造不出华为设计的芯片,来看看中芯国际与台积电的差距有多大

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因美国加大制裁,台积电9月15日之后已无法继续代工生产华为麒麟芯片,意味着华为麒麟芯片已经绝产!任正非直言,华为今天遇到的困难,是设计的先进芯片,国内的基础工业还造不出来。

芯片制造需要依赖什么样的基础工业?芯片制造的流程有哪些?制造一颗芯片有多难?国内芯片生产技术跟国际龙头差多少?这篇文章就从上面几个方面论述。

开始之前,有几个专业名词需要解释:

1,芯片是什么?芯片(Chip),又称IC(Integrated Circuit),即集成电路,是一种微型电子器件或部件。采用半导体制造工艺,把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及它们之间的连接导线全部制作在一小块半导体晶片如硅片或介质基片上,然后焊接封装在一个管壳内,成为具有所需电路功能的电子器件。

2,晶圆是什么?晶圆是指制造集成电路芯片的衬底(也叫基片)。由于是晶体材料,其形状为圆形,所以称为晶圆。按其直径主要分为4英寸、5英寸、6英寸、8英寸、12英寸等规格。

3,制程技术节点是什么意思?集成电路制造过程中,以晶体管最小线宽尺寸为代表的技术工艺,尺寸越小,工艺水平越高,意味着在同样面积的晶圆上,可以制造出更多的芯片,或者同样晶体管规模的芯片会占用更小的空间。

4,芯片布图是什么?芯片布图又称版图设计,是集成电路设计过程的一个工作步骤,是指将前端设计产生的电路图或门级网表通过EDA设计工具进行布局布线和进行物理验证并最终产生供制造用的GDSII数据的过程。

5,EDA又是什么?EDA——Electronic Design Automation的简称,EDA工具指电子设计自动化,是 IC电子行业必备的设计工具软件,是从计算机辅助设计、计算机辅助制造、计算机辅助测试和计算机辅助工程的概念发展而来的。以计算机为工具,设计者在EDA软件平台上,将芯片从电路设计、性能分析到设计出IC版图的整个过程都交由计算机自动处理完成。

6,摩尔定律又是什么?由英特尔创始人之一戈登·摩尔提出来的,其内容为:当价格不变时,集成电路设计技术每18~24个月就更新换代一次,即芯片上可容纳的晶体管数目每隔约18~24个月便会增加一倍,性能也提升一倍。摩尔定律并非数学、物理定律,而是对发展趋势的一种分析预测。

芯片制造的工艺流程是什么样的?

芯片制造,是指以8英寸或12英寸的晶圆为原材料,借助载有电路信息的光掩模,运用光刻和刻蚀等工艺流程,将客户要求的电路布图集成于晶圆上。

上述过程中,晶圆经过光刻和刻蚀等工艺流程的多次循环,逐层集成,并经离子注入、退火、扩散、化学气相沉积、物理气相沉积、化学机械研磨等流程,最终在晶圆上实现特定的集成电路结构。

主要流程如下图:

芯片制造流程

1,晶圆清洗、热氧化。

晶圆的清洗是指通过将晶圆沉浸在不同的清洗药剂内或通过喷头将调配好的清洗液药剂喷射于晶圆表面进行清洗,再通过超纯水进行二次清洗,以去除晶圆表面的杂质颗粒和残留物,确保后续工艺步骤的准确进行。

晶圆的热氧化是指在800℃~1150℃的高温下,用热氧化方法在其表面形成二氧化硅薄膜。

2,光刻。

光刻的主要环节包括涂胶、曝光与显影

涂胶是指通过旋转晶圆的方式在晶圆上形成一层光刻胶。

曝光是指先将光掩模上的图形与晶圆上的图形对准,然后用特定的光照射。光能激活光刻胶中的光敏成分,从而将光掩模上的电路图形转移到光刻胶上。

显影是用显影液溶解曝光后光刻胶中的可溶解部分,将光掩模上的图形准确地用晶圆上的光刻胶图形显现出来。

3、刻蚀。

刻蚀主要分为干法刻蚀和湿法刻蚀,指未被光刻胶覆盖的材料被选择性去除的过程。干法刻蚀主要利用等离子体对特定物质进行刻蚀。湿法刻蚀主要通过液态化学品对特定物质进行刻蚀。

4、离子注入、退火

离子注入是指将硼、磷、砷等离子束加速到一定能量,然后注入晶圆材料的表层内,以改变材料表层物质特性的工艺。

退火是指将晶圆放置于较高温度的环境中,使得晶圆表面或内部的微观结构发生变化,以达到特定性能的工艺。

5、扩散。

扩散是指在高温环境下通过让杂质离子从较高浓度区域向较低浓度区域的转移,在晶圆内掺入一定量的杂质离子,改变和控制晶圆内杂质的类型、浓度和分布,从而改变晶圆表面的电导率。

6、化学气相沉积。

化学气相沉积是指不同分压的多种气相状态反应物在一定温度和气压下在衬底表面上进行化学反应,生成的固态物质沉积在晶圆表面,从而获得所需薄膜的工艺技术。

7、物理气相沉积

物理气相沉积是指采用物理方法,如真空蒸发、溅射镀膜、离子体镀膜和分子束外延等,在晶圆表面形成金属薄膜的技术。

8、化学机械研磨

化学机械研磨是指同时利用机械力的摩擦原理及化学反应,借助研磨颗粒,以机械摩擦的方式,将物质从晶圆表面逐层剥离以实现晶圆表面的平坦化。

9、晶圆检测

晶圆检测是指用探针对生产加工完成后的晶圆产品上的集成电路或半导体元器件功能进行测试,验证是否符合产品规格。

10、包装入库

包装入库是指对检测通过的生产加工完成后的晶圆进行真空包装入库。

总之,芯片制造,属于高技术密集型行业,涉及数十种科学技术及工程领域学科知识的综合应用,具有工艺技术迭代快、资金投入大、研发周期长等特点。

同时 ,芯片制造行业亦属于人才密集型行业。集成电路晶圆代工涉及上千道工艺、数十门专业学科知识的融合,需要相关人才具备扎实的专业知识和长期的技术沉淀。同时,各环节的工艺配合和误差控制要求极高,需要相关人才具备很强的综合能力和经验积累。

为什么台积电越来越牛逼?而其他企业很难追赶上?

华为麒麟芯片的代工企业是台积电,苹果A14芯片的代工企业也是台积电。全世界最好的芯片都是台积电生产的,台积电为什么这么牛?

台积电,台湾积体电路制造股份有限公司成立于1987年,总部位于中国台湾,于1994年在台湾证券交易所上市(股票代码:2330.TW),于1997年10月在纽交所上市(股票代码:TSM.NYSE)。

根据IC Insights(芯片行业国际知名研究机构)公布的2018年全球纯晶圆代工行业排名,台积电位居全球第1位,市场占有率高达60%。

集成电路晶圆代工先进工艺一般一到三年往前推进一代,台积电在2015年量产16纳米/14纳米,2016年量产10纳米,2018年量产7纳米,2020年量产5纳米。

而大陆被寄予厚望的是中芯国际,在2020年才量产14纳米。

中芯国际是大陆技术最先进、规模最大、配套服务最完善、跨国经营的晶圆代工企业,提供0.35微米到14纳米多种技术节点、不同工艺平台的集成电路晶圆代工及配套服务。中芯国际是中国大陆第一家实现14纳米FinFET量产的集成电路晶圆代工企业,代表中国大陆自主研发集成电路制造技术的最先进水平。

下图是IC Insights 公布的2018年纯晶圆代工行业全球市场销售额排名。中芯国际占全球纯晶圆代工市场份额的6%,位居全球第四位。

全球晶圆代工企业市场份额榜单

根据IC Insights公布的2018年纯晶圆代工行业中国市场销售额排名,中芯国际占中国纯晶圆代工市场份额的18%,在中国大陆企业中排名第一。

中国市场晶圆代工企业份额榜单

简单对比:

台积电,2019年收入2466亿元,净利润816亿元,毛利率46%。研发投入211亿。

中芯国际,2019年收入只有220亿元,净利润13亿元,毛利率13.21%。研发投入47亿。

2019年,台积电的收入相当于11.2个中芯国际,净利润相当于62.7个中芯国际,研发投入相当于4.5个中芯国际。

晶圆代工企业经营情况

在集成电路晶圆代工领域,关键技术节点的量产能力是衡量企业技术实力的重要标准之一。全球晶圆代工企业在关键技术节点的量产时间对比如下:

不管是市场份额还是技术水平上,台积电都是遥遥领先,一骑绝尘。全世界最先进的集成电路制造工艺都是台积电引领的。2020年,台积电5纳米已经实现量产,苹果A14,麒麟9000都是由台积电5纳米工艺制造。

在摩尔定律的推动下,元器件集成度的大幅提高要求集成电路线宽不断缩小,导致生产技术与制造工序愈为复杂,制造成本呈指数级上升趋势。

当技术节点向5纳米甚至更小的方向升级时,普通光刻机受其波长的限制,其精度已无法满足工艺要求。因此,集成电路的制造需要采用昂贵的极紫外光刻机,或采用多重模板工艺,重复多次薄膜沉积和刻蚀工序以实现更小的线宽,使得薄膜沉积和刻蚀次数显著增加,意味着集成电路制造企业需要投入更多且更先进的光刻机、刻蚀设备和薄膜沉积设备等,造成巨额的设备投入。

各大晶圆代工企业研发投入

台积电2019年研发投入211亿元,而中芯国际研发投入仅为47亿元。

根据IBS统计,随着技术节点的不断缩小,集成电路制造的设备投入呈大幅上升的趋势。以5纳米技术节点为例,其投资成本高达数百亿美元是14纳米的两倍以上,28纳米的四倍左右。

这就是为什么芯片制造技术要想再进一步为什么这么难。龙头企业占据优势,将持续领先到底。

巨额的设备投入只有具备一定规模的头部集成电路制造厂商可以负担,其进一步加剧了集成电路制造行业向头部集中的趋势,为头部集成电路制造企业的发展创造了良好机遇。

大陆芯片制造技术突破的难点

集成电路产业链包括核心产业链、支撑产业链以及需求产业链。核心产业链包括集成电路设计、制造和封装测试;支撑产业链包括集成电路材料、设备、EDA、IP核等;需求产业链包括通讯产品领域、消费电子领域、计算类芯片领域、汽车/工业领域及其他领域。

我们大陆企业长于设计,尤其是出现了华为麒麟这种世界领先的芯片设计公司。

我们的封装测试行业也很厉害,因为这部分业务技术含量比较低,属于劳动密集型企业。

除此之外,我们大陆企业在制造、材料、设备、EDA、IP核领域的先进技术,都依赖国外,都仰人鼻息。

大陆芯片制造技术突破的难点在于:

1,与国际顶尖技术水平仍有一定差距

中国大陆集成电路企业在顶尖技术积累方面与业界龙头企业存在一定差距。尽管政府和企业愈发重视对集成电路产业的研发投入,但由于技术发展水平、人才培养等方面的滞后性,以及企业资金实力不足等诸多原因,中国大陆集成电路产业的研发力量薄弱、自主创新能力不足的状况依然存在。

就集成电路晶圆代工行业而言,在先进工艺线宽这一关键指标上,中国大陆企业在生产设备和技术人才等方面与业界龙头企业还存在一定差距。在集成电路行业面临全球范围内充分竞争的背景下,中国大陆企业在与业界龙头企业竞争的过程中仍会在未来一段时间内处于相对弱势的地位。

2,高端专业技术人才不足

集成电路晶圆代工行业属于技术和人才密集型行业。相对于发展成熟的美国、日本、欧洲和中国台湾等,中国大陆因产业发展起步晚,导致经验丰富的集成电路高端人才稀缺。尽管近年来国家对高端专业人才的培养力度逐步加大,但人才匮乏的情况依然存在,已成为当前制约行业发展的主要因素。

3,资金实力不足

集成电路行业,尤其是集成电路晶圆代工行业,从前期设备的投入,工艺的研发到人才梯队的培养,都需要大量的资金投入。对于动辄数十亿甚至上百亿美元生产线的投入,大多数企业的资金实力无法满足大规模扩产的需求。

最后,华为之不幸,希望国产芯片产业能够痛定思痛,发挥拓荒精神,实现真正的自主可控。

被人卡脖子真的很痛苦,尤其是对一个国家来说!

本文源自头条号:投资的逻辑与认知

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