芯片的二线战场:14nm与12nm争夺战

编辑:站酷工作室 发布于2019-08-31 15:51

  在半导体制造领域,10nm、7nm及更先进制程的竞争正在变得越来越不激烈,其主要原因自然是投入巨大、风险高,愿意进入的玩家越来越少,目前只剩下台积电、三星和英特尔这三家了,这里显然成为了卖方市场,从各大客户为获得足够的台积电7nm产能而争破头这一点就可见一斑。
  我们知道,在中高端领域,市场上的主流制程工艺节点是22nm、16/14nm、10nm、7nm,以及今后的5nm和3nm,这些被称为主节点。而28nm、20nm、12nm、8nm等,被称为半节点,这些节点有很强的过渡属性。因此,总体来讲,它们的市场占有率相比于那些主节点要低。
  而28nm和12nm相对较为特殊,28nm是因为具有绝佳的性价比,因此应用面很广,也非常成熟;而12nm是典型的中端芯片制程工艺,市场上有多家知名处理器厂商的中端产品都选用了该制程工艺,这其中尤以手机处理器为最多。
    先进产能竞争不激烈,而成熟的28nm制程则已经显得有些过剩。此时,居于两者中间位置的14nm制程显然成为了当下的中坚力量,承载着市场上绝大多数中高端芯片的制造,特别是工业、汽车、物联网等,拥有庞大的市场空间,14nm制程正当其时。另一方面,中国大陆手机市场庞大,且中端和中低端占据着出货量的大头儿,这就给了中端手机处理器芯片绝佳的发展机会,相应的12nm制程技术的市场份额也就水涨船高了。目前来看,14nm制程主要用于中高端AP/SoC、GPU、矿机ASIC、FPGA、汽车半导体等制造。对于各厂商而言,该制程也是收入的主要来源,特别是英特尔,14nm是其目前的主要制程工艺,以该公司的体量而言,其带来的收入可想而知。而对于中国大陆本土的晶圆代工厂来说,正在开发14nm制程技术,距离量产时间也不远了。特别是中芯国际,其中14nm已经进入客户风险量产阶段,预期将在今年年底实现营收。这样,在两三年后,随着新产能的成熟,14nm制程的市场格局值得期待。目前来看,具有或即将具有14nm制程产能的厂商主要有7家,分别是:英特尔、台积电、三星、格罗方德、联电、中芯国际和华虹。下图所示为6家厂商的各种制程工艺量产时间,其中绿色部分为14nm的。
    具备12nm制程技术能力的厂商很少,主要有台积电、格芯(原格罗方德,GF)、三星电子和联电。联电于2018年宣布停止12nm及更先进制程工艺的研发。因此,目前来看,全球晶圆代工市场,12nm的主要玩家就是台积电、格芯和三星这三家,这一点,从近两年市场推出的各种芯片也可见一斑。0112nm制程芯片
  2018年8月,华为发布了中端芯片麒麟710,采用的就是12nm制程,用在了当时的中端机型、在海外被称为Mate 20 Lite上。麒麟710由Cortex A73×4+Cortex A53×4组成,CPU主频为2.2GHz,GPU为Mali-G51。
  2018年5月,联发科推出了中端芯片Helio P22,采用台积电12nm FinFET工艺制造,CPU为8核A53,最高主频2.0GHz。GPU采用PowerVR GE8320,频率650MHz,最高支持1600x720(20:9)屏幕分辨率。
  2018年6月,联发科推出的中端芯片Helio P60表现不凡,吸引了OPPO和vivo等国产一线手机厂商的订单,像OPPO R15、vivo X21i等机型都搭载了Helio P60处理器。这颗芯片同样是定位中端,基于12nm制程工艺,并加入了人工智能技术。
  2018年7月,联发科又推出了Helio A 系列产品,并称其把高端产品功能下放到了用户基数庞大的大众市场。该系列的首款产品为Helio A22,同样采用12nm制程工艺,搭配CorePilot技术,内建主频2.0 GHz的4核Cortex–A53,以及PowerVR GE图形处理器。
  在中国大陆,紫光展锐最近几年在中端和中低端市场的拓展力度也很大,并逐步扩大着市场占有率,而在即将到来的5G市场,该公司推出了春藤510,采用了台积电12nm制程工艺,同时支持SA(独立组网)和NSA(非独立组网)方式。
  可见,联发科是12nm制程中端手机芯片的主要玩家,来自DIGITIMES Research的统计和分析显示,高通受中美贸易影响,预计今年第3和第4季度出货量将分别较前季减少3.8%和2.7%,高通强化自主架构芯片,第4季度占高通整体出货比重有望提升至64.6%。从目前的形势来看,华为很可能将中端机种AP转单联发科,再加上OPPO、vivo等新品也多采用联发科的AP,预计会带动后者今年第3季度AP出货量较前一季增加5.8%,其中,Cortex-A57以上平台出货比重至今年第4季度有望提升至39.2%。
  除了手机处理器之外,2018年底,AMD的显卡RX 590采用了12nm制程代工生产,而这款产品的代工厂为格芯和三星两家。由于AMD与格芯的深厚关系,其很多芯片都是由格芯代工的,但随着格芯宣布退出10nm及更先进制程的研发和投入,使得AMD不得不将先进产品分给了三星和台积电代工,从而分散了格芯的订单。
  而在同一时期,另一家显卡厂商NVIDIA则选择了台积电的12nm制程。
  02执着的英特尔与三星传绯闻
  自2015年正式推出14nm制程后,英特尔已经对其依赖了4年的时间,该制程也为这家半导体巨头带来了非常可观的收入。从Skylake(14nm)、Kaby Lake(14nm+)、Coffee Lake(14nm++),到2018年推出的14nm+++,该公司一直在保持对14nm制程的更新。而英特尔原计划在2016年推出10nm,但经历了多次延迟,2019年才姗姗来迟,从这里也可以看出该公司对14nm制程的倚重程度。
  同为14nm制程,由于英特尔严格追求摩尔定律,因此其制程的水平和严谨度是最高的,就目前已发布的技术来看,英特尔持续更新的14nm制程与台积电的10nm大致同级。
  这里还可就具体的参数指标,与三星和台积电做个比较,英特尔于2014年发布了14nm制程,其节点每平方毫米有3750万个晶体管,台积电16nm制程(该公司没有14nm制程,但其16nm与市场上的14nm同级)节点每平方毫米约有2900万个晶体管,三星14nm节点每平方毫米约有3050万个晶体管。此外,英特尔的14nm节点栅极长度为24nm,优于台积电的33nm,也优于三星的30nm。英特尔14nm节点的鳍片高度为53nm,优于台积电的44nm,以及三星的49nm。
  今年5月,英特尔称将于第3季度增加14nm制程产能,以解决CPU市场的缺货问题。
  然而,英特尔公司自己的14nm产能已经满载,因此,该公司投入15亿美元,用于扩大14nm产能,预计可在今年第3季度增加产出。其14nm制程芯片主要在美国亚利桑那州及俄勒冈的D1X晶圆厂生产,海外14nm晶圆厂是位于爱尔兰的Fab 24,目前还在升级14nm工艺。
  三星方面,该公司于2015年宣布正式量产14nm FinFET制程,先后为苹果和高通代工过高端手机处理器。目前来看,其14nm产能市场占有率仅次于英特尔和台积电。
  前面提到,英特尔的14nm产能吃紧,已经难以满足市场需求,在这样的背景下,今年6月,有媒体报道称,三星和英特尔正在就14nm Rocket Lake芯片的生产进行谈判。
  自2018年下半年以来,英特尔在升级和建立用于生产10nm芯片的新生产线方面投入了大量资金,但要想扩大规模还需要几年时间。在此期间,英特尔必须提高其14nm芯片的产量。因此,传闻它将一部分CPU转由三星代工,希望能够解决产能不足的问题。
  由于存储芯片市场疲软,对三星的营收产生了很大影响,因此,三星的晶圆代工产能利用率下降,想寻找新客户,高通和英特尔是其主要的争取对象。
  据报道,三星将于明年第四季度开始大规模生产英特尔的14nm Rocket Lake芯片,如果此言不虚的话,三星制造的首款CPU将于2021年上市。
  三星其晶圆代工路线图中原本是没有12nm工艺的,只有11nm LPP。不过,三星的11 LPP和格芯的12nm LP其实是“师出同门”,都是对三星14nm改良的产物,晶体管密度变化不大,效能则有所增加。因此,格芯的12nm LP与三星的12nm制程有非常多的共同之处,这可能也是AMD找三星代工12nm产品的原因之一。AMD于去年推出了RX 590,这是该公司首款12nm GPU。三星加入该产品的代工行列,其12nm制程是为AMD定制化的,是将原来的14nm制程进行版本优化的结果。另外,AMD的第2代Ryzen处理器也是采用12nm制程工艺制造的。03不一样的台积电
  台积电于2015下半年量产16nm FinFET制程。与三星和英特尔相比,尽管它们的节点命名有所不同,三星和英特尔是14nm,台积电是16nm,但在实际制程工艺水平上处于同一世代。
  到2018年第二季度,台积电的16nm和20nm制程对该公司的营收贡献率为25%,主要产品分为两大类:一是逻辑器件,包括中高端手机AP/SoC、基带芯片、CPU、GPU、矿机ASIC,以及FPGA等;二是射频芯片,包括高端手机的WIFI、蓝牙、NFC芯片,5G毫米波芯片,以及汽车电子用芯片等。
  例如,寒武纪的MLU100,以及比特大陆开发的AI张量计算芯片BM1680,均采用了台积电的16nm工艺制造。
  台积电的16nm制程经历了16nm FinFET、16FF+和16FFC三代,之后进入了第四代16nm制程技术,此时,台积电改变策略,推出了改版制程,也就是12nm技术,用以吸引更多客户订单,从而提升12吋晶圆厂的产能利用率。因此,台积电的12nm制程就是其第四代16nm技术。
  与前几代相比,12nm具备更低漏电特性和成本优势。与16nm相比,12nm制程不仅拥有更高的晶体管密度,而且在性能和功耗方面得到了进一步优化,有较大的升级幅度。对于台积电来说,推出12nm工艺,不仅可以缓解10nm制程带来的订单紧张问题,而且还能在市场营销上反击三星、格芯、中芯国际等对手的14nm工艺,避免订单流失。
  04格芯与联电14nm制程占比有限
  2018年8月,格芯宣布放弃7nm LP制程研发,将更多资源投入到12nm和14nm制程。
  据悉,格芯制定了两条工艺路线图:一是FinFET,这方面,该公司有14LPP和新的12LPP(14LPP到7LP的过渡版本)。12LPP主要针对人工智能、虚拟现实、智能手机、网络基础设施等应用,利用了格芯在纽约萨拉托加县Fab 8的专业技术,该工厂自2016年初以来,一直在大规模量产格芯的14nm FinFET产品;二是FD-SOI,格芯目前在产的是22FDX,当客户需要时,还会发布12FDX。
  由于许多连接设备既需要高度集成,又要求具有更灵活的性能和功耗,而这是FinFET难以实现的,12FDX则提供了一种替代路径,可以实现比FinFET产品功耗更低、成本更低、射频集成更优。
  数据显示,格芯的12FDX制程能够以低于16nm FinFET 制程的功耗和成本,提供等同于10nm FinFET的性能,并且支持全节点缩放,使性能比FinFET 制程提升15%,功耗降低50%。而掩模成本也比10nm FinFET减少40%。
  格芯的12FDX制程在号称成本、功耗等方面都优于台积电主力16nm制程的情况下,台积电推出了第四代16nm制程,也就是12nm制程,使得双方的竞争进一步加剧,而格芯12FDX的量产时间要比台积电的12nm制程晚一些,这些对于12FDX来说,在后续的市场竞争中,是个不小的考验。
  目前,格芯正在大力推广其12nm制程。该公司宣布开发出了基于Arm的3D高密度测试芯片,该芯片采用GF的12nm FinFET工艺制造,采用3D的Arm网状互连技术,允许数据更直接地通往其他内核,最大限度地减少延迟。
  格芯表示,他们的方法可以在每平方毫米上实现多达100万个3D连接,使其具有高度可扩展性,并有望延长12nm工艺的寿命。目前来看,相对于7nm,12nm工艺更加成熟、稳定,因此,目前在3D空间上开发芯片更容易,而不必担心如7nm制程可能带来的问题。
  联电方面,该公司位于台南的Fab 12A于2002年进入量产,目前已运用14nm制程为客户代工产品。
  然而,联电的14nm制程占比只有3%左右,并不是其主力产线。这与该公司的发展策略直接相关,联电重点发展特殊工艺,无论是8吋厂,还是12吋,该公司会聚焦在各种新的特殊工艺发展上,尤其是针对物联网、5G和汽车电子这些在未来具有巨大市场和发展前景的应用领域,联电的汽车电子业务,最近几年的年增长率都超过了30%。包括RF、MEMS、LCD Driver IC、OLED Driver IC等领域。
  14nm FinFET制程方面,联电于2017年初开始量产,该公司还开发了第二套14nm平台,但是,在继续投资14nm制程方面,该公司持保守态度。
  05中国大陆14nm制程呼之欲出
  相对于美、韩和台湾地区,中国大陆在14nm制程方面是绝对的跟随者,经过多年的研发努力,取得了一定的突破,距离量产时间也不远了,有望于2020年实现,中芯国际将扮演主要的推动者,其次是华虹集团的华力微电子。
  中芯国际方面,其14nm FinFET已进入客户试验阶段,2019年第二季在上海工厂投入新设备,规划下半年进入量产阶段,未来,其首个14nm制程客户很可能是手机芯片厂商。据悉,2019年,中芯国际的资本支出由2018年的18亿美元提升到了22亿美元。
  2019年2月,中芯国际联席首席执行官梁孟松指出:“我们努力建立先进工艺全方位的解决方案,特别专注在FinFET技术的基础打造,平台的开展,以及客户关系的搭建。目前,中芯国际14nm技术进入客户验证阶段,产品可靠度与良率已进一步提升。同时,12nm的工艺开发也取得突破。”
  据悉,中芯国际14nm制程量产主要分三个阶段:第一阶段是成本>ASP,第二阶段成本与ASP相抵,第三阶段成本
  华力微电子方面,在年初的SEMICON China 2019先进制造论坛上,该公司研发副总裁邵华发表演讲时表示,华力微电子今年年底将量产28nm HKC+工艺,2020年底将量产14nm FinFET工艺。
  06结语
  目前来看,英特尔、三星和台积电依然是14nm制程的主力军,也是它们主要的营收来源,其次是格芯和联电,但这两家的14nm产能相对来说很有限,而且也不是它们的发展重点。因此,在这个有巨大营收规模的市场,前三大玩家都在积极发展10nm、7nm及更先进制程,第四和第五玩家的产能又很有限的情况下,给了我国本土晶圆代工厂商不错的发展机遇,关键是要抓紧时间量产,并保证产能和良率。只要跟对了时间点,还是大有可为的。
  12nm制程本来不是一个竞争激烈的领域,但随着格芯对其重视程度的提升,以及台积电的强势杀入,另外,市场需求,特别是中国大陆地区中端手机处理器需求的上涨,使得这一板块在未来的两三年很有看头。
  另外,别忘了,中芯国际不仅14nm FinFET制程已进入客户风险量产阶段,而且在2019年第一季度,其12nm制程工艺开发进入客户导入阶段,第二代FinFET N+1研发取得突破,进度超过预期,同时,上海中芯南方FinFET工厂顺利建造完成,进入产能布建阶段。这意味着用不了多久,一个新的12nm制程玩家将杀入战团,新的竞争局面和变数值得期待。