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  先进制程晶圆厂淘汰赛:20年锐减九成

来源:内容来自半导体行业观察(ID:icbank)原创,作者:蒋思莹,谢谢!

前不久,Yole在其发布的一份调研报告中称,在过去的几十年里(自1965年以来),摩尔定律一直指导着全球半导体行业,先进制程的发展提高了性能和成本。2002年以后(130纳米),该行业经历了几轮整合,规模化效应深刻地影响了这个领域的发展。目前,先进制程是一个寡头垄断市场,仅剩下了少数关键参与者。

(图片来源:Yole)

Yole在其报告中也给出了一份更为直观的变化图表。从这张图中,我们不难发现这样一个事实——在进入到21世纪后,致力于先进制程的玩家从26家已经降到了3家。换言之,在短短的20年间,先进制程玩家减少了近九成。

先进制程竞玩家数量的一次大衰退

摩尔定律指导着先进制程迈进了21世纪,彼时,开创了晶圆代工模式的台积电的锋芒还未如今日般耀眼,那仍是一个以IDM模式为王的年代。先进工艺的进步依旧能为当时的半导体厂商们带来丰厚的利润。

因此,最初实现半导体产业腾飞的美国、以及受惠于第一次半导体产业转移红利的日本厂商们几乎占领了整个芯片制造领域。

但从2002到2006年,就陆续有玩家开始退出先进制程的竞争,包括Sanyo、Rohm、ON、Mitsubishi、Hitachi、Atmel、HLMC以及ADI均没有在第一时间推出90nm工艺。由此可以看出,在期间退出先进节点竞争的日本厂商较多。

结合当时半导体的市场情况来看,日本半导体厂商在经历了一轮高速成长后,遭受到了美国的打压,在1991年美国单方面声称日本违约,再次强迫日本签订了第二次半导体条约后,日本半导体厂商迎来了失落的二十年。而当时,驱动先进工艺成长的正是DRAM,这也是日本半导体所见长的领域。而后日本厂商开始转向半导体上游产业链,这或许也是他们相继放弃向最先进的芯片制造工艺发起进攻的原因之一。

接下来,在90nm向65nm工艺过渡的过程中,又陆续有六家半导体企业退出了先进工艺的竞赛,与此同时,又有新的玩家又出现在了65nm节点的竞争中。

从Yole提供的数据来看,在2006至2008这两年中,消失在65nm工艺制造名单中的企业有Sony、Sharp、Infineon、Freescale、Cypress以及AMD。

从中我们可以看到,除了日本厂商以外,那些被我们所熟知的,在汽车芯片领域有着赫赫威名的厂商开始逐渐退出了先进工艺的竞争。在他们退出先进制程竞争的背后,是芯片制造能力已经不能为之提供足够的优势。

以英飞凌为例,他们在2008年宣布放弃65nm制造工艺。根据媒体在2008年的相关报道显示,当年英飞凌的首席执行官Wolfgang Ziebart曾表示,如果半导体企业想在眼前这一波行业整合潮中生存下来,应该将注意力从建造晶圆厂转移到建造系统之上,并且必须和客户建立深层次的技术合作关系。他表示:“半导体厂商曾经拥有的竞争优势已经消失,现在每家企业基本在同时期内都能使用到相同的制程技术。在过去,这是区别半导体企业实力的关键。”

在他的这一番话中,便可以清楚地看到晶圆代工模式的崛起。而从晶圆代工这个市场角度中看,在2002年台积电稳坐全球第一大晶圆代工厂后,他就在先进工艺上的进步一路突飞猛进。而在台积电实现从90nm到65nm的路上,还需要重点提到另一重要角色——ASML。当时,153nm光刻机遇到瓶颈,2002年时任台积电研发副总、世界微影技术权威林本坚博士提出了浸没式系统的概念,ASML 抓住了这个机会,决定与台积电合作,在 2003 年他们开发出了首台样机 TWINSCAN AT:1150i,成功将90nm制程提升到65nm。

而我们都知道,半导体工艺设备尤其是光刻设备从来不是一笔小的支出。而这或许也促成了一些IDM企业走向了fabless模式或是lite FAB。这个迹象,从90nm过渡到65nm期间就已显现,其中的代表就是AMD于2008年出售了其芯片制造部门,而这也成为AMD历史上最重大的战略变革。

根据相关报道显示,当时AMD连续7个季度亏损,其中大部分亏损都与运营昂贵的芯片生产厂有关。那些芯片生产厂的建设成本一般在30亿美元到50亿美元之间,每年还需要大量资金对它们进行技术和设备升级。AMD的新管理层认为,分拆芯片制造业,是继续保持其竞争力、避免被边缘化的最佳选择。当时AMD公司CEO梅耶尔(Dirk Meyer)对此的解释是:“AMD探索出了一条创新的道路,使我们可以集中精力于创新的设计,而不需大量投资于半导体生产。”

至此以后,IDM玩家开始落寞于先进工艺的竞赛当中,晶圆代工模式开始初显锋芒。

淘汰赛加快的速度

在IDM开始纷纷寻求转型的过程当中,先进制程的竞赛在摩尔定律的指导下依旧在继续向下延伸。在65nm工艺向下发展的过程中,先进制程市场迎来了短暂的平静。而就在进入到45nm节点以后,这个市场又出现了新的变化,退出先进制程玩家的数量不再出现大幅度的减少,但其市场淘汰的频率却开始加快——每一代新节点的更新,就有玩家被淘汰。

可以从文章开篇的图中得知,从45nm过渡到22nm/20nm器件,先进制程玩家由14家减少到了7家,这其中就包括了TI、STM等企业。

而我们都知道,TI作为全球最大的模拟芯片厂商,他们有着极高的毛利率,这种“不差钱”的厂商为什么也要放弃先进制程技术的追逐,是先进制程不香了吗?从2010年相关报道中显示,当年TI宣布放弃32nm及以下的研发,而另一方面他们则在积极收购二手生产线。当时的分析师称,TI并不需要非常先进的制造工艺,因为目前(2010年)一流的模拟电路在0.18微米水平,所以其收购二手生产线是十分合理的。“对于TI而言,32nm制程的复杂性、浸入式微影和重复图形曝光等技术太难了。”伦敦ABN Amro银行半导体分析师Didier Scemama称,“制程方面的优势很明显地抵不上开发的成本。”

于是在经过了这一轮轮的淘汰赛之后,进入到22nm/20nm节点以后,具有先进工艺制造的企业就大都是晶圆代工厂。可以说,进入到22nm/20nm节点以后就先进工艺就成为了晶圆代工厂之间的竞争,他们也成为了推进先进工艺继续往下走的主力军。

接下来晶圆代工厂之间的竞争就是被我们所写了无数遍的复述。比如推动22nm及以下工艺进步的晶体管架构到底是FinFET还是FD-SOI,比如受惠于新兴市场的崛起,芯片设计厂商的增多为晶圆代工厂带来的机会,又比如新节点的命名是否符合摩尔定律的初衷,再比如被业界广泛讨论的摩尔定律是否已经失效了。

就在围绕着先进工艺节点继续向下发展的讨论声还没有停歇之时,有些晶圆代工在争议中得到了成长,而有些晶圆代工厂却放弃了继续向下走——GF和UMC的退出,让先进制程逐渐成为了一个寡头垄断市场。因此,在10nm及以下工艺的竞争中仅剩的3个玩家之间的竞争就更引得行业的重视。

而这也引发了一些新的变化,即三星和英特尔在竞争的过程中都陆续开放了其晶圆代工业务——三星于2017年将其晶圆代工业务独立出来,与台积电形成直接竞争。今年英特尔宣布,公司将成为代工产能的主要提供商,起于美国和欧洲,面向全球客户提供服务。由此来看,先进工艺的竞争似乎已经进入到了一种白热化的阶段。

于是这也就形成了这样一种局面——在IDM企业都已经适应了外包制造这一情况后,以台积电、三星、英特尔为代表的先进工艺厂商几乎就可以代表了全球芯片制造能力之所在。而为了抢夺更多的机会,他们现在又在满世界建厂。其中,他们在美国的部署又尤为受到关注,除了台积电和三星陆续宣布将在美国建设新的晶圆代工厂以外,英特尔新任CEO也在前不久针对其芯片制造能力做了一系列的部署,根据其计划来看,英特尔将在美国亚利桑那州投资200亿美元新建两座晶圆厂。而从公开的资料中看,他们或都将在美国晶圆厂部署5nm及以下节点,而这或许也能提高未来美国在芯片制造方面的实力。

另外一方面,受惠于新兴市场对成熟工艺的需求,我们看到,那些已经放弃了最先进节点开发的晶圆代工厂们和还拥有芯片制造能力的IDM厂商们又重新成为了业界关注的对象,他们同样也构成了当今芯片制造能力的一个重要部分。

重资堆出来的芯片制造宠儿

在半导体地位日益高涨的今天,尤其是在芯片产能频频出现短缺的情况下,厂商们的芯片制造能力得到了重视。但无论对于晶圆代工厂来说,还是对IDM企业而言,提高芯片制造能力都将是一笔不小的开支。

根据分析机构Semico Researc前不久发布的统计显示,2020年,半导体资本支出增长9.2%,达到1,121亿美元。这比其在2020年春季的预测高出141亿美元,比2020年秋季的预测也高出32亿美元。报告中还显示了2020年至2021年的前15名支出者,报告称,这些公司在2020年占总资本支出的91%,预计到2021年将保持在总资本支出的91%。

(资料来源:Semico Research Corp.和公司资料)

报告中指出,三星和英特尔目前都选择不提供指导。因此,Semico根据我们对设备和建筑需求的期望,在上表中为两家公司提供了估算。其中,根据Semico所估算的台积电的265亿美元支出中,将约有80%将用于先进的工艺技术:3nm,5nm和7nm。其余部分将在封装/mask制造和专业技术之间大致平均分配。总额的一小部分将用于在亚利桑那州凤凰城建造的新工厂。

三星方面,其公司2020年下半年的支出为18.3万亿韩元,比2020年上半年的14.7万亿韩元增长了24%,比2H19的13.8万亿韩元增长了33% 。在这一年中,该公司的资本支出在2020年增加了46%。Semico预计,由于正在进行中的建设项目数量不断增加,以及继续向更先进的工艺节点过渡,三星在2021年的支出水平将相当。

报告最后指出:“到2021年,资本支出将增加近150亿美元。其中,仅台积电就可贡献超过90亿美元,但还有许多其他公司正在扩大产能并迁移到新的工艺节点。”从这一点上,便可以芯片制造能力的提高需要重资本的投入。


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