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国内晶圆代工何时才能崛起?为何这么难突破?

北京半导体行业协会 ·2019-07-10 16:37·与非网
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2019年注定是中美两国科技产业的多事之秋。随着贸易纠纷持久不下,华为事件后,众多国内大型半导体厂商及跨国企业均开始重新评估自身在供应链中的定位。贸易拉锯战也将在某些方面迫使中国企业寻求自主创新,加快国产产品替代过程,缓解未来风险的冲击。

作为半导体产业链上技术壁垒最高的一环,半导体制造除了半导体设备本身极具技术难度之外,各个环节设备之间的工艺配合以及误差控制需要大量的经验积累。一般集成电路制造需经过几十步甚至上千步的工艺,例如在20nm技术节点,集成电路产品的 晶圆 加工工艺步骤约1000步,在7nm时将超过1500步,任何一个步骤的误差放大都会带来最终 芯片 良率的大幅下滑,因此半导体制造行业是一个高度精密的系统工程。


国内晶圆代工“两头在外”,工艺制程差距2~3代

作为技术及资本密集型行业,晶圆代工行业集中度达到了空前的地步。自中芯国际2000年成立开始,中国大陆在半导体制造领域一直追赶,但目前差距仍然十分明显。根据集邦咨询旗下拓墣产业研究院最新报告统计,2019年第二季全球晶圆代工市场市占率排名前三分别为台积电、三星与格芯,台积电更是豪取全球几乎半数市场份额。

目前大陆晶圆代工企业和本土设计公司在产值方面出现严重的不匹配。局限主要体现在两方面:

从产能端来看,“两头在外”现象严重,本土晶圆制造代工厂给国外设计公司做代工,国内设计公司也依靠海外代工厂去制造芯片。

西南证券报告指出,2017年,大陆整个晶圆代工产业规模为440亿元,其中本土晶圆代工规模370亿元,外资在国内设立晶圆代工厂产业规模为70亿元。中国本土IC设计公司占据中国本土晶圆代工营收规模中的190亿元,占比高达51%。2017年中国IC设计公司对晶圆产值需求约671亿元,中国本土晶圆代工厂提供给本土IC设计公司的产能按照产值仅满足28.3%,还存在481亿元的晶圆代工缺口,“两头在外”现象十分显著。

从晶圆代工工艺角度来看,目前国内晶圆代工厂在特色工艺领域(BCD等模拟工艺、射频、e-NVM、功率器件等)同国外晶圆代工厂差别不大,基本能满足国内设计公司要求,同时也承接了大规模海外设计公司的需求。国内晶圆代工厂难以满足国内设计公司对主流工艺(16nm及以下)和高性能模拟工艺的需求。


从制程端来看,与海外巨头有2~3技术代的差距。本土IC设计公司近年来设计工艺逐渐向90nm以内节点发展。2017年,设计公司采用0.13um节点占比53%,2018年90nm及以下节点制程的需求将超过0.13um,至2025年中国设计公司70%会用到90nm以内制程。而大陆目前最先进的工艺制程为28纳米,仅有中芯可提供,第一代FinFET 14纳米技术进入客户验证阶段,而全球最领先的台积电则已向5纳米进军。与英特尔和三星对比,代表大陆最先进水平的中芯在量产14纳米与其有近5年的时间差距。

根据西南证券的分析报告,28纳米是中芯和台积电技术差距的拐点。90纳米中芯落后台积电1年,65纳米落后2年,40纳米落后3年,28纳米整整落后6年,技术差距呈增大趋势。28纳米之后的先进制程,中芯和台积电的差距越来越小,14纳米落后台积电3.5年,比原计划提前了半年,10纳米及以下预计落后3年。

满足于“从0到1”?!工艺越发展越落后为哪般?

自中芯国际起,中国大陆发展晶圆代工事业已近20年,近10年来更是得到政策、资金多方面的支持,为何与业内先进的差距依然明显?

一位在本土晶圆厂任职的管理层A君指出了大陆落后的一个客观原因:在大陆发展代工产业的早期,国际厂商通过瓦森纳条约等禁令对大陆实施半导体设备、材料等先进技术出口限制,导致从芯片设计、生产等多个领域,大陆都不能获取到国外的最新科技。例如就光刻机而言,英特尔、三星、台积电2015年能买到ASML 10纳米的光刻机。而大陆的中芯国际,2015年只能买到ASML 2010年生产的32纳米的光刻机。5年时间对半导体来说,已经足够让市场更新换代3次了。因此,国际上对大陆的限制,一定程度上阻碍了大陆半导体发展的进程。

A君还指出,随着工艺演进,越先进的工艺研发制造复杂性越高,成本也越高昂,单个企业已独力难支,因此一些行业领先者已组成了先进工艺研发联盟,以共同负担研发力量和成本,例如IMEC的协同创新联盟,而这些联盟事实上都不向大陆开放,使大陆更失去了宝贵的学习机会。“就像一群研究生,肯定不会带着你这个小学生玩啊。然而只有和高手一起玩,你才能成为高手。”他比喻说。

此外,深有体会的A君还表示,晶圆代工是一个技术密集、资金密集、研发周期长的行业。每一代工艺节点的挑战、成本都显著上升,而且随着IC设计成本的飙升,能够负担得起先进节点费用的客户越来越少,工艺实现量产的过程也越来越复杂,很难找到影响量产的致命缺陷。国内晶圆厂虽然近几年看起来是获得了大基金等的大量资金投入,但是相比同行研发投入还是不够。

在国内晶圆厂曾工作超过十年的B君告诉集微网记者,国内晶圆代工行业在先进技术方面始终无法追赶的一个原因在于,技术发展对应的窗口期导致在逻辑器件工艺发展的过程,永远都是逻辑最先、1~2年后RF产品、3~4年后MCU产品,最后是power类的产品。所以从这个角度来看,无法实现真正意义上的追赶,因为领先者永远可以拿到最初的红利,跟进者只能在MCU这个窗口期利用成本和服务的配合去实现价值,这部分也足以支撑企业的发展。

“国内晶圆厂这几年是取得了一些成绩,但是严格说起来也只是实现了‘从0到1’的突破,1就够了吗?后面还有99步呢?!现在大陆最先进就做到14纳米,现在还在验证,是否能做出来,做出来又能做到什么水平?”半导体行业专家莫大康对集微网记者表示,“又以28纳米为例来看,台积电当年量产过程用了9个季度左右就实现,并迅速占领了市场。反观国内,中芯国际花了几年,现在HKMG还是不过关,市场占有率也很低。现在厦门联芯都能提供28纳米 HKMG工艺了,华力也快了,国内、境外竞争很激烈,也反应出国内晶圆厂在先进工艺研发上的不扎实、竞争性不强。”

众所周知,在中国IC设计业刚刚起步时,作为还在学习发展阶段中的中国IC设计业来讲,反向设计服务公司曾被很多公司青睐。通过对芯片内部电路的提取与分析、整理,实现对芯片技术原理、设计思路、工艺制造、结构机制等方面的还原,来帮助自己进行芯片设计。“在先进工艺上,我们也会参考一些同行的样本进行分析,但是半导体工艺不可能像IC设计一样做反向,越先进的工艺,涉及的制程步骤越多越复杂,不可能还原的。因此只能自己一步一步摸索。”A君指出。

对此,莫大康表示,工艺know-how怎么来的?是一片一片硅片试出来的,100片不行,那就1000片、10000片……没有捷径可走。

人才匮乏,被嫌弃的代工行业

国内晶圆厂在先进工艺上本就缺失,那研发工作是怎么进行的?他们如何得到先进工艺的知识?这方面,除了下决心长期培养,就是挖掘海外人才。然而在过去一段时间,大陆由于在全球尤其是日韩台湾地区挖掘半导体人才,引发了争议和敌视,这种做法可行性值得商榷。

“技术人才不足、客户产品多元化不够、基础研发历练不深。”曾在国内外资晶圆厂担任高级管理职务的C君对集微网表示。

“人才的培养需要时间,必须从学校开始培养物理、化学、材料、数学的人才。可惜大陆本来就缺乏国际性的师资,招回来的千人计划也是参差不齐。”

他指出,短期内只能靠海外进口人才,例如最近引进的梁孟松、蒋尚义等。但是老师父带着一堆小学生,怎么能做出好东西?小学生需要时间的磨练和经验累积,研发基础不够好,就像练武的人马步扎不稳,耍的功夫都是花枪。“蒋爸(蒋在台湾行业的昵称)有一定的影响力,但是老师父还是需要一帮子的高手徒弟。一个门派的强大不能只是靠掌门人,要大师兄,二师兄,三师兄…都武艺高强。师父传授的武艺,徒弟要有慧根能举一反三,甚至更上一层楼。没有很深的基本教育,加上多年的实战经验,不容易成功。”他强调,“而且从另一个角度看,蒋爸在台湾德高望重,大陆的晚辈是否会认可,从而鼎力支持?各级政府又将如何摆正角色?蒋爸又如何平衡国家利益和企业利益?”

对于引进人才“鱼龙混杂”的情况,A君给出了另一个角度的解释。他认为,不排除确实有部分人员参差不齐的情况,但是有一些引进人才没有发挥出期望的水平,却是因为“水土不服”。他解释,每个晶圆厂的工艺都有自己的独特之处,硬件环境也不同,因此有一些高手换了一个环境后出现了不适应的状况是很正常的,这就需要看公司管理者是否能进行正确引导。

笔者一位曾在比利时IMEC学习工作多年的同学却感慨,张忠谋全世界也就一个啊!国内在先进工艺上完全没经验,有钱可以招人,而且得挖团队,各个环节都要专家,学费肯定是要交的,招到好的人,学费省一些。但是现在多少雇佣兵是真的有干货的,得打问号。

另外他还指出,现在代工行业普遍薪资低,年轻人有得选都不愿意去工厂。“在上海,硕士毕业进fab也只是开个8000元,博士12000元左右,再看看互联网、金融行业又是什么水平?行业被嫌弃,大城市生活成本高,小城市fab没人愿意去,聪明人都不愿意入行,怎么发展?”他戏称,如果当初有得选,也去考财大了。

莫大康直指:每年800万大学毕业生,但是能进入代工行业的少之又少,进来的也没有经验,领军人才更是缺乏。

好在情况有所转变。B君指出,人才的培养,从高校、技术人才培养和整体配套的政策措施,利于产业发展和进步。看美国从高校、科研到企业的连贯性,培养力促成了今天的正向循环,美日做的很好,韩国台湾也有改善,大陆现在开始重视这个问题。

实现突破靠R&D,而不是 RMB

在巨大的市场和国家意志需求下,中国大陆掀起晶圆建厂热潮,根据SEMI截止今年2月份的数据,大陆目前拥有全球最多数量的晶圆厂项目,多达30个新的厂房或产线在建或计划建造。其中,13个瞄准了晶圆代工市场,其余的厂房则面向LED、存储或其他技术。2月份以来,又有多个晶圆厂项目公布,建厂潮仍在持续。

对此,业内人士均是忧心忡忡,认为最终国内晶圆厂洗盘势在必行。

“新建的厂,技术在哪里?订单在哪里?太离谱!”莫大康感叹道,国内研发体系还很薄弱,现在还靠投资拉动,“大基金今年已经第五年,投资拉动的政策是否需要作出改变了?图快不一定有利,效果不一定好还浪费资金。”他指出,“现在这么多项目,最后的结果一定会洗盘,但是在这之前会死掉多少项目?损耗又得有多少?”

C君也表示很悲观:“中央也没有好好管理,放纵每个地方政府,没有制度和管理,更没有惩罚机制,造成今天晶圆厂项目片地开花,最终大部分都会成为废墟。需要资源集中,优先做出一个成功的项目,要有当初‘两弹一星’的精神和制度,才能让国内的代工厂有出头的一天。最重要的还是中央需要控制资源,集中开发,看到成果再给巨大激励,重赏重罚,去除弊端。”他说,急功近利的问题会带来很多困扰,最后换下CEO,一切又要重新开始,悲哀。“华为也是避开了刚才上述的很多问题,资源集中和研发专注,加上一个强势又不断自我改进的领导,才能有今天。”

他说,看台湾的例子,精英都集中在台积电,人才不会像大陆这样分散,联电和其他厂的工艺也相对落后,领先的都在台积电。资源整合和集中,才能开发出先进的产品。

他甚至建议,盖这些fab厂,中央应该学股市IPO的流程,让项目组和地方领导去审议会评估项目的可行性,不合格的就打回去重做,第三次不及格就永久废弃。

“中国赚快钱的文化促成了产业这样发展。”B君指出,从国家投入来看,各地竞争不如协同发展。“从日、韩、台来看均是倾尽国家之力发展半导体,最优秀的人才都在半导体行业,反观大陆,并非如此。大基金两期与全球资本投入比,相差甚远,更何况这些资金并非投入一个领域。互补型发展方式,比竞争更好。从现有形式来看,只是拉长了战略的成效时间。”他强调,要么资源整合集中力量做一件事,要么贯通产业链以提升竞争力,更好地服务客户。

最后的希望

A君表示,好在现在硅材料到了极限,工艺再继续发展就要通过新的路径,这对国内晶圆厂来说算是一个好消息,届时大家都会处在同一起跑线。

B君补充说,工艺到了FinFET会是一个不同的局面,我们并没有落后太多,能够赶上RF这一波的红利,争夺更多市场空间。因为智能手机市场有40%是中低端产品,以每年18亿支出货量的总数来看,足以支撑包含主控芯片、RF产品等。此外还有汽车市场,包含所有的主控芯片、总线、ADAS等配套芯片(汽车的MRAM),AI人工智能、物联网(以台积电的技术路线来看),让中国有机会与最先进企业竞争,加上MCU将迎来更大的市场与空间。同时以16、12和10nm为主的FinFET会与28/40nm一样成为FinFET的成熟工艺,随着成本的降低带来更多应用的切入。

莫大康表示,业内对中美贸易摩擦始终存了侥幸心理,认为中美打不起来,不可能决裂,却没想到特朗普这么狠。“要留好后手,踏踏实实做好研发。各方面的政策也应重新审视,以更好地支持企业的研发工作。”

“半导体市场是一个全球市场,不能关起门来做事。”B君赞同道,“从这个角度来看,贸易战某种程度来说是好事,能促进我们审视自我,补齐短板。”

 

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