提及芯片,大家最先想到的就是台积电和中芯国际,一个是全球晶圆代工龙头,一个是内地晶圆代工龙头。
我们一直期盼着中芯国际工艺升级,最终实现逆袭超越,但是一个扎心的现实,台积电单单是28nm的营收,就超过了中芯国际总营收。
也就是说,台积电只用28nm工艺,就打赢了中芯国际所有工艺。
以2023年营收为例,台积电全年总营收21617.4亿元新台币,折合人民币4926亿元,其中28nm芯片的收入占比达到10%,约为495亿元人民币。
中芯国际2023年营收为452.5亿元,同比下降8%。
台积电28nm业务的营收比中芯国际的全部营收还要多40亿,这种巨大的差距让人感觉窒息,我们如此努力,甚至996、加夜班,但最终只能达到或接近对手的1/10。
我们不禁问,我们到底在努力什么?我们究竟差在哪?
正所谓一步差,步步差,台积电真正的爆发源自于28nm工艺,28nm突破之前,台积电市场占有率只有45%,三星与格罗方德都是其强大的竞争对手,
2009年,三家公司同时进军28nm工艺,三星与格罗方德选择了先闸极 (Gate-first)方案,台积电选择了后闸极(Gate-last)方案。
结果台积电率先拿到赛点,在2011年实现了28nm的量产,好巧不巧,第二年智能手机与平板电脑飞速发展,对芯片的需求暴增。
苹果、高通、英伟达纷纷向台积电下单,这让台积电28nm营收从2011年的2%迅速增长至2012年的22%,在全球晶圆市占率也由45%提升至52%以上。
凭借28nm技术,台积电将三星与格罗方德远远地甩在身后,成为了独一档的存在。
而中芯国际在2015年首次量产28nm芯片,但技术依然落后,2018年官宣完成28nm HKMG的研发,这是中国内地首个量产28nm工艺的企业。
相较于40nm工艺,28nm工艺在晶体管密度、性能和功耗三个关键方面有了显著的进步。
在相同面积的晶圆上,可以容纳更多的晶体管,处理速度也提升50%,每次开关的能耗减少了50%,为电子设备提供更强大和更复杂的功能,同时降低了能耗。
鉴于诸多优点,28nm工艺一经推出就受到了智能手机和通信设备厂商的追捧,并且长时间保持旺盛的需求。
所以,台积电的28nm工艺,一年就爆发了,不仅业绩、市占率大涨,还带动了苹果、高通、英伟达,但中芯国际实现28nm量产后,居然多年毛利率为负,也就是说28nm工艺好几年都没赚到钱。
对于这样的差距,中芯国际表示,28nm生产线,除了用于制造28nm制程晶圆代工外,还可通用于40/45nm制程、55/65nm制程、90nm制程。
并且40nm—90nm制程的芯片,在很长一段时间营收高于28nm。
什么意思?新工艺(28nm)没订单,成熟工艺还是赚钱的。说白了就是芯片设计厂商看不上中芯国际的新工艺。
赚不到钱就意味着,没有剩余的资金去研发新工艺、扩大产能、购买先进的半导体设备,这种影响可以说是致命的。
工艺代差,又遇打压
随着摩尔定律的延续,台积电不断的突破新工艺,14nm、7nm、5nm、3nm,而中芯国际呢?斥资1400亿扩产28nm成熟工艺。
在北京、上海、天津、深圳新建4座晶圆厂,产能35万片/月。到2023年,中芯国际销售晶圆数量提升至586.7万片(8英寸晶圆),月产能80.6万片。
台积电也没有闲着,在美国亚利桑那州斥资650亿美元,新建3座晶圆厂。因为拜登政府的要求以及《芯片和科学法案》的65亿美元补贴,台积电将最初的120亿美元建厂计划扩大为650亿美元。
这三座晶圆厂,包括1座4nm晶圆厂计划于2024年量产;1座3nm晶圆厂计划于2025年量产;1座2nm晶圆厂计划于2026年量产。
我们清晰的看到,台积电在7nm以下制程疯狂的扩产,而中芯国际依然坚守28nm阵地,究其原因就是在设备上遇到了难题。
2018年,中芯国际向荷兰ASML下订单,订购了一台EUV光刻机,遭到了美国的阻拦,至今仍没有拿到设备。
2023年,美、日、荷相继出台半导体设备出口限制政策,对EUV光刻机,先进的DUV光刻机实施出口限制,尽管三国均表示不针对任何国家和地区,但明眼人一看就知道针对我们。
16nm以下DRAM设备禁售;14nm以下逻辑芯片设备禁售;128层NAND芯片设备禁售。
目的就是要把我们锁死在14nm工艺上。
早年因为工艺代差,导致国产芯片企业没市场、没利润,好容易赚了点钱,熬出来了,想要进军新进工艺时,却发现设备没了。
不死心,采用相对落后的设备去搞14nm、7nm,理论上是可以做到的,只是成本有点高。
ASML的2100i、2050i型浸润式DUV光刻机在多重光刻后,甚至可以实现5nm工艺,但是良品率会大幅下降,导致成本大幅提高。
所以,我们看到华为的Mate 60系列价格很高,很大原因就是因为麒麟9000S芯片成本抬高,要知道这还是7nm芯片,如果5nm呢?是不是成本会更高?
想要改变这种现状,只有一个办法就是打造国产EUV光刻机,实现“质”的突破。
半导体设备有几十种,但是光刻机是最核心的设备,占据整个光刻环节的30%,而且难度系数最大,只要攻克了光刻机,其他设备厂商就会慕名前来合作。
EUV光刻机拥有10万个零部件、3000条线缆、4000个精密轴承,这些配件都是禁售的,要攻克这些配件,据说比造原子弹还要难100倍。
光学镜片由德国蔡司研发,平整度是普通浴室镜的100倍,如果把普通浴室镜扩大至德国领土面积大小时,表面凸起会达到2米,而EUV光学镜片只有2厘米。
EUV光源的制造,需要30KW的大功率激光器,经过放大后,产生10万次/秒的高频种子光,温度高达22万摄氏度,是太阳表面温度的几十倍。
单单是这两项技术,就足以让研发机构头疼了,目前国内长春光机所、清华大学、华为等正在紧急攻关。
关于国产EU光刻机最新的报道,依然是中科院院长视察长春光机所,对光电关键核心技术攻关所取得的成绩给予了高度肯定,希望长春光机所加快解决光电领域“卡脖子”问题。
当时还一度引起了ASML总裁温宁克的埋怨,称中国自主研发光刻机是破坏全球产业链。
可以看出,国产光刻机进步还是很大的,但是何时量产商用,目前还未得知。
未来,我们只要继续加强光刻机的研发,突破设备的封锁,就能够实现7nm,以及更先进的工艺制程,产能自然也会慢慢提升起来,最终进入世界领先。
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