行业报告
一文读懂让三星投资超千亿美元的逻辑芯片:中国已在细分领域领先
腾讯科技 | 来源:腾讯科技 浏览次数:892 发布时间:2019年4月25日
摘要:

4月24日,三星电子宣布,将在未来10年内(至2030年)在包括代工服务在内的其逻辑芯片业务上投资133兆韩元 (约1158亿美元 ),以期超越台积电,成为全球第一大芯片代工厂,并维持对英特尔的领先,坐稳全球第一大半导体厂商的宝座。

  4月24日,三星电子宣布,将在未来10年内(至2030年)在包括代工服务在内的其逻辑芯片业务上投资133兆韩元 (约1158亿美元 ),以期超越台积电,成为全球第一大芯片代工厂,并维持对英特尔的领先,坐稳全球第一大半导体厂商的宝座。

  据介绍,该笔投资将包含73兆韩元的国内研发,以及60兆韩元的生产基础设施,预计将为每年平均投资11兆韩元。

  韩国政府积极支持这项计划,目标在发展国内半导体产业,以减少国内对记忆体晶片业务的严重依赖,并更好地抵御中国制造商崛起所带来的市场挑战。

  根据全球研究公司Gartner的数据,去年非存储芯片市场的价值为3,646亿美元,是整体芯片市场的65%,也是存储芯片市场的两倍多。

  另一方面,根据市场研究公司TrendForce 的数据显示,台积电在2018 年上半年全球代工市场市占率为56.1%。三星则以7.4% 排名第四,三星加大对逻辑芯片投资主要目的,无外乎是跟台积电在逻辑制程上竞争,强化芯片代工业务(此前三星以拿下高通多款旗舰芯片的代工)。

  什么是逻辑芯片?

  逻辑芯片,它的主要功能是实现逻辑功能,比如“与”,“或,“非,与非,或非等,非逻辑芯片如CD40106、与非逻辑芯片如CD4047等,这些器件内部也是由许多晶体管组组成,不过它们一般都工作在饱和区,实现“0”和“1”的转换。

  我们常见的CPU、GPU等计算芯片也属于广义上的逻辑芯片。还有可编程逻辑器件,比如复杂可编程逻辑器件CPLD以及现场可编程逻辑门阵列FPGA,它们作为专门的大规模逻辑器件,用户可以根据自己要求,通过编写硬件,描述需要实现常见逻辑功能。其实这些逻辑器件内部也是由基本逻辑单元构成,只不过通过一系有序组合实现不同的逻辑,常见的实现组合逻辑功能,与,或,非等等,实现时序逻辑功能,如计数器等。

  逻辑芯片的市场现状,几大巨头竞争

  逻辑芯片厂商虽然很多,但是竞争主要还是集中在逻辑芯片代工领域,因为大多数的逻辑芯片厂商都是无晶圆的IC设计厂商,比如高通、苹果、华为等等,其芯片的生产主要还是由台积电、三星等代工厂来完成。而在芯片代工领域需要的技术及资金投入更为巨大,门槛更高,因此玩家也相对有限,但是竞争却非常的 惨烈。

  如果从技术领先性和业务规模来看,目前这个领域的主要玩家有台积电、英特尔、三星、联电、格芯等(中芯国际目前还比较弱势)。

  不过随着逻辑芯片工艺制程推进的越来越困难,有不少厂商开始退出了先进制程的研发,比如去年联电就宣布放弃12nm以下工艺的研发,格芯也放弃了7nm项目。而目前英特尔的10nm工艺(相当于台积电7nm)迟迟没有量产,并且其芯片代工业务规模相对较小,主要是供自家使用。可以说,接下来的市场竞争将会集中在台积电和三星之间。

  从技术领先性上来,台积电一马当先,去年就量产了7nm工艺,今年4月其5nm制程就正式进入了试产。相比之下,三星虽然在存储芯片这类非逻辑芯片制造领域占据极大优势,但是在逻辑芯片代工业务上却一直落后于台积电。

  早在2011年,三星存储芯片营收规模大约为230亿美元,而逻辑芯片销售额仅100亿美元,同比增长70%。也就是说,三星当时的逻辑芯片业务规模大约与德仪、高通的营收相当,这两家企业正是当时主要的手机芯片厂商。但是与台积电相比仍有较大差距。

  2012年,三星就成为了全球第二大芯片厂商时就选中了逻辑芯片投资,这是一场赌注。随着市场对智能手机和平板电脑需求的增长,移动设备处理器需求的增加,三星投资19亿美元构建一条新的逻辑芯片生产线,生产移动设备处理器,结果表明三星的选择是对的。

  不过随后一段时间,随着数据的爆发,市场对于存储芯片需求的猛增,导致了半导体厂商纷纷加大了对于存储芯片的投入,逻辑芯片增长开始放缓。

  2017年IC insights就已预测,在主要的IC类别类别中,内存芯片销售预计在未来五年内表现出最强劲的增长速度。IC市场区分为四大产品类别:模拟IC、逻辑芯片、内存、和微处理器,其中逻辑芯片市场年均年增长仅为2.9%。

  不过,即便如此,三星等韩国芯片厂商也仍在不断加大对于其逻辑芯片代工业务的投入。持续性的大量的投入,最终才使得三星成为了仅次于台积电的全球第二大芯片代工厂商。

  值得注意的是,韩国先进科技学院有三分之二名教授教的内容与逻辑芯片有关。韩国先进科技学院电子工程部主席 Kim Joung-ho说:“这种改变不是一天两天,也不是一年两年发生的。”

  Kim Joung-ho说韩国政府和科技教育者很久以前就知道,开发逻辑芯片符合国家的长远利益,也符合三星等企业的长远利益。他说:“我们要在韩国开发高通、英特尔所拥有的技术。”

  三星为了提高移动处理器的产量,不断将已有生产线转变为逻辑芯片生产线。最新消息爆料,三星至2030年将投资133兆韩元 (1157亿美元 ),加强在System LSI和Foundry业务方面的竞争力。

  值得注意的是,4月23日,韩国内存大厂 SK 海力士也在考虑收购部分逻辑芯片制造商美格纳(MagnaChip)的产能,用于扩大其8英寸晶圆的生产线。MagnaChip在韩国清州市的晶圆代工厂,而清州市刚好是 SK 海力士半导体生产的重要基地,如果拿下 MagnaChip 的清洲厂,可以强化SK海力士的8英寸晶圆厂产能,还可以就近产生群聚效应。

  与内存龙头三星相同,SK海力士由于近来全球内存市场需求放缓,开始加强发展手机核心处理器、图像传感器和汽车芯片等逻辑芯片的市场。因此,对于逻辑芯片的产能需求提升。

  由于图像传感器和汽车芯片等逻辑芯片产品的市场,随应用增加而供不应求,使得许多当前许多晶圆代工厂的 8 英寸厂产能位处于满载的状态。而为了应付市场的需求,除了 SK 海力士期望自 MagnaChip 取得 8 英寸厂产能之外,日前晶圆代工龙头台积电也在时隔 15 年后,在南科再开设 8 英寸晶圆厂。

  几大晶圆厂谁能获得优势?

  随着主流CMOS工艺在理论,实践和经济方面的限制,降低IC成本(基于每个功能或每个性能)比以往任何时候都更具挑战性和挑战性。

  下图列出了公司目前使用的几种领先的高级逻辑技术。

  英特尔 - 其2018年末推出的第九代处理器的代号为“Coffee Lake-S”,有时也称为“Coffee Lake Refresh”。英特尔称这些处理器是新一代产品,但它们似乎更多增强了第八代产品。细节很少,但这些处理器似乎是在14nm ++工艺的增强版本上制造的,或者可能被认为是14nm +++工艺。

  使用其10nm工艺的大规模生产将在2019年推出,它将于2018年12月推出新的“Sunny Cove”系列处理器。看起来Sunny Cove架构基本上取代了应该是10nm的Cannon Lake架构。预计到2020年发布,当然10nm +衍生工艺将进入批量生产阶段。

  台积电 - 台积电的10nm finFET工艺于2016年底投入批量生产,但已从10纳米迅速发展至7纳米。台积电相信7nm产品将成为28nm和16nm等长寿命节点。

  台积电5纳米工艺正在开发中,预计将于2019年上半年进入风险生产阶段,到2020年将开始量产。该工艺将使用EUV,但它不会是台积电利用EUV技术的第一个流程。首先是该公司7nm技术的改进版本。N7 +工艺仅在关键层(四层)上使用EUV,而N5工艺将广泛使用EUV(最多14层)。N7 +计划于2019年第二季度投入量产。

  三星 - 在2018年初,三星开始批量生产第二代10nm工艺,称为10LPP(低功率+)。在2018年晚些时候,三星推出了第三代10nm工艺,称为10LPU(低功耗终极),提供了另一项性能提升。三星采用10nm的三重图案光刻技术。与台积电不同,三星认为其10纳米工艺系列(包括8纳米衍生产品)的生命周期很长。

  三星的7nm技术于2018年10月投入风险生产。该公司不再提供采用浸没式光刻技术的7nm工艺,而是决定直接采用基于EUV的7nm工艺。

  GlobalFoundries - GF将其22nm FD-SOI工艺视为其市场,并与其14nm finFET技术相辅相成。该公司称22FDX平台的性能与finFET非常接近,但制造成本与28nm技术相同。

  2018年8月,GlobalFoundries宣布将停止7nm开发,因为该技术节点的生产成本增加,并且因为有太少的代工客户计划使用下一代工艺,因此对战略进行了重大转变。因此,该公司转向其研发工作,以进一步增强其14nm和12nm FinFET工艺及其完全耗尽的SOI技术。

  总结来看,正如前面所提及的,目前逻辑芯片制造领域,台积电是老大,三星虽然排名第二,但是与台积电还是有一定的差距。不过,随着三星不断在代工业务上加大投入,目前与台积电的差距正在逐渐缩小。此次,三星的1158亿美元投资计划,将有望帮助三星进一步缩小与台积电的差距,甚至是反超。

  中国逻辑芯片的进展如何?

  首先在逻辑芯片方面,国内有一大批的基于Arm架构的CPU厂商,并且在移动领域及物联网市场上取得非常出色的成绩,比如华为海思的麒麟处理器。在基于MIPS架构CPU领域,国内也有龙芯、北京君正等,而在基于x86架构的CPU厂商方面,国内也有天津飞腾等。此外,近两年来,众多的国产芯片厂商还涌入了新兴的RISC-V的CPU架构领域,以期打破对于Arm的过度依赖。在GPU领域,目前国内也有已被中国资本收购的Imgination,其曾是苹果的GPU供应商。

  在可编程逻辑芯片方面,2017年广东高云半导体科技股份有限公司打破了美国独霸天下的格局,成功研发出系列可擦写、可编程逻辑芯片FPGA产品,并实现量产。中国因此成为世界第二个自主研发并产业化FPGA芯片的国家。该芯片被誉为“万能芯片”,广泛用于汽车电子、通讯、军工、航空航天、物联网、大数据等领域,是人工智能产品的核心技术之一。

  而对于逻辑芯片来说,逻辑制程工艺极为关键,今年2月份,中芯国际传来喜讯,今年上半年将会大规模量产14nm工艺,良品率达到了95%,已经非常成熟了,政府对于中芯国际14nm及更先进工艺的支持力度也在不断加大,另外,曾经台积电、三星任职半导体研发的大神梁孟松也加盟到了中芯国际中去。

  中芯国际还在去年向荷兰ASML订购了一台EUV极紫外光刻机,单价高达1.2亿美元,将会在今年年初交付,用于未来中芯国际打造7nm工艺。

  ASML表示:由于逻辑芯片市场未来发展的趋势依旧稳健,内存芯片市场对于光刻系统的需求强劲,随着工艺的提高,都需要更好的设备来提高生产力。尤其随着内存层数的不断提高,层数越多就越需要EUV提高生产力,降低生产成本,因为更高的生产力就意味着更低的成本。

  总的来说,近年来中国在逻辑芯片以及逻辑制程工艺方面发展很快,并且在一些细分领域还取得技术以及市场上的领先。相比之下在内存和存储等非逻辑芯片方面,中国目前仍处于落后地位。

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