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    全球芯片代工格局:“中國芯”何時才能強勢崛起?

    作者:陳玲麗時間:2020-07-17來源:電子產品世界收藏

    眾所周知,在芯片的整個流程之中,設計、制造、封測是三塊分得較開的業務,絕大部分企業均只從事于其中某一項,很少有企業能夠全程參與。而在這三個環節之中,制造是公認最難的,封測是最容易的,而芯片設計處于中間。所以對于中國大陸來講,芯片制造也是相對較為落后的,相比于國際頂尖水平,落后了大約5年左右。

    本文引用地址:http://www.tphp.com.cn/article/202007/415732.htm

    日前有第三方機構公布了2020年第二季度全球前十大晶圓代工廠營收排名,前十名分別是:、格芯、聯電、、高塔半導體、力積電、世界先進、華虹半導體、東部高科。

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    上市

    作為大陸目前技術實力最強的芯片生產制造商,集成電路制造有限公司(以下簡稱“中芯國際”)在6月19日科創板首發申請順利通過,從受理到過會僅用時19天,創造了目前科創板公司的最快紀錄。

    根據中芯國際7月5日發布的公告,確定發行價格為27.46元/股,也就是說中芯國際此次募資額將達462.98億元,該規模將創造科創板募資最高紀錄,在A股IPO歷史融資額中也可排至第7位,位居工商銀行之后,中國平安之前。

    但就是這樣一家專注于芯片制造的企業,其目前的技術水平也就是量產14nm芯片,與頂尖的芯片制造企業差距甚大。

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    全球主要廠工藝水平

    其實放眼全球,整個芯片制造行業,目前能提供7nm及以下先進制程工藝的企業僅有和英特爾。根據研究數據顯示,2019年先進制程市場份額為52%,和英特爾平分剩下的市場。

    工藝節點意味著什么?

    近一年多來中美貿易戰的爆發,將集成電路制造技術推向了媒體的聚光燈下,鋪天蓋地的報道成為眾所關注的焦點 —— 那么5nm/7nm/10nm/12nm這些工藝技術節點到底意味著什么?這些數字代表著處理器中晶體管的大小(晶體管是CPU和數字電路的構建模塊),當縮小晶體管的尺寸時導致了兩個主要的改進:

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    1. 性能:隨著晶體管尺寸的減小,可以在相同的單位面積內容納更多的晶體管。因此,可以從相同大小的處理器獲得更高的處理能力。

    2. 功率效率(功耗):較小的晶體管需要較少的功率就可以發揮其功能,這就降低了芯片的總功耗。較低的功率還可以產生較少的熱量,從而能夠進一步提高時鐘速度。

    摩爾定律解釋了這一點,該定律表明由于制造技術的進步,集成電路中的晶體管數量(集成度)每兩年翻一番,并伴隨著性能的增長和成本的下降。為了描述這個集成度,就有了工藝“節點”的說法,即工藝節點數值越小,表征芯片的集成度就越高。

    集成度的提高,不僅意味著單個晶體管的尺寸縮小了,同時也意味著采用了更加先進的制造工藝。可以說,集成電路技術的發展過程,就是把晶體管尺寸做得越來越小的過程。因此,集成電路的規模反映了集成電路的先進程度。

    摩爾定律的發展,不僅使得幾十年以來芯片里含有的晶體管數目越來越多,半導體器件的性能不斷提高,而且還減小了器件的尺寸,這就是處理器芯片可以變得越來越小而速度越來越快的原因。由此可見,這個nm數字或制造工藝多么重要。

    但是值得注意的是,這些nm數值實際上并不代表晶體管的尺寸,更確切地說是指用于制造晶體管的制造技術。很久以前,晶體管的柵極長度與制造技術(nm數值)大致相同,但現在情況發生了重大改變,已經不再如此。

    “中國芯”制造難題

    中國在半導體領域起步比較晚,但現在仍然全力追趕,因此出現了像華為海思這樣領先的芯片設計研發廠商,也出現了晶圓體代工領域強大的中芯國際,還有可以生產光刻機的海微電子,但整體而言,中國半導體相比來說還是比較弱的。

    由于中國目前還達不到制造先進芯片的實力,目前中國每年仍需花費超過3000億美元從國外進口芯片,費用比進口石油花費還要多。

    此前美國針對華為升級了限制令,在新的規定之下,使用美國芯片制造設備的外國公司必須先獲得美國許可證,然后才能向華為海思提供某些芯片或服務,這意味著為華為海思的臺積電也將受到限制,因此很多人都將希望寄在了中芯國際身上。中芯國際回歸A股事件,之所以受到資本如此追捧,其實與華為等高科技公司被美國“卡脖子”息息相關。

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    中芯國際是大陸最先進的晶圓體代工廠,不過現階段中芯國際只有14nm工藝的技術,對比臺積電的7nm甚至5nm,差距確實非常明顯,至于為什么有這么大的差距,主要是因為中芯國際無法購買到全球最先進的ASML光刻機。

    總的來說,國內代工最先進的芯片的有實力的廠商確實仍是比較少,因為這是一個長期的資金投入與研制發的過程,想在短時間內打破仍是較難的。最主要是因為過高的門檻,其中最大的門檻是科技水平:

    比如臺積電目前的最新工藝是5nm,據稱蘋果的A14芯片臺積電已經使用5nm的工藝開始量產了;而像其它芯片代工企業,格芯等停留在10nm停滯不前,三星則據稱今年也將進入5nm,但還沒完全確切的消息。

    但事實上,科技門檻之外還有一個資金門檻。尤其是當芯片進入到5nm時代后,想要繼續往下研究發展,那就真的是“機器一響,黃金萬兩”,除了三星、臺積電外,其他企業都很難有這種級別的資金支持。

    按照之前機構預測的數據,3nm芯片的設計費用約達5-15億美元,新建一條3nm產線的成本約為150-200億美元。而按媒體的報道稱,這兩年以來,臺積電為了3nm芯片的研發,至少已經投入了6000億新臺幣(約200億美元),同時,三星這兩年以來預計也投入近200億美元。而3nm預計要到2022年才會量產,剩下的這兩年時間里,像臺積電、三星等肯定還會繼續投資研發。

    所以說,目前芯片制造開始進入燒錢時代,資金限制了一般的芯片代工企業向下一代前進,所以它們的工藝只能停留在目前水平。這也就意味著,當芯片工藝越來越先進之后,市場就會越來越高度集中,強者就越來越強。

    現在,在美國對中國芯片產業重壓的背景下,我國明顯加快了芯片產業鏈的自主化道路,而中芯國際作為中國大陸最大的晶圓代工企業,對于中國半導體產業乃至整個中國的經濟發展,具有重大戰略地位。國家產業基金一期、二期,上海集成電路基金一期、二期,以及國內外眾多投資集團,相繼出重金力挺中芯國際,便可見一斑。

    中芯國際與臺積電的距離

    在晶圓代工行業,大致分為三個梯隊:第一梯隊是由擁有先進制程工藝的臺積電、英特爾、三星組成的超級陣營;第二梯隊包括仍處在摸索自主芯片道路上的中芯國際、格芯、聯電等;而華虹半導體、高塔半導體、力積電等則屬于第三梯隊。

    從梯隊排列來看,中芯國際在自主芯片的道路上摸索前行長達18年,但仍未能進入晶圓代工的超級陣營,而臺積電則屬于行業的領跑者。

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    如今,臺積電受美國制約,緩沖期過后可能無法再為華為代工,這時中芯國際就忽然被推到大眾的眼前。那么,中芯國際與臺積電等全球代工巨頭相比,實力到底是究竟有多大的差距呢?

    · 市值:臺積電與中芯國際都屬于上市公司,最直觀的就是比市值。截止7月6日臺積電的最新市值為3184億美元,是中芯國際的整整7倍。

    · 市場份額:臺積電在7nm和10nm節點的市場占有率為86%,營業收入120億美元,營收貢獻占比36%,在14nm節點市場占有率為83%,營收75億美元,營收貢獻21%,在先進技術節點,臺積電處于行業壟斷地位。

    中芯國際目前尚未突破7nm和10nm技術節點,在14nm節點,營收為0.1億美元,營收貢獻0.3%,市場占有率僅為0.1%,中芯國際營收最大的是90nm及以上工藝,營收為17億美元,營收貢獻51%,市占率為8%。

    · 產能對比:臺積電12英寸、8英寸、6英寸晶圓產能估計分別達74.5萬片/月、56.2萬片/ 月、9.43萬片/月,其中12英寸和8英寸產能均為業界最大,規模效應顯著。

    中芯國際建有3座8寸晶圓廠,4座12寸晶圓廠,8寸產能共計23.3萬片/月,12寸產能10.8萬片/月,總產能47.6萬片/月(折合8寸),其計劃進一步擴充8英寸產能及先進制程產能。相比之下臺積電擁有8寸產能56.2萬片/月,為中芯國際2.4倍,8英寸產能差距不大;12寸產能74.5萬片 /月,為中芯國際7倍。

    · 技術差距:臺積電5nm今年中已進入量產,預計2020年5nm將貢獻臺積電10%的收入,3nm則將在2021年進入風險生產,目標2022年下半年實現批量生產,初期3nm依然采用FinFET工藝, 成熟后在3nm后期或2nm轉向GAA晶體管技術。

    中芯國際14nm去年第三季度量產,標志著FinFET結構的突破,N+1(8nm)進入客戶簽約階段,預計2020年底至2021年初量產,N+2(7nm)正在研發中,已建設起相關研發線。

    · 盈利能力:臺積電利潤遠高于其他競爭對手,2019年實現凈利潤115億美元,凈利率32%,凈資產收益率為21%,毛利率長期維持在47%-50%,經營性凈現金流205億美金,主要原因在于獨享先進工藝節點豐厚利潤,此外,臺積電工藝庫全、配合開發周期短、工藝穩定性相對更高。

    中芯國際2019年中芯國際實現凈利潤2.35億美元,凈利潤率5.1%,凈資產收益率為4.14%,毛利率為7.89%,技術差距決定利潤懸殊,并且中芯在入局先進制程工藝的前期,面臨較大的虧損壓力,這些因素制約了中芯的盈利能力,但是對處于上升期的中芯來說,技術突破遠比盈利更為重要。

    · 主要客戶:臺積電由于先進工藝領先,大客戶不斷延展,頭部核心客戶穩定,蘋果、華為、高通、英偉達、AMD等世界級芯片設計企業都是臺積電的大客戶,核心客戶帶動臺積電最近十年市占率穩步攀升。

    中芯方面,受益于華為的主動轉單成為中芯第一大客戶,高通和博通位列二三名,中芯國際的主要客戶是國內芯片設計企業,比如兆易創新、紫光展銳、中興微電子等等,尚未打入國際高端市場。

    由此夠看出,中芯國際與臺積電之間的差距,一時之間難以跨越。同時,通過今年第一季度全球前十大晶圓代工廠營收排名中,也能夠看出中心國際與其他廠商的差距。

    結語

    臺積電為什么能獲得當下的輝煌成就?關鍵在于確定技術領先優勢,其最先在業界取得成功試生產65nm的集成IC,確立了臺積電在晶圓代工行業的主導地位后,臺積電的發展趨勢便一發一發不可收拾。在別的集成IC代工生產行業龍頭仍在低頭科研開發14nm加工工藝時,臺積電的7nm工藝就已然進到銷售市場。

    先進工藝的掌握,決定著代工廠商訂單量的多少。此前華為海思向中芯國際拋出過訂單,麒麟710F便是由其代工生產,但中芯國際一整年的利潤仍只能夠買一臺EUV光刻機。

    相比之下,2019年臺積電的凈利潤約為826億元人民幣,一年的利潤比華為還要高出約200億元,這是臺積電作為全球第一大晶圓體代工廠的底氣所在,由于掌握著先進的技術和來自供應鏈的支持,所以臺積電能夠穩穩地坐在第一的位置。

    由此可見,中芯國際任重而道遠 —— 中芯國際當前所擁有的光刻機精度不夠,沒有EUV光刻機,中芯國際只得另尋思路,這才有了N+1工藝。如今,中芯國際正在努力實現N+1工藝量產,據悉該工藝與7nm工藝不相上下。若真如此,那么中芯國際所代工的智能手機芯片,應該基本能滿足大眾的需要。

    不過,中芯國際想要再進一步實現5nm工藝,EUV光刻機的作用則至關重要,可以說是不可或缺,如果沒有EUV光刻機中芯國際的前路可能將十分艱辛。

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    另外,中芯國際招股書上提到,“若干自美國進口的半導體設備與技術,在獲得美國商務部行政許可之前,可能無法用于為若干客戶的產品進行生產制造”。有這句話是因為中芯國際使用了很多美國的半導體設備和技術,而美國要求任何使用美國技術和設備的廠商,為華為生產芯片時都需要美國的許可,那么中芯國際自然也包括在內了。那么對于中芯國際而言,怎么解決這個問題?

    那就是不用美國的設備和美國的技術,但從現在的情況來看是非常難的。從半導體設備來看,美國廠商占了全球50%左右的份額,尤其是在沉積、刻蝕、離子注入、CMP、勻膠顯影這些領域,美國的應用材料、泛林處于絕對的優勢地位,無法被取代。而中芯國際也從應用材料、泛林大量采購了設備。而從其它技術來看,中芯國際也大量使用了美國EDA巨頭的產品,而國產EDA也無法替代。

    可見,要想芯片真正的不受控,唯有一個辦法,那就是全面的去美化,從上游到下游,要實現整個產業鏈去美化,雖然這個難度大到無法想象,但被逼之下這條路也不得不走了。

    不管是芯片設計還是芯片制造,都屬于高投入、高產出的技術研發,這種投入可能周期長、見效慢,但是如果不去做就會處于落后狀態,無法第一時間掌握最新的前沿技術,競爭力自然也就無從談起。國內芯片制造難題的解決,需要的不僅僅是資金,更需要的是時間,臺積電數20年的經驗絕非朝夕之間就能夠追平的。

    中芯國際要發展成為世界級晶圓代工廠,后面還有很長很長的路要走,認識客觀差距,不妄自菲薄,繼續堅持走自主+合作研發的道路,5-10年之后,相信會迎來國產晶圓代工追趕并超越國際大廠的一天。



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