赛迪顾问发布《中国IC 28纳米工艺制程发展》白皮书
“联合创新”模式助力工艺创新与演进

虽然半导体晶圆制造工艺在摩尔定律的指导下不断向前演进，世界上最先进的量产技术已经达到14纳米，IBM更是与格罗方德于近日共同研制出第一款采用7纳米的处理器。但是必须承认，目前市场上需求量最大、竞争最激烈的工艺节点仍是28纳米。日前，国内最大的晶圆代工厂中芯国际与高通合作，在28纳米量产上取得突破，不仅保持了追赶国际先进工艺水平的势头，为公司持续赢利奠定基础;其在技术研发过程中所采取的联合创新模式也为中国IC产业发展做出了有益探索。

28纳米是一个关键节点

近日，赛迪顾问发布了“《中国IC 28纳米工艺制程发展》白皮书”(以下简称《白皮书》，指出28纳米将是目前阶段以及未来很长一段时间晶圆制造市场的关键工艺节点。对此，赛迪顾问总裁李树翀指出：“根据国际半导体工艺演进路线图，40纳米、32纳米、28纳米、22纳米等都是工艺进步的节点。然而，产业界从40纳米向下演进时，中间经 32纳米却很快跳跃到28纳米。因为当工艺演进到32纳米时，使用基本相同的光刻设备可以延伸缩小到28纳米。在成本几乎相同的情况下，使用28纳米工艺制程可以给产品带来更加良好的性能优势。与40纳米工艺相比，28纳米栅密度更高，晶体管的速度提升了大约50%%，而每次开关时的能耗则减小了50%%。”

半导体专家莫大康做出过同样的表述。“28nm制程可以认为是半导体业的拐点。因为以前半导体业界惯常的凭电路线宽缩小推动产业进步的方法到此发生了重大变化，通常每两年前进一个工艺节点可以减少制造成本约50%%的法则，到28nm时已经减缓。反映出产业向更小尺寸的动力己不如从前。”莫大康说。

这些年来，台积电能够稳坐国际代工龙头，率先量产28纳米工艺，并保证高成品率有着莫大的关系。台积电于2011年第四季度28nm量产启步，最高峰时占据全球28纳米市场的80%%。根据Gartner数据，2014年的全球代工销售额470亿美元，台积电以251亿美元占53%%，增长达25.2%%。另据业界有人估计全球代工业中28纳米订单其中80%%落入台积电手中，而代工80%%以上的总利润由它独家享用。

28纳米之所以如此重要，。从工艺角度看，与40纳米工艺相比，28纳米栅密度更高、晶体管的速度提升了大约50%%，而每次开关时的能耗则减小了50%%。此外，目前28纳米采用的是193纳米的浸液式方法，当尺寸缩小到22纳米/20纳米时，传统的光刻技术已无能为力，必须采用辅助的两次图形曝光技术。然而这样会增加掩膜工艺次数，从而致使成本增加和工艺循环周期扩大。这就造成了20纳米/22纳米无论从设计还是生产成本上一直无法实现很好的控制，其成本约为28纳米工艺成本的1.5倍到2倍。

从市场需求角度看，随着28纳米工艺技术的成熟，28纳米工艺产品市场需求量呈现爆发式增长态势——从2012年的91.3万片到2014年的294.5万片，年复合增长率高达79.6%%，并且这种高增长态势将持续到2017年。白皮书还表示，因为成本等综合原因，14纳米/16纳米不会迅速成为主流工艺，因此，28纳米工艺将会在未来很长一段时间内作为高端主流的工艺节点。

中国量产28纳米影响深远

今年，中国企业在28纳米工艺上已经取得了重大进展。中芯国际CEO邱慈云表示：“中芯国际代工制造的、采用28纳米工艺制程的高通骁龙410处理器已经成功应用于主流智能手机，这是28纳米核心芯片实现商业化应用的重要一步。中芯国际在北京厂二期规划了3.5万片/月12英寸晶圆的产能，预计3年左右能够达产。”

《白皮书》提供的资料显示，28纳米主要包括两条工艺路线：多晶硅(PolySiON)和高介电常数金属闸极(HKMG)。中芯国际首先量产的将是PolySiN工艺，下一步集中在HKMG工艺。此外，上海华力微电子2014年12月宣布与联发科技在28纳米工艺技术和晶圆制造服务方面紧密合作，主要集中在移动通信处理器领域。

中国企业实现28纳米量产突破，其中的意义不仅是在工艺路线图上取得又一个进步，更重要的在于其商业价值与产业意义。“28纳米工艺技术因其性价比高、应用领域广泛，预计还将持续4年到5年。又因为成本原因，14纳米/16纳米不会迅速成为主流工艺，因此，28纳米工艺将会在未来很长一段时间内作为高端主流的工艺节点。考虑到中国物联网应用领域巨大的市场需求，28纳米工艺技术预计在中国将持续更长时间(6年至7年)。2015年到2016年，28纳米工艺主要应用领域仍然为手机应用处理器和基带。2017之后，28纳米工艺虽然在手机领域的应用有所下降，但在其他多个领域则迅速增加，如OTT盒子和智能电视等。预计2019年到2020年，混合信号产品和图像传感器芯片也将会规模采用28纳米工艺。”李树翀表示。

而商业上的成功以及盈利，将使企业有更多资源投入到下一代技术的研发上，使技术进步得以持续。事实上，中芯国际正在做14纳米工艺的开发。今年6月成立的中芯国际新技术研发公司以量产技术为目标，前期就引入了国际领先的产业链上的合作伙伴，如IMEC，它在几年前已经完成14纳米的研发技术，高通、华为都是世界领先的设计公司。“我们也一直在持续开发和FinFET晶体管验证。中芯国际在14 纳米FinFET专利拥有数量已达全球十强，在中国处于领先地位。”邱慈云说。

联合创新成重要发展模式

《白皮书》在分析中芯国际与高通在28纳米上的合作，中芯国际与IMEC、高通、华为在14纳米技术开发上展开合作的基础上指出，联合创新将开启IC产业发展新模式。这种模式可在实现分工的基础上合作，在合作的基础上分工;联合创新模式中，各种领域内有所长的企业，彼此以深度伙伴关系合作的形式，达到各环节的有效垂直整合。

根据李树翀的介绍，目前半导体行业内的发展模式大致可以分成三种：IDM模式，即从设计、到制造、封装测试以及投向市场全包的运营方式。代表企业有三星、英特尔、德州仪器等。优点是内部资源整合能力强、利润高、技术领先等，但维持整个产业链运转的投入非常大，高投入会使IDM厂商无暇顾及技术创新，产业链上的多环节也会分散投入的研发资源，不利于技术创新。此外还存在产能和市场难以匹配等问题。”

而随着行业分工的逐渐深入，半导体业形成了专业的IP(知识产权)核、无生产线的IC设计(Fabless)、晶圆代工(Foundry)及封装测试(Package & Testing)厂商。这是行业分工模式。该模式的最大优点是灵活性强。然而，当前IC的工艺正接近物理极限，诸多技术挑战的突破需要产业链各环节的企业共同进行技术研发。但在行业分工模式中，Fabless在开发新产品时，难以及时与Foundry的工艺流程对接，延缓新品上市时间。同时，Foundry标准化的工艺研发，不利于满足客户特色需求;各Foundry工艺不统一，增加了Fabless适配难度。

至于联合创新这种IC产业发展的新模式，各种领域内有所长的企业彼此结盟，达到各环节有效地垂直整合，IC产品的优化在设计和工艺二维空间进行，不仅可以修改设计，还可以调整工艺。这种创新模式将IC产业链中的设计企业、制造企业串联成网状的虚拟结构，即所谓产业结构上的虚拟再整合。将加快Foundry工艺进步速度，有助突破产业发展瓶颈，提高Fabless工艺适配能力，提升产品性能优化空间。

“中芯国际与高通的联合创新模式，在协同技术创新、相互经验分享、联合人才培养、促进市场开拓等方面，都有着诸多的实践。这种联合创新是一种从技术到产业的全生态合作，有效地加速了28纳米制程技术在中国的采用。”李树翀指出。

半导体行业垂直整合、联合创新模式是大趋势

当前国际半导体业界一个重要趋势是经过多年的行业分工发展之后，重新朝着垂直整合转向。最明显的例子就是在苹果公司自行研制iPhone应用处理器取得成功后，越来越多的系统整机厂重新开始自研核心芯片;芯片厂商也在Fabless流行多年之后，越来越多开始拥抱轻晶圆(Fablite)策略。

分析这种现象出现的原因，一方面是因为IC的工艺正接近物理极限，技术突破往往需要产业链各环节企业共同研发，另一方面是因为应用市场对半导体行业的技术发挥着越来越大的影响，以致有人提出“大系统设计”的理念。“芯片设计正变得越来越复杂，IC设计工程师需要考虑的问题从原来的芯片级扩展到(PCB)板级再到系统级别。”Cadence总裁兼CEO 陈立武表示。而联合创新模式正是符合时代趋势的一种发展模式。

不过，此前国内就有人提出，推进半导体产业发展的“虚拟IDM模式”——通过我国IT和IC两大产业供需价值链的构建，提高企业集群的创新力，完善产业生态环境、增强市场竞争力。

现在部分企业已经开始探索以资本为纽带的创新发展模式，比如华为建立海思，将芯片设计内制化;紫光则试图以资本为纽带打造云网端体系。

联合创新模式的成功之处在于，它提出了一个可以涵盖晶圆制造企业的全产业链创新发展的新思路。这是此前紫光与华为在探索中都没有涉及到的。