm)及其产品如何对标国际IDM大厂、迭代完成赶超的问题上,白鹏认为,首先要注重模拟器件性能和高压器件,其次要推动设备和材料的国产化,最后是战略客户绑定。“国产特色工艺的成长也将对设备和材料的国产化正产生巨大的利好。”

即便对于台积电这样的巨无霸,成熟工艺也同样重要。资料显示,台积电在中国大陆共有两个晶圆厂,分别位于上海和南京,其中上海8寸厂月均产能14万片的8寸晶圆;南京厂于2017年开始批量生产时主要做12nm工艺,但在两年前开始扩充28nm工艺产能。此时当时一度国内引起一些争论,但从这两年的市场反馈来看,这样的扩张反而带来了不少订单。

关于如何定义成熟工艺和先进工艺,Tower Semiconductor中国去运营副总裁 秦磊 认为,在CMOS的角度,40nm在国内属于成熟工艺,先进工艺更多的是在22nm甚至14nm以下。“但成熟和先进很难单纯用数字节点区分,同样的性能指标在0.18微米和12寸65nm上,甚至可以做到一样,这时候定义成熟和先进的已经不是工艺节点,而是频率或噪声系数,所以很多特殊工艺没无用数字节点衡量。”比如BCD工艺,用0.18微米到55nm来做的都有,但Fab里谈得更多的是电压、驱动电流和隔离度等参数。

在国内,大家已经看到了特殊工艺在模拟方向的机会,例如CIS领域的格科微、豪威、思特威在全球手机、安防市场中的占有率很高。另一方面,AI促进了大数据中心发展,带宽从200G、400G直接来到了800G甚至1.6T,秦磊认为光通讯也会是特色工艺的一大机会。

特色工艺面临的挑战

在迎接机遇的同时,白鹏也指出了中国特色工艺面临着三个挑战:技术创新和研发、市场竞争和定位、人才培养和技术转移。他表示,一方面国内市场正展开激烈竞争,另一方面全球芯片制造业出现了非商业考量和不确定因素;此外,由于中国半导体业扩展迅速,技术专业人才供应跟不上需求,尤其是高端人才,而人才培养需要时间,海外技术转移又尤为困难。

在国产化需求下,要在特色工艺、成熟节点上做出比较有意义的产品,关键在于技术,“只有具备更好的专用技术才能做成这件事。”白鹏表示,这是因为如今整个半导体产业链、供应链都在重组,而荣芯半导体所做的特色工艺受限制程度并不高,有着极大发展潜力。

“当前很多国产化芯片的需求正在增加,因为此前国内很多采用成熟工艺的高端芯片,是放在海外Foundry做的。国内目前的主要问题是这方面的技术能力和国际领先水平还有一定差距。”白鹏举例到,例如CIS和BCD电源管理,如果本土晶圆厂能把技术水平提到最高,那么很多国内芯片设计公司原先交给国外流片的订单都会回来,对本土芯片制造业来说是非常大的需求推动。

白鹏从工艺的角度进行了解释,以BCD为例,在成熟工艺中相对来说是比较难的,但是未来很多应用对器件提出了更高的可靠性要求,例如车规芯片对可靠性的要求比消费类高很多。“这一领域国内工艺的技术和国际最先进的水平有很大的差距,而这也正是荣芯想专注的,如果能做好,对国内所有的特色工艺晶圆厂来说都是利好。”

台积电(中国)总经理 罗镇球 也认为,汽车电子是一个需要花很大努力去经营的行业,对应各个不同的安全层级的芯片,在制造工艺上都有不同的要求。“如今我们看到大陆的芯片设计公司对AEC-Q100都已经有了深刻的理解,并且脚踏实地地去落实,这是很值得欣慰。”

台积电(中国)总经理 罗镇球

从晶圆制造的角度来看,汽车芯片生产的难度在于认证周期至少要十八个月,如果是一家初创企业,在这么长的周期里如果没有营收,甚至很难活下去。所以在汽车行业中的几大Tier 1公司,几乎没有新创企业能够取代,“做汽车芯片的公司也就是那几家几十年的老牌公司,现在新公司要进去确实要有另外的赛道。”罗镇球说到,目前中国芯片设计企业也在积极布局汽车电子,从导航芯片、电源管理芯片一直到自动驾驶应用的AI芯片。

五年前,在没有国产化特别需求的情况下,设计企业选择代工厂更多是看性价比。但是模拟芯片企业大多数会选择去台积电,因为同样的设计在不同的晶圆厂,会用到不同的工艺和EDA软件仿真,直接影响到产品设计中的ADC、DAC性能。

“性能指标提升取决于设计,但工艺、EDA软件能帮助去弥补很多设计上的缺陷,三者必须要结合起来,才能做出一款更高性能的高端产品。”秦磊说到,中国虽然有不少成功的模拟公司,但在面对国际老牌厂商时如果拿不出差异化的东西,只做简单替代,能分到的蛋糕不会多。

“现在国内大家都在说‘内卷’,但如果产品性能提高一个档次,就不需要内卷了。”另外秦磊认为,做到最基本的两点可以实现突破,一是把成本做低,二是产品种类要丰富。这也是中国模拟芯片公司面临的问题,模拟芯片公司应该把产品线堆全,再在设计上优化降本,特殊工艺厂商将在其中发挥极大作用。以模拟芯片龙头德州仪器(TI)为例,不仅产品性能做得好,在其自有工厂的强大工艺支持下,成本也能控制到极致,这是常规设计+晶圆代工模式无法比拟的。“对抗IDM模式的国际模拟巨头们,不是国内几家设计公司能做到的,而是要和Foundry、整机厂全行业联合起来去干的事。”

民营制造企业经营之道

在近两年这一轮半导体创业和投资热潮中,绝大部分初创的企业都集中在EDA、供应链或芯片设计等轻资产领域,即便是国内初创的芯片制造企业中,即使有新开的fab,大都也基于原有代工厂的产线升级为新产线。

官方资料显示,荣芯半导体在江苏淮安和浙江宁波建有12英寸集成电路生产线;在北京、上海等地均设有子公司。曾经有业内高管表示,现如今做12英寸产线,投入都是百亿美元级别的,那么作为一家100%民营的集成电路制造企业,是什么样的使命感激励着荣芯半导体在这样的产业环境中去做重资产创业?

白鹏表示,荣芯半导体作为新兴Foundry,100%民营在整个国内来说是很少见的。“我在一年前加入荣芯半导体,虽然没有参与最早的建厂阶段,但是荣芯半导体的几个大投资人韦尔(韦豪创芯)、君正、美团、元禾璞华、红杉资本等,都有一个初心,就是能够通过民营的方式做一个晶圆厂,为中国半导体行业提供优秀的技术开发能力和12寸晶圆制造产能。”

作为重资产行业,技术密度高,从业人员也要得很多,往下的路要怎么走,是一件值得探讨的事。白鹏表示,因为第一轮的Foundry建设已经使荣芯半导体达到了一定的规模,所以前途是光明的,“当然,我们还需要几轮融资才能真正达到一定的产线规模,去满足这个成长空间很大的市场。”

另外由于荣芯半导体的投资人关系,其技术平台可以和很多大客户实现深度战略性绑定,这对于晶圆厂的成长十分有利。例如在CIS方面与韦尔半导体旗下的豪威(Omnivision)合作,其强大的技术和稳定的出货量,对于荣芯这样的企业来说,既保障了业务,也能带来技术上的共同进步。同时在产能没有满载的时候,也能够承接别的订单,从某种意义上来说,有人把这种模式叫做“虚拟IDM”。

“虽说会与客户产品绑定,但我们的定位仍是一家Foundry(代工厂),而不是(虚拟)IDM,只不过在CIS这样的业务上,会有相似的操作模式。”白鹏说到,Foundry的第一要务是代工,必须面对所有愿意到我们这里流片的客户,但是在产能爬坡阶段,“深度绑定的客户可以与我们在工艺技术、产品端技术等方面实现共享,一起来做事情对我们来说容易很多,这也是荣芯半导体的一个特色。”

至于BCD等其他平台,荣芯目前仍按照Foundry的经营模式来做,白鹏透露,荣芯未来会打造的几大产品平台包括CIS、BCD、模拟和模数混合,“宁波工厂投产后,也会做比较先进的逻辑工艺,比如40nm甚至28nm都有可能。”

同样作为民营企业的摩尔精英,自建近5,000㎡快速封装中心和1.5万㎡SiP先进封测基地,为客户提供快封打样/SiP&FCBGA设计生产/量产管理服务。在谈到公司运营时,摩尔精英董事长兼CEO张竞扬举一个例子,一家客户的车规级产品到了封装阶段,虽然量很小,但却发现其产品有“噩梦级”的设计。这是因为客户在前期芯片设计时没有考虑到后续封装的可操作性,这种案例其实挺多,因为很多芯片设计公司虽然在核心点上有技术优势,但并没有能力对芯片整个设计流程以及后面封测做通盘考虑。”

摩尔精英董事长兼CEO 张竞扬

遇到这样的客户案例,往往需要用整代的产品进行磨合,但在如今整个半导体行业投资遇冷的情况下,这样方式效率是很低的。所以摩尔精英在过去的五年时间里,搭建了一支两百多人,覆盖芯片研发环境、芯片设计服务、流片技术支持到封装测试的完整团队。“在整个过程中,我们也曾踩过的很多坑,这也积累成为我们服务客户的宝贵经验,同时也磨合了非常多优质供应商。与供应商之间频繁的互动合作,也能帮助我们及时了解供应商的产能及技术变化。”

市场下行期何时过去?

从2022年下半年开始,整个半导体行业进入了新一轮的下行期。周所周知,们半导体这一行是有周期性的,时而供不应求,时而供过于求,这次周期的直接形成原因是疫情期间大家对于缺货恐惧导致的盲目备货、囤货,导致现在整个市场都在去库存阶段。

白鹏认为,从这个意义上来说,短期的周期性对于晶圆厂来说有一定影响,但短周期从来不是影响制造业的最重要因素,从业界角度,最看重的还是中长期的需求是否有增长。如今业界大家的共识是本轮周期可能已经触底了,再继续下滑的机会和可能性都很小,现在的问题是什么时候开始上升。

“如果乐观一点预测,明年上半年市场会开始复苏,最迟不会超过下半年。”白鹏预测到,“当然其中还有很多不确定的因素,特别是贸易战、科技战。但总的来说,做半导体这一行的必须保持乐观向上的心态,不然撑不下去。”

罗镇球表示,如今景气复苏的迹象确实在一些手机和消费类芯片上能够看到,另外在物联网设备、智能电视上也有了复苏迹象。“但是绝大部分的客户,以及客户的客户,都被过去一年的库存吓到了,所以现在还没有人愿意做库存,现在看到的订单大部分是急单——很显然,客户的客户手上没货了才会下急单。”

对于短期内市场的展望,罗镇球认为,首先是库存已经在改善,被逐渐消化,但客户(设计公司、终端厂商)对消费者的信心还不够,这也是目前中国乃至全世界碰到的最大问题——消费者信心不足。不过从大环境和大趋势来看,所有产品如今都开始用到半导体,半导体的含量、数量和价格都在不断提升,“我相信整个半导体行业往上走,持续高速发展的势头是毫无疑问的。”

虽然这两年来大环境不景气,但包括Tower在内的各大晶圆厂在扩产上依旧不遗余力,对此秦磊表示,其实行业内也在讨论这两年的扩产对还是不对,但纵观整个行业过去二十年的发展,所有晶圆厂的扩产决定,大都是在行业景气较好的时候做出的,“但是过去全球持续两年的紧缩状态,是整个半导体历史上都没见到过的。对于在两年前上行期做出的扩产决定,往往需要9-18个月的执行时间,就造成了下行期仍在扩产的现象。”

Tower Semiconductor中国运营副总裁 秦磊

与台积电一样,Tower也在第三季度接到了很多“急单”,背后原因是手机市场的突然爆发,存储器、CIS是去库存的主力。“但却很难说手机已经复苏了,因为我和一些手机制造厂商聊过,他们也看不到明年Q1、Q2的需求,只是期望2024年可以比2023年增长5个点。”

以前手机换机的驱动力,是黑白屏到彩屏,到高清摄像头,而如今只剩一个——电池不行了。那么什么产品可以盘活整个市场?秦磊认为一定要看到新的杀手级应用,从非手机行业来看,他认为有几个应用有可能会把明年的景气带起来。首先是AR/VR带来了很多新的芯片需求,例如微显示必须要做在芯片上,这样的概念会对整个行业需求带来一波冲击。他也提到了生成式AI对高速数据中心带来的推动,都是有可能带动2024年行情复苏的关键性因素。

站在制造端,看芯片产业

我们在谈芯片设计、EDA工具时,都会谈到生态,那么制造业有生态吗?白鹏曾在英特尔工作了三十年,深知x86架构对于英特尔生态的形成有多重要,“国内要怎样把一个新的半导体生态打造起来?回顾一下历史就知道,一个新架构能不能做成,取决于有没有一个非常强大的终端应用来驱动。”

历史上x86之所以成为一个非常强大的架构,是因为正好赶上了PC电脑兴起的时代;Arm成为强大的架构,是因为正好赶上了手机等移动终端的兴起;英伟达的CUDA,也正好搭上了AI的浪潮。“RISC-V是时下最被追捧的架构,但只有搭上一个很强大的终端应用,才能把生态和规模做出来。”白鹏说到,就制造业本身来说,没有生态,但Foundry永远服务于这些上游生态,当一个新兴生态被激活,对于制造企业来说也意味着新一轮的技术更替和成长机会。

作为一家晶圆代工厂,罗镇球认为台积电最重要的工作就是提供一个健康且公平的平台,让每一位想要进入市场的芯片供应商实现自由竞争,“这样的分工模式,我们认为是最高效的。从以前是这样,现在也是这样。”如果看一下今年的IC设计公司排名,与十年前、二十年的排名大相径庭,“自由经济、市场经济是这个行业能够持续高速成长最大的先决条件和动力,所以台积电不会倾斜于任何企业,这个平台只为了能让大家自由竞争,一起去发展。”

在张竞扬看来,中国芯片产业已经从过去资本丰盈且便宜的时代,进入一个讲求效率的时代,如今面临的问题是芯片公司过多,但有竞争力的产品较少。究其原因,是很多公司在做产品定义时并不是完全以市场为中心,过去几年,很多公司以融资、上市或满足单一国产化需求为中心定义产品,“这其实跑偏了,会造成很多公司做同类型的产品,这也造成了行业内无论是晶圆厂、IP公司还是封测公司,在筛选客户时遇到困难——不知道哪一家会最终胜出。”

在中国芯片公司爆发式增长之前,可以看到海外的芯片公司不多,但体量较大,所以长期以来广大制造商并没有太多针对小客户的服务模式。如今面对中国三千多家IC设计公司,纵使制造企业希望导入更多客户,让更多产品在其平台上验证,但每家小客户都需要经过跟大客户一样的复杂流程,很多时候晶圆厂没有这么多的资源去支持。张竞扬认为“这正是摩尔精英能够提供价值的地方,同期并行服务多个客户的特殊模式,能更快更好地去响应这些小客户,这也让我们在过去五年里服务了国内800多家芯片公司,做了1000多个Tape-out(流片)。”

秦磊认为,最好的时光和最差的时光,半导体行业人都经历过,明年不会太好,但是也不会像今年下半年这么差,整个市场期待着有新的产品方向带动。车载和工业类已经步入稳定期,不会成为迅速爆发的主角,而2022年下半年的下滑,主要来自于消费类,“预计工业类和汽车类的下滑现在已经开始,但我并不认为是需求端不足导致,而是因为整个供货端因为消费类的下滑已经饱和。2024年所有产品将进入稳定期,大家能做的,就是在稳定期里面尽量做好产品。”

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