晶圆代工厂将面临多项挑战

2018-01-03 10:06:57 来源: 半导体行业观察

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增长将保持稳定，但迁移到下一个节点将变得越来越困难和昂贵。

预计到2018年，硅片代工业务将稳定增长，但这一增长会面临若干挑战。

在最前沿，GlobalFoundries、英特尔、三星和台积电正从16nm / 14nm向10nm / 7nm节点迁移。据分析人士称，英特尔遭遇了一些困难，因为该芯片巨头最近宣布从2017年下半年到2018年上半年的新10nm工艺的产能增加。时间会见证其他芯片制造商在向10nm / 7nm迁移时会遭遇平滑还是粗糙的过渡。

此外，几家代工厂商正在加紧推出新的22纳米工艺，尽管目前这种技术的需求前景仍不确定。除此之外，代工厂商看到了200mm产能的巨大需求。然而， 2018年全年，如果没有售罄，200mm产能仍将吃紧。

尽管如此，这个行业并不很悲观黯淡。相反，据Semico Research的制造总经理Joanne Itow透露，代工业务预计将迎来一个稳定的年份，2018年将增长8%。这与2017年的增长预测完全一样。（2017年的最终统计数据要到第四季度的数字公布后才能看到。）

Joanne Itow表示：“增长驱动因素包括人工智能、汽车和传感器。虽然智能手机销售的增长速度已经放缓，但智能手机BOM（物料清单）仍然是代工生产的最大部分。包括传感器、处理器、图像传感器、无线和模拟RF。”

代工厂商也希望在高性能计算、电力电子甚至加密货币方面取得增长。但或许最吸引人的地方是中国，许多代工厂商正在中国加紧建设新的晶圆厂。

根据研究公司TrendForce的数据，在整体晶圆代工市场，台积电继续占据主导地位，2017年占有55.9％的份额。GlobalFoundries位居第二，随后是UMC、三星、中芯国际、TowerJazz、Powerchip、Vanguard、华虹和 Dongbu Hitek。

图1：收入排名前十的代工厂商（三星、Powerchip的数字是估计）。来源：TrendForce

更多的数据

显然，这些迹象都是积极的。世界半导体贸易统计公司（WSTS）最近预测，2017年半导体市场将达到4090亿美元，比2016年增长20.6％。收入的增长由DRAM的平均售价的增长所推动。目前对模拟、闪存和逻辑器件的需求非常强劲。

WSTS预测，2018年，IC产业将达到4370亿美元，比2017年增长7％。而VLSI Research预测，2018年IC总体预计增长7.1％，而2017年为12.8％。

然而，IC行业正在发生变化。多年来，这种增长围绕着摩尔定律，这是一个著名的公理，晶体管密度每18个月翻一番。遵循摩尔定律，芯片制造商每18个月就会推出新的工艺，表面上是为了降低每个晶体管的成本。

摩尔定律仍然可行，但它正在进化。在每个节点上，工艺成本和复杂度都在飞速增长，所以现在节点的时间已经从18个月延长到了2.5年甚至更长。另外，只有少数的代工厂客户可以承担迁移到高级节点的费用。Gartner的数据显示，16nm / 14nm芯片的平均IC设计成本约为8000万美元，相比之下，28nm制程芯片的平均设计成本为3000万美元。相比之下，根据Gartner的说法，设计一颗7nm芯片将耗资2.71亿美元。

然而，就像以前一样，手机是芯片最大的市场。IC Insights的数据显示，智能手机的销量预计将在2018年达到973亿美元，较2017年增长8%。IC Insights表示，与PC相关的芯片是IC的第二大市场，预计2018年将增长5%，达到726亿美元。

其他市场增长更快。例如，汽车IC销售预计将在2018年增长16%，达到324亿美元；与此同时，IC Insights，到2018年，与物联网相关的IC销售额将增长16％，达到约168亿美元。

图2：IC增长市场（单位：10亿美元）。来源：IC Insights

UMC美国销售副总裁Walter Ng表示：“越来越多的客户正在重新定义他们的产品组合，以适应物联网和汽车市场。对于汽车行业来说，信息娱乐、数据安全和高级操作功能的进步正在增加对于集成了嵌入式非易失性存储器、RF元件和MEMS传感器的MCU的需求。”

“在物联网领域，我们看到了许多不同类型的器件，但主要关注的焦点似乎是将MCU与多种协议通信集成在一起的IC，包括Wi-Fi、蓝牙甚至Zigbee。我们也看到了家庭自动化的巨大潜力。”

考虑到这些增长驱动因素，代工厂商必须开发更多不同的工艺来满足客户日益增长的需求。GlobalFoundries首席技术官Gary Patton表示：“一个技术平台可以适用于从高端的IBM z系统（大型机）到电池驱动的物联网设备，这一概念是不现实的。”

为了满足这些要求，代工厂必须每年增加资本支出和研发支出。但只有少数代工厂拥有开发多种技术的资源。较小的厂商也可以参与，但他们必须专注于选择较少的市场。

除了研发支出以外，以下是代工厂面临的其他一些挑战：

• 经济和政治问题可能影响电子行业。

• 第一季度需求和库存问题趋于恶化，可能在随后几个季度持续。

• IC业务正在进行一波并购活动。整合使得代工厂商的客户群缩减。

• 硅片的可用性是一个问题。经过了多年的供过于求，硅片供应商看到了新的需求。但是厂商没有投资新厂，而且很多厂商都提高了价格。

• 封装供应链是代工厂的另一个关注点。对芯片的需求不断上升，导致了选择制造能力、各种封装类型，甚至一些设备的短缺。

10nm / 7nm、22nm的迁移

在2018年，英特尔预计将提升10nm产能。此外，GlobalFoundries、三星和台积电也将开始各自推出其各自的finFET流程。三星还宣布了各种半节点产品。

节点名称很混乱。简而言之，英特尔的10nm技术大致相当于代工厂的7nm节点。

无论如何，节点迁移具有挑战性。例如，一些芯片制造商花费比预期更长的时间从平面节点迁移到16nm / 14nm。在16nm / 14nm节点上，许多供应商转向下一代称为finFET的晶体管类型。在finFET中,电流的控制通过在鳍的三个侧面各实现一个栅极来完成。

图3：FinFET与平面。来源：Lam Research

一般来说，finFET解决了短通道效应和其他伸缩性问题，但是该技术制造起来更困难且成本更高。

例如：英特尔本应在2017年下半年提高其10nm的finFET工艺产能，但最近的进度有所推迟。投资银行公司晨星（Morningstar）分析师Abhinav Davuluri在最近的一次采访中表示：“看起来像是被推迟到了18年上半年。这可能是一系列问题。但是，他们在14nm节点花了一段时间才解决的问题在10nm节点基本是成倍增加的。现在你正在做自对准的四重曝光，而不是双重曝光。这意味着更多的步骤和更好的特征尺寸。这两个问题正在相互影响。”

时间将告诉我们，GlobalFoundries、三星和台积电是否也会面临类似的问题。 Gartner分析师Samuel Wang表示：“三家代工厂似乎都取得了良好的进展。”

Wang预计，2018年将会看到7nm产能大幅增长，但短期内与10nm相比则黯然失色。他表示，预计10nm产品在2017年的总产值将达到50亿美元。相比之下，7nm产品的销售额预计将在2018年从25亿美元增长到30亿美元。

那么随着时间的推移，7nm将如何发挥呢？“这将一个更缓慢的增长。”GlobalFoundries的Patton 表示，“有客户正在更积极地迁移到下一个节点。其他人将会稳步迁移。”

根据Patton 的说法，这将是一个长寿命的节点。“FinFET会有很多支架。还有很大的空间来扩展finFET。”他表示。

事实上，台积电表示，该公司的节点可以大到28nm。台积电联合首席执行官兼总裁C. C. Wei在最近一次会议上表示：“N7的最初应用是高端应用处理器和高性能计算。我们预计到2018年底，将会有超过50个设计定案。”

然而，并非所有的代工客户都处于领先地位。许多公司正在开发新的芯片，并正在探索迁移到16nm / 14nm甚至更远的想法。然而，许多公司都停留在28nm以上，因为他们无法承受先进节点的高昂IC设计成本。

为了满足市场的潜在缺口，GlobalFoundries、英特尔、台积电和UMC正在开发新的22nm工艺。22nm工艺的芯片比28nm更快，且开发成本较16nm / 14nm低。

然而，并非所有的22nm技术都是相似的。例如，GlobalFoundries正在准备22纳米FD-SOI技术。台积电和UMC正在开发22纳米大容量CMOS工艺。而英特尔则采用了新的低功耗22nm finFET技术。

此处，代工客户必须权衡各种选择。“这取决于你所处的位置。”GlobalFoundries的Patton 说，“如果你专注于高性能，并且正在尝试制造大型芯片，你就会看到finFET。如果您正在寻求一种更小的芯片，需要平衡成本和功率，那么您就可以沿着FD-SOI路径走下去。”

Bulk CMOS是另一种选择。UMC 正在开发用于RF、mm波和其他应用的22纳米工艺。UMC专业技术部门副总裁Raj Verma表示：“这提供了性能和成本的最佳组合。”

不过，在可预见的未来，许多代工厂客户仍将坚持使用28nm。Gartner公司的Wang表示：“28nm级技术提供了速度、功率和成本的最佳组合。28纳米将继续保持良好的需求，代工厂年收入可达100亿美元。”

那么，22nm能起飞吗?“是的，22nm是28nm的延伸。”王表示，“它提供了更好的性能和密度。”

200mm，专业热潮

与此同时，在过去两年里，由于对某些芯片的需求激增，IC行业经历了200mm晶圆产能的严重短缺。

2018年，200mm的产能将保持紧张，预计300mm将遵循类似的路径。UMC的Ng说：“2018年将是200mm技术供应非常紧张的第三年。随着300mm技术能力开始跟进，我们将看到客户采购战略开始具有更重要的战略意义。”

一个典型的200mm晶圆厂每月产生大约40,000个晶圆。一般来说，一个200mm的晶圆厂生产的芯片工艺从6微米到65纳米不等。Ng表示：“传统MCU、功率分立器件、PMIC、指纹传感器和显示器驱动器仍然会消耗比现有容量更多的晶片。”

总而言之，200mm产能将会持续一段时间，促使芯片制造商寻找新的创造性的方法来应对产能紧缩。例如，芯片制造商已经将一些器件从200mm转移到300mm工厂。300mm晶圆厂已经生产出领先的芯片。

Ng表示：“300mm技术预计将会向更高的利用率迈进。传统的300mm工艺主要由电源管理，指纹传感器和显示驱动器IC等应用驱动，而更主流的300mm需求则由MCU，无线通信和存储应用驱动。”

在成熟节点上，代工厂提供例如模拟、双极CMOS-DMOS（BCD）、MEMS、混合信号、电源管理和RF等特殊工艺。

如今，由于5G和汽车的出现，专业代工业务正在复兴。电力电子和无线网络仍然是增长市场。Ng表示：“受全球绿色电力和能源减少趋势的驱动，UMC在BCD电源管理应用方面正在增长，这需要越来越多的完整、安全和可用的电源管理解决方案。

同时，汽车市场仍然是整体代工业务的一小部分，但该领域正在快速增长。因此，代工厂正争先恐后地加大在这方面的努力。

GlobalFoundries汽车副总裁Mark Granger表示：“过去几年我们开始看到一个真正的拐点。你可以开始看到车辆中的半导体含量开始增长。随着ADAS的加入，在过去的几年确实出现了大幅增长。”

一般来说，汽车行业将汽车分为五大主要领域：车身、连接性、融合/安全、信息娱乐和动力传动。

在所有领域，晶圆厂都看到了芯片的需求。一些领域的增长速度比其他领域快。TowerJazz射频/高性能模拟部门高级副总裁兼总经理Marco Racanelli表示：“在汽车行业，安全系统和动力传动系统的电气化正在推动专用半导体内容的发展。”

代工厂商也在加紧推进先进的驾驶辅助系统（ADAS）和自动驾驶技术。ADAS涉及汽车的各种安全功能，如自动紧急制动和车道检测。

豪华车已经包含了许多ADAS功能。行业的目标是将这些安全功能纳入中级和入门级车型。这将取决于成本，可能会需要一段时间。尽管如此，全自动驾驶的出现还是需要几年甚至几十年时间。

除了汽车，5G是OEM、器件制造商和代工厂的另一个潜在的大市场。5G是当前4G或LTE无线标准的后续产品。它将使数据传输速率超过10Gbps，这是LTE的100倍。

如果5G起飞，这项技术将推动基础设施和手机的新芯片的开发。TowerJazz公司的Racanelli表示：“对更快和更多移动数据的需求，正推动着对超大规模数据中心和云计算中心扩张的迫切需求，并将为手机的5G系统创造未来的机遇。”

Racanelli说：“数据中心需要从电源管理到高速光纤前端的专业半导体芯片。5G系统将推动RF前端更复杂，需要更多的RF-SOI开关，滤波器和放大器。最后，5G包含28GHz频段，我们的客户和合作伙伴已经在先进的SiGe中创建了收发器，演示12Gb / s链路。”

最大的问题是，5G是否会破坏环境，或达不到它的承诺。UMC的Ng表示：“短期内，有关基础设施将如何发展以支持目前定义的Wi-Fi和6GHz以下频段的路由器和智能手机等产品的5G频率尚且存在疑问。长期关注的问题是，5G基础设施部署何时开始，以及需要多长时间才能为普通公众使用。与此相关的是，利用5G技术的产品何时能够获得大众市场的认可。”

中国观察

毋庸讳言，中国是代工厂的一大机遇。中芯国际和其他中国代工厂继续扩张。然后，在跨地区方面，UMC已经在中国建立了一个新的300mm晶圆厂。GlobalFoundries，TowerJazz和台积电正在中国建设新工厂。

晶圆代工不仅会为多国IC制造商生产芯片，而且为越来越多的国内无晶圆厂设计公司制造芯片。据TrendForce称，预计2017年中国的IC设计行业收入将增长22%。根据研究公司的数据，2018年的增长率预计将保持在20%左右。

TrendForce研究总监Jeter Teo表示：“这一增长将归功于物联网市场，其中AI和5G解决方案将推动扩张的势头。如用于指纹和面部识别的生物传感器硬件，双镜头摄像头和AMOLED。”