28nm 增产竞赛，缺芯只是表面原因

　　  近几个月，晶圆代工厂相继宣布扩充产能，华虹半导体宣布建设一条工艺等级为90-65/55nm的生产线，台积电、联华电子及中芯国际也纷纷指向了28nm产能扩充。最早是今年3月18日，中芯国际发布公告称公司与深圳市签订合作框架协议，中芯深圳将重点生产28nm及以上的集成电路和提供技术服务，最终实现每月约4万片12吋晶圆产能，预计项目投资金额23.5亿美元（折合152.75亿元人民币）。4月份，台积电宣布斥资28.87亿美元（折合187.19亿元人民币）扩充南京台积电28nm产能，预计达到美元4万片的生产规模。紧接着，联电也召开线亿元人民币扩充在台南科学园区的12吋厂Fab12的28nm产能。这几家宣布扩产的代工厂，都预计将在2022年开始正常生产。十多年前开发出的28nm工艺制程，在5nm先进制程被广泛用在智能手机上的今天，依然热度不减，甚至引发各个晶圆厂之前新一轮竞争。值得注意的是，这次28nm产能的集体扩充，与当下备受关注的缺芯潮并无太大直接联系。代工巨头台积电的“转折点”依然是在摩尔定律的推动下，芯片工艺制程在2010年左右发展到28nm，彼时的半导体公司受金融危机影响元气大伤，很多IDM公司或剥离制造业务或将更多的资源投资到芯片设计中，给晶圆代工厂带来更多发展空间。在78岁高龄的张忠谋重回归台积电后，台积电在2011年成为首个量产28nm工艺制程的代工厂。当时的报道称，台积电推出的第一个版本的是低功耗28nmLP，采用传统的SiON工艺，引入了多晶硅栅和二氧化硅硝酸盐，适合低频环境。事实上，工艺制程发展到45nm时，核心面积减少导致单位面积密度增高，漏电问题更加严重，此时传统的二氧化硅栅极介电质工艺遇到瓶颈，也就是台积电所量产的第一代28nm产品，虽然能够缩小芯片面积但并未解决高功耗的问题，因此业界普遍转向了能够降低漏电的HKMG（high-k绝缘层+金属栅极）叠层技术。而在选择HKMG晶体管结构上，业界分成两大阵营，一家是以IBM为首的Gate-First工艺流派，其支持者还有英飞凌、NEC、GF、三星和意法半导体等芯片制造技术联盟所属成员。另一家是以Intel、台积电为代表的Gate-Last工艺流派。这两种工艺流派各自都有需要攻克的难点，前者的PMOS管门限电压难以控制，后者需要设计环节积极配合修改电路来提升管芯密度。尽管双方都宣称自己的工艺更适合HKMG晶体管，但未有实际产品出世证明谁更优越。率先在2012年攻克了28nmHKMG制程的台积电证明了更少人看好的Gate-Last更具潜力与优势，推出适用于高频的28nm而后继续向20nm前进。台积电工艺节点发展历程，图片源自台积电官网而这一次在HKMG上的选择让台积电大获全胜，营收与获利屡创新高，将彼时最大竞争对手三星、GF远远甩在身后。在迅速转向28nm的2012年，台积电在第四季度财报会上表示：公司在这一年里实现了创纪录的营收和利润，出货量相比2011年增长了30倍。到了2013年，三星、GF以及UMC的28nmHKMG才刚刚导入量产，而台积电则利用先发优势快速抢占客户资源、占领市场，28nm出货量持续攀升，甚至占据了超过80%的细分节点市场份额。各晶圆厂28nm及以下的量产能力，图片源自OMDIA虽然摩尔定律指出，集成电路上可容纳的晶体管数目大约每经过18个月便会增加一倍，处理器性能每隔两年翻一倍，但并不意味着工艺节点发展到下一代时，上一代就失去存在的意义，对28nm而言更是如此。效益最高、应用广泛的黄金28nm台积电虽然早在2011年就实现了28nm的量产且一直在开发更加先进的工艺，但28nm却始终是台积电的核心业务，2016年营收占比26%，2017年和2018年占比23%，直到2020年，28nm的营收也依然占总营收的12.67%，仅次于7nm和16nm，需要用到EUV光刻机才能制造的5nm节点营收也只占全年收入的7.72%。28nm能够支撑台积电核心业务近十年，主要有两个重要原因。一方面是先进制程中28nm成本效益高，往后需要FinEFT工艺的16/14nm节点，晶圆制造成本将增加至少50%，同时使用寿命比不上28nm节点，更先进的工艺成本更高，只用拥有最大市场的智能手机才能承受如此昂贵成本。另一方面，随着28nm工艺的成熟，市场需求呈爆炸性增长，从最开始应用在手机处理器和基带上，到后来在OOT盒和智能电视等更加广泛的应用领域。随着个人集成电路时代的到来以及物联网、5G等技术的演进，无论是用来改善手机屏幕的OLED驱动器，还是满足物联网设备的各种连接芯片，还是用在混合计算中心、无线基站以及自动驾驶汽车等专有领域的FPGA，高性能低功耗的28nm工艺都是理想的选择。放眼于全球，根据TrendForce调查研究，2020年28nm及以上制程的产品线更加广泛，包括CMOS图像传感器、小尺寸面板驱动IC、射频元件、电视系统单芯片、WiFi及蓝牙芯片等众多需求增长，28nm订单持续爆满。还有一个重要原因是，尽管客户更愿意使用更加成熟的工艺和更低的成本制造，但8吋晶圆厂随着设备折旧而数量大幅下降，即200mm晶圆利用率升高且产能增长缓慢，因此原本能够用更加成熟制程的电子产品也被迫往28nm迁移。扩产28nm是共识，缺芯潮只是引爆点晶圆代工厂们相继宣布扩产28nm，表面上看似乎与当下的缺芯潮密切相关，扩产已经发展成熟、效益最高的28nm产能，能更好更快地解决缺芯问题。不过产能扩充往往需要较长的时间周期，这些28nm芯片至少明年才能正常生产，短时间内依然无法解决产能短缺的问题。实际上业界和市场早已对28nm做出评估，即使没有这一次缺芯潮，依然会选择扩产28nm工艺。一位半导体行业资深人士告诉本网，扩产反应了业界对28nm工艺制程的共识，未来半导体行业的整体用量依然会继续增加，包括车用、电源等方面，就整个晶圆厂目前28nm的产能，也没有特别大，中芯国际目前28nm月产能大约在8万片。“产能迟早都要往前走，这次的缺芯潮是一个诱因，让各个晶圆厂下定决心一起往前走。”值得注意的是，去年年底我国国务院也发布《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》，政策显示，国家鼓励的集成电路线纳米(含)，且经营期在15年以上的集成电路生产企业或项目，第一年至第十年免征企业所得税。从某种程度上也证明了28nm的重要性。或许28nm看上去没有5nm、2nm高端，但适用范围确实更加广泛，人人都在关注更加先进的制程支撑智能手机这块巨大的市场，但最先进的不一定适合所有，应用范围最广泛的不一定最先进。