14nm对决7nm:中芯国际比台积电差在哪里?

14nm对决7nm:中芯国际比台积电差在哪里?
2020年08月14日 17:58 格隆汇APP

作者:薛定谔的咸鱼

来源:唯芯派

近日,中芯国际公布了截至 2020 年 6 月 30 日未经审计的第二季度财报。财报中显示:

2020 年第二季的销售额为 938.5 百万美元,相较于 2020 年第一季的 904.9 百万美元增加 3.7%,相较于 2019 年第二季的 790.9 百万美元增加 18.7%。

2020 年第二季毛利为 248.6 百万美元,较 2020 年第一季的 233.6 百万美元增加 6.4%,较 2019 年第二季的 151.2 百万美元增加 64.5%。

2020 年第二季毛利率为 26.5%,相比 2020 年第一季为 25.8%,2019  年第二季为 19.1%。

从财报上看,中芯国际整体业绩的表现还是很优秀的。

28 纳米工艺的“黄金线”

随着半导体制造技术的进步,芯片制程越做越小,性能也在不断提升。但并非所有芯片设计公司都会选择最先进的半导体制造工艺。根据《2019 集成电路行业研究报告》中的数据显示,先进制程(28nm 及以下工艺)占据了 48% 的市场份额,而其它成熟工艺则占据了 52% 的市场份额。如果将 28nm 工艺也视作“成熟工艺”的话,成熟工艺的市场份额就更大了。可以说,成熟工艺才是业界的主流。

在谈 28 纳米工艺之前,先提一下 FinFET。FinFET(Fin Field-Effect Transistor)中文名为鳍式场效应晶体管,是一种新的互补式金氧半导体晶体管。FinFET 的命名是根据晶体管的形状与鱼鳍的相似性,中芯国际的 14nm 工艺就使用了这种结构。

▲FinFET 结构示意图

FinFET 结构的沟道区域是一个被栅极包裹的鱼鳍状半导体。从图上源极到漏极方向上鳍的长度为沟道长度。栅极采用了包裹式的结构,这样增强了栅的控制能力,对沟道提供了更好的电学控制,从而降低了漏电流,抑制短沟道效应。

通俗点说,如果把电流想象成水流,那么图上的鱼鳍状半导体就是一根水管,源极和漏极就是水管的进水口和出水口,而中间的栅极则是水管阀门。

对于晶体管来说让它导通电流比较简单,如何让它在关闭的时候还不漏电才是难点。所以 FinFET 结构就是把沟道区域做薄来抑制漏电,就像是把水管做薄之后,中间的阀门只要轻轻一夹就能把水管完全关闭。

传统的半导体制造技术很难制造 25 纳米以下的工艺,FinFET 结构就是为了解决这个问题而产生的。通常情况下制造 25 纳米以下的工艺需要 FinFET、FD-SOI 或者其它更先进的技术。

使用 FinFET 可以让芯片的性能变得更好,那么对于没有使用 FinFET 结构的 28nm 工艺和使用了 FinFET 的 14nm 工艺对比,是不是 28nm 工艺就不太好呢?

这要看评价角度了,评价一种半导体制造工艺的好坏并不能单单看性能、功耗。

▲数据来自《集成电路设计业的发展思路和政策建议》

根据《集成电路设计业的发展思路和政策建议》中的数据,14nm 工艺开发成本远远超过 28nm 工艺。如果从成本角度看,使用了 FinFET 的  14nm 工艺在成本方面体现出了明显的劣势。

更何况不是所有的芯片都像 CPU、GPU 那样需要极高的性能,很多芯片只是能够实现特定的功能就可以了,由此看来 28 纳米工艺是一款极具“性价比”的工艺。如果一个芯片项目对于性能有一定要求但不是很高,并且需要控制成本。那么对于这类芯片来说,28 纳米工艺目前是一个非常好的“妥协点”。

7 纳米工艺的“高端圈子”

以台积电 7nm 工艺为例,台积电的 7nm 工艺分为第一代 7nm 工艺(N7)、第二代 7nm工艺(N7P)、7nm EUV(N7+)。其中 N7 和  N7P 使用的是 DUV 光刻,但为了用 DUV 制作 7nm 工艺,它还使用了例如沉浸式光刻、多重曝光等技术。而 N7+ 则直接使用了 EUV 光刻。所以说这三种 7nm 工艺虽然在性能、功耗等方面表现优异,但成本都十分高昂。通常像华为、苹果、AMD 这样的大厂才会使用。

▲数据来自台积电

可以从数据中看出手机芯片和高性能计算芯片(例如 CPU、GPU)一直在台积电收入中占据了过半的比重。

电脑芯片对于性能有着较高的要求,所以电脑芯片设计厂商更倾向于使用“高端”工艺。而对于手机芯片来说,除了性能,功耗也是十分重要的参数。特别是在当今电池技术发展缓慢的情况下,降低手机芯片的功耗可以大大提高手机的续航能力。因此手机芯片厂商也十分愿意追捧“高端”工艺。

夹缝中的中芯国际

14纳米工艺

对于中芯国际 14nm 工艺来说,向上有性能压制的 7nm 工艺,向下又有性价比极高的 28nm 工艺,这种情况对于中芯国际的 14nm 工艺来说并不太友好。

▲数据来自中芯国际

在今年第一季度的财报中,中芯国际 14nm 工艺收入占比仅为 1.3%,这种情况并不算太理想。

▲数据来自中芯国际

而在今年第二季度的财报中,中芯国际干脆没有公示 14nm 工艺的收入占比,仅公示了 14/28nm 的占比数据。

▲图片截取自中芯国际官网

虽说过去确实有人将 14nm 工艺和 28nm 工艺都算作先进工艺,但在中芯国际官网上明确的将 14nm 工艺列为先进逻辑技术,而将 28nm 工艺列为成熟逻辑技术。更何况中芯国际之前的财报都是将 14nm 工艺和 28nm 工艺占比分开统计,现在却将一种“先进逻辑技术”和一种“成熟逻辑技术”强行放在一起统计,这种举动显然有些奇怪。不免会让人认为中芯国际有意隐藏 14nm 工艺占比数据,或者是让 14nm 工艺的占比数据更好看一些。

从目前的数据看,中芯国际 14nm 工艺的占比在非常缓慢的爬升,而且会在未来相当长的一段时间内依旧保持一种较低的占比,短期内无法成为盈利支柱。比起 14nm,自家的 28nm 工艺收入占比更高,而且爬升速度更快,这种性价比更高的成熟工艺更容易盈利。

“迟到工艺”的窘境

▲数据来自各公司公开信息

从表格中可以看出,不少芯片制造厂商集中在 2015 年推出 14nm 工艺,业界标杆的台积电也是在 2015 年推出了水平与业界 14nm 工艺相似的 16nm 工艺。在那时候 14/16nm 工艺是业界顶级工艺,各大芯片设计厂商纷纷追捧。

▲数据来自台积电

以台积电的数据为例,其16nm工艺的收入占比在以很快的速度下滑,而7nm工艺的占比则在快速提升。由此可见14/16nm工艺的市场火热程度已大不如前。

在2019年的时候中芯国际才推出14nm工艺,但此时业界顶级工艺已经开始向7nm工艺过渡。

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