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中国"芯"28nm关键节点需要怎样的推动力?

赛迪顾问?? 2015年09月25日 ?? 收藏0
“联合创新”模式助力中国集成电路工艺创新与演进——《中国IC 28纳米工艺制程发展》白皮书发布.

在中国全面实现工业化的今天,几乎所有人都将目光集中在飞机发动机、集成电路、生物工程等重点行业。这其中,集成电路行业发展尤为引人注目。工信部在解读《中国制造2025》时称,“集成电路是工业的‘粮食’,其技术水平和发展规模已成为衡量一个国家产业竞争力和综合国力的重要标志之一,是实现中国制造的重要技术和产业支撑。国际金融危机后,发达国家加紧经济结构战略性调整,集成电路产业的战略性、基础性、先导性地位进一步凸显,美国更将其视为未来20年从根本上改造制造业的四大技术领域之首。”同时也有业内人士将集成电路比喻为工业生产的“心脏”,其重要性可见一斑。

图1 系统的总体框图

日前,赛迪顾问发布《中国IC 28纳米工艺制程发展》白皮书,阐释全球及中国集成电路产业发展现状,并对“联合创新”模式给予极高评价。

28纳米为IC工艺制程发展关键节点

全球方面,白皮书数据显示,2014年全球集成电路产业规模达到3331.51亿美元。从区域分布来看,集成电路产业主要分布在北美、欧洲、日本和亚太地区(除日本)。同时,也形成了以英特尔、三星、台积电、高通为代表的龙头企业。其中,美国企业占据主导地位,在全球前20大半导体厂商中达到9家,其余包括日本企业3家、欧洲企业3家、韩国企业2家,中国台湾企业3家;中国方面,根据工信部统计,2014年,中国集成电路产业实现销售收入2672亿元人民币,同比增长11.2%,比上年提高3.6个百分点。

图1 系统的总体框图

技术演进角度,白皮书认为,纵观集成电路50年来的发展历程,自发明以来所取得的成功和产品增值主要归功于半导体制造技术的不断进步。工艺技术持续快速发展现有技术不断改进,新技术不断涌现,带动了芯片集成度持续迅速提高,单位电路成本呈指数式降低。白皮书认为综合技术和成本等各方面因素,28纳米都将成为未来很长一段时间内的关键工艺节点。

从工艺角度,与40纳米工艺相比,28纳米栅密度更高、晶体管的速度提升了大约50%,而每次开关时的能耗则减小了50%。此外,目前28纳米采用的是193纳米的浸液式方法,当尺寸缩小到22/20纳米时,传统的光刻技术已无能为力,必须采用辅助的两次图形曝光技术(double patterning,简称为DP)。然而这样会增加掩膜工艺次数,从而致使成本增加和工艺循环周期的扩大。这就造成了20/22纳米无论从设计还是生产成本上一直无法实现很好的控制,其成本约为28纳米工艺成本的1.5-2倍左右。

从市场需求角度,白皮书同时表示,随着28纳米工艺技术的成熟,28纳米工艺产品市场需求量呈现爆发式增长态势——从2012年的91.3万片到2014年的294.5万片,年复合增长率高达79.6%,并且这种高增长态势将持续到2017年。白皮书还表示,因为成本等综合原因,14/16纳米不会迅速成为主流工艺,因此,28纳米工艺将会在未来很长一段时间内作为高端主流的工艺节点。

白皮书还调研了中国28纳米工艺制程现状。白皮书称,自45纳米工艺技术于2011年被攻克之后,以中芯国际为代表的IC制造企业积极开展28纳米工艺技术的研发。中芯国际的28纳米生产制程经过几百人研发团队和近三年时间,于2013年底实现产品在上海试生产。2015年9月,中芯国际28纳米工艺产品将基本上实现量产。首先量产的将是PolySiN工艺,下一步集中在HKMG工艺。

联合创新将推动中国IC产业发展

如何进一步从半导体制造领域着手突破、进而实现整个半导体水平的提升?在去年工信部颁布的《国家集成电路产业发展推进纲要》中,主管部门提出了指导性意见,其中包括:以技术创新、模式创新和体制机制创新为动力,充分利用全球资源,推进产业链各环节开放式创新发展,加强国际交流合作,提升在全球产业竞争格局中的地位和影响力。

值得关注的是,工信部多次强调“模式创新”和“加强国际交流合作”。而赛迪发布的白皮书也利用较大篇幅论述晶圆制造厂与IC设计企业联合创新的必要性。白皮书认为传统IDM模式面临巨大挑战,而行业分工模式也存在诸多不足;白皮书经过大量调研认为,联合创新将开启IC产业发展新模式。

图1 系统的总体框图

所谓IDM(Integrated Device Manufacturer),即从设计到制造、封装测试以及投向市场全包的运营方式。其特征是经营范围覆盖IC设计、芯片制造、封装测试,甚至下游终端产品制造,代表企业有三星、英特尔、德州仪器等。该模式具备内部资源整合能力强、利润高以及技术领先等优势,但白皮书认为其存在明显弊端,主要体现在——生产运营成本高制约技术创新;技术进步难度大;产能和市场难以匹配。

而传统的行业分工模式源于产业的专业化分工。随着分工的逐渐深入,形成了专业的IP(知识产权)核、无生产线的IC设计(Fabless)、晶圆代工(Foundry)及封装测试(Assembling & Testing)厂商。模式的最大优点是灵活性强,但劣势也很明显——工艺对接难度加大,延缓产品上市时间;Foundry标准化的工艺研发,不利于满足客户特色需求;各Foundry工艺不统一,增加了Fabless适配难度。

在此背景下,白皮书提出,联合创新将开启IC产业发展新模式。这种模式可在实现分工的基础上合作,在合作的基础上分工,联合创新模式中,各种领域内有所长的企业,彼此以深度伙伴关系合作的形式,达到各环节的有效垂直整合。代工厂不再仅限于产业链中的制造,可以参与到专业芯片的前期设计和后期服务;此外,联合创新模式加快Foundry工艺进步速度,有助突破产业发展瓶颈;第三,这种模式可提高Fabless工艺适配能力,提升产品性能优化空间。

白皮书称,从集成电路行业发展来看,新工艺与新材料的引入需要设计企业与制造企业紧密合作,需要IC设计企业对工艺、器件有深入的理解。让IC设计企业加入到工艺研发过程中,可以结合工艺进行设计优化,提高Fabless的工艺适配能力,提升产品性能的优化空间,从而确保设计的产品在性能方面获得优势,也能有效降低风险。

白皮书重点介绍“中高联合创新”模式

何为联合创新模式的典范?白皮书力挺“中高联合创新”。白皮书认为,作为全球最大的、领先的Fabless厂商Qualcomm(美国高通公司,以下简称“高通”),和中国内地最大的Foundry厂商中芯国际的合作具有典型意义和示范作用。 白皮书称,中芯国际与高通的联合创新模式,主要体现在协同技术创新、相互经验分享、联合人才培养、促进市场开拓等方面。这种联合创新是一种从技术到产业的全生态合作,有利于加速28纳米制程技术在中国的采用。

图1 系统的总体框图

白皮书表示,高通拥有众多关于半导体工艺和设计的领先技术。作为双方28纳米制程工艺合作的一部分,高通为中芯国际提出实际的产品需求。这对帮助中芯国际利用、改进和完善其生产能力,打造出高良品率、高精确度的世界级商用产品至关重要。同时,协同技术创新也有利于中芯国际建立世界级的28纳米工艺设计包(PDK),可以帮助高通以外的其它设计企业对中芯国际28纳米工艺树立信心。为了加大与中芯国际的合作与协同创新力度,高通还在上海设立了专门的研发中心来为中芯国际提供现场支持。

此外,作为IC设计厂商,高通与多家海外晶圆制造厂合作开发芯片,在支持晶圆代工厂的制程技术成熟化和不断演进方面累积了很多经验,并得到实际产品的验证。这方面的知识积累和经验优势使高通在低功耗、高性能、移动端的芯片领域处于全球第一的位置。高通也是少数几家能够以规模化和技术资源支持晶圆代工厂开发领先制程工艺的设计企业。而中芯国际和高通开展合作后,高通可以把这些成熟的合作经验带到中国,与中芯国际进行分享,生产出符合市场需求的产品、并保证产品良率的提高。

白皮书还表示,“中高联合创新”模式还可以强化业内其它客户对中芯国际28纳米制程的信心,有利于中芯国际承接除高通之外的更多订单,并获取发展所必须的重要利润。28纳米技术未来将成为中芯国际重要的增长动力之一。中芯国际实力进一步增加以后,进而可以聘用、培养一流的高技术人才,投入更多的资金用于研发,开发更先进的工艺技术,最终形成一个良性循环,让研发与市场更加有效地结合起来。

对于该模式带来的成果之一,工信部在《2014年集成电路行业发展回顾及展望》中称,中芯国际与高通合作的28纳米骁龙处理器成功制造,标志着其在28纳米工艺制程成熟的路径上又迈出重要一步。

开放合作是中国IC发展的重要方向

开放、创新将帮助中国集成电路产业迅速走向国际前沿。今年5月,工信部副部长怀进鹏表示,中国集成电路市场需求强大,中美双方在集成电路领域合作空间广阔。中国在实施《国家集成电路产业发展推进纲要》过程中将充分发挥市场配置资源的决定性作用,更好发挥政府作用,坚持开放发展原则,欢迎包括美国半导体企业在内的国外企业参与其中。

事实上,以高通为代表的海外企业已经深度参与中国的集成电路产业。去年,高通与中芯国际宣布了将双方的长期合作拓展至28纳米晶圆制造,即前文所述“中高联合创新”模式合作项目之一。中芯国际藉此成为中国内地第一家在最先进工艺节点上生产高性能、低功耗手机处理器的晶圆代工企业。仅仅一年多时间,中芯国际28纳米芯片组实现商用,采用其28纳米工艺的骁龙410处理器已经应用于主流智能手机。

此事件在中国推进“互联网+”和“中国制造2025”战略的大背景下具备里程碑意义,中芯国际首席执行官兼执行董事邱慈云博士表示,“这对整个产业链来说意义非凡,我们通过与高通的紧密合作,实现了中国内地制造核心芯片应用于主流智能手机零的突破”;高通总裁德里克?阿博利表示,“这标志着高通和中芯国际在先进工艺制程和晶圆制造合作上再次取得重大进展”。

图1 系统的总体框图

而在今年6月份,高通携手中芯国际、华为、IMEC,共同投资中芯国际集成电路新技术研发公司,该公司目前以14纳米先进逻辑工艺研发为主,此项目是集成电路制造企业与国际业界公司、研究机构合作模式上的重大突破,充分整合了国际产业链的上下游公司、国际尖端研发力量等优势资源。该项目为比利时国王菲利普?利奥波德?路易斯?玛丽访华期间与中国签署的一系列协议之一,这项代表着中国和比利时最尖端科技之间的合作,受到了各方的关注。中国国家主席习 近 平、比利时国王菲利普共同见证了签约仪式。

此外在近日,中芯国际、国家集成电路产业投资基金股份有限公司和高通宣布达成向中芯长电半导体有限公司投资的意向并签署不具有法律约束力的投资意向书,投资总额为2.8亿美元。如本轮拟进行的投资一旦完成,将帮助中芯长电加快中国第一条12英寸凸块生产线的建设进度,从而扩大生产规模,提升先进制造能力,并完善中国整体芯片加工产业链。

图1 系统的总体框图

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28nm? IC设计? 封装测试?

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