晶圓代工廠相繼宣布擴充產(chǎn)能 缺芯只是表面原因

近幾個月，晶圓代工廠相繼宣布擴充產(chǎn)能，華虹半導(dǎo)體宣布建設(shè)一條工藝等級為 90-65/55nm 的生產(chǎn)線，臺積電、聯(lián)華電子及中芯國際也紛紛指向了 28nm 產(chǎn)能擴充。

最早是今年 3 月 18 日，中芯國際發(fā)布公告稱公司與深圳市簽訂合作框架協(xié)議，中芯深圳將重點生產(chǎn) 28nm 及以上的集成電路和提供技術(shù)服務(wù)，最終實現(xiàn)每月約 4 萬片 12 吋晶圓產(chǎn)能，預(yù)計項目投資金額 23.5 億美元(折合 152.75 億元人民幣)。

4 月份，臺積電宣布斥資 28.87 億美元(折合 187.19 億元人民幣)擴充南京臺積電 28nm 產(chǎn)能，預(yù)計達(dá)到每月 4 萬片的生產(chǎn)規(guī)模。緊接著，聯(lián)電也召開線上會議，宣布投資約 135.3 億元人民幣擴充在臺南科學(xué)園區(qū)的 12 吋廠 Fab12 的 28nm 產(chǎn)能。

這幾家宣布擴產(chǎn)的代工廠，都預(yù)計將在 2022 年開始正常生產(chǎn)。十多年前開發(fā)出的 28nm 工藝制程，在 5nm 先進(jìn)制程被廣泛用在智能手機上的今天，依然熱度不減，甚至引發(fā)各個晶圓廠之前新一輪競爭。

值得注意的是，這次 28nm 產(chǎn)能的集體擴充，與當(dāng)下備受關(guān)注的缺芯潮并無太大直接聯(lián)系。

代工巨頭臺積電的“轉(zhuǎn)折點”

依然是在摩爾定律的推動下，芯片工藝制程在 2010 年左右發(fā)展到 28nm，彼時的半導(dǎo)體公司受金融危機影響元氣大傷，很多 IDM 公司或剝離制造業(yè)務(wù)或?qū)⒏嗟馁Y源投資到芯片設(shè)計中，給晶圓代工廠帶來更多發(fā)展空間。

在 78 歲高齡的張忠謀重回歸臺積電后，臺積電在 2011 年成為首個量產(chǎn) 28nm 工藝制程的代工廠。當(dāng)時的報道稱，臺積電推出的第一個版本的是低功耗 28nmLP，采用傳統(tǒng)的 SiON 工藝，引入了多晶硅柵和二氧化硅硝酸鹽，適合低頻環(huán)境。

事實上，工藝制程發(fā)展到 45nm 時，核心面積減少導(dǎo)致單位面積密度增高，漏電問題更加嚴(yán)重，此時傳統(tǒng)的二氧化硅柵極介電質(zhì)工藝遇到瓶頸，也就是臺積電所量產(chǎn)的第一代 28nm 產(chǎn)品，雖然能夠縮小芯片面積但并未解決高功耗的問題，因此業(yè)界普遍轉(zhuǎn)向了能夠降低漏電的 HKMG(high-k 絕緣層 + 金屬柵極)疊層技術(shù)。

而在選擇 HKMG 晶體管結(jié)構(gòu)上，業(yè)界分成兩大陣營，一家是以 IBM 為首的 Gate-First 工藝流派，其支持者還有英飛凌、NEC、GF、三星和意法半導(dǎo)體等芯片制造技術(shù)聯(lián)盟所屬成員。另一家是以 Intel、臺積電為代表的 Gate-Last 工藝流派。這兩種工藝流派各自都有需要攻克的難點，前者的 PMOS 管門限電壓難以控制，后者需要設(shè)計環(huán)節(jié)積極配合修改電路來提升管芯密度。盡管雙方都宣稱自己的工藝更適合 HKMG 晶體管，但未有實際產(chǎn)品出世證明誰更優(yōu)越。

率先在 2012 年攻克了 28nm HKMG 制程的臺積電證明了更少人看好的 Gate-Last 更具潛力與優(yōu)勢，推出適用于高頻的 28nm 而后繼續(xù)向 20nm 前進(jìn)。

臺積電工藝節(jié)點發(fā)展歷程，圖片源自臺積電官網(wǎng)

而這一次在 HKMG 上的選擇讓臺積電大獲全勝，營收與獲利屢創(chuàng)新高，將彼時最大競爭對手三星、GF 遠(yuǎn)遠(yuǎn)甩在身后。在迅速轉(zhuǎn)向 28nm 的 2012 年，臺積電在第四季度財報會上表示：公司在這一年里實現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的營收和利潤，出貨量相比 2011 年增長了 30 倍。

到了 2013 年，三星、GF 以及 UMC 的 28nm HKMG 才剛剛導(dǎo)入量產(chǎn)，而臺積電則利用先發(fā)優(yōu)勢快速搶占客戶資源、占領(lǐng)市場，28nm 出貨量持續(xù)攀升，甚至占據(jù)了超過 80% 的細(xì)分節(jié)點市場份額。

各晶圓廠 28nm 及以下的量產(chǎn)能力，圖片源自 OMDIA

雖然摩爾定律指出，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目大約每經(jīng)過 18 個月便會增加一倍，處理器性能每隔兩年翻一倍，但并不意味著工藝節(jié)點發(fā)展到下一代時，上一代就失去存在的意義，對 28nm 而言更是如此。

效益最高、應(yīng)用廣泛的黃金 28nm

臺積電雖然早在 2011 年就實現(xiàn)了 28nm 的量產(chǎn)且一直在開發(fā)更加先進(jìn)的工藝，但 28nm 卻始終是臺積電的核心業(yè)務(wù)，2016 年營收占比 26%，2017 年和 2018 年占比 23%，直到 2020 年，28nm 的營收也依然占總營收的 12.67%，僅次于 7nm 和 16nm，需要用到 EUV 光刻機才能制造的 5nm 節(jié)點營收也只占全年收入的 7.72%。

28nm 能夠支撐臺積電核心業(yè)務(wù)近十年，主要有兩個重要原因。一方面是先進(jìn)制程中 28nm 成本效益高，往后需要 FinEFT 工藝的 16/14nm 節(jié)點，晶圓制造成本將增加至少 50%，同時使用壽命比不上 28nm 節(jié)點，更先進(jìn)的工藝成本更高，只用擁有最大市場的智能手機才能承受如此昂貴成本。

另一方面，隨著 28nm 工藝的成熟，市場需求呈爆炸性增長，從最開始應(yīng)用在手機處理器和基帶上，到后來在 OOT 盒和智能電視等更加廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。

隨著個人集成電路時代的到來以及物聯(lián)網(wǎng)、5G 等技術(shù)的演進(jìn)，無論是用來改善手機屏幕的 OLED 驅(qū)動器，還是滿足物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的各種連接芯片，還是用在混合計算中心、無線基站以及自動駕駛汽車等專有領(lǐng)域的 FPGA，高性能低功耗的 28nm 工藝都是理想的選擇。

放眼于全球，根據(jù) TrendForce 調(diào)查研究，2020 年 28nm 及以上制程的產(chǎn)品線更加廣泛，包括 CMOS 圖像傳感器、小尺寸面板驅(qū)動 IC、射頻元件、電視系統(tǒng)單芯片、WiFi 及藍(lán)牙芯片等眾多需求增長，28nm 訂單持續(xù)爆滿。

還有一個重要原因是，盡管客戶更愿意使用更加成熟的工藝和更低的成本制造，但 8 吋晶圓廠隨著設(shè)備折舊而數(shù)量大幅下降，即 200mm 晶圓利用率升高且產(chǎn)能增長緩慢，因此原本能夠用更加成熟制程的電子產(chǎn)品也被迫往 28nm 遷移。

擴產(chǎn) 28nm 是共識，缺芯潮只是引爆點

晶圓代工廠們相繼宣布擴產(chǎn) 28nm，表面上看似乎與當(dāng)下的缺芯潮密切相關(guān)，擴產(chǎn)已經(jīng)發(fā)展成熟、效益最高的 28nm 產(chǎn)能，能更好更快地解決缺芯問題。

不過產(chǎn)能擴充往往需要較長的時間周期，這些 28nm 芯片至少明年才能正常生產(chǎn)，短時間內(nèi)依然無法解決產(chǎn)能短缺的問題。實際上業(yè)界和市場早已對 28nm 做出評估，即使沒有這一次缺芯潮，依然會選擇擴產(chǎn) 28nm 工藝。

一位半導(dǎo)體行業(yè)資深人士告訴本網(wǎng)，擴產(chǎn)反應(yīng)了業(yè)界對 28nm 工藝制程的共識，未來半導(dǎo)體行業(yè)的整體用量依然會繼續(xù)增加，包括車用、電源等方面，就整個晶圓廠目前 28nm 的產(chǎn)能，也沒有特別大，中芯國際目前 28nm 月產(chǎn)能大約在 8 萬片。

“產(chǎn)能遲早都要往前走，這次的缺芯潮是一個誘因，讓各個晶圓廠下定決心一起往前走。”

值得注意的是，去年年底我國國務(wù)院也發(fā)布《新時期促進(jìn)集成電路產(chǎn)業(yè)和軟件產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的若干政策》，政策顯示，國家鼓勵的集成電路線寬小于 28 納米 (含)，且經(jīng)營期在 15 年以上的集成電路生產(chǎn)企業(yè)或項目，第一年至第十年免征企業(yè)所得稅。從某種程度上也證明了 28nm 的重要性。

或許 28nm 看上去沒有 5nm、2nm 高端，但適用范圍確實更加廣泛，人人都在關(guān)注更加先進(jìn)的制程支撐智能手機這塊巨大的市場，但最先進(jìn)的不一定適合所有，應(yīng)用范圍最廣泛的不一定最先進(jìn)。

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