深刻报告:华为芯片谁来制造?

2019-11-10 11:21栏目:电工电气
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电工电气网】讯

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如今的Foundry,早已不是联电、台积电诞生时的代工定位,也不是所谓的Fab-lite定位,而是一种既具备IDM能力同时又坚守代工服务的开放平台模式。随着整个产业加速朝物联网、AI时代迁移,市场要求IC设计企业必须与Foundry建立更深的合作关系。它体现在,双方不仅制造方面的依存度越来越高,市场定义方面也必须保持密切沟通,这种关系甚至延伸到终端环节,形成多方合作的“命运共同体”。如此,才能化解未来的挑战,保证效率、品质、良率,以及种种商业化成效。

自主创芯·产业报国

代工是一个服务体系


代工在全球半导体业中的地位及影响力日益加深,要归功于2009年,半导体“教父”张忠谋第二次复出之后,把代工的发展理念推向“极致”。

华为海思的芯片经过20年的发展已经在众多领域达到世界顶级水平,甚至在部分领域领跑全球。

1987年中国台湾地区开始萌生“代工,Foundry”的概念,是半导体产业链中一次大的飞跃,它首先推动Fabless模式的进步。今天来看,由于代工先进制程技术的进步已能与IDM模式相匹敌,导致了代工在半导体产业链中的权重因子提升,如全球芯片的产出中,每两块就有一块是由台积电加工完成的。

但是,海思只参与了芯片的设计环节。

然而台积电,或者联电在刚启步时,半导体业实际上是由IDM模式主导。

芯片设计只是装个产业链的一个环节,还需要上游的芯片架构+芯片EDA的支持。

直到1994年,全球Fabless的产值才仅36亿美元,反映出当时代工的制程技术远落后于IDM。所以代工仅作为IDM厂的第二供应商,当产能紧缺时,它可作为IDM厂的拾遗补缺,那时的设计业还非常弱小。

芯片产业链全景图

刚开始时,IDM与代工的理念不同,IDM厂一定会自发地努力去追求工艺的极致,摩尔定律是它的驱动力之一。如英特尔会不遗余力地推动工艺制程不断地缩小,以及采用新的工艺,因此它的研发费用每年约达100亿美元,几乎是全球最高的。

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而代工是一个服务体系,它为客户提供工艺制程的服务,要迎合客户的需求。代工的诞生受到Fabless的热力追捧,因为可以省去投资建厂的巨大负担。所以从逻辑上分析,代工不应该去追求最先进的工艺制程,因为风险与代价太高。为了客户的需要,代工去单独开发一种工艺是稀少的(决定于客户对于工艺开发成本的分担),它会考虑将几个客户的产品釆用同一类工艺,以节省成本。所以业界有一种观点认为,以前的代工技术含量并不太高。

更为重要的是,设计好的芯片需要制造代工环节,这才是半导体的命门和最大门槛!

带领台积电实现代工突破

目前华为的高端芯片制造几乎全部交由台积电完成,模拟芯片的制造也几乎被海外巨头垄断。

台积电也不是一步登天,据观察它有两个时间点十分关键,其中一个是在上个世纪90年代后期集中大量投资,几乎摘掉了“代工仅是二流技术”的帽子。而另一个时间点是2009年张忠谋的第二次复出,他站得高,看得远,决心把代工的概念推向“极致”,即代工也要主动地开发最先进的工艺制程,与IDM并驾齐驱。

所以,未来华为的芯片由谁来制造?

因此从行动方面,他加强研发,搜罗顶级人才,平均每年的设备投资约100亿美元,经过连续数年的努力之后,在最先进工艺制程方面走在前列,如2018年开始实现7纳米量产,它的台南晶园十八厂于2018年1月动土,将大规模使用极紫外光微影技术(Extreme Ultraviolet,EUV)生产5纳米制程,预计2019年开始试产,2020年实现量产,预计年产12英寸硅片100万片,总投资7000亿新台币,是全球第一家能量产5纳米制程的生产线,让业界对于代工更是刮目相看。

1、先进代工:中芯国际、华力微

现阶段台积电已经毫无疑义的与英特尔、三星齐名。由此台积电完全有能力吸引全球最顶级的Fabless的订单,包括高通、苹果、华为、Nvidia等。

2、IDM:闻泰科技、三安集成

张忠谋2009年重任CEO后,首先将2010年的资本支出上调一倍,增加到59亿美元,带领台积电全力冲刺业内前沿的28纳米制程芯片,28纳米制程芯片也因此成为智能手机时代的主流。同年台积电拿下原本一直由三星独占的苹果订单,成为晶圆代工产业的巨头。

3、成熟代工:华虹半导体、和舰

据《天下杂志》2017年10月报道,截至到2016年,在张忠谋重新掌舵的七年时间里,台积电股价增加了237%。而台积电从2010至2018年期间累积投资达796亿美元。

4、特色:士兰、台基、捷捷、杨杰

如今的Foundry,早已不是联电、台积电诞生时的代工定位,也不是所谓Fab-lite,而是一种既具备IDM能力又坚守代工服务的开放平台模式。加上整个产业开始加速朝物联网、AI时代迁移,市场要求IC设计企业必须与Foundry建立更深的合作关系,这主要体现在双方不仅在制造方面的依存度越来越高,而且市场定义方面也必须保持密切沟通。这种关系甚至延伸到终端环节,形成多方合作的一种“命运共同体”。如此,才能化解未来的挑战,保证效率、品质、良率,以及种种商业化成效。

5、存储:长江存储、兆易、君正

实际应用市场需时间培育

本文来自于6月1日外发60页重磅深度报告

近期有许多文章赞颂张忠谋,他“终身学习快乐工作,看淡成败有节制生活”的精神确实值得我们学习。

《半导体自主可控全景研究》

对中国半导体业发展的看法,张忠谋说:“未来5到10年的时间内,中国大陆半导体会有很大的进步,但中国台湾的台积电会有更大的进步,其他的企业还是会落后台积电5到7年。”

报告PDF全文,请联系西南电子团队

相比于台积电的进步,中国大陆厂商与之的差距可能有加大的趋势,那不是我们不够努力,而是台积电的进步实在太快,它的投资效率更高,处于不同的层级,是无法与台积电相提并论的。

半导体制造——产能制程落后,中芯为首齐发力

如今半导体“教父”张忠谋退休,对于台积电来说,肯定有不小的影响。但是张忠谋深谋远虑,釆用了“双首长制”来替代他。

半导体制造主要分为逻辑芯片、存储芯片制造等。逻辑芯片领域,台积电、三星等承接产业转移的机遇,建立了较强的先发优势,但中芯国际、华虹半导体等大陆晶圆代工企业正在加速追赶,产线规模不断扩大、制程技术不断提高。存储芯片领域长期为三星、海力士、美光等企业垄断,进入壁垒高,国内以长江存储、合肥长鑫为代表的企业已经建立产线、全力攻坚产能爬坡与良率提升。射频芯片方面,尽管Skyworks、Qorvo等国际巨头瓜分了大部分市场,但唯捷创芯、慧智微、中科汉天下等国内企业已经实现阶段性技术突破,市场份额也在逐步提升。

全球代工可能“黄金”时代已过,再想达到10%的增长率已经十分困难,而且由于未来市场推动力分散化、制程技术逼近极限,产品的性能与功耗等方面的要求将会更高。许多新的应用如AI、自动驾驶、物联网等发展前景广阔。但是实际应用市场的到来尚需时间培育,因此代工将面临更大的挑战。

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www.4066.com,1.1逻辑芯片:产能两头在外,先进制程落后

在半导体芯片行业,企业模式主要分三种,IDM、Foundry和Fabless。IDM被称为垂直设计和制造企业,是指从设计到制造、封装测试以及投向消费市场一条龙全包的企业,这种模式在逻辑芯片的代表性厂商有英特尔,在存储芯片的代表性厂商有三星、海力士、美光等。Foundry是代工厂,是指不做设计和下游营销,专注加工工艺的整合和产能的提升,最典型的是台积电。而有的公司专注设计,没有加工工厂,业务基本外包给代工厂,称为Fabless,在逻辑芯片领域有AMD、高通、博通等。纳米制程是针对IDM和Foundry而言,Fabless没有工厂,不需要担心纳米制程的问题。他们只需要选择合作对象,给他们设计的芯片进行代工,所以更先进的制程是IDM和Foundry执著追求的目标,一旦掌握了最先进制程技术,意味着可以最早占领市场,形成先发优势,对后进入者可以实施价格打压,维护自己的垄断地位。

半导体制造环节资金壁垒高。产能的扩张需要新建大量厂房和引进大量设备,一般新建一个12英寸生产线需要上百亿元的资本投入。产线建设完成后也需要经过长时间的产能爬坡才能达到大规模生产,因此在厂线使用初期,高额的折旧摊销也会对利润带来侵蚀,因此半导体制造资金壁垒高。半导体制造环节由最初的IDM模式向当今的晶圆代工演化,这使得相当多的公司可以从大量的设备投入、研发费用中解放出来,专注半导体的设计。

半导体制造环节技术壁垒高。在半导体制造环节,除了半导体设备本身极具技术难度之外,各个环节设备之间的工艺配合以及误差控制需要大量的经验积累。一般集成电路生产需经过几十步甚至上千步的工艺,在20nm技术节点,集成电路产品的晶圆加工工艺步骤约1000步,在7nm时将超过1500步,任何一个步骤的误差放大都会带来最终芯片良率的大幅下滑,因此半导体制造行业是一个高度精密的系统工程。因此,在建立先进制程生产线时,需要投入高额的研发费用。

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据IHS Markit统计,2017年全球纯晶圆代工市场营收为530亿美元,较上年增长7.1%。随着无生产线的Fabless商业模式的流行及越来越多的IDM公司对纯晶圆代工厂的先进节点产品制造上的依赖,领先的纯晶圆代厂的营收将持续性增长。预计到2021年,纯晶圆代工市场营收将达到754亿美元,2016年到2021年的年复合增长率为9.1%,超过同期全球半导体市场的2.8%。从技术节点演变角度来看,28/22纳米及以上相对成熟制程凭借高性价比依然拥有较大的市场规模,存量上基本保持不变或轻微下降,但是由于28/22纳米以下先进制程的市场规模逐渐扩大,成熟制程的市场占比会不断下降。总的来说,目前代工市场还是主要以成熟制程为主,先进制程占比不断提高,2017年28/22纳米及以下先进制程市场占比仅38%,预计到2021年可以达到56%。

由于第二次产业转移中国台湾承接了代工业务,因此台湾贡献了全球最大的代工产能。仅台积电一家在2018年上半年就占据了全球晶圆代工市场的56.1%,联华电子市占率为8.9%,两者加起来总共占据了65%的市场规模。格罗方德是从美国AMD公司亏损后拆分出来的晶圆厂与阿布达比创投基金合资成立,目前也拥有9%的代工市场。三星最初是和英特尔一样,是典型的IDM厂商,晶圆代工厂主要服务自身的芯片供应,多余产能也会外接其他订单。2016 年三星代工业务营收45亿美元,市场占比约7.7%,位居全球第四。为进一步提高代工业务盈利能力,2017年5月三星正式宣布代工业务部与系统LSI业务部分离,开始自立门户。

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中芯国际是大陆最大的晶圆代工厂,占据大陆晶圆代工市场的58%,也是大陆唯一一个可以提供28纳米先进制程的晶圆代工厂。华虹半导体是全球领先的200mm纯晶圆代工厂,主要面向1微米到90纳米的可定制服务,根据IHS的数据,按2016年销售收入总额计算,华虹半导体是全球第二大200mm纯晶圆代工厂。

我国集成电路制造业2017年销售额达1390亿元,预计2018年更多新厂实现规模量产,销售额将进一步攀升至1767亿元。主要表现为12英寸集中扩建,8英寸订单满载,6英寸面临转型升级。从产能供给角度来看,2016年我国大陆地区晶圆制造产能仅为全球的10%左右,由于国内半导体市场需求巨大且逐年稳步增长,供需关系明显失衡,我国内地将成为半导体制造厂商的必争之地。

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目前我国晶圆代工的局限主要体现在两方面,一方面,从产能端来看,“两头在外”现象严重,另一方面,从制程端来看,与海外巨头有2-3技术代的差距。

产能端:我国的晶圆代工企业和本土设计公司在产值方面出现严重的不匹配。华润微电子将这种现象定义为“两头在外”,一方面本土晶圆制造代工厂给国外设计商做代工,同时国内设计公司也在依靠海外代工厂去生产。

2013年,中国整个晶圆代工产业规模为297亿元,其中中国本土晶圆代工规模248亿元,外资在国内设立晶圆代工厂产业规模为49亿元。中国本土IC设计公司占据中国本土晶圆代工营收规模中的114亿元,占比高达46%。2013年中国IC设计公司对晶圆产值需求约323亿元,中国本土晶圆代工厂提供给本土IC设计公司的产能按照产值仅满足35.3%,还存在209亿元的晶圆代工缺口。

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2017年,中国整个晶圆代工产业规模为440亿元,其中中国本土晶圆代工规模370亿元,外资在国内设立晶圆代工厂产业规模为70亿元。中国本土IC设计公司占据中国本土晶圆代工营收规模中的190亿元,占比高达51%。2017年中国IC设计公司对晶圆产值需求约671亿元,中国本土晶圆代工厂提供给本土IC设计公司的产能按照产值仅满足28.3%,还存在481亿元的晶圆代工缺口,比2013年增加了130%,因此,“两头在外”现象更加显著。

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从晶圆代工工艺角度来看,目前国内晶圆代工厂在特色工艺领域(BCD等模拟工艺、射频、e-NVM、功率器件等)同国外晶圆代工厂差别不大,基本能满足国内设计公司要求,同时也承接了大规模海外设计公司的需求。国内晶圆代工厂难以满足国内设计公司对主流工艺和高性能模拟工艺的需求,2017年国内设计公司到外资晶圆代工厂代工规模达481亿元。

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