2018 FOUNDRY的挑战 | 智慧产品圈

原创 韩继国 2018-01-11
标签 半导体 IC

  2018代工厂的增长将保持稳定,但移动到下一个节点将变得越来越困难和昂贵。硅代工业务有望看到2018的稳定增长,但随之而来的一些挑战也将增长。

  占领新优势的第一梯队,格罗方德、英特尔、三星和台积电将从16nm / 14nm迁移到10nm / 7nm逻辑节点。英特尔已经遇到了一些困难,其他芯片巨头从2017下半年到2018年第一期已经陆续开始10nm工艺的量产。时间会告诉我们,其他芯片制造商往10 / 7nm节点的过渡到底是顺利还是曲折。

  此外,一些代工厂都增加了一个新的22nm制程,虽然至今需求形势仍不明朗。最重要的是,代工厂看到200mm产能的巨大需求。然而,200mm的产能仍然会很紧张,即使不脱销的话,这个紧张也会贯穿整个2018。

  不过,这个行业似乎没有厄运。相反,代工业务有望看到一个坚实的年份,2018将比2017年有8%的增长,根据Semico Research制造总经理Joanne Itow的说法。这与2017的增长预测完全相同(2017最后的数据要在第4季度的数据确定后才能出来)。

  “增长的驱动因素包括人工智能,汽车传感器,”她说。“虽然智能手机销量增长放缓,但智能手机材料清单(BOM)仍占代工活动的最大部分。包括传感器、处理器、图像传感器、无线射频和模拟电路。“代工厂商也寄希望于高性能计算、功率电子和加密电子货币(cryptocurrency)相关领域的增长。但也许最有趣的看点在中国,那里有许多新的代工厂正在紧锣密鼓地建设。

  根据TrendForce研究公司的预测,在整体代工市场,台积电将以2017年的55.9%市场份额继续引领市场。格罗方德排在第二位,其次为联华电子、三星、中芯国际、TowerJazz,力晶、台湾世界先进、上海华虹和东部高科。


图1:10大代工厂收入(三星,力晶数据为估计)Source: TrendForce

      更多的数据


  显然,迹象是积极的。世界半导体贸易统计(WSTS)集团最新预测,半导体市场2017年将达到4090亿美元,比2016年增长20.6%。整个收入的增长部分是由DRAM平均销售价格(ASP)的增长,和需求强劲的模拟、Flash存储器以及逻辑电路所带动。

  2018年,WSTS预测集成电路产业将达到4370亿美元,比2017年增长7%。根据VLSI Research,2018年IC的单位增长将达7.1%,而2017的增长为12.8%。

  然而,集成电路产业是不断变化的。多年来,增长引擎一直围绕着摩尔定律,这是一个著名的定律,它指出晶体管密度每18个月增加一倍。遵循摩尔定律,每18个月芯片制造商引进一个新工艺,表面上看是为了降低每个晶体管的成本。

  现在摩尔定律仍然是可行的,但它正在演变。随着节点的上行,工艺的复杂性和成本飞涨,所以现在一个完全缩放节点的节奏已经从18个月延长至2.5年或更长的时间。此外,有能力移动到先进节点的代工客户越来越少。总的来说,平均IC设计成本16 / 14nm芯片大约是8000万美元, 而28nm平面器件大约是3000万美元(Gartner的数据)。相比之下,如果设计一个7nm芯片将花费2亿7100万美元。

  不过,与以往一样,手机仍是芯片市场的最大市场。据IC Insights,手机IC销售额约占IC市场总收入的25%,预计将在2018达到973亿美元,比2017增长8%。PC相关芯片是集成电路的第二大市场,预计2018将增长5%至726亿美元。

  还有一些增长更快的市场。例如,汽车IC销售额预计2018年将增加16%至324亿美元;同时,物联网相关IC的销售将增长16%至约168亿美元(IC Insights)。


图2:IC市场增长(单位10亿美元) 来源:IC Insights

      “越来越多客户正在重新定义他们的产品组合,以适应物联网和/或汽车市场,“美国的联电销售副总裁Walter Ng说。“汽车,信息娱乐的发展,数据安全和高性能操作等市场的特征,大大增加了对嵌入式非易失性存储器MCU、射频器件和MEMS传感器的需求。”


  “在物联网领域,我们看到许多不同类型的设备,但主要的重点似乎是那些集成了MCU与多协议通信-包括Wi-Fi,蓝牙,有时甚至是ZigBee通讯的IC。我们也看到对家庭自动化的显著兴趣,”Ng说。

  考虑到这些增长驱动因素,代工厂必须开发更多不同的流程以满足客户不断增长的需求。“那种只用一个技术平台就可以做到优化服务一切-例如从高端IBMz系统(主机)一直到电池供电的物联网设备的概念是不现实的,”格罗方德的首席技术馆Gary Patton说。

  为了满足这些需求,代工企业必须每年增加他们的资本支出和研发支出。但只有少数晶圆厂拥有开发多种技术的资源。小的玩家也是可行的,但他们必须专注于几个精选市场。

  除了研发经费的挑战,代工厂还面临一些其他的挑战:

  ★经济和政治问题会影响电子行业。

  第一个季度的需求和库存问题往往会出现,这可能会在接下来的季度里继续存在。

  目前,集成电路业务有大量的并购活动。这种整合转化为代工厂的客户群日益减少。

  有没有足够的硅片供代工厂生产是值得关注的问题。经过多年的供大于求后,硅片厂商看到了新的需求。但硅片供应商并没有投资新工厂,许多公司采取了提价策略。

  封装供应链是代工厂关注的另一个大问题。对芯片的需求不断上升,造成了可选择的制造能力、各种封装类型甚至某些设备的短缺。

  10nm/ 7nm,22nm迁移

  2018,英特尔预计将增加10nm工艺。此外,格罗方德、三星和台积电将发布各自的7nm FinFET工艺,三星还宣布了各种半节点产品。

  节点名称正在变得混淆不清。简单来说,虽然英特尔是10nm工艺,但技术大致相当于其他代工厂的7nm节点。

  不管怎样,代工厂将面临节点迁移的挑战。例如,一些芯片制造商花了比预期更长的时间从平面节点向16nm/14nm迁移。在16nm、14nm,许多供应商转移到下一代被称为FinFET的晶体管。在FinFET结构中,电流的控制是通过在鳍的三个侧面上的每一侧都有一个栅门控制来实现的。


图3:FinFET与平面结构比较。来源:Lam Research

      一般来说,FinFET解决了短沟道效应和其他微缩问题,但技术更加困难,制作也十分昂贵。


  案例:英特尔原计划在2017年下半年推广10nm FinFET工艺,但时间已经被延迟了。“它看起来好像被推到了2018年上半年,” 一家叫Morningstar的投资银行公司分析师Abhinav Davuluri在最近的一次采访中说。“这可能是一个系列问题的主角。这很可能使他们在14nm上花时间解决的问题翻倍了(10nm)。他们正在用自对准四图形模式代替双图形模式,这只是更多的步骤以及精细的特征尺寸问题,这两个问题互相交织。”

  时间会告诉我们,是否格罗方德、三星和台积电将在7nm面临相似的问题。“看似这三家代工厂都取得了不错的进展,” Gartner分析师Samuel Wang说。

  Wang希望看到在2018年7nm工艺能有一个更大的进展,但它与近期的10nm节点相比会黯然失色。10nm预计在2017年将产生50亿美元的商业价值。相比之下,7nm预计在2018年只产生25亿美元到30亿美元销售。

  所以如何将7nm尽快玩出来呢?“这是一个比较平缓的坡道,”格罗方德的Patton说。“有些客户转移到下一个节点行动较激进,另一些人则会选择逐渐转移的策略。”

  根据Patton的看法,7nm将会是一个长期的节点。他说,“FinFET会有很多的管腿。还有很多的空间去拓展FinFET。”

  事实上,台积电说7nm节点(的市场)可以和28nm一样大。台积电公司的共同CEO兼总裁C. C. Wei在最近的一次电话会议上说,“N7的初始应用是高端应用处理器和高性能计算。我们预计到2018年底将会超过50个tape-out(产品下线)。”

  然而,并非所有代工厂的客户都处于领先地位。许多客户正在开发新的芯片,探索向16nm、14nm迁移的路径。然而,许多公司还停留在28nm以上,因为他们负担不起更高节点高昂的IC设计成本。

  为了寻求满足市场上的潜在缺口,格罗方德、英特尔、台积电和联电正在开发一种新的22nm制程。22nm使芯片比28nm更快,但开发成本比16nm / 14nm低。

  但是不是所有的22nm技术方案都相同。例如,格罗方德的22nm工艺是FD-SOI技术,台积电和联电正在开发的22nm是CMOS工艺,英特尔有一个新的低功耗22nm FinFET器件技术。

  在那里,代工客户必须权衡各种选择。“这取决于你在什么样的空间,”格罗方德的Patton表示。“如果你是专注于高性能想做一个超大芯片,你选择FinFET。如果你正在寻找的是一个更小的芯片,想得到成本和功耗的平衡,你可以选择FD-SOI的路径。”

  批量CMOS是另一种选择。联华电子正在开发一种在RF、毫米波和其他应用领域使用的22nm制程。“(这是)性能和成本的最佳组合,”联华电子专业技术部助理副总裁Raj Verma说。

  然而,许多代工客户将继续在可预见的未来使用28nm。“28nm级技术可提供速度、功耗和成本的最佳组合,” Gartner的 Wang说。“由于持续良好的28nm需求,会产生100亿美元年收入的代工厂。”

  因此,22nm将启动?“是的,22nm是28nm的延伸,”Wang说。“它可提供更好的性能和密度。”

  200mm,特色的繁荣

  在过去的两年里,在某些芯片需求激增的情况下,集成电路产业已经经历了一个200mm晶圆厂产能严重不足的状况。

  2018,200mm产能仍然偏紧,预计300mm也将遵循类似的路径。“2018将是200mm技术供应十分紧张的第三个年头,”联华电子的Ng说。“用300mm技术产能如法炮制,我们看到的客户采购策略才开始具有更大的战略意义。”

  一个典型的200mm 代工厂每月生产约40000片晶圆。一般来说,200mm晶圆厂的量产工艺范围从6微米到65nm。“传统的MCU、功率分立器件、PMIC、指纹传感器和显示驱动仍然消耗着现有产能可以满足的大部分产能,”Ng说。

  总之,200mm产能将继续保持一段时间的紧张,促使芯片制造商寻找新的和创造性的方式来处理产能危机。例如,芯片制造商将部分设备从200mm转移到300mm晶圆厂,300mm晶圆厂已经生产出技术领先的芯片。

  “还有,300mm技术将朝着更高的利用率,”Ng说。“300mm的流程主要是由应用驱动的,如电源管理、指纹传感器和显示驱动芯片,而更多的主流300mm需求是由MCU、无线通信和存储应用引发的。”

  在成熟的节点上,代工厂将提供专业的工艺,如模拟、双极CMOS、DMOS(BCD)、MEMS、混合信号、电源管理、射频等。

  今天,特种工艺代工厂业正经历着一场复兴,这得益于5G和汽车电子的出现,电力电子和无线也是增长的市场。“联华经历了BCD电源管理应用的增长,在绿色能源和节能减排的全球趋势推动下,需要越来越多的完整、安全和有效的电源管理解决方案,”Ng说。

  同时,汽车市场仍然是整体代工业务的一小部分,但该行业快速增长。因此,工厂正在争先恐后地扩大他们在竞技场上的努力。

  “我们已经看到在过去几年中一个真正的转折点,” 格罗方德汽车事业部副总裁Mark Granger说。“你开始在车辆中看到半导体的成份,随着ADAS的加入,在过去的几年里一直在激增。”

  一般来说,该行业将汽车分成五个主要领域:车身、连接、融合/安全、信息娱乐和动力传动。

  代工厂在这些领域都看到了芯片的需求。一些领域的增长速度可能快于其他领域。“在汽车行业,安全系统和电力电子带动了专业半导体器件的成长,” TowerJazz的射频/高性能模拟事业部高级副总裁兼总经理Marco Racanelli说。

  代工厂商也准备向先进驾驶辅助系统(ADAS)和推动自主驾驶技术努力。ADAS涉及多种安全功能在汽车里,如自动急救制动、车道检测等。

  豪华车已经将许多ADAS功能作为标配,下一目标是将这些安全功能配到中级和入门级车型。这取决于成本,可能需要一些时间,因为完全自主驾驶是最近几年、而不是数十年就有的事情。

  除了汽车,5G是OEM厂商、设备制造商和代工厂商的另一个潜在的大市场。5G是当前的无线标准,是4G的或LTE的后续标准。它将达到超过10Gbps的数据传输速率,吞吐量是LTE的100倍。

  如果5g起动,这项技术将推动新的芯片在基础设施和手机上的应用。“更快和更多的移动数据驱动的直接需求是超大规模数据中心和云计算中心的扩张,将在5G系统中为手机创造未来的机会,“TowerJazz的Racanelli说。

  “数据中心需要专业半导体电源管理高速光纤的前端,”Racanelli说。“5G系统将推动射频前端更复杂,需要更多的rf-soi开关、滤波器和放大器。最后,5g包括为我们的客户和合作伙伴已经创造了收发演示12GB/s链接在内的先进的SiGe 28ghz乐队”。

  最大的问题是,5G是否会破坏地貌或达不到其承诺。“短期的问题是,基础设施如何发展以支持当前定义的5g无线频率在Wi-Fi和sub-6ghz的带宽范围内,例如路由器和智能手机产品,“联华电子的Ng说。“长期的问题涉及5G基础设施部署何时开始,以及需要多长时间才能成为公众使用的基础设施。与此相关的产品何时可以利用5G的好处获得市场的最终认可。”

  中国时速

  不用说,对代工厂来说中国是一个巨大的机会。中芯国际和其他中国的代工厂还在继续扩大。在跨国企业一面,联电已经在中国大陆增加了一个新的300mm晶圆厂。格罗方德,TowerJazz和台积电也在中国积极建设新的代工厂。

  代工厂不仅为跨国芯片商制造芯片,也为日益增多的国内IC设计公司服务。总体上看,中国的IC设计业收入预计2017年将增长22%(TrendForce)。2018年,增长率有望保持在20%左右,根据一些研究公司的数据。

  “这种增长要归功于物联网市场,以及AI和5G解决方案推动扩张的势头,” TrendForce.研究部主任Jeter Teo说。“其他收入机会将来自新兴应用,如指纹和面部识别的生物识别传感器硬件,双镜头相机的AMOLED。”


图4:中国IC设计产业成长 Source:TrendForce


图5:中国的fab设计公司按销售排名 Source:TrendForce

      在行业密切关注中国的半导体产业的同时,还应注意在应用领域国家意志的推动。中国正在追求5G,工业4.0、智能电网等技术,SEMI中国区总裁Lung Chu表示。“在一些地区,(中国)的移动速度比世界其他地区快得多,”Chu在最近的一次演讲中说。  

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