28nm工艺在芯片制造领域的地位
成熟工艺芯片有巨大市场，中国大陆芯片代工厂要补的功课不少
文| 陈伊凡 周源
编辑 | 谢丽容
据金融时报报道，华为将在上海建设一家45nm（纳米，纳米级芯片工艺）工艺起步且不使用美国技术的芯片工厂，计划在2021年年底为物联网设备制造28nm芯片，且预计在2022年底之前为5G设备供应20nm芯片。
该报道称，由于华为此前并没有制造芯片的经验，因此该工厂将由上海市政府支持的上海集成电路研发中心有限公司（ICRD）运营。
对此华为未予置评。无论华为是否实质性涉足不使用美国技术的芯片制造领域，中国芯片制造业正加快追赶更高工艺，已是不可逆转的趋势。
也在近期，全球半导体代工巨头台积电（NYSE:TSM）发布了三季度财报，其中有两项数据值得注意：在台积电，28nm及以上成熟工艺芯片代工业务收入占比为38%，折合成营收约为46.13亿美元；此外，智能手机和高性能计算的收入占据台积电总营收的83%，而台积电28nm以下先进工艺占比为62%。这意味着，台积电所代工的智能手机和高性能计算里，使用28nm及以上的成熟工艺占比约为25%。
此时需要说明一下28nm工艺在芯片制造领域的地位。
随着半导体制造技术的进步，芯片越做越小，带来的是芯片集成度与性能不断提升，功耗越来越低，但同时也意味着技术含量和成本越来越高。
3nm明年才有可能面世；5nm和7nm是芯片工艺的高端圈子，通常只有高端手机和一部分高性能计算芯片才会使用；28nm是一条分界线，28nm及以下工艺被称为“先进工艺；28nm以上被称为“成熟工艺”。有时，28nm也被划分到成熟工艺这个阵营。
根据《2019集成电路行业研究报告》，28nm及以下工艺的先进工艺占据了48%的市场份额，而成熟工艺则占据了52%的市场份额。
对于中国大陆芯片制造公司来说，尚无法造出代表目前芯片制造领域最高点的7nm、5nm芯片，但28nm以上成熟工艺领域的芯片制造，则是满满的机会。
中国大陆半导体代工厂中，除了中芯国际（SH:688981）以突破先进工艺为使命，其余半导体代工厂可量产工艺皆在28nm及以上。在需求端，真正用得上14nm及以下这样先进工艺的只有华为海思一家，其余设计企业的需求都集中在成熟工艺上。大陆庞大的终端市场，加上本土化优势，再乘着国产替代的东风，这都给大陆这些代工企业扩大市场份额创造了条件。
不过，《财经》记者采访到的芯片设计行业人士普遍有一个共同看法：即便在28nm以上成熟工艺，中国大陆的芯片代工厂也有不少功课需要补足。一位资深行业人士告诉《财经》记者，此前行业普遍盛行一个风气：大家往往在某个工艺上做到“基本可用”就开始攻克下一个，而不是继续投入研发实力去做到“好用”，且服务意识不强，资料不全、数据不准确，给芯片设计公司带来了各种不愉快的体验。
市场比想象中的大
第三方数据机构IBS近期发布的一份白皮书数据显示，2020年半导体代工市场中，28nm及以上工艺的市场份额能占据大约三分之二，未来五年，先进工艺的市场将不断扩大，但成熟工艺的市场份额仍将不低于50%。
不过，虽然28nm目前是先进工艺和成熟工艺的分界点，但这个分界点并不固定。如果大批代工厂都突破了14nm，那14nm就成为了成熟工艺。
芯片设计公司并非都追着上14nm、7nm工艺。全志智能硬件部总经理李震告诉《财经》记者，选择什么样的工艺最重要的是看芯片用在什么产品上，从而确定芯片功能、性能、功耗三大指标，确定好三大指标后再选择最具性价比的工艺。
先进工艺固然很好，但是成本高昂。美国研究机构CSET做过一个测算，在台积电，采用7nm工艺加工的12寸晶圆价格为9346美元，采用5nm工艺所加工的12寸晶圆价格为16988美元一片，价格提高了将近45%。
选择14nm及以下先进工艺的主要是智能手机。手机追求高性能高集成度低功耗，并且智能手机单价高，也能够担得起几十美金一颗芯片的成本。其他如5G射频芯片、中低端手机、蓝牙芯片、可穿戴设备、指纹芯片等产品对应的芯片工艺都在成熟工艺范畴。
28nm作为介于先进工艺和成熟工艺之间的工艺，对大多数芯片而言都具备较好的性价比。
性能上，28nm较之前的成熟工艺，在功耗、尺寸、散热等指标上更具优势；成本上，它的成本刚刚好。20nm及之后的先进工艺采用FinFET（鳍式场效应晶体管）工艺，复杂度提升带来工艺成本的提高。
台积电是在2011年最先投入量产28nm制程，量产后市场需求巨大，一年时间，营收占比从2011年四季度的2%上涨到2012年四季度的22%。
全球第四大晶圆代工厂，中国台湾的芯片代工公司联电（NYSE:UMC）敏锐捕捉到了这一市场需求。它的策略是，淡化对先进工艺的研发，强化对成熟工艺以及差异化工艺市场的开发。在其最新发布的2020年三季度财报中，成熟工艺给联电创造了自2004年二季度以来的新高，合计448.7亿台币，28nm收入占营收14%，40nm收入占比最高，为23%。
随着物联网和5G商用化的发展，信息产品的强劲势头带动了更多成熟工艺的产能，例如近几年一直产能吃紧的8寸晶圆，其工艺极限最高也只到90nm（晶圆尺寸和芯片工艺并行发展，每一个工艺节点都有对应的晶圆尺寸。8寸晶圆对应的工艺节点为0.5μm到90nm之间）。
无论从哪个方面看，成熟工艺都是一个巨大的市场。
机会多大？
第三方数据公司IC Insights的数据显示，在中国的代工市场中，台积电仍占超过一半的市场份额，是排名第二的中芯国际市场份额的接近4倍左右。目前最高可量产到28nm工艺的华虹集团，2018年、2019年仅占中国市场的8%，且这个份额2020年预计不会发生变化。另外，中芯国际和华虹集团超过一半的销售额都是中国市场贡献的。
可以看出，即使是在成熟工艺，大陆半导体代工厂在中国的市场份额也微乎其微，那未来能否更进一步？
久好电子创始人刘卫东的观点是，如果单纯从市场竞争的角度考虑，大陆代工厂大幅度从台积电手中抢下成熟工艺的订单的可能性不大，就好比做一个CPU去替代英特尔那样，可能性不会太大。久好电子是一家从事物联网传感器芯片及可穿戴物芯片设计公司。
但如果考虑到国产替代、特殊工艺等机会，中国的代工厂还是有不少机会。
自2018年“中兴被制裁事件”之后，石溪资本的投资合伙人高峰发现，一些企业开始将订单转移到大陆，一是出于供应链安全考虑，二是大陆的终端市场巨大。在担任石溪资本的投资合伙人之前，从特许半导体、台积电再到华虹NEC，高峰有20多年从事制造的经历。
一家国内芯片设计上市公司的公关负责人表示，他们的产品主要集中在40nm工艺，平时会在中芯国际和台积电下订单。
除了供应链安全，一些特殊工艺的需要，也是企业们选择大陆代工厂的原因。因为台积电一般不会为了一家公司专门开发特殊工艺。
马青华是上海傲睿科技有限公司的联合创始人。这家公司的产品主要包括工业打印系统、工业级打印头、生物自动3D打印机等，芯片需要代工厂针对他们的产品进行特殊设计。但台积电的做法是开放标准工艺，按照标准工艺进行器件设计。因此，对于他们来说，与一家国内的代工厂合作，共同研发应用于流体打印头的特殊工艺，是更好的选择。
此外，在40nm以上的成熟工艺上，大陆代工厂与台积电的差距正在缩小。一家从事芯片设计企业的高管告诉《财经》记者，他们在大陆代工厂代工的传感器芯片，所需的工艺在180nm-55nm的范围，质量上差别并不大。另外，这个工艺并不是台积电的重点，台积电会把更多资源和精力放在毛利更厚的先进工艺上，这对于大陆代工厂来说是一个好机会。
另一个好的趋势是，越来越多的芯片设计企业在成立之初就选择在大陆的代工厂进行流片，有助于提高大陆半导体代工厂能力和市场份额。
做好成熟工艺的工艺，除了研发投入，很大程度上取决于是否有大客户与代工厂共同成长、迭代产品。毕竟，许多产品设计上的know-how是从设计公司得来，二者相互磨合，积累经验。
2016年起，台积电就成为苹果公司A系列处理器的独家代工厂，除了苹果，还有华为海思、联发科、高通、AMD等这样的大客户选择台积电代工，与台积电一起调试产线、进行试错，提高良率。
正是因为很多设计企业已经在台积电代工了几代产品，台积电才能够不断突破新的工艺节点，提高良率，反过来也提高了台积电承接订单的能力，形成良性循环。
中国大陆的代工厂之所以发展速度不快，其中一个原因就是缺少客户和他们共同走完这个试错和升级流程。
随着物联网的发展，中国大陆成为全球最大的终端市场，需求倒逼行业的发展。根据芯谋研究的预测，2020年底，中国大陆的芯片设计企业将突破3000家，这意味着，这套台积电已经很成熟的良性循环机制，有望会在中国大陆的代工厂中跑起来，有了开端，就有了希望。订单同时意味着更大的现金流，为代工厂进行高端工艺的研发储备了资金。
从“可用”到“好用”
多位行业人士告诉《财经》记者，中国大陆的代工厂在成熟工艺的工艺上已经能够满足大部分设计企业的需要，没有太高的技术壁垒，与台积电仍存在“能用”和“好用”的差距。
上述资深行业人士指出，中国代工厂如果想要变“好用”，最重要的是补充两方面的能力：服务能力与生态能力。
服务能力很简单，例如到餐馆吃饭，两家餐馆都能解决吃饱的问题，但一家餐馆服务员的服务没那么好。又比如同样打印4号字，你能打印黑白，别人可以打印彩色。
生态能力指的是代工厂积累的供货渠道、合作伙伴、客户之间的关系。IP授权厂商、EDA厂商会将自己的主流核心架构通过合作的方式提供给晶圆代工厂，和代工厂的制程做匹配。例如Synopsys就与台积电合作采用台积电5nm的制程开发新产品。
另外，如果在原材料缺货时，与生态伙伴长期积累的关系能够给代工厂提供优先货源。再比如，台积电创办者张忠谋于1994年创办世界先进半导体，承担台积电之外的特殊集成电路制造，补充台积电的代工生态。
其实设计企业和代工厂的合作很像一起炒一盘红烧肉。设计企业主要负责肉如何选型、切成什么形状、和豆腐一起炒还是和粉条一起炖。至于做到几分熟，用什么温度炒，放多少盐、多少糖，这是代工厂做的事。所以，尽管切块、选型都差不多，但调料不一样，炒的温度不一样，做出来的肉也各式各样，这就是代工厂的工艺。
做出来的肉好吃与否，影响了代工厂承接订单的能力。一位中国大陆代工厂研发负责人告诉《财经》记者，台积电有完善的服务和生态，不同工艺只是一个平台下的不同产品，能力大的代工厂可以根据需要修改产品的设计，也能够帮助代工厂进行调试。通俗地说，就是工艺能力强的设计企业可以自己提出菜品的配方选择，告诉代工厂放多少糖，放多少盐，能够更优化口感。
高通、华为等大型芯片设计企业喜欢台积电。原因很简单，他们已经在台积电迭代了几代产品，IP厂商们的架构、标准等都已经得到了验证，加上有大型IP厂商的支持，台积电在先进节点上的IP比较完备，为设计企业们省去很多时间和精力。
对于一些设计能力不强的企业来说，寻找台积电代工更加省时省力，毕竟它能够提供一整套标准工艺支持，保证按时交付。
另产能的大小也是企业们考虑的一点。目前在28nm工艺上，中芯国际目前的良率和台积电相差不太多，但产能却相差3倍-4倍，如果企业需要临时加单，需要找一个能够满足扩产需求的代工厂。
迁移的成本也是企业们考虑的因素。由于代工厂和设计企业深度绑定的合作伙伴关系，如果更换代工厂，需要针对不同代工厂的工艺和特点进行修正。这种修正带来的是高额迁移成本，对于设计公司本身来说也是一次考验。另外，要和新代工厂重新磨合，也需要一定的时间。设计企业需要一个足够的理由，说服他们去支付这部分迁移成本。
责任编辑：haq
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