晶圓代工廠將面臨多項挑戰

來源：本文由半導體行業觀察翻譯自semiengineering 。

增長將保持穩定，但遷移到下一個節點將變得越來越困難和昂貴。

預計到2018年，矽片代工業務將穩定增長，但這一增長會面臨若干挑戰。

在最前沿，GlobalFoundries、英特爾、三星和台積電正從16nm / 14nm向10nm / 7nm節點遷移。

據分析人士稱，英特爾遭遇了一些困難，因為該晶片巨頭最近宣布從2017年下半年到2018年上半年的新10nm工藝的產能增加。

時間會見證其他晶片製造商在向10nm / 7nm遷移時會遭遇平滑還是粗糙的過渡。

此外，幾家代工廠商正在加緊推出新的22納米工藝，儘管目前這種技術的需求前景仍不確定。

除此之外，代工廠商看到了200mm產能的巨大需求。

然而， 2018年全年，如果沒有售罄，200mm產能仍將吃緊。

儘管如此，這個行業並不很悲觀黯淡。

相反，據Semico Research的製造總經理Joanne Itow透露，代工業務預計將迎來一個穩定的年份，2018年將增長8%。

這與2017年的增長預測完全一樣。

（2017年的最終統計數據要到第四季度的數字公布後才能看到。

）

Joanne Itow表示：「增長驅動因素包括人工智慧、汽車和傳感器。

雖然智慧型手機銷售的增長速度已經放緩，但智慧型手機BOM（物料清單）仍然是代工生產的最大部分。

包括傳感器、處理器、圖像傳感器、無線和模擬RF。

」

代工廠商也希望在高性能計算、電力電子甚至加密貨幣方面取得增長。

但或許最吸引人的地方是中國，許多代工廠商正在中國加緊建設新的晶圓廠。

根據研究公司TrendForce的數據，在整體晶圓代工市場，台積電繼續占據主導地位，2017年占有55.9％的份額。

GlobalFoundries位居第二，隨後是UMC、三星、中芯國際、TowerJazz、Powerchip、Vanguard、華虹和 Dongbu Hitek。

圖1：收入排名前十的代工廠商 （三星、Powerchip的數字是估計）。

來源：TrendForce

更多的數據

顯然，這些跡象都是積極的。

世界半導體貿易統計公司（WSTS）最近預測，2017年半導體市場將達到4090億美元，比2016年增長20.6％。

收入的增長由DRAM的平均售價的增長所推動。

目前對模擬、快閃記憶體和邏輯器件的需求非常強勁。

WSTS預測，2018年，IC產業將達到4370億美元，比2017年增長7％。

而VLSI Research預測，2018年IC總體預計增長7.1％，而2017年為12.8％。

然而，IC行業正在發生變化。

多年來，這種增長圍繞著摩爾定律，這是一個著名的公理，電晶體密度每18個月翻一番。

遵循摩爾定律，晶片製造商每18個月就會推出新的工藝，表面上是為了降低每個電晶體的成本。

摩爾定律仍然可行，但它正在進化。

在每個節點上，工藝成本和複雜度都在飛速增長，所以現在節點的時間已經從18個月延長到了2.5年甚至更長。

另外，只有少數的代工廠客戶可以承擔遷移到高級節點的費用。

Gartner的數據顯示，16nm / 14nm晶片的平均IC設計成本約為8000萬美元，相比之下，28nm製程晶片的平均設計成本為3000萬美元。

相比之下，根據Gartner的說法，設計一顆7nm晶片將耗資2.71億美元。

然而，就像以前一樣，手機是晶片最大的市場。

IC Insights的數據顯示，智慧型手機的銷量預計將在2018年達到973億美元，較2017年增長8%。

IC Insights表示，與PC相關的晶片是IC的第二大市場，預計2018年將增長5%，達到726億美元。

其他市場增長更快。

例如，汽車IC銷售預計將在2018年增長16%，達到324億美元； 與此同時，IC Insights，到2018年，與物聯網相關的IC銷售額將增長16％，達到約168億美元。

圖2：IC增長市場（單位：10億美元）。

來源：IC Insights

UMC美國銷售副總裁Walter Ng表示：「越來越多的客戶正在重新定義他們的產品組合，以適應物聯網和汽車市場。

對於汽車行業來說，信息娛樂、數據安全和高級操作功能的進步正在增加對於集成了嵌入式非易失性存儲器、RF元件和MEMS傳感器的MCU的需求。

」

「在物聯網領域，我們看到了許多不同類型的器件，但主要關注的焦點似乎是將MCU與多種協議通信集成在一起的IC，包括Wi-Fi、藍牙甚至Zigbee。

我們也看到了家庭自動化的巨大潛力。

」

考慮到這些增長驅動因素，代工廠商必須開發更多不同的工藝來滿足客戶日益增長的需求。

GlobalFoundries首席技術官Gary Patton表示：「一個技術平台可以適用於從高端的IBM z系統（大型機）到電池驅動的物聯網設備，這一概念是不現實的。

」

為了滿足這些要求，代工廠必須每年增加資本支出和研發支出。

但只有少數代工廠擁有開發多種技術的資源。

較小的廠商也可以參與，但他們必須專注於選擇較少的市場。

除了研發支出以外，以下是代工廠面臨的其他一些挑戰：

• 經濟和政治問題可能影響電子行業。

• 第一季度需求和庫存問題趨於惡化，可能在隨後幾個季度持續。

• IC業務正在進行一波併購活動。

整合使得代工廠商的客戶群縮減。

• 矽片的可用性是一個問題。

經過了多年的供過於求，矽片供應商看到了新的需求。

但是廠商沒有投資新廠，而且很多廠商都提高了價格。

• 封裝供應鏈是代工廠的另一個關注點。

對晶片的需求不斷上升，導致了選擇製造能力、各種封裝類型，甚至一些設備的短缺。

10nm / 7nm、22nm的遷移

在2018年，英特爾預計將提升10nm產能。

此外，GlobalFoundries、三星和台積電也將開始各自推出其各自的finFET流程。

三星還宣布了各種半節點產品。

節點名稱很混亂。

簡而言之，英特爾的10nm技術大致相當於代工廠的7nm節點。

無論如何，節點遷移具有挑戰性。

例如，一些晶片製造商花費比預期更長的時間從平面節點遷移到16nm / 14nm。

在16nm / 14nm節點上，許多供應商轉向下一代稱為finFET的電晶體類型。

在finFET中,電流的控制通過在鰭的三個側面各實現一個柵極來完成。

圖3：FinFET與平面。

來源：Lam Research

一般來說，finFET解決了短通道效應和其他伸縮性問題，但是該技術製造起來更困難且成本更高。

例如：英特爾本應在2017年下半年提高其10nm的finFET工藝產能，但最近的進度有所推遲。

投資銀行公司晨星（Morningstar）分析師Abhinav Davuluri在最近的一次採訪中表示：「看起來像是被推遲到了18年上半年。

這可能是一系列問題。

但是，他們在14nm節點花了一段時間才解決的問題在10nm節點基本是成倍增加的。

現在你正在做自對準的四重曝光，而不是雙重曝光。

這意味著更多的步驟和更好的特徵尺寸。

這兩個問題正在相互影響。

」

時間將告訴我們，GlobalFoundries、三星和台積電是否也會面臨類似的問題。

Gartner分析師Samuel Wang表示：「三家代工廠似乎都取得了良好的進展。

」

Wang預計，2018年將會看到7nm產能大幅增長，但短期內與10nm相比則黯然失色。

他表示，預計10nm產品在2017年的總產值將達到50億美元。

相比之下，7nm產品的銷售額預計將在2018年從25億美元增長到30億美元。

那麼隨著時間的推移，7nm將如何發揮呢？「這將一個更緩慢的增長。

」GlobalFoundries的Patton 表示，「有客戶正在更積極地遷移到下一個節點。

其他人將會穩步遷移。

」

根據Patton 的說法，這將是一個長壽命的節點。

「FinFET會有很多支架。

還有很大的空間來擴展finFET。

」他表示。

事實上，台積電錶示，該公司的節點可以大到28nm。

台積電聯合執行長兼總裁C. C. Wei在最近一次會議上表示：「N7的最初應用是高端應用處理器和高性能計算。

我們預計到2018年底，將會有超過50個設計定案。

」

然而，並非所有的代工客戶都處於領先地位。

許多公司正在開發新的晶片，並正在探索遷移到16nm / 14nm甚至更遠的想法。

然而，許多公司都停留在28nm以上，因為他們無法承受先進節點的高昂IC設計成本。

為了滿足市場的潛在缺口，GlobalFoundries、英特爾、台積電和UMC正在開發新的22nm工藝。

22nm工藝的晶片比28nm更快，且開發成本較16nm / 14nm低。

然而，並非所有的22nm技術都是相似的。

例如，GlobalFoundries正在準備22納米FD-SOI技術。

台積電和UMC正在開發22納米大容量CMOS工藝。

而英特爾則採用了新的低功耗22nm finFET技術。

此處，代工客戶必須權衡各種選擇。

「這取決於你所處的位置。

」GlobalFoundries的Patton 說，「如果你專注於高性能，並且正在嘗試製造大型晶片，你就會看到finFET。

如果您正在尋求一種更小的晶片，需要平衡成本和功率，那麼您就可以沿著FD-SOI路徑走下去。

」

Bulk CMOS是另一種選擇。

UMC 正在開發用於RF、mm波和其他應用的22納米工藝。

UMC專業技術部門副總裁Raj Verma表示：「這提供了性能和成本的最佳組合。

」

不過，在可預見的未來，許多代工廠客戶仍將堅持使用28nm。

Gartner公司的Wang表示：「28nm級技術提供了速度、功率和成本的最佳組合。

28納米將繼續保持良好的需求，代工廠年收入可達100億美元。

」

那麼，22nm能起飛嗎?「是的，22nm是28nm的延伸。

」王表示，「它提供了更好的性能和密度。

」

200mm，專業熱潮

與此同時，在過去兩年里，由於對某些晶片的需求激增，IC行業經歷了200mm晶圓產能的嚴重短缺。

2018年，200mm的產能將保持緊張，預計300mm將遵循類似的路徑。

UMC的Ng說：「2018年將是200mm技術供應非常緊張的第三年。

隨著300mm技術能力開始跟進，我們將看到客戶採購戰略開始具有更重要的戰略意義。

」

一個典型的200mm晶圓廠每月產生大約40,000個晶圓。

一般來說，一個200mm的晶圓廠生產的晶片工藝從6微米到65納米不等。

Ng表示：「傳統MCU、功率分立器件、PMIC、指紋傳感器和顯示器驅動器仍然會消耗比現有容量更多的晶片。

」

總而言之，200mm產能將會持續一段時間，促使晶片製造商尋找新的創造性的方法來應對產能緊縮。

例如，晶片製造商已經將一些器件從200mm轉移到300mm工廠。

300mm晶圓廠已經生產出領先的晶片。

Ng表示：「300mm技術預計將會向更高的利用率邁進。

傳統的300mm工藝主要由電源管理，指紋傳感器和顯示驅動器IC等應用驅動，而更主流的300mm需求則由MCU，無線通信和存儲應用驅動。

」

在成熟節點上，代工廠提供例如模擬、雙極CMOS-DMOS（BCD）、MEMS、混合信號、電源管理和RF等特殊工藝。

如今，由於5G和汽車的出現，專業代工業務正在復興。

電力電子和無線網絡仍然是增長市場。

Ng表示：「受全球綠色電力和能源減少趨勢的驅動，UMC在BCD電源管理應用方面正在增長，這需要越來越多的完整、安全和可用的電源管理解決方案。

同時，汽車市場仍然是整體代工業務的一小部分，但該領域正在快速增長。

因此，代工廠正爭先恐後地加大在這方面的努力。

GlobalFoundries汽車副總裁Mark Granger表示：「過去幾年我們開始看到一個真正的拐點。

你可以開始看到車輛中的半導體含量開始增長。

隨著ADAS的加入，在過去的幾年確實出現了大幅增長。

」

一般來說，汽車行業將汽車分為五大主要領域：車身、連接性、融合/安全、信息娛樂和動力傳動。

在所有領域，晶圓廠都看到了晶片的需求。

一些領域的增長速度比其他領域快。

TowerJazz射頻/高性能模擬部門高級副總裁兼總經理Marco Racanelli表示：「在汽車行業，安全系統和動力傳動系統的電氣化正在推動專用半導體內容的發展。

」

代工廠商也在加緊推進先進的駕駛輔助系統（ADAS）和自動駕駛技術。

ADAS涉及汽車的各種安全功能，如自動緊急制動和車道檢測。

豪華車已經包含了許多ADAS功能。

行業的目標是將這些安全功能納入中級和入門級車型。

這將取決於成本，可能會需要一段時間。

儘管如此，全自動駕駛的出現還是需要幾年甚至幾十年時間。

除了汽車，5G是OEM、器件製造商和代工廠的另一個潛在的大市場。

5G是當前4G或LTE無線標準的後續產品。

它將使數據傳輸速率超過10Gbps，這是LTE的100倍。

如果5G起飛，這項技術將推動基礎設施和手機的新晶片的開發。

TowerJazz公司的Racanelli表示：「對更快和更多移動數據的需求，正推動著對超大規模數據中心和雲計算中心擴張的迫切需求，並將為手機的5G系統創造未來的機遇。

」

Racanelli說：「數據中心需要從電源管理到高速光纖前端的專業半導體晶片。

5G系統將推動RF前端更複雜，需要更多的RF-SOI開關，濾波器和放大器。

最後，5G包含28GHz頻段，我們的客戶和合作夥伴已經在先進的SiGe中創建了收發器，演示12Gb / s鏈路。

」

最大的問題是，5G是否會破壞環境，或達不到它的承諾。

UMC的Ng表示：「短期內，有關基礎設施將如何發展以支持目前定義的Wi-Fi和6GHz以下頻段的路由器和智慧型手機等產品的5G頻率尚且存在疑問。

長期關注的問題是，5G基礎設施部署何時開始，以及需要多長時間才能為普通公眾使用。

與此相關的是，利用5G技術的產品何時能夠獲得大眾市場的認可。

」

中國觀察

毋庸諱言，中國是代工廠的一大機遇。

中芯國際和其他中國代工廠繼續擴張。

然後，在跨地區方面，UMC已經在中國建立了一個新的300mm晶圓廠。

GlobalFoundries，TowerJazz和台積電正在中國建設新工廠。

晶圓代工不僅會為多國IC製造商生產晶片，而且為越來越多的國內無晶圓廠設計公司製造晶片。

據TrendForce稱，預計2017年中國的IC設計行業收入將增長22%。

根據研究公司的數據，2018年的增長率預計將保持在20%左右。

TrendForce研究總監Jeter Teo表示：「這一增長將歸功於物聯網市場，其中AI和5G解決方案將推動擴張的勢頭。

如用於指紋和面部識別的生物傳感器硬體，雙鏡頭攝像頭和AMOLED。

」

圖4：中國IC設計產業的發展。

來源：TrendForce

圖5：中國fab設計公司收入排名。

來源：TrendForce

雖然業界正密切關注中國的半導體行業，但也應該關注中國在應用領域的努力。

SEMI中國區總裁Lung Chu表示，中國正在追求5G、工業4.0、智能電網和其他技術。

Chu在最近的一次演講中說：「在某些領域，中國比世界其他地區發展速度更快。

」