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晶圆代工英特尔凶猛来袭,台积电仍有三大优势
发布时间:2015-1-12
由数据显示,目前全球有8 寸晶圆厂的半导体公司约有76家,12寸厂有27家,升级的家数越来越少,会有这样的现象,原因在于资金垫高了产业的进入门槛。
 

  由数据显示,目前全球有8 寸晶圆厂的半导体公司约有76家,12寸厂有27家,升级的家数越来越少,会有这样的现象,原因在于资金垫高了产业的进入门槛。由早期投资一座月产能2 万片的八寸厂需花费8~10 亿美元,到了现在12 寸厂需25~30 亿,而下一代制程的18 寸厂目前初估,至少需投入80~100 亿美元,如此庞大的金额,放眼全球,能拿得出笔金额的半导体公司,只有英特尔、台积电、三星与格罗方德。?#26723;?#25104;本,一直以来是半导体产业能够?#20013;?#25104;长的原因之一,其中的二大关键,一、在于晶圆尺寸的大型化,由8 寸晶圆厂,升级到12寸到新一代的18 寸晶圆厂,透过每升级一次,晶圆的产能就扩增2.25 倍,二,制程技术的微缩化,在每次晶圆寸尺的大型化中,能透过制程微型化,让一样大小的晶圆中,制作出更多的晶体。

 

  三星接获A9 订单 听听就好

  近日由Korea IT Times 的报导指出,三星己和苹果签订?#26174;迹?#23558;为iPhone7 供应采用14 纳米制程的A9 处理器,预计将在2015 年开始生产,消息一出瞬间成为市场焦点。由技术面来看,苹果新一代处理器制程将采用20 纳米以下制程,目前仅台积电、英特尔、格罗方德与三星具有此财力与技术能力。据业界人士指出,台积电拿下苹果20 纳米A8 代工订单几乎已确定,但A9 的代工订单,花落谁家还很难说,苹果选择代工厂商一向需经过一到二年的测试,才会正式采用量产,虽然说以目前的时间点来看,2015 年生产的A9处理器现在与三星签约,算合乎惯例,但考虑到苹果极力去三星化,也确定A8 芯片将交由台积电生产,台积电的技术还领先的情况下,这时再找上三星?#30446;?#33021;?#22278;?#22823;,只要台积电16纳米能提早量产,其实仍有接获订单的机会。

  

  晶圆代工产业环环相扣 接苹果订单

  台积电获利可能不如预期来的大

  目前移动通信芯片的市场是这样的,苹果的芯片A6/A6X 是三星代工,三星?#32422;?#21697;牌用的?#21482;?#22788;理器则多数由高通所代工,而高通的芯片则是由台积电代工生产,形成了环环相扣的局面,随着苹果的去三星化,台积电能否讨到便宜还很难说。因为当台积电拿下苹果每年近亿支?#21482;?#30340;芯片订单后,三星所空出大量的产能,可转由生产?#32422;沂只?#30340;芯片,连带地影响高通在台积电的下单数量,根据外资估计,台积电来自苹果订单的贡献可能不如预期的大,预期今年将不会有任何贡献,明年则在8%。

  台积电最大的劲敌

  英特尔为A9 订单争取添变量

  放眼望去,不论是曾位居老二的台积电与近几年急起直追的三星与格罗方德,台积电眼中真正的对手只有英特尔,据业界表示,虽然这些年台积电在制程与技术上都有很大的跃进,但目前仍与英特尔差?#29616;?#23569;1 到1.5 个世代的技术,以时间来说,约落后1 到2 年的时间,在英特尔积极切入晶圆代工领域,对于台积电的威胁远?#20173;?#21518;追?#31995;?#19977;星,格罗方德大的多。

  面对强大的劲敌英特尔台积电仍存在优势

  近期美林证券就指出,台积电虽然整体技术仍落后于英特尔,但目前仍有三优势存在,其一、台积电于20 纳米制程时的金属导线宽间距(metal pitch) 为65 纳米,而英特尔于22 纳米制程时的金属导线宽间距则为80 纳米,相?#29616;?#19979;台积电更具密度优势。其二、若就功耗而言,ARM 架构的CPU 和英特尔的Atom 处理器相比,仍旧拥有优势。其三、台积的20 纳米制程将于明年初开始量产,并在明年下半年放量,这个时程仍较英特尔快上一季左右。

  

  三星能否成功 除了技术最大的关键取决于客户对三星的信赖度

  三星?#30446;?#25143;,象是昔日生产?#21482;?#30340;诺基亚、面板的Sony 与近期的苹果,除了曾是各产业的龙头,也是三星重要?#30446;?#25143;,但也都曾经吃过三星的大亏,最后的下场大多是让三星由最大供应商,反客为主,成为压在?#32422;和飛系?#31454;争者。据业界分析,多数客户担心技术外流问题,对三星仍保有高度的戒心,?#35789;?#22996;托三星代工,也不会把高阶产品释出给三星,未来三星要在晶圆代工业发展,还有待观察。长线台积电100元以下,我们比较相信是买点,而不是卖点。

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  摩尔定律即将敲响终止的音符,业界对于半导体业的前景也产生了各种看法,其中从大的方面,包括从工艺来看,在14nm之后如何往下走,包括10nm、7nm甚至5nm?#32422;?50mm硅片的进程?#21462;?#26174;然时至今日尚没有非常清楚的路线图,但是硅基半导体之后采用什么材料仍?#26723;?#20154;们期待。

    英特尔:继续执行“Tick-Tock”发展策略

  英特尔预计2014年导入14nm制程量产,2015年导入10nm制程,并?#33529;?#20110;2017年达到7nm。

  据英特尔已经公布的工艺路线图显示,在2013年时将实现14nm,之后能否继续遵循每两年尺寸缩小70%的工?#23637;?#21017;,至少到目前为止业界认为仍是难以确定。至此业界各家仅是表示工艺尺寸有可能缩小至7nm甚至5nm。

  显然英特尔的说法不一样,仍显示出其头号芯片制造商的决心与信心。英特尔副总经理兼元件?#33455;?#22788;长麦克(Mike Mayberry)在刚刚落幕的比利时微电子?#33455;?#26426;构IMEC2013科技论坛演讲中确认,英特尔已确定10nm可于2015年量产。根据它的最新工艺技术路线图,英特尔重申继续执行“Tick-Tock”发展策略,也就是每两年对半导体技术制程进行大规模的升级。英特尔预计2014年导入14nm制程量产,2015年导入10nm制程,并?#33529;?#20110;2017年可达7nm的最先进水平。不过,Mike Mayberry还表示,英特尔也在研发10nm以下时?#21830;?#20195;硅的新型半导体材料,如三五族化合物半导体等,希望能将半导体的性能发挥至极致。

  众所周知,目前英特尔在移动智能终端芯片的软肋在于功耗,它坚持采用复杂的X86架构,基本上是?#26377;?#30005;脑发展的思考模式,仅专注于产品的效能增减来试图?#26723;?#21151;耗,而ARM的思路是采用大小核,根据不同的用途来选择。

  英特尔执行副总裁兼架构事业部总经理浦大卫(DadiPerlmutter)近期在中国台湾举行的Computex贸易展会上接受采访时表示,英特尔与ARM在芯片耗电量和性能方面的竞争将结束,因为英特尔即将推出的基于Silvermont架构的移动芯片,在耗电量和性能方面都超过ARM速度最快的内核Cortex-A15。

  浦大卫表示,Silvermont芯片将通过改进电路和电源管理功能提高每瓦性能,Silvermont芯片将采用22nm工艺制造,采用效率更高的FinFET 3D晶体管结构。

  新一代凌动“Silvermont”采用了全新的制造工艺和设计,提高了性能,?#26723;?#20102;功耗。使用Silvermont微架构的智能?#21482;?#29992;平台的开发代码为“Merrifield”,平板电脑用平台的开发代码为“Bay Trail”。Merrifield将从2014年第一季度开始供货,支持Android操作系?#22330;?#24179;板电脑平台“Bay Trail-T”将于2013年秋?#23601;?#20986;,支持Android和Windows 8操作系?#22330;?#25454;称,Silvermont的图形处理性能提升到原来的3倍,还可以向高?#30452;?#29575;显示器输出影像,而且续航时间更长。Bay Trail除了可应用在平板电脑之外,还可应用在包括低价位二合一终端、?#22987;?#26412;电脑、显示器、一体型个人电脑?#21462;?/p>

  英特尔在2012年的研发费用相比于排名第二的高通多出7倍,它在2013年的投资将超过台积电。英特尔在2013年会将22nm的FinFET工艺生产用于移动设备中的凌动(Atom)芯片,2014年时还将扩展到14nm工艺中去。

  IBM:FD-SOI是22nm强势候选技术

  尽管SOI技术有优势,但继续往14nm及以下节点走时可能会遇到困难。

  IBM公司半导体研发中心的副总裁Gary Patton最近表示FD-SOI是22nm制程节点的强势候选技术。

  目前有很多高性能应用中可能会需要使用FD-SOI技术。SOI是指在IC制造过程中采用硅+绝缘层+硅的硅片,这种结构方式的优势是可?#32422;?#23567;器件的?#32435;?#30005;容,并?#32435;?#22120;件的性能。

  在部分耗尽型SOI结构中,SOI中顶层硅层的厚度为50nm~90nm,因此?#26723;?#19979;方的硅层中仅有部?#30452;?#32791;尽层占据,由此可导致电荷在耗尽层以下的电中性区域中累积,造成所谓的浮体效应。而FD-SOI可将位于顶层的硅层厚度减薄至5nm~20nm,这样器件在工作时栅极下面?#26723;?#20301;置下方的耗尽层便可充满整个硅薄膜层,如此便可消除在PD-SOI(部分耗尽层)中常见的浮体效应。

  尽管SOI技术有优势,可?#32422;?#32493;沿用现有的平面制造工艺,但是由于SOI硅片的成本至少高出10倍左右,再?#30001;现?0nm工艺时顶层硅的厚度已降至6.3nm,厚度精度控制在±0.5nm之间,因此继续往14nm及以下节点走时可能会遇到困难。目前参与SOI俱乐部的制造商有IBM、意法半导体、Soitec、格罗方德,设?#21697;?#21153;公司有上海的芯原及另一家不知名的日本公司等,而真正用于量产的产品仅是意法半导体采用28nm工艺制程的SoC。

  SOI工艺令人头疼的另一个问题是此种技术是否能适?#26174;?#31227;动设备市场中使用,业界对于SOI晶体管的所谓“历史效应”和尺寸可微缩空间保?#21482;?#30097;的态度,因此多年来SOI技术一直只在部分高端台式机处理器和其他高性能应用中才有应用,SOI中热的不良导体BOX层(埋入式氧化物层)导致的散热劣势应该也是其原因之一。

  台积电:2014年推出16nm FinFET工艺

  台积电的着眼点不仅在于工艺制程的缩小,同样也聚焦在CoWoS?#27492;?#35859;3D IC制造上。

  台积电首席技术官兼研发副总裁孙元成在2013年4月已经透露其官方的CMOS工艺路线图,从2013年先进的20nm平面SoC开始,至2014年台积电将采用16nm节点的FinFET工艺制程,使用低供电电压,从0.8V降至 0.6V,从而使超低功耗处理器如ARMv8尽可能?#26723;?#21151;耗至750毫瓦。接下来,台积电?#33529;?#22312;2015年至2016年间,通过直写电子束或者极紫外光、EUV光刻技术将其FinFET的工艺提升至10nm节点,以提高35%的性能。

 

  尽管台积电预计它的16nm FinFET与20nm制程仅差距一个世代,于2015年时推出,而它的10nm制程于2017年导入量产,但是与英特尔不断领先的工艺制程技术相比,可能仍有两年的差距。但是台积电在张忠谋的领导下,它的投资力度很大,而且?#23548;?#33410;节上升,所以台积电的龙头地位恐暂时无人能够撼动。

  显然台积电的着眼点不仅在于工艺制程的缩小,同样也聚焦在CoWoS?#27492;?#35859;3D IC制造上,利用TSV等3D IC技术,将异?#22987;?#26500;的多个芯片封装在一体。

  目前,Xilinx(赛灵思)是台积电公布的第一代3D技术的唯一客户。第一代3D技术也称作2.5 D硅中介(interposer)技术,用于整合多个FPGA和其他芯片。

  三星?#21644;?#25104;14nm FinFET测试芯片流片

  三星的14nm FinFET工艺设计套件已经提供给客户,相关产品设计也可开始提供,但三星并未披露会何时投入量产。

  三星是全球DRAM与NAND闪存都居第一位的存储器制造大厂,实力非凡。近年来由于移动市场的兴起,存储器的需求已不如从前。三星要争先的意识非常强烈,它迅速积极地转型到逻辑工艺,并在美国奥斯汀累计投资达60亿美元兴建12英寸晶圆厂。由于三星电子的产业链很完整,自身生产终端电子产品包括智能?#21482;?#24179;板电脑、电视、冰箱等,所以它的逻辑芯片除了部分自用之外,还可将富裕的产能做代工服务,并首?#26085;?#21462;到苹果的A系列处理器订单。

  2013年第一季?#28909;?#26143;在28nm~32nm制程的12英寸晶圆月产能平均为22.5万片,约占全球代工的50%,远高于台积电的11万片。排名第三的格罗方德为6.5万片。

  在2012全球代工厂商排名中三星以43.3亿美元的?#23548;?#25380;下UMC(联电)成为第三, 相比2011年增长一倍。不仅如此,它与格罗方德的销售额差距仅为两亿美元,所以三星非常有可能在2013年代工排名中成为老二。

  作为14nm FinFET工艺开发的一部分,三星联合ARM、Cadence、Mentor、Synopsys等生态伙伴,已完成了多种测试芯片的流片工作,包括完整的ARM Cortex-A7处理器、可在接近阈?#26723;?#21387;下工作的SRAM芯片、模拟IP阵列?#21462;?/p>

  14nm Cortex-A7处理器的成功流片是三星14nm工艺的最关键性突破,也是Fabless的新希望。Cortex A7、A15是天生一对,在ARM big.LITTLE策略中?#30452;?#36127;责低功耗、高性能,而此番在FinFET工艺上部署成功,也验证了ARM新平台的未来可行性。下一步就应该是尝试流片Cortex-A15了。

  三星表示,对比目前的32nm/28nm HKMG工艺,14nm FinFET工艺会进一步大大?#32435;芐oC芯片的漏电率?#25237;?#24577;功耗。

  三星的14nm FinFET工艺设计套件已经提供给客户,相关产品设计也可开始提供,但三星并未披露会何时投入量产。

  格罗方德:14nm和10nm都将导入FinFET

  格罗方德的10nm与14nm XM都是所谓的混?#29616;?#31243;,10nm就是运用14nm的设备与设计工具,制造线宽约为10nm的芯片。

  格罗方德的目标很高,技术长苏比(SubiKengeri)认为移动装置电子产品内的芯片对于晶圆先进制程的需求将会高?#20173;?#38271;,依2011年到2016年的预测,40nm以下先进制程的晶圆年复合成长率达37%,到2016年时产值在全球晶圆代工的比重将高达60%。

  为了抢攻这一波移动商机,格罗方德在2012年已经开始?#24613;?4nm XM制程,?#33529;?#20110;2014年量产,并宣布它的10nm制程将在2015年量产,两种制程都将导入FinFET的3D工艺。

  格罗方德的10nm与14nm XM都是所谓的混?#29616;?#31243;,例如14nm就是采用20nm的设备与设计工具做出线宽14nm的芯片,10nm就是运用14nm的设备与设计工具,制造线宽约为10nm的芯片。

  相较于台积电暂先不做14nm制程,而是推出16nm FinFET,苏?#28909;?#20026;公司之所以开发14nm制程,是因为英特尔不断进军移动市场,使得台积电公司?#30446;?#25143;感受到巨大的压力。

  格罗方德预计20nm制程在2013年下半年推出,与台积电几乎同步,公司的12英寸厂包括德国德勒?#27807;?#30340;晶圆一厂(Fab1)与纽约八厂(Fab8),各有4万片与6万片的月产能,其中Fab8将导入28nm以下最先进制程。

  格罗方德技术长苏比近期赴中国台湾,宣称两年内将拿下全球晶圆代工技术的龙头地位,继14nmXM制程于2014年量产之后,在2015年将开始10nm制程量产,这样的进度相比台积电可能领先两年,?#24067;?#20046;与英特尔同步。

  联电:14nm FinFET工艺推出时间可能生变

  对于联电来说最大的问题是速度,其14nm FinFET工艺的推出时间可能生变。

  让业界产生惊奇的是,近期联电也宣布与IBM合作,开发14nm甚至10nm工艺制程,反映在代工领域中几乎没有人掉队。它的FinFET工艺的授权同样来自IBM公司,因?#21496;?#20307;做法与格罗方德应该是相?#39057;模?#37117;是在20nm后端工艺上采用14nm的FinFET晶体管结构。唯一让业界生疑的是它的FinFET工艺是采用体硅材料,还是UT SOI片。

  对于联电来说最大的问题是速度,格罗方德将在2014年启用14nm XM工艺(如果不出意外的话),而联电之前曾公布过一个?#33529;?#21363;将在2014年下半年实现14nm的FinFET工艺。但是考虑到联电在2014年时才会?#19979;?8nm HKMG工艺,中间隔了一个20nm工艺,因此它的14nm FinFET工艺的推出时间可能生变。

  14nm工艺是个壁垒,也是一个“坎”,能够跨越的厂商已不会超过10家,其中有技术问题,可能更多的是经济问题。因为14nm工艺研发与制造的费用太大,而市场缺乏足够的需求来填补。但是在半导体业界中,目前各家代工商尽其所能互相争艳,市场竞争最终只剩下胜利者。

  14nm是个“坎”

  尺寸缩小是推动产业进步的“灵舟妙药”,每两年尺寸缩小70%的魔咒至此没有延缓的迹象,2011年是22nm工艺,到2013年工艺应该到14nm。众所周知,尺寸缩小仅是一种手段,如果缺乏尺寸缩小而带来的红利,业界不会盲目跟进。依目前的态势,业界已然有所争议,有人认为由28nm向22nm过渡时成本可能反而上升,这或是产业过渡过程中的正常现象。

  全球半导体业中还能继续跟踪14nm工艺节点者可能尚余不到10家,包括英特尔、三星,台积电、格罗方得、联电、东芝、海力士、美光?#21462;?#26174;然在半导体业中领军尺寸缩小的企业是NAND闪存及CPU制造商及一批FPGA厂商。而如台积电等代工制造商,由于从市场需求出发,通常工艺制程会落后一代。由此也并非表示代工模式一定会落后于IDM,因为市场经济是需要权衡技术能力与成本的。近期也出现如FPGA的Altera跳过台积电而直接寻求与英特尔合作开发14nm FPGA,反映市场的错踪复杂。

  众所周知,尺寸缩小仅是一种手段,如何继续往下走,似乎业界把希望押宝在FinFET 3D工艺与EUV光刻上。从长远来看,集成电路产业的发展总是在性能、成本和功耗三者之间做平衡,由市场做出最后的选择。应在保?#20013;?#33021;的前提下,尽可能地?#26723;?#25104;本,同时在保?#20013;?#33021;与成本的前提下应该尽可能地?#26723;?#21151;耗。

  市场调研机构Gartner的分析师Dean Freeman日前表示,目前半导体业界所面临的情况与上世纪80年代的情形非常相似,当时业界为了摆脱面临的发展瓶?#20445;?#24320;始逐步采用CMOS技术来制造内存和逻辑芯片,从而开创了半导体业界的新纪元。而目前采用FinFET的3D工艺会否产生同样的光环,业界?#26723;?#26399;待。

  14nm纳?#36164;?#20010;壁垒或者“坎”。尽管英特尔至今并没有疑虑,仍坚挺采用193nm浸液?#28966;?#21051;?#30001;?#20004;次图形曝光等辅助技术,将于2013年?#36164;?#20250;推出14nm的测试芯片,并于2014年开始量产。然而在业界似乎已产生?#21046;紓?#22914;台积电从20nm之后的下一个工艺节点设定为16nm。

  对于22nm/16nm级别的工艺制程,业界认为有多种晶体管结构可供选择,包括III-V族?#26723;?#25216;术、体硅技术、FinFET立体晶体管技术、FD-SOI全耗尽型平面晶体管技术?#32422;?#22810;栅立体晶体管技术?#21462;?#20294;是依目前的分析来看,自14nm(包括14nm)之后,采用FinFET 3D结构工艺或将成为主流技术。

  在现阶段尚有两种技术在互相争艳:一种是如英特尔表示会在22nm制程中开始采用FinFET结构的三栅晶体管技术。另一种是如IBM、意法半导体等公司表示考虑在22nm制程节点时采用FD-SOI或者FD-UT SOI全耗尽技术。IBM公司曾经在前两年展示了一?#21482;?#20110;超薄的FD-UT SOI工艺。此种工艺技术的优点是仍然基于传统的平面?#36884;?#20307;管结构,不过这种工艺的SOI的硅层厚?#30830;?#24120;薄,在5nm~6nm之间,这样便于形成全耗尽(FD)结构,能够显著减小短?#26723;?#25928;应(SCE)的影响。

  尽管英特尔与IBM双方采用的工艺技术路线不尽相同,然而市场经济是公平的,双方都会各展所长,根据市场需求做出权衡。



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