台积电南京扩产惹争议:28纳米芯片制造“黄金线”之辩

孙永杰

孙永杰

· 4月29日

日前台积电在南京扩产28nm芯片生产线在业内引起了争议。其中反对方认为,台积电此举会打压中国芯片产业自身的发展;支持方则认为,对方的言论过于无知和危言耸听,台积电的扩产只是为了满足目前全球芯片短缺的市场之举。这里,我们不对双方的观点做评判,只是根据已知的事实,从芯片产业(包括中国)来阐述下我们的理解和观点。

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台积电南京扩产惹争议:28纳米芯片制造“黄金线”之辩

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图片来源@视觉中国

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文 | 孙永杰

主观与客观:28nm缘何成为芯片制程节点的“黄金线?

熟悉产业的知道,在芯片制造中,28nm一直被认为是芯片制造的“黄金线”,并以此来划分成熟制程与先进制程,即28nm(含28nm)以上为成熟制程(例如40nm、55nm等),以下为先进制程(例如16nm、14nm、7nm等)。

所谓知其然,需知所以然。为何28nm会被称为芯片制造的“黄金线”呢?

众所周知,芯片产业的发展一直遵循着摩尔定律,但随着芯片产业的发展,半导体厂商们发现,要维持摩尔定律继续推进的成本变得越来越庞大,制程微缩不再跟随着晶体管单位成本跟着降低的效应,产业界从32/28nm节点迈进22/20nm制程节点时,首度遭遇了成本上升的情况,也就是在28nm制程节点,摩尔定律失效了。

实际上,早在2016年,三星在召开的Semicon West 2016大会简报中就预测到了28纳米将是完全符合摩尔定律(晶体管密度不断增长,成本下降)的最后一个工艺节点,即在28纳米之后,虽然产业能继续把晶体管做得更小、却无法更便宜。

此后,市场研究机构International Business Strategies (IBS)的数据显示,28nm之后芯片的成本迅速上升。28nm工艺的成本为0.629亿美元,到了7nm和5nm,芯片的成本迅速暴增,5nm将增至4.76亿美元。三星称其3nm GAA 的成本可能会超过5亿美元。高昂的研发费用降低了芯片设计厂商向先进技术节点迁移的欲望。而从性能指标看,与 40nm 比较,28nm开关速度提升了约 50%,动态能耗则减小了 50%,静态能耗亦有所降低,性能大为上升,但成本差距较小,因此确立了所谓 28nm “黄金线”优势一说,简而言之,就是28nm是当下芯片制造中最具性价比的工艺节点。

如果说上述是从芯片产业自身主观的角度来看28nm,那么从市场需求客观的角度,28nm又如何呢?

同样是市场研究机构International Business Strategies(IBS)近期发布的相关白皮书数据显示,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%。

另据IC Insights发布的《2020-2024年全球晶圆产能》报告显示,40nm及以上成熟制程的比例近几年并未出现明显变化,且市场规模很可观,表现为40nm以上的成熟制程,无论是180nm以下,还是180nm以上,市占率均相当稳定。

此外,始于去年的全球汽车产业缺芯片,也更多是与28nm及以上制程的芯片短缺密切相关,从而在某种程度上又助推了28nm一把。

28nm竞争激烈,台积电加码客观冲击中国芯片制造不可避免

正是由于28nm及以上成熟制程在技术与成本平衡,以及市场需求的主客观作用下,几乎所有的芯片制造厂商都没有彻底放弃28nm及以上成熟制程的生产(只是所占自家产品线的比例不同而已),包括目前在芯片制造产业已经走在最前列的台积电(目前5nm节点已经量产,并被苹果、高通、华为、三星等用于自己的产品)。而去年突发的全球汽车产业芯片短缺,更是引得厂商纷纷扩产28nm产品线,后续竞争势必异常激烈。

那么问题来了,最近业内争论的台积电在南京建立28nm产线是否会对于中国芯片制造产业会带来冲击吗?

在回答这个问题之前,我们不妨先看看台积电去年的营收构成。据台积电发布的财报显示,去年台积电的营收为1.339万亿新台币(折合474.4亿美元、约为3097.8亿人民币),其中28nm制程占据其营收的12.67%,约合60.11美元和392.5亿人民币。

我们再来看下目前在28nm最为成熟的中国芯片制造厂商中芯国际2020年的营收构成。据中芯国际年报显示,去年中芯国际营收为274.71亿元人民币,其中28nm/14纳米制程合并占营收比例为9.2%,约为25.27亿元。

需要说明的是,由于中芯国际去年第二季度将14nm、28nm合并计算,不确定两个工艺的具体比例,不过不出意外的话,28nm份额应该是最多的。

对比来了,台积电仅28nm制程的营收就超过了中芯国际全部的营收,是其1.43倍。如果换成同是28nm制程的营收比较,台积电是中芯国际的15.53倍,可谓差距巨大。

在营收如此悬殊的现实下,即便对于台积电九牛一毛的年产4万片的28nm产能,一旦释放,放到中芯国际的身上都将是不小的压力。

更为重要的是,去年中芯国际已经先后两次重资投入建设28nm产线,准备在28nm制程发力。这个当下,本不是构成台积电营收主力制程的28nm扩产,对于中芯国际绝对不是利好。原因何在?这之中,双方曾有过一段竞争的渊源。

时间推回到2017年,在中芯国际2017年第四季度电话会议上,其时任CEO赵海军曾表示,竞争对手(意指台积电)的28nm已经是成熟制程,可以凭借折旧周期以及良率优势进行高强度的价格竞争,为此,28nm产品的价格对中芯国际的压力非常大,导致这部分产品的产能爬坡过程给总体毛利率带来很大挑战,公司目前对于 28nm的扩产事宜采取谨慎态度。

时至去年,中芯国际科创板上市之际,其在上市公告书中介绍,由于目前28纳米全球纯晶圆代工厂商的产能布局较多,造成全球28纳米市场产能过剩。公司出于市场经营策略和客户需求考虑,在满足订单需求的前提下,优化产品组合,将部分原用于28纳米制程的通用设备转用于生产盈利较高的其他制程产品。

实际的情况是,由于制程的创新、对良率和产能的优秀控制,台积电可以凭借激进的折旧和领跑优势,用价格战阻击对手。通常情况下,台积电的制程技术是领跑的,即意味着设备折旧率先提完(台积电一般5年),而竞争对手还在计提设备折旧。台积电可以利用成本上的优势遏制对手,抢夺市场份额。

以28nm为例,台积电2011年新入的产能在 2016 年底计提完折旧,2017年开始降价,从而在竞争中,让中芯国际和联电的 28nm 产品盈利性大幅下滑,并导致中芯国际上述自己所言的窘境,直到去年,其28nm产品的毛利率依然为负,而这完全是技术创新和市场自由竞争的结果,未来更是如此。

既然这样,我们在看待台积电南京扩产28nm产线一事上,一定要从正常市场自由竞争的角度承认和正视这种压力,同时不断完善自身产品的竞争力才是正道。

说到28nm的竞争,除了台积电外,像诸如包括台联电、格芯等在内的芯片制造企业,都选择在此节点上完善自己的制造工艺,并且不断在这一节点引入新的升级产品应用。

重资28nm,中国芯片制造切忌剑走偏锋

正是由于28nm在芯片制程中的“黄金线”属性,以及去年的全球芯片短缺,让我们的芯片制造产业看到了机会,所以从去年至今,无论是国家政策层面,还是相关企业都纷纷针对28nm制程释出行动。

去年8月,国务院发布了《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》(下称《政策》)。根据《政策》,国家鼓励的集成电路线宽小于28纳米(含),且经营期在15年以上的集成电路生产企业或项目,第一年至第十年免征企业所得税。

据不完全统计,目前A股至少有20家上市公司宣布相关技术已进入所谓的“28nm”时代。

作为中国芯片制造的代表,中芯国际更是重资28nm。

首先是去年,中芯国际联手国家大基金二期成立合资企业中芯京城,斥资500亿元扩产28nm产线。根据此前公告,500亿元为上述项目首期投资,一期项目计划于2024年完工,建成后将达成每月约10万片12英寸晶圆产能。

今年3月,中芯国际发布公告称,将和深圳政府拟以建议出资的方式,经由中芯国际集成电路制造(深圳)有限公司(下称“中芯深圳”)进行项目发展和营运,重点生产28纳米及以上的集成电路并提供技术服务,旨在实现最终每月约4万片12吋晶圆的产能。预期将于2022年开始生产。

短短12个月之内,协同身后的国家力量,中芯国际在北京、深圳两地,投入百亿美金,两度大幅扩增28nm及以上工艺的12英寸晶圆产能。

对于中芯国际28nm线的扩产,业内专家也纷纷背书。例如中国工程院院士吴汉明在今年3月举办的SEMICON上发言,为28nm扩增产能作注:“按照目前的速度发展,再过几年,中国芯片产能和需求的差距,至少相当于8个中芯国际现在的产能,因此必须加速扩产。”

很好!但我们的担心也由此而来。因为在我们前述的,去年中芯国际在自己的招股书中还称:“由于目前28纳米全球纯晶圆代工厂商的产能布局较多,造成全球28纳米市场产能过剩。公司出于市场经营策略和客户需求考虑,在满足订单需求的前提下,优化产品组合,将部分原用于28纳米制程的通用设备转用于生产盈利较高的其他制程产品。”怎么又重资28nm产品线?也就是说,到底是什么让中芯国际在如此短的时间内做出对于芯片产业完全不同的判断?

是去年突发的汽车芯片短缺导致的整个芯片产业成熟制程产品供不应求的事实?还是各种权威机构对于未来28nm及以上成熟制程芯片市场的看好?抑或是自身28纳米以下(例如14nm及7nm)的遇挫?总之,中芯国际对于28nm的重资总是让我们感到有些剑走偏锋。

首先从源于去年的全球芯片短缺看,业内,包括台积电和英特尔的CEO都预测,这种短缺将会在2023年得到解决。

其次,当我们仔细研读有关权威机构对于28纳米及以上芯片制程产品的预测周期发现,基本是从2020年到2025年,比如我们前述引用的IBS的统计是从2020年到未来的5年为周期;IC Insights发布的《2020-2024年全球晶圆产能》报告周期为4年,而去年年底Omdia  发布的28nm将在未来5年成为半导体应用的长节点制程工艺的相关报告周期也是以5年为周期。那么问题来了,5年之后,28nm及以上成熟制程的芯片产品市场会表现如何?

第三,从现在的5年周期之后,28nm及以下制程的技术会发展到何种程度?从芯片制造老大台积电去年公布的财报看,其28nm以下的先进制程(包括20nm、16nm、10nm、7nm、5nm)的营收已经占据接近60%的份额,尤其是7nm高达33.5%,而众所周知的事实是,台积电的3纳米也计划在2022年量产,照台积电制程节点的创新速度,5年过后,现有的诸如16nm、7nm恐怕早已经过了折旧周期,届时,现在位于先进制程范畴的芯片成本将会大幅下滑,所谓28nm的“黄金线”是否会发生转移?

更为重要的是,与现在成熟制程芯片密切相关的产业(例如汽车)5年后是否会需要更先进制程的芯片来满足自身的(例如真正的L4,甚至是L5级别的自动驾驶)需求?

第四,从中芯国际目前扩产的28nm产线看,最快也预计在明年投产,最慢则要等到2024年,基本上处在产业预计的5年周期的下半段,即便是按照台积电最激进的5年折旧周期(以产品的创新和良率作为保证),中芯国际扩产的28nm线的折旧也要延长到2026,甚至到2030年。在此期间,中芯国际将承受巨大的成本压力,出现产能过剩的机率倍增。

最后,也是最为重要的是,中芯国际从2015年宣布量产28nm至今,已经过去接近6年时间,但其竞争力依然羸弱(其在自家营收占比始终维系在10%左右,或者中低个位数),甚至在去年年底产业普遍缺芯的情况下,竟然出现了28nm线客户转单台积电的现象。

相比之下,台积电2011年最先投入量产28nm制程,仅一年时间,其营收占比从2011年四季度的2%上涨到2012年四季度的22%,5年就已经完成28nm线的折旧,这之中,良率相当关键。由此不能确定的是,到扩产的28nm线正式投产之后,中芯国际的28nm是否真的具备叫板台积电及其他在该节点发力厂商的实力。

中国芯片制造崛起,做芯片产业的“米其林”才是关键

提及良率,自然就和芯片制造密切相关。去年,《日本经济新闻》(简称日经)的一篇文章或许会给我们的芯片制造产业以很好的启发。

该文通过米其林星级餐馆的评级引出了均质制造同一产品的概念,称均质制造同一产品是很无聊的,必须按照规定反复执行琐碎的工序。其实这是制造半导体和发动机必不可少的。半导体和发动机在了解原理和制作工艺后,只要有原材料和制造设备,谁都可以仿造。但是,制造看似简单,却必须重复烦杂到令人恐怖且精密的工作。

具体到芯片制造,中国台湾地区工研院电子与光电系统研究所所长吴志毅曾经在接受相关媒体采访时指出,一个先进制程的步骤至少有1000道程序,要让良率达到一定的水准,并不是每一道都达到99.99%就好,因为这样到最后可能连4成的良率都不到。惟有让让几乎所有步骤的良率达到百分之百的水准,才能有一定程度的良率表现,受客户青睐。

而台积电在分享其7纳米经验时称,其在设备中部署了大量的传感器,确保能够收集到每一个有用的数据,以借助人工智能和大数据改善制程。其实早在2017年,台积电掌门张忠谋就透露,台积电先进制造环境已采用“独特的专家系统,先进算法,类神经网络自我学习的模式”。

在制造管理方面,看似跑得很快的台积电其实有着稳健的风格。比如在导入EUV时,相比在技术不成熟时直接全面采用EUV的三星,台积电则在沿用FinFET,推出7纳米产品的基础上,再推出EUV进阶版,一步一个脚印。

以此衡量,我们相关的芯片产业做得到底如何?

总结:

从2019年的14nm热到去年(延续到今年)的28nm的扩产,再到最近台积电南京扩产28nm产线引出的争议,中国的芯片制造产业总是不缺乏热点。但我们关心的是,在这些热点背后,我们相关的企业及业内是否真正从中找到了振兴中国芯片制造产业的真谛(包括经验和教训)?是否真的从中学到了如何高瞻远瞩地去判断未来芯片制造产业的趋势,并有备无患?是否知道了如何提升自身产品竞争力的方法?

盲目自大并不可取,妄自菲薄更不是我们所需,惟有抱着脚踏实地,积跬步方能之千里的精神和行动,中国芯片制造业才有更强的未来。

本文系作者孙永杰授权钛媒体发表,并经钛媒体编辑,转载请注明出处、作者和本文链接
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    “一个先进制程的步骤至少有1000道程序,要让良率达到一定的水准,并不是每一道都达到99.99%就好,因为这样到最后可能连4成的良率都不到。” 这个数字有问题,99.99% 的 1000 次方 是 90%,99.9% 的 1000 次方是 36.8%,不到四成。

    2021-05-07 14:20 via pc

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