28nm来到临界点 台积电高通格罗方德等决战

　　在摩尔定律的指引下，集成电路的线宽不断缩小，基本上是按每两年缩小至原尺寸的70%的步伐前进。如2007年达到45nm，2009年达到32nm，2011年达到22nm。但是到了2013年的14nm时开始出现偏差，英特尔原先承诺的量产时间推迟。

　　Fabless大厂Altera2013年把它原来交由台积电生产的14nm代工订单转给英特尔，这一事件曾经引起业界一阵躁动。但是由于英特尔14nm量产的推迟，风向又开始转向，传说将把订单转回给台积电代工。这一事件反映出，集成电路微缩之路未来的前进规则将要改变。两年的周期很难再维持下去，存在两种可能性：一种是延长时间，另一种是把30%的缩小比例减缓一些。

　　之所以单把28nm提出来讲，是因为产业界在从45nm向下演进时，原本公认的32nm节点并未成熟，反而又向前延伸了一步，达到28nm，中间跳过32nm。因此28nm这个节点非常特殊，估计28nm制程的生存周期会相当长。另外，在SoC中包括嵌入式SRAM(eSRAM)、I/O及其他逻辑功能时，在大部分情况下28nm是最优化成本。甚至有人计算得出这样的结论：28nm以下集成电路的成本没有下降反而上升。这说明28nm已经是一个临界点了，摩尔定律到达28nm后，实际已经面临终结。

　　28nm既然如此特殊，自然值得仔细研究一下。

　　28纳米工艺角逐

　　28nm制程主要有两个工艺方向：高性能型和低功耗型。而高性能型才是真正的高介电常数金属闸极工艺。

　　目前，28nm制程主要有两个工艺方向：HighPerformance(HP，高性能型)和LowPower(LP，低功耗型)。LP低功耗型是最早量产的，不过它并非Gate-Last后栅工艺，还是传统的SiON(氮氧化硅)介质和多晶硅栅极工艺，优点是成本低，工艺简单，适合对性能要求不高的手机和移动设备。而HP才是真正的高介电常数金属闸极(HKMG)+Gate-Last工艺，又可细分为HP、HPL(LowPower)、HPM(Moblie)三个方向。HP工艺拥有最好的每瓦性能比，频率可达2GHz以上;HPL的漏电流最低，功耗也更低;HPM主要针对移动领域，频率比HPL更高，功耗也略大一些。

　　高通是第一家量产28nm制程的移动芯片厂商，2013年是28nm制程的普及年。

　　Intel一直是以技术领先为导向的，虽然自己的CPU在移动通信领域中不太受欢迎，但是其最先使用HKMG+Gate-Last工艺，又最先量产3D晶体管，其制程领先对手可以按代来计算。目前移动通信领域与Intel展开合作的公司不是太多。

　　TSMC受到移动终端芯片厂商的青睐，长期以来霸占着集成电路代工市场占有率的第一名。高通骄龙800就采用了TSMC的28nmHPMHKMG这一最高标准，而高通MSM8960和联发科四核芯片MT6589T以及联芯、展讯等厂商的芯片使用的则是TSMC相对较差的28nmLP工艺。据说，MTK的MT6588和八核芯片MT6592采用的是TSMC的28nm级别最好的HPM工艺。台积电共同执行长魏哲家在此前召开的法说会上提及，相较于采用Poly/SiON技术的28LP制程，28HPM在相同功耗下可提升30%的运算速度，而在相同运算速度下，则可降低15%功耗。因此，28HPM制程成为移动装置芯片的首选。

　　台积电去年开始量产28nmHKMG技术的28HPM制程，下半年受到高端智能手机销售力道减缓的影响，产能利用率出现松动，但因竞争对手一直无法在28nmHKMG制程上达到如台积电一样的高良品率，随着今年全球景气逐步复苏，以及新款移动装置需求转强，台积电今年已拿下100个设计定案(tape-outs)。

　　台积电的28nm产能今年没有太大的扩产幅度，但因在HKMG技术上领先同业，28nm营收今年仍可能有至少20%成长，预估可为台积电带来超过1600亿元新台币的营收。

　　从全球代工领域看，美林证券说台积电在28nm上的市场占有率超过90%。在2013年第四季度，它的28nm占营收的34%。

　　三星发展势头迅猛，长期以来都为自家芯片和苹果A系列移动芯片提供集成电路制造服务。三星较早采用HKMG工艺，在业界进入HKMG时代之初，又秘密研发后栅极工艺。三星目前的28nm级别制程使用的是HKMG栅极和前栅极工艺。三星自家的Exyons5系列芯片和苹果的A7都是采用的此种工艺。近日报道三星电子已扩大其28nm的代工，可提供RF的代工生产能力。

　　尽管GlobalFoundries的发言人在IDEM会上大肆宣传其28nm工艺是基于gate-firstHKMG工艺基础，但他又表示：“我们也本着特事特办的精神，正在为满足某些特殊客户的特殊请求而为某些特殊产品提供基于28nmPoly/SiON制程的代工，这类产品并不需要HKMG技术带来的性能提升和降低漏电的优势。”

　　GlobalFoundries还称目前已经有多家客户的芯片产品处于硅片验证阶段，而且公司旗下的德累斯顿Fab1工厂也已经在测试相关的原型芯片，很快便会进入试产阶段。

　　GlobalFoundries与台积电目前因所用的HKMG工艺的不同而在市场上火药味很浓：GlobalFoundries在28nm上会使用gatefirst型HKMG工艺，而台积电则会使用Gate-lastHKMG工艺。GlobalFoundries还宣称自己的GatefirstHKMG工艺在成本方面要比台积电的Gate-lastHKMG工艺节能约10%～15%。

　　联电苦熬一年多的28nm制程近期取得重大突破，承接了先进网通及高端手机芯片的关键HKMG制程，且已获全球第二大IC设计商博通(Broadcom)认证，今年第二季度开始接单投片，营运出现大转机。

　　联电去年即已建成28nmHKMG约1.5万片月产能，但短期内仍难撼动台积电在28nm上的领先优势，但对联电而言意义重大。设备商透露，联电28纳米HKMG去年积极追赶台积电脚步，并采取“T-Like”模式，争取成为台积电客户的第二供应来源，但进展不如预期，也使联电去年28nm制程营收占比还只是个位数。

　　另外，中芯国际近来也不断地传出好消息，在MWC会上，高通总裁谈及高通与中芯国际在28nm工艺上的合作，称这对产业将有着深远意义。“高通已将最先进的28nm制程技术引入到中芯国际。我们以前在海外跟其他的半导体客户有基于28nm的合作，便把这些合作的经验带到中国，与中芯国际进行分享，希望借此能够加快中芯国际在采用更先进半导体制程方面的速度，达到快速成长和共赢。目前，我们跟中芯国际的28nm合作已经有商用的产品了，并且产品已经大量出货。”

　　另一家重邮信科近水楼台，依靠着与三星的战略合作伙伴关系，其包括赤兔6310和赤兔8320在内的赤兔系列芯片都采用了三星先进的HKMG栅极LP工艺。

　　中国必须攻克28nm难关

　　开发28nm工艺需要巨额的研发经费，在初始阶段企业是无法单独承担的，迫切需要国家的经费支持。

　　无论IDM还是fabless，都把28nm工艺制程看做是未来实现盈利的重要手段，因此竞争会非常激烈。尽管中国处于后进者地位，但是也必须加入，不可退缩。

　　业界有部分人认为，从性价比角度讲，除非有特殊的应用，否则28nm可能是最优化的一个制程。特殊应用大抵只有两种情形：一种是数量巨大的产品，如memory、CPU与FPGA等;另一种是特定的低功耗或者高频率的SoC需求。

　　因此，归纳起来有以下几点体会;

　　一是不能操之过急，不要急于扩大28nm的产能。一定要待技术成熟以及市场有需求之后再进行，通常这个周期也就9到12个月。

　　二是先进技术是买不来的，必须要自己努力攻克难关。28nm工艺制程有难度，不会如90nm转进65nm那样轻松，也不要指望某个公司会把28nm技术无偿转让。另外开发28nm工艺需要数亿美元的研发经费，在初始阶段企业是无法单独承担的，迫切需要国家的经费支持。

　　三是28nm之后的下一代工艺制程是否继续跟进?需要仔细斟酌，这将是一个综合平衡利弊的结果。