14nm對決7nm:中芯國際比臺積電差在哪裡?

近日,中芯國際公佈了截至2020年6月30日未經審計的第二季度財報。財報中顯示:

2020年第二季的銷售額為938。5百萬美元,相較於2020年第一季的904。9百萬美元增加3。7%,相較於2019年第二季的790。9百萬美元增加18。7%。

2020年第二季毛利為248。6百萬美元,較2020年第一季的233。6百萬美元增加6。4%,較2019年第二季的151。2百萬美元增加64。5%。

2020年第二季毛利率為26。5%,相比2020年第一季為25。8%,2019年第二季為19。1%。

從財報上看,中芯國際整體業績的表現還是很優秀的。

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28奈米工藝的“黃金線”

隨著半導體制造技術的進步,晶片製程越做越小,效能也在不斷提升。但並非所有晶片設計公司都會選擇最先進的半導體制造工藝。根據《2019積體電路行業研究報告》中的資料顯示,先進製程(28nm及以下工藝)佔據了48%的市場份額,而其它成熟工藝則佔據了52%的市場份額。如果將28nm工藝也視作“成熟工藝”的話,成熟工藝的市場份額就更大了。可以說,成熟工藝才是業界的主流。

在談28奈米工藝之前,先提一下FinFET。FinFET(Fin Field-Effect Transistor)中文名為鰭式場效應電晶體,是一種新的互補式金氧半導體電晶體。FinFET的命名是根據電晶體的形狀與魚鰭的相似性,中芯國際的14nm工藝就使用了這種結構。

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FinFET結構示意圖

FinFET結構的溝道區域是一個被柵極包裹的魚鰭狀半導體。從圖上源極到漏極方向上鰭的長度為溝道長度。柵極採用了包裹式的結構,這樣增強了柵的控制能力,對溝道提供了更好的電學控制,從而降低了漏電流,抑制短溝道效應。

通俗點說,如果把電流想象成水流,那麼圖上的魚鰭狀半導體就是一根水管,源極和漏極就是水管的進水口和出水口,而中間的柵極則是水管閥門。

對於電晶體來說讓它導通電流比較簡單,如何讓它在關閉的時候還不漏電才是難點。所以FinFET結構就是把溝道區域做薄來抑制漏電,就像是把水管做薄之後,中間的閥門只要輕輕一夾就能把水管完全關閉。

傳統的半導體制造技術很難製造25奈米以下的工藝,FinFET結構就是為了解決這個問題而產生的。通常情況下製造25奈米以下的工藝需要FinFET、FD-SOI或者其它更先進的技術。

使用FinFET可以讓晶片的效能變得更好,那麼對於沒有使用FinFET結構的28nm工藝和使用了FinFET的14nm工藝對比,是不是28nm工藝就不太好呢?

這要看評價角度了,評價一種半導體制造工藝的好壞並不能單單看效能、功耗。

14nm對決7nm:中芯國際比臺積電差在哪裡?

▲資料來自《積體電路設計業的發展思路和政策建議》

根據《積體電路設計業的發展思路和政策建議》中的資料,14nm工藝開發成本遠遠超過28nm工藝。如果從成本角度看,使用了FinFET的14nm工藝在成本方面體現出了明顯的劣勢。

更何況不是所有的晶片都像CPU、GPU那樣需要極高的效能,很多晶片只是能夠實現特定的功能就可以了,由此看來28奈米工藝是一款極具“價效比”的工藝。如果一個晶片專案對於效能有一定要求但不是很高,並且需要控制成本。那麼對於這類晶片來說,28奈米工藝目前是一個非常好的“妥協點”。

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7奈米工藝的“高階圈子”

以臺積電7nm工藝為例,臺積電的7nm工藝分為第一代7nm工藝(N7)、第二代7nm工藝(N7P)、7nm EUV(N7+)。其中N7和N7P使用的是DUV光刻,但為了用DUV製作7nm工藝,它還使用了例如沉浸式光刻、多重曝光等技術。而N7+則直接使用了EUV光刻。所以說這三種7nm工藝雖然在效能、功耗等方面表現優異,但成本都十分高昂。通常像華為、蘋果、AMD這樣的大廠才會使用。

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資料來自臺積電

可以從資料中看出手機晶片和高效能計算晶片(例如CPU、GPU)一直在臺積電收入中佔據了過半的比重。

電腦晶片對於效能有著較高的要求,所以電腦晶片設計廠商更傾向於使用“高階”工藝。而對於手機晶片來說,除了效能,功耗也是十分重要的引數。特別是在當今電池技術發展緩慢的情況下,降低手機晶片的功耗可以大大提高手機的續航能力。因此手機晶片廠商也十分願意追捧“高階”工藝。

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夾縫中的中芯國際14奈米工藝

對於中芯國際14nm工藝來說,向上有效能壓制的7nm工藝,向下又有價效比極高的28nm工藝,這種情況對於中芯國際的14nm工藝來說並不太友好。

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▲資料來自中芯國際

在今年第一季度的財報中,中芯國際14nm工藝收入佔比僅為1。3%,這種情況並不算太理想。

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▲資料來自中芯國際

而在今年第二季度的財報中,中芯國際乾脆沒有公示14nm工藝的收入佔比,僅公示了14/28nm的佔比資料。

14nm對決7nm:中芯國際比臺積電差在哪裡?

▲圖片擷取自中芯國際官網

雖說過去確實有人將14nm工藝和28nm工藝都算作先進工藝,但在中芯國際官網上明確的將14nm工藝列為先進邏輯技術,而將28nm工藝列為成熟邏輯技術。更何況中芯國際之前的財報都是將14nm工藝和28nm工藝佔比分開統計,現在卻將一種“先進邏輯技術”和一種“成熟邏輯技術”強行放在一起統計,這種舉動顯然有些奇怪。不免會讓人認為中芯國際有意隱藏14nm工藝佔比資料,或者是讓14nm工藝的佔比資料更好看一些。

從目前的資料看,中芯國際14nm工藝的佔比在非常緩慢的爬升,而且會在未來相當長的一段時間內依舊保持一種較低的佔比,短期內無法成為盈利支柱。比起14nm,自家的28nm工藝收入佔比更高,而且爬升速度更快,這種價效比更高的成熟工藝更容易盈利。

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“遲到工藝”的窘境

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資料來自各公司公開資訊

從表格中可以看出,不少晶片製造廠商集中在2015年推出14nm工藝,業界標杆的臺積電也是在2015年推出了水平與業界14nm工藝相似的16nm工藝。在那時候14/16nm工藝是業界頂級工藝,各大晶片設計廠商紛紛追捧。

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▲資料來自臺積電

以臺積電的資料為例,其16nm工藝的收入佔比在以很快的速度下滑,而7nm工藝的佔比則在快速提升。由此可見14/16nm工藝的市場火熱程度已大不如前。

在2019年的時候中芯國際才推出14nm工藝,但此時業界頂級工藝已經開始向7nm工藝過渡。

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