我们知道,台积电最新的超大晶圆厂(GIGAFAB),每个月可生产超过10万片12寸晶圆,而每座晶圆厂造价高达3千亿新台币(约合610亿人民币)。但今年4月1日,日本推出的“迷你晶圆厂”(Minimal Fab),瞄准物联网时代小量、多样的感测器需求,起价却只要5亿日元(0.3亿元人民币)。《日经商业周刊》称之为:“颠覆全球半导体业界的制造系统”。

这个由经济产业省主导,由140家日本企业、团体联合开发的新世代制造系统,目标是透过成本与技术门槛的大幅降低,让汽车与家电厂商能自己生产所需的半导体及感应器。形同推翻台积电董事长张忠谋30年前所创的晶圆代工模式,重回早年飞利浦、Sony等大厂都自己生产半导体的垂直整合时代。

贩卖这种生产系统的,是日本横河电机集团旗下的横河解决方案。每台外型流线、美观的制造机台,大小约与饮料自动贩卖机差不多,但各自具备洗净、加热、曝光等功能。每一台机器,都相当于一条半导体制造的生产线。一条“迷你晶圆厂”产线,所需的最小面积是大约是两个网球场的大小。也仅是一座12寸晶圆厂的百分之一面积。

“迷你晶圆厂”能够做到如此廉价、体积小,首先是挑战业界常识的创新做法──不需要无尘室。

半导体芯片上如果沾有超过0.1微米的灰尘就算是不良品,为此,制造室内一定要保持超高洁净度。维持无尘室需要大量的电力,因此不只投资金额很高、维持费用也相当惊人。所以半导体不大量生产的话,很难获利。

产业技术总合研究所的原史朗挑战了这项业界的常识。“半导体工厂真的需要无尘室吗?明明需要隔绝灰尘的只有晶圆而已。”抱持着这项疑问,原史朗从 1990 年代开始构想“迷你晶圆厂”。

几年后,原史朗终于开发出局部无尘化的关键技术,并将此成果制出特殊运输系统“Minimal Shuttle”。利用电磁铁控制开关,几乎不会有灰尘进入。

“迷你晶圆厂”的另一个特点,是不需要用到光罩,这又可大幅降低成本。Minimal Fab的概念,就是那样的时代十分需要的多种少量生产系统。要处理的晶圆大约直径0.5英寸,比1日元硬币还要小。因为晶圆很小,所以生产设备也要跟着变小。

芯片从晶圆上切割下来,大约1平方公分大小。“迷你晶圆厂”的年产量大约是50万个,一般的12寸晶圆厂则是两亿个。如果只生产1万个,市面上每一芯片要收1万日元,但“迷你晶圆厂”只要收1,200日元。

这项“迷你晶圆厂”的研发计划,源自2010年。从2012年开始的3年内,获得经济产业省的预算,计划也随之通过。现在包含许多制造大厂在内,共140间企业团体参与。虽然是由横河解决方案在销售,可是参与开发制造的日本中小企业大约有30间,这也是该设备的一大特色之一。

目前“迷你晶圆厂”的半导体前段制程所需的设备,已经大致研发完毕,开始正式销售。预计2018年以前,切割芯片功能与封装等的后段制程设备也会开发完成。

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目前芯片产业的格局

“迷你晶圆厂”的出现,将会对现有的芯片产业提出了挑战。现有的芯片产业,设计与制造两个环节基本分开,当然也有少量的集设计、制造于一体的垂直整合模式的芯片企业。

一、芯片设计—晶圆代工模式

由于半导体器件制造耗资极高,将集成电路产业的设计和制造两大部分分开,使得无厂半导体公司可以将精力和成本集中在市场研究和电路设计上。而专门从事晶圆代工的公司则可以同时为多家无厂半导体公司提供服务,尽可能提高其生产线的利用率,并将资本与营运投注在昂贵的晶圆厂。“无厂半导体公司-晶圆代工模式”的概念最初是由Xilinx的伯尼·冯德施密特(Bernie V. Vonderschmitt)和C&T的戈登·A.坎贝尔(Gordon A.Campbell)所提出。

二、垂直整合模式

与“无厂半导体公司-芯片外包代工模式”相对的半导体设计制造模式为“垂直整合模式”(英语:IDM, Integrated Design and Manufacture),即一个公司包办从设计、制造到销售的全部流程,需要雄厚的运营资本才能支撑此营运模式,如英特尔、三星等。

两种模式各有优势

对比来说,芯片产业的两种模式各有优劣,具体选择以哪种商业模式主要看市场的需求,而对企业来说,最优的选择当然是能为自己带来最大效益的模式。

芯片设计—晶圆代工模式

这种模式的好处很明显了,负担很轻,自己只管设计就行了,不用耗费巨资去兴建晶圆厂、开发新工艺,但坏处同样很突出:你设计出来了,能否造出来、即便造出来又是个什么样子你就无法做主了,得看代工伙伴的能耐。这方面的教训当然很多:前些年台积电40/28nm两代工艺最初都很不成熟,产能也是迟迟上不来,让整个行业为之拖累。

再比如说之前GlobalFoundries 32nm工艺没有达到AMD的预期水平,第一代FX/APU处理器的频率和电压就跟设计得差很多,而当时的28nm工艺也比预想中的迟,迫使AMD一度放弃了整整一代的低功耗APU,不得不重新设计再去找台积电。

垂直整合模式

目前芯片产业选择用垂直整个模式的企业最具代表的就是英特尔与三星两家。这种模式的好处就是可以使公司的业务涉及到整个芯片产业,这能给公司带来大量的资产与营收,目前英特尔与三星的营业收入牢牢地占据着整个芯片产业的前两位就很好的说明了这一点,此外,因为设计的芯片由自己来生产监督,可以更好的保障芯片的质量,而且,相比于采用代工生产的芯片可以有更多的降价空间,以保证竞争力。

但是,垂直整个模式对于企业的技术与投入要求相当大,因为晶元制造厂的成本投入很高,需要的生产管理人员也很多,这些都极大的增加了企业的成本,所以,即使像英特尔这样的行业垄断型企业其最终的利润率也就维持在20%左右,远低于台积电、高通30%~40%的净利率。

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为什么说日本“迷你”晶圆厂能改变芯片的产业格局

日本此项“迷你”晶圆厂技术的出现,或许会逐渐改变整个芯片产业的现状。目前,芯片产业的两种模式虽然并存,但总的来说也是相安无事,但是,随着技术的进步以及市场环境的改变,将会形成新的产业格局。

芯片生产工艺的物理极限

对比晶圆制造厂家的技术水平一个很重要的指标就是XX纳米的工艺。因为将晶体管做的越小,芯片的集成度就越高,相应的性能也就越高。目前,台积电、联电、三星等等厂家的制造工业均已达到14nm级别了,而10nm甚至7nm的制造工艺也在规划中。但是,从物理结构来说,芯片的制造工艺也越来越接近极限,工艺的提升空间也会越来越小。以制造工艺保持竞争力的晶圆代工厂商未来的路便会显得越来越窄。

市场格局方面

目前,整个市场也在逐渐的改变,最主要的是从集中变为分散,因为,从需求上来说,人们对于电子产品的个性化需求越来越强,这便要求作为电子产品的核心元件——芯片无论是种类还是性能都要有多样性。这种分散式的需求,或许会催生更多的芯片厂家去进行芯片的设计与制造,而不仅仅是由一些大型的晶元代工企业进行生产。

“迷你晶圆厂”技术的出现,能够极大的降低芯片制造的成本,这为众多的电子厂商提供了芯片制造的便利。

其实芯片设计环节的门槛并没有想象中的高,在大家的印象中,中国的芯片产业一直是一个伤痛,其实,近些年,国内芯片的设计产业发展的很快,芯片设计公司数量逐年增加,公司的规模也在不断扩大,芯片设计产业的销售额逐年增加,加上华为、联想、小米这些公司已经具备了一定的芯片设计能力,与世界领先水平的差距不算太大。

那么芯片制造呢?中国现在已经成为了全球最大的芯片消费市场,而我国每年在进口芯片上和进口石油上花的钱一样多(2000亿美元左右),中国本土的芯片制造商在技术和产能上都落后太多。

想想,“迷你晶圆厂”能够普及,或许中芯、台积电等代工厂的好日子将会到头了~

(来源:天下杂志)

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