28nm製程還能興盛多久？

12月11日，華虹集團旗下的12英寸晶圓代工廠上海華力與聯發科共同宣布：基於上海華力28nm低功耗工藝平台的一顆無線通訊數據處理晶片成功進入量產階段。

至此，除了中芯國際之外，又有一家大陸晶圓代工廠具備了28nm製程的量產能力。

隨著研發難度和生產工序的增加，IC製程演進的性價比提升趨於停滯，造成了「28nm長製程」的現象。

20nm和16/14nm製程的成本一度高於28nm，這是摩爾定律運行60多年來首次遇到製程縮小但成本不降反升的問題。

由於性價比提升一直以來都被視為摩爾定律的核心意義，所以20nm以下製程的成本上升問題一度被認為是摩爾定律開始失效的標誌，而28nm作為最具性價比的製程工藝則被認為將長期活躍於市場。

成本優勢

在設計成本不斷上升的情況下，只有少數客戶能負擔得起轉向高級節點的費用。

據Gartner統計，16nm /14nm晶片的平均IC設計成本約為8000萬美元，而28nm體矽製程器件約為3000萬美元，設計7nm晶片則需要2.71億美元。

IBS的數據顯示：28nm體矽器件的設計成本大致在5130萬美元左右，而7nm晶片需要2.98億美元。

對於多數客戶而言，轉向16nm/14nm的FinFET製程太昂貴了。

就單位晶片成本而言，28nm優勢明顯，將保持較長生命周期。

一方面，相較於40nm及更落後製程，28nm工藝在頻率調節、功耗控制、散熱管理和尺寸壓縮方面具有顯著的優勢。

另一方面，由於20nm及更先進位程採用FinFET技術，維持高參數良率以及低缺陷密度難度加大，每個邏輯閘的成本都要高於28nm製程。

28nm工藝處於32nm和22nm之間，業界在更早的45nm階段引入了high-k值絕緣層/金屬柵極（HKMG）工藝，在32nm處引入了第二代 high-k 絕緣層/金屬柵工藝，這些為28nm的逐步成熟打下了基礎。

而在之後的先進工藝方面，從22nm開始採用FinFET（鰭式場效應電晶體）等。

可見，28nm正好處於製程過渡的關鍵點上，這也是其性價比高的一個重要原因所在。

雖然高端市場會被 7nm、10nm以及14nm/16nm工藝占據，但40nm、28nm等並不會退出。

如28nm~16nm工藝現在仍然是台積電的營收主力，中芯國際則在持續提高28nm良率。

2015~2016年，28nm工藝主要用於手機應用處理器和基帶，同時，機頂盒和數位電視等市場需求不斷提升，預計2019~2020年，28nm工藝將滲透到混合信號產品和ISP晶片領域， 不斷湧現的新應用將促使28nm製程保持較長的時間窗口。

據IBS估算，2014年全球28nm晶圓需求量為291萬片，2018年將增至430萬片，預計2024年將緩減至351萬片。

群雄爭霸28nm

目前，行業內的晶圓代工企業主要包括以下幾家：台積電，GF（格芯），聯電（UMC），三星，中芯國際（SMIC），華虹，TowerJazz，力晶和世界先進等，另外，IDM大廠Intel和ST也會提供一些晶圓代工業務。

然而，在這些廠商中，TowerJazz，力晶和世界先進等代工廠主要面向8英寸晶圓的特種工藝，最高水平的製程也就是90nm，幾乎不涉及28nm製程業務（即使有，市占率也很少，不足3%）。

下圖為世界先進的製程概況。

此外，Intel的製造水平雖然很高，但其主要製造邏輯和存儲IC，工藝一般都很先進，所以涉及28nm製程有限。

因此，行業內的28nm製程主要在台積電，GF，聯電，三星和中芯國際這5家之間競爭，另外就是剛剛宣布量產聯發科28nm晶片的華虹旗下的華力微電子。

下面看一下各家導入28nm製程的時間點。

台積電於2011年開始導入28nm製程量產，並在2012年攻克了28nm HKMG製程，三星則是在2012年實現了28nm的量產，並於2013年導入了 28nm HKMG，而GF和UMC稍晚一些，於2013年開始量產，中芯國際則是在2015年開始導入28nm製程量產的，並於今年8月宣布完成28nm HKMG的研發。

台積電

台積電的28nm製程在2011年投入量產後，營收占比只用了一年時間就從2%爬升到了22%，迅速擴張的先進產能幫助台積電在每一個先進位程節點都能搶占客戶資源、擴大先發優勢，並使其產能結構明顯優於同業競爭對手，用更高的產品附加值帶來了更高的毛利率。

28nm製程是台積電的核心業務，製程良率在90%以上，28nm製程營收占其總營收的比例為：2016年時26%，2017和2018年都是23%，這個比例僅次於其同期16/20nm製程的28%，25%和25%，是該公司的第二大業務版塊。

中芯國際

作為中國大陸第一家製程工藝達到28納米，並且同時提供28納米PolySiON(多晶矽)、28納米HKMG工藝的晶圓代工企業，中芯國際在國內有多個工廠，而其28納米製程產品主要在位於北京的兩座中芯北方工廠生產，分別是FAB B2和FAB B3，尤以FAB B3為主力產線。

該公司28nm製程的收入貢獻從2016年的1.6%增至2017年的8.0%，2018年Q3 略降至 7.1%，主要原因在於其28nm以較為低端的 PolySion 工藝為主，HKMG 產能及良率尚不高，同時，全球28nm產能目前處於過剩狀況。

中芯國際28nm HKMG 的升級工藝 HKC+，對標台積電的28nm HPC+，該工藝可以顯著提升性能、降低功耗，有望開拓部分智慧型手機及物聯網應用市場。

中芯國際第二代HKMG，即HKC+預計於2019上半年量產，有望拉動28nm收入回升。

此外，該公司的14nm FinFET已於近期開始導入客戶，預計2019下半年量產。

對於中芯國際來說，28nm屬於先進位程，表面上看其占比提升應該會提高該公司晶圓的出廠均價。

但實際情況確是晶圓的出廠均價從2016年末的743美元/片（8英寸約當晶圓）逐季下跌至2017年末的700美元/片（8英寸約當晶圓），全年跌幅達 5.8%。

在中芯國際的 4Q17 電話會議上，CEO趙海軍表示：競爭對手的28nm已經是成熟製程，可以憑藉折舊周期以及良率優勢進行高強度的價格競爭。

目前28nm產品的價格對中芯國際的壓力非常大，導致這部分產品的產能爬坡過程給總體毛利率帶來很大挑戰，公司目前對於 28nm的擴產事宜採取謹慎態度。

聯電

對於重點發展特殊工藝的聯電來說，28nm是其重點業務版塊，為此，該公司還放棄了14nm以下先進位程的研發工作。

對於目前市場上28nm產能有些過剩，使得各代工廠在這個節點上面臨的挑戰逐年增加這一問題，聯電總經理簡山傑先生表示：「我們的28nm poly產能是滿載的，而28nm HKMG還有些空餘。

過去，28nm HKMG主要用於手機的基帶和AP晶片製造，而隨著先進位程的逐步成熟，如14nm、10nm，以及最新的7nm工藝，手機處理器都在向這些製程上轉，這就導致28nm HKMG產能利用率下降。

一種解決方法就是將更多中小客戶的需要引入到28nm HKMG上來，當然，這需要一定的時間積累。

這方面，UMC目前都20多產品在這條線上，而且量在穩步增加，」

據悉，UMC的28nm HPC+工藝已經就緒，這樣，新的客戶會不斷補充進來，以提升產能利用率。

另外，在特殊工藝方面，LCD Driver IC、OLED Driver IC量很大，多數採用的是80nm、40nm工藝，在此基礎上，UMC準備將這些IC製造導入到28nm上來。

另外，在MCU的特殊工藝方面，UMC也在持續發展，總的來說，就是希望28nm產線的內容更加多樣化，產能利用率更高。

近期，某歐系外資機構在聯電最近的財報會後發布了研究報告，指出聯電財報顯示其第四季業績展望遜於預期，28nm因市場新產能開出，會使明年出現供過於求的態勢，聯電營運的壓力正在加大。

報告進一步指出，預期聯電與其他晶圓代工廠將在2019年面臨產能利用率和利潤率下行的壓力，這主要源於缺乏在先進位程上的突破點、消費類/汽車/PC等需求放緩，以及加密貨幣ASIC客戶從28/14nm轉向台積電7nm製程等挑戰。

SOI的崛起

近幾年，SOI工藝快速崛起，這在很大程度上得益於格芯（GF）的大力推動。

業內關於FD-SOI與FinFET工藝的優劣歷來各執一詞，儘管或許FinFET目前在高密集運算（能耗大，比較熱）占據上風，但FD-SOI卻在低功耗，防輻射，低軟錯誤率，耐高溫和EMC，和車載可靠性方面有著無可比擬的優勢。

目前採用FinFET工藝的主要有英特爾、台積電、中芯國際、聯電等，而IBM、意法半導體、三星、高塔半導體、格芯等卻是FD-SOI工藝的忠實擁躉。

業內人士普遍認為，對於SOI工藝來說，28nm製程更具優勢，可以撐很久，而且當工藝再往前演進時，SOI會越來越有優勢。

28nm算是一個分界點。

到了這個節點，工藝可以很輕鬆的轉換到SOI，而且目前有越來越多的EDA工具支持這種轉變。

在製程方面，Globalfoundries採取雙路線圖方案，即SOI與FinFET，但該公司更看重特種工藝的研發工作，為此，它們於今年夏天宣布放棄12nm以下先進位程的研發工作。

在FD SOI方面，該公司在與三星的28nm FD SOI工藝進行競爭，而後者今年推出了新的18nm FD SOI。

對此，Globalfoundries表示，我們很高興看到三星也參與其中，這有助於讓更多的人進入該市場。

三星是FD-SOI的重要推動力量。

由於摩爾定律發展到28nm工藝節點的時候，出現了不同以往的情況，即從28nm開始，再向更高節點發展，如20、16、14、10、7nm等，集成電路中每個電晶體的成本不再下降，而是上升。

三星認為28nm工藝更適合物聯網（IoT）在成本、功耗和性能方面的要求，特別是MCU和傳感器產品。

因此，三星LSI推出了「28FDS」技術和產品，並於2016年開始量產。

三星Foundry業務部門的發展路徑主要分為兩條，從28nm節點開始，一條是按照摩爾定律繼續向下發展，不斷提升FinFET的工藝節點，從14nm到目前的7nm，進而轉向下一步的5nm和3nm.

另一條線路就是FD-SOI工藝，該公司還利用其在存儲器製造方面的技術和規模優勢，著力打造eMRAM，以滿足未來市場的需求。

實際上，三星在MRAM研發方面算是起步較早的廠商，2002年就開始了這項工作，並於2005年開始進行STT-MRAM的研發，之後不斷演進，到了2014年，生產出了8Mb的eMRAM。

三星28FDSOI嵌入式NVM分兩個階段。

第一個是2017年底之前的電子貨幣風險生產，第二個是2018年底之前的eMRAM風險生產。

然而，提供28nm嵌入式非易失性存儲器具有挑戰性。

普遍的觀點認為，將快閃記憶體轉換為28nm是不現實的，MRAM，相變存儲器（PCM）和電阻性RAM（ReRAM）等其他選項缺乏工程成熟度。

而eFlash的問題包括28nm的耐用性和功耗方面的困難。

三星於2017年研製出了業界第一款採用28FDS工藝的eMRAM測試晶片。

另外，據三星Foundry業務總經理ES Jung介紹，該公司已經不像2016年那樣，只是固守在28FDS，而是開始向18FDS（18nm的FD-SOI）進發。

看來，三星對SOI的樂觀程度有增無減，估計很快會看到更新的SOI產品推出。

Globalfoundries一直關注嵌入式MRAM，但其他公司正在提供替代品，例如，三星在其28nm FDSOI上提供嵌入式MRAM和快閃記憶體選項，意法半導體（STMicroelectronics）已選擇28nm FDSOI上的相變存儲器（PCM），並實現了汽車應用的高端微控制器出樣。

還能興盛多久？

28nm雖然是個很不錯的高性價比製程，但各代工企業在該節點處的競爭愈發激烈，除了台積電、聯電、、三星、格芯及中芯國際之外，眼下華虹也加入了戰團。

由於台積電技術突破最早，目前憑藉較小的折舊壓力打低價戰來獲得更多的市場份額，加上整個製程擴產相對激進，供大於求，給其它幾家廠商的毛利率帶來很大壓力。

對於這樣的市況，國泰君安證券分析師王聰認為：先進位程的性能和功耗逐代優化幅度並未減小，客戶依然願意支付更高價格來使用最新製程工藝生產高附加值產品。

對先進位程最敏感的當屬手機處理器領域，蘋果、高通、三星、華為海思、聯發科等SoC大廠之間在性能上的競爭非常激烈，一旦落後一代就會產生20%~40%的綜合性能差距，這在更迭迅速的消費電子市場是不可接受的。

因此，手機處理器廠商都是頂尖製程的忠實客戶，不惜花費重金爭奪最先進位程的產能。

客戶對於先進產能的旺盛需求在最新製程的產能爬坡速度上有很直觀的體現。

以第一梯隊的台積電為例，雖然每一代製程的推出間隔正在逐步放緩，例如：45nm到28nm之間相隔9個季度，28nm到16/20nm之間相隔11個季度，16/20nm到10nm之間相隔12個季度，但從65nm以後的歷次新製程產能爬坡情況來看，新製程量產後的擴產和替代速度正在迅速加快：40/45nm製程的產能占比從0提升到20%耗時9個季度，28nm製程耗時7個季度， 16/20nm製程耗時5個季度，而10nm製程只耗時3個季度。

那麼在自身產能過剩，以及先進位程量產速度不斷加快的雙重壓力下，28nm製程在未來幾年的市況和命運走向如何呢？拭目以待吧。