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中国半导体产业凭何“弯道超车”?

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中国半导体产业凭何“弯道超车”?

文/孙永杰

提及中国的半导体产业,尽管我们在追赶中取得了不小的成绩,但若将我们的投入与目前在市场中的影响力相比,显然不能算成功,而从当下全球半导体产业的发展趋势看,竞争愈演愈烈,退出、兼并和整合之势越发明显,AMD的陨落;德仪爱立信英伟达在移动芯片市场的无奈退出,预示着未来半导体产业的胜者将更多依赖企业自身庞大的资金实力和持续不断的投入,这种现实之下,中国半导体产业要逆势成长,甚至像业内所言的“弯道超车”谈何容易。那么问题来了,中国半导体产业真的还有机会吗?

日前,赛迪顾问发布的《中国IC 28纳米工艺制程发展》白皮书针对中国半导体企业现状和企业特点,首次提出了联合创新发展模式和将28纳米技术节点作为中国半导体产业“弯道超车”的策略。那么这种策略真的能给中国半导体产业带来“弯道超车”的机会吗?理由何在?

众所周知,作为技术含量颇高的半导体产业,如何切入,或者说切入点和赶超点的选择至关重要。如果过于超前,一来技术水平难度和风险过大,很可能无功而返;其次是从市场需求的角度看,也不足以实现市场化的支撑力,导致有技术无市场或市场相对较小而造成的空白期。相反,如果过于落后,不仅与全球半导体产业水平的差距越来越大,造成资源的无端浪费,同样也背离了市场的主流需求。

在此,我们不得不提或者参照ITRS(International Technology Roadmap for Semiconductors国际半导体技术蓝图)技术节点的概念。该概念定义为“在工艺中实现重大进步”,或者说“每节点实现大约0.7倍的缩小”或“每两个节点实现0.5倍的缩小”。而根据半导体工艺路线图的演进,40纳米的下一代工艺节点应该是32纳米,然后是22纳米。然而,产业界从40纳米向下演进时,中间经过32纳米却很快跳跃到28纳米。因为当工艺演进到32纳米时,使用基本相同的光刻设备便可以延伸缩小至28纳米。在成本几乎相同的情况下,使用28纳米工艺制程可以给产品带来更加良好的性能优势。与40纳米工艺相比,28纳米栅密度更高、晶体管的速度提升了大约50%,而每次开关时的能耗则减小了50%。

另外,推动半导体产业前进的主要动力之一是光刻工艺尺寸的缩小。目前28纳米采用的是193纳米的浸液式方法,当尺寸缩小到22和20纳米时,传统的光刻技术已无能为力,必须采用辅助的两次图形曝光技术(double patterning,简称为DP)。然而这样会增加掩膜工艺次数,从而致使成本增加和工艺循环周期的扩大。这就造成了20和22纳米无论从设计还是生产成本上一直无法实现很好的控制,其成本约为28纳米工艺成本的1.5—2倍左右。因此,综合技术和成本等各方面因素,28纳米都将成为未来很长一段时间内的关键工艺节点。

更为重要的是,从市场需求看,随着28纳米工艺技术的成熟,28纳米工艺产品市场需求量呈现爆发式增长态势,即从2012年的91.3万片到2014年的294.5万片,年复合增长率高达79.6%,并且这种高增长态势将持续到2017年。之后随着14和16纳米工艺技术的逐渐进步,28纳米产品的市场需求量将会出现小幅下滑。此外,28纳米工艺技术因其性价比高、应用领域广泛,预计还将持续4—5年。同样是成本原因,14和16纳米不会迅速成为主流工艺,因此,28纳米工艺将会在未来很长一段时间内作为高端主流的工艺节点。考虑到中国物联网应用领域巨大的市场需求,28纳米工艺技术预计在中国将持续更长时间,为6—7年。

除了技术节点的选择外,每个产业都会因其特点具有自己独特的发展模式,而了解产业的发展模式,做到知己知彼,方能百战不殆。具体到半导体产业,主要有IDM和传统的行业分工模式。

所谓IDM(Integrated Device Manufacturer),是指从设计到制造、封装测试以及投向市场全包的运营方式。其特征是经营范围覆盖IC设计、芯片制造、封装测试,甚至下游终端产品制造,代表企业有三星、英特尔等。该模式具备内部资源整合能力强、利润高以及技术领先等优势,但也存在明显弊端,例如生产运营成本高制约技术创新;技术进步难度大;产能和市场难以匹配。

相比上述一家企业大包大揽近乎于“一条龙”的IDM模式,传统行业分工模式是指在半导体产业中,随着分工的逐渐深入,已经形成专业的IP(知识产权)核、无生产线的IC设计(Fabless)、晶圆代工(Foundry)及封装测试(Assembling & Testing)厂商。该模式的最大优点是灵活性强,但劣势也很明显,例如工艺对接难度加大,延缓产品上市时间;Foundry标准化的工艺研发,不利于满足客户特色需求;各Foundry工艺不统一,增加了Fabless的适配难度。

与上述芯片产业传统发展模式相比,联合创新发展模式的优势明显。首先,代工厂不再仅限于产业链中的制造,还可以参与到专业芯片的前期设计和后期服务。其次,联合创新模式加快Foundry工艺进步速度,有助突破产业发展瓶颈;最后,这种模式可提高Fabless工艺适配能力,提升产品性能优化空间。而从集成电路行业发展来看,新工艺与新材料的引入需要设计企业与制造企业紧密合作,需要半导体设计企业对工艺、器件有深入的理解。让半导体设计企业加入到工艺研发过程中,可以结合工艺进行设计优化,提高Fabless的工艺适配能力,提升产品性能的优化空间,从而确保设计的产品在性能方面获得优势,也能有效降低风险。

俗话说:事实胜于雄辩。在中国半导体产业中,联合创新发展模式已被验证。例如2014年高通与中芯国际宣布将双方的长期合作拓展至28纳米晶圆制造,中芯国际借此成为中国内地第一家在最先进工艺节点上生产高性能、低功耗手机处理器的晶圆代工企业。而仅仅一年多时间,中芯国际28纳米芯片组已经实现商用。作为双方28纳米制程工艺合作的一部分,高通为中芯国际提出实际的产品需求。这对帮助中芯国际利用、改进和完善其生产能力,打造出高良品率、高精确度的世界级商用产品至关重要。同时,双方协同技术创新的模式也有利于中芯国际建立世界级的28纳米工艺设计包(PDK),帮助高通以外的其它设计企业对中芯国际28纳米工艺树立信心。“中高联合创新”正推动中国28纳米走向成熟,也开启了IC产业发展新模式。作为全球领先的无晶圆半导体厂商,高通是少数几家能够以规模化和技术资源支持半导体代工厂开发及成熟化领先制程工艺的厂商。

综上所述,我们认为,当中国半导体产业相关厂商屡屡宣布新的技术突破,但却始终在业内遭受诟病,且迟迟达不到市场化的现实看,我们理应重现审视中国半导体产业创新与市场化的内涵,即不要一味地流于形式上的技术上的追赶,而是根据自身的特点和优势,在发展模式和节点技术上的创新和选择(例如联合创新模式),毕竟目前全球半导体产业的竞争已然白热化,孤注一掷技术上的比拼,非但不能“弯道超车”,还有可能在产业的道路上跑偏。

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