我国半导体的成熟制程面临哪些挑战

　　近日，行业环境变动将对先进制程的讨论推向风口浪尖的同时，也将大众的目光再度聚焦在成熟制程上。

　　在当下的博弈时刻，回归成熟制程确实被不少业内人士认为是更具有现实意义的举措。类似的观点中国工程院院士、浙江大学微纳电子学院院长吴汉明也早有提及，在去年的高峰论坛上，他表示，相比完全进口的7纳米，本土可控的55纳米意义更大。

　　那么，当下回归成熟制程有多重要？以及我国半导体产业要想在成熟制程领域做强还需要突破哪些困难？

　　成熟制程，可满足大部分应用场景

　　我们可以从应用场景、技术水平以及经济成本这三个维度来看成熟制程的重要程度。

　　首先是应用场景，该半导体行业资深人士打了个比方，“媒体关注先进制程就如同大众关注奥运冠军”，但回归现实，绝大多数普通人并不需要跑那么快，大部分的电子应用也根本不需要先进制程，更多需要28纳米、90纳米、130纳米等成熟制程。

　　比如中小容量的存储芯片、模拟芯片、MCU、电源管理芯片、模数混合芯片、CMOS 传感器、传感器等主要采用成熟制程。在应用层面，受益于下游新能源汽车、新一代通信技术、安防、云计算等领域的快速发展，射频、功率半导体等使用成熟制程的芯片需求量大增。

　　事关国家安全的国防领域也并不需要先进制程。因为这些芯片对运算速度和空间的要求没有那么高，而是更强调在极端环境下的稳定性和可靠性，所以主要采用成熟制程的芯片。

　　哪个应用领域需要先进制程呢？手机的处理器芯片。随着手机成为生活、办公、娱乐都必不可缺的终端设备，人们对手机的性能要求也越来越高，因此手机芯片既需要运算速度快，又得功耗低、功能齐全。

　　其次，在技术水平上，顾名思义，成熟制程各个生产环节的技术都要比先进制程更成熟。

　　目前业界普遍将28纳米作为成熟制程和先进制程的分水岭，28纳米及以上为成熟制程，28纳米以下则为先进制程，这其中关键的考量因素就是技术成熟度。

　　台积电在2011年时就率先实现了28纳米芯片的量产，这意味着，到今天为止，28纳米芯片的制造技术经历了超过十年的验证，因此，无论是在良率还是产业链完善程度上，都有所保障。

　　目前全球各大晶圆代工厂28纳米制程的良率大多在90%以上，但是随着制程越往前推进，良率越低，比如，三星4纳米制程只有35%的良率，目前3nm良率仅维持在10%~20%之间。

　　良率直接与晶圆厂的利润挂钩。半导体材料厂商Entegris中国销售副总裁张凯翔此前在接受采访时表示，对于3D NAND晶圆厂而言，1%的良率提高可能意味着每年1.1亿美元净利润的增加；对于尖端的逻辑晶圆厂而言，1%的良率提升则意味着每年1.5亿美元净利润的增加。

　　产业链层面，对我国最现实的影响，就是光刻环节不必依赖ASML的EUV光刻机。7纳米到3纳米的芯片制造需要用到EUA光刻机，这种设备只有荷兰的ASML能生产，不过ASML的EUV技术受控于美国；但是0.13微米到7纳米使用的是DUV光刻机，除了ASML之外，日本的Nikon和Canon也能生产。

　　此外，在刻蚀、沉积、离子注入等其他工艺环节上，上海微电子、北方华创、沈阳拓荆、中微公司、中科信、华海清科等国产设备商的产品已基本可以满足国内成熟制程的制造需求。

　　

　　国产设备可基本满足国内成熟制程的制造需求资料来源：中国台湾工研院、Gartner、方正证券研究所，制图：芯师爷

　　最后在经济帐上，制程越往前推进，成本越高。吴汉明曾给过一个数据，搭建一个32nm芯片的产线，建厂成本需要45亿美元，研发成本需要9亿美金，设计成本需要1亿美金；而到了16nm阶段，晶圆厂的建设成本会去到90亿美元，研发成本增加到18亿美元，设计成本涨到22亿美元，整体成本较之32纳米产线翻了一番。

　　这些前期投入成本最终都会分摊到芯片造价上，但是并非所有的电子设备都像苹果手机一样有足够的销量及价格空间来支撑高端芯片的运用。因此，更具有性价比的成熟制程芯片才是大多数电子应用的首选。总结一下，重视成熟制程的发展对于我国迈向半导体产业强国至关重要，主要是因为：

　　● 在应用领域上，成熟制程能满足大多数电子设备以及国防设备的智能化需求。

　　● 在技术水平上，成熟制程比先进制程更加稳定、可靠且产业链生态更加完备。

　　● 在经济成本上，对于量产规模不大、售价不高的中低端电子设备而言，成熟制程的芯片更具有性价比。

　　当然，还有一个重要原因，就是我们半导体产业成熟制程的精良程度还远远不够。

　　成熟制程，困在工艺里

　　首先需要明确的是，我们芯片产业目前的成熟工艺处于什么样的水平？根据方正证券研究所整理的数据，2020年全球各地区晶圆产能按制程拆分来看，中国大陆在28纳米以上制程的占比最高，其中在28-45纳米段是仅次于中国台湾的第二大产能供给地。

　　不过，这其中的产能贡献，外资晶圆代工厂占据了半壁江山。根据市场调研机构 Counterpoint Research 的统计，2020年40nm 及以上成熟制程的全球市占率，中国大陆排名第一的中芯国际仅占 11%。这也意味着，在成熟制程的自主产能上，我国的全球市场占比还比较低。

　　另外，在制造设备上，“28纳米制程能够实现完全国产化依旧是一个很大的挑战。”上述半导体行业资深人士表示，“2017年以前，因为在市场上很容易买到国外设备，所以相比较前期投入研发以及培育人才，国内工厂更愿意依赖进口，这也导致了国产化开始发力时，技术、人才各方面的积累不够，还需要花时间扎扎实实地做起来。”

　　据方正证券研究所梳理，2020年国内晶圆厂（包含三星、台积电等晶圆厂的设备采购）设备采购总额约为154亿美元，其中国产设备采购额仅为9.9亿美元，占比7%。

　　技术、人才、市场都是我们在做精成熟工艺路上需要加强的环节。

　　技术层面，努力实现设备国产自给的观点早已成为共识，但我们通常会忽略工艺层面的提升同样至关重要。设备自给与否决定了我们能不能生产，而工艺精良与否决定了我们能不能生产好。

　　“技术本身也是一个生态，有了设备之后，怎么通过工艺去提升良率，需要晶圆厂商同设备厂商进行紧密沟通，共同开发，不断试错、调整，这个过程非常花时间，也是我们的短板。”上述半导体行业资深人士介绍道。

　　人才是技术生态中不可或缺的重要一环。以模拟和射频芯片为例，大部分的的模拟和射频芯片，包括运用在汽车和手机上的，全球都不需要使用到先进制程，而是采纳28纳米、65纳米甚至90纳米等的成熟制程。

　　但这其中却对IC设计人才有着极高的要求，因为模拟和射频芯片不是由纯粹的数字和逻辑组成的，需要各种精巧的电路设计。“这方面人才，国内是奇缺，因为不仅要求设计师具备十几二十年的经验，而且水平要求很高。”该半导体行业资深人士表示。

　　同时，模拟和射频芯片的设计跟相应的制造工艺有很深的结合，需要设计人员和厂商共同来调试产品。在这方面，国外的IDM巨头由于设计和制造是一体的，因此内部进行协调优化的过程非常方便。但是国内的芯片制造模式多是设计公司和晶圆厂分开，因此更依赖设计人员的经验。

　　市场竞争上，国内晶圆厂作为芯片制造领域的后发者并不如领先的巨头具备更多的价格优势。打个比方，台积电在2011年就率先实现28纳米的量产，而中芯国际是在2015年，这意味着台积电的设备折旧提完，而中芯国际却还在面临计提设备折旧的问题。

　　因此，台积电可以制定更低的价格来抢夺市场份额，打压竞争对手。事实上，这也是台积电最早采取的策略——在先进制程上定价很高，对成熟制程反而定价很低，让竞争对手难以盈利，最终没有足够的资金投入到研发上的。

　　中芯国际赵海军就曾表示，凭借折旧周期以及良率优势，台积电28nm产品的价格给中芯国际带来非常大的压力。

　　同样道理，在其他购买不受限制的半导体设备领域，国产设备也面临着国外设备的激烈竞争。在国产设备还不够成熟，操作上尚需不断调试的爬坡阶段，国产晶圆代工厂自然而然会更偏向性价比更高的外国设备。

　　目前我国在成熟制程上的设备自给率依旧比较低，同时成熟工艺的精进面临着技术、人才、市场这三个主要方面的挑战。

　　● 技术层面，除了设备自给率比较低外，与设备相配合的工艺也有待磨合提升。

　　● 人才层面，迫切需要经验丰富、水平高的研发人才。

　　● 市场层面，需要扛住领域巨头的价格狙击战。

　　写在最后

　　回归成熟制程再造并不意味就止步于成熟制程。这是在现阶段先进制程受到牵制的情况下，一种比较务实的战略选择，同时也符合我国目前成熟制程自主产能相比占比较低，设备国产化率仍有待提高的现状，是成熟制程从产业链基本具备走向产业制造工艺精良的必经之路。

　　另一方面，在成熟制程基础上进行芯片性能提升的空间同样相当大。比如，通过将多个成熟工艺制程的模块拼装在一起Chiplet技术，也能接近先进制程芯片的部分性能。

　　最后，回归成熟制程再造的同时，也需要吹响对先进制程的攻坚号角。只不过对于两者，应该分别对待，在推动成熟制程发展上，既需要在政策上给予各种补贴帮助，又需要引入市场化的力量推动。而在推动先进制程的突破上，更需要政府牵头研发机构，汇聚最顶尖的人才、技术，共同攻坚，共享成果。

编辑：黄飞