19
预计 2018 年晶圆代工业务将实现稳定增长，但增长背后存在若干挑战。
在全球晶圆代工巨头方面，GlobalFoundries、Intel、Samsung 和 TSMC 正在从 16nm / 14nm 向 10nm / 7nm 节点迁移。分析师表示，英特尔已经遇到了一些困难，因为这家芯片巨头从 2017 年下半年至 2018 年上半年刚推出了新的 10nm 制程。此外时间也将会证明其他芯片制造商是否会在 10/7nm 节点下完成平稳或粗糙的过渡。
不仅如此，另外几家代工厂也正在抓紧推出 22nm 工艺，不过目前这种技术的需求前景不算很明朗。重要的是，代工厂商看到了 8 英寸晶圆的巨大需求，然而 2018 年，8 英寸晶圆的需求依旧很短缺。
尽管如此，这个行业也没有想象的那么悲观，据 Semico Research 的分析师 Joanne Itow 透露，代工业务预计继续保持稳定增长（2018 年将比 2017 年增长 8％）。这与 2017 年的增长预测完全一致。
“增长的驱动因素包括人工智能、汽车和传感器，”分析师说：“尽管智能手机销量的增长速度已经放缓，但智能手机的 BOM 仍然是代工业务中最重要的部分。其中包括传感器、处理器、图像传感器、无线和模拟射频。”
代工厂也在关注高性能计算、电力电子甚至加密货币的增长。中国市场是最值得关注的，许多代工厂都在扩大或建造新的晶圆厂。
根据研究公司 TrendForce 的数据，在全球晶圆代工市场中，台积电继续占主导地位（2017 年占有 55.9％的份额）。根据该公司的数据，GlobalFoundries 排在第二位，联电，三星，中芯，TowerJazz，力晶，先锋，华虹和东部紧随其后。
图 1：按收入排名前十的代工厂商（三星，力晶的数据属于预估）。来源：TrendForce
更多数据
世界半导体贸易统计公司（WSTS）最近预测，2017 年半导体市场将达到 4090 亿美元，比 2016 年增长 20.6％。收入增长是由于 DRAM 平均销售价格的上涨。以及对于模拟，闪存和逻辑的强劲需求。
WSTS 预计 2018 年 IC 产业市场将达到 4370 亿美元，比 2017 年增长 7％。根据 VLSI Research 的统计，2018 年 IC 总体预计增长 7.1％，而 2017 年为 12.8％。
多年来，IC 产业一直围绕着摩尔定律（晶体管密度每 18 个月翻一番）处于不断变化中。根据这个定律，芯片制造商每 18 个月就会推出一项新工艺，表面上是为了降低晶体管的成本。
目前来看，摩尔定律仍然是可行的，不过它正在经历新的发展。每经历一个新的节点，流程成本和复杂性都在急剧上升，因此，一个完全扩展的节点节奏已经从 18 个月延长到 2.5 年或更长的时间。此外，更少的代工业务客户能负担起往高级节点跃迁的能力。根据 Gartner 的数据，一款 16nm/14nm 芯片的芯片设计成本约为 8000 万美元，28nm 芯片的芯片设计成本为 3000 万美元。相比之下，设计一个 7nm 芯片则要花费 2.71 亿美元。
和以往一样，手机仍是芯片业的最大市场。根据 IC Insights 的数据，手机 IC 销售占 IC 市场总收入的 25％，预计 2018 年将达到 973 亿美元，比 2017 年增长 8％。 该机构还认为，个人电脑相关芯片是第二大 IC 市场，预计 2018 年将增长 5％，达到 726 亿美元。
其他市场增速更为惊人。例如，汽车 IC 销售额预计在 2018 年将增长 16％，达到 324 亿美元; 到 2018 年，与物联网相关的 IC 销售额将增长 16％，达到约 168 亿美元。
图 2：IC 领域的市场增长情况（以十亿美元计）。数据来源 IC Insights
“越来越多的客户正在重新定义他们的产品组合，以适应物联网、汽车市场，”UMC 美国销售副总裁 Walter Ng 说：“就拿汽车领域来说，信息娱乐、数据安全和先进操作功能的进步，正在增加对 MCUs 的需求，其集成了嵌入式非易失性存储器、RF 元件和 MEMS 传感器。
Walter Ng 还表示：“在物联网领域，我们看到了许多不同类型的设备，但主要关注的焦点似乎是将 MCU 与多协议通信集成在一起的 IC，包括 Wi-Fi，蓝牙甚至 Zigbee。我们也看到了企业对家庭自动化的巨大兴趣。”
考虑到这些增长驱动因素，代工厂商必须开发更多不同的工艺来满足客户日益增长的需求。 GlobalFoundries 首席技术官 Gary Patton 表示：“一个技术平台能满足从高端 IBM z 系统（大型机）一直到电池供电的物联网设备，这显然是不切实际的。”
为了满足这些需求，晶圆厂必须每年增加他们的资本支出和研发支出。但是只有少数的晶圆厂有开发多种技术的资源。规模较小的公司当然也是可行的，不过他们对市场必须更专一。
除了研发资本的支出，还有一些晶圆代工厂需要面对的挑战：
•经济和政治问题可能影响电子行业。
•低迷的需求和库存问题往往会在第一季度出现，这可能会在随后的季度中持续存在。
•集成电路业务正在进行一波并购活动。整合的结果则是代工厂商的客户群缩减。
•硅片的可用性令人担忧。在多年的供应过剩之后，硅片供应商看到了新的需求。但是，供应商并没有对新工厂进行投资，许多公司已经提高了价格。
•封装测试供应链是晶圆厂的另一个问题。对芯片需求的上升导致了制造能力、各种封装类型甚至一些设备的短缺。
10nm/7nm，22nm 工艺技术的迁移
到 2018 年，英特尔预计将增长 10 纳米投入。此外，GlobalFoundries，三星和台积电将开始出货各自的 7nm finFET 工艺产品。 三星还宣布了各种半节点产品。
节点名称很混乱。 简而言之，Intel 的 10nm 技术大致相当于其他晶圆厂的 7nm 节点。
无论如何,节点迁移是具有挑战性的。 例如，一些芯片制造商花费比预期更长的时间从平面节点迁移到 16nm/14nm。在 16nm/14nm 工艺中，许多供应商转向下一代称为 FinFET 的晶体管类型。在 FinFET 中，对电流的控制是通过在鳍的三侧面上的栅极来实现的。
图 3：FinFET 与平面。 来源：Lam Research
一般而言，FinFET 解决了短沟道效应和其他缩放问题，但是该技术制造起来更困难且成本更高。
举个例子：英特尔本应在 2017 年下半年发布 10 纳米 FinFET 工艺，但最近的进度有所下滑。投资银行公司晨星（Morningstar）分析师 Abhinav Davuluri 在最近的一次采访中表示：“英特尔 10nm FinFET 工艺看起来像是被推迟到了 18 年上半年。 “这可能是遭遇了一系列的问题。但是，他们解决 14 纳米工艺问题的时间，在 10nm 工艺基本上是成倍增加。因为现在你正在做自对齐的四轴模式，而不是双模式。它需要更多的步骤和更好的功能尺寸，显然这两个问题是相互矛盾的。”
从时间上来看，GlobalFoundries，三星和台积电在 7nm 将面临类似的问题。 Gartner 分析师 Samuel Wang 表示：“三家代工厂似乎都在取得良好的进展。”
Samuel Wang 预计，在 2018 年 7nm 工艺将有一个较大的增长，但在短期内，根本不能与 10nm 抗衡。预计在 2017 年，10nm 将产生价值 50 亿美元的业务。相比之下，预计到 2018 年，7nm 的销售额将从 25 亿美元增至 30 亿美元。
那么随着时间的推移，7nm 将如何发展呢？“这是一个循序渐进的过程，”GlobalFoundries 的 Patton 说。“有一些客户在更积极地布局到下一个节点。其他人则会缓慢跟进。”
根据 Patton 的说法，7nm 将会是一个长寿的节点。FinFET 将会有很多延伸，有很大的扩展空间。
台积电表示，7nm 节点可能会达到 28nm 一样的成就。 “7nm 的最初应用是高端应用处理器和高性能计算。我们预计到 2018 年底，将会有超过 50 次流片，“台积电联席首席执行官兼总裁 C. C. Wei 在最近一次电话会议上表示。
然而，并非所有的代工厂客户都是世界领先厂商。虽说许多公司正在开发新的芯片，并正在探索迁移到 16nm/14nm 甚至更远的想法。但是许多公司都停留在 28 纳米节点以上，因为他们无法承受先进节点的高昂 IC 设计成本。
为填补市场空白，GlobalFoundries，英特尔，台积电和联电正在开发一种新的 22 纳米工艺。 22 纳米比 28 纳米更快，芯片开发成本低于 16 纳米 /14 纳米。
然则并不是所有的 22nm 技术都一样。例如，GlobalFoundries 正在准备 22 纳米 FD-SOI 技术。台积电和联电正在开发 22 纳米大容量 CMOS 工艺。而 Intel 则采用了新的低功耗 22nm FinFET 技术。
从此以后，客户必须权衡各种选项。 “这取决于你在什么空间，”GlobalFoundries 的 Patton 说:“如果你专注于高性能，并且正在尝试制造大型芯片，那么你会选择 FinFET。如果你期望芯片体积小，而且成本和功耗达到了平衡，那么你就可以沿着 FD-SOI 路径走下去。
大容量 CMOS 工艺也是一种选择，联电正在开发一个 22nm 制程，用于 RF、毫米波和其他应用。“这个工艺能提供性能和成本的最佳组合，”联电的专业技术部门的副总裁 Raj Verma 说。
尽管如此，在未来许多晶圆厂客户仍将坚持使用 28nm。Gartner 公司的 Wang 说：“28 纳米级技术提供了速度，功耗和成本的最佳组合，其将继续保持良好的需求，28nm 晶圆代工年收入可达 100 亿美元。”
那么，22nm 会起飞吗？“是的，因为 22 纳米是 28 纳米的延伸，”Wang 说。“它提供了更好的性能和密度。”
8 英寸晶圆的热潮
在过去两年中，由于某些芯片的需求激增，集成电路产业在 8 英寸晶圆厂产能方面严重短缺。
2018 年，8 英寸供应量仍将保持紧俏，12 英寸的供应预计也将遵循类似的路径。“2018 年将是 8 英寸技术供应紧张的第三年，”联电的 Ng 说。“随着 12 英寸技术能力开始跟进，我们看到客户采购战略开始变得更具战略意义。”
一般来说，一个典型的 8 英寸晶圆厂每月生产大约 4 万片晶圆，生产的芯片从 6 微米到 65nm 不等。Ng 说:“传统的 MCUs、功率分立器件、PMICs、指纹传感器和显示屏驱动的晶片仍然比现有的需求更大。”
总而言之，8 英寸的需求将会持续一段时间，这促使芯片制造商寻找新的创造性的方法来应对产能紧缩。例如，芯片制造商已经将一些设备从 8 英寸转移到 12 英寸厂。12 英寸晶圆厂已经能生产出高端芯片。
Ng 表示：“12 英寸技术预计将会向更高的利用率迈进。传统的 12 英寸工艺主要由电源管理，指纹传感器和显示驱动 IC 等应用驱动，而更主流的 12 英寸需求则由 MCU，无线通信和存储应用驱动。”
在成熟的节点上，晶圆厂能够提供专业的工艺，如模拟、双极性 CMOS-DMOS（BCD）、MEMS、混合信号、电源管理和 RF。
如今，由于 5G 和汽车的出现，专业代工业务正在复兴。电力电子和无线仍然是增长型市场。 Ng 表示：“联电在 BCD 电源管理应用方面正处于增长阶段，受全球新能源的驱动，这将需要更完整，安全和可用的电源管理解决方案。
同时，汽车市场仍然是整体晶圆代工厂商的一小部分业务，但该领域正在快速增长。因此，代工厂正争相在竞技场上扩大业务。
GlobalFoundries 汽车副总裁 Mark Granger 表示：“过去几年，我们开始看到一个真正的拐点，你可以开始看到车辆中的半导体含量开始增长。随着 ADAS 的加入，这些增长尤其明显。“
一般来说，该汽车领域分为五个主要领部分：车身，连接性，融合 / 安全性，信息娱乐和动力传动系。
晶圆厂在所有领域都看到了芯片的需求。有些领域会发展更快。“在汽车、安全系统和电力列车的电气化方面，这些领域正在驱动半导体发展。” TowerJazz 射频 / 高性能模拟部门高级副总裁兼总经理 Marco Racanelli 如是说。
代工厂商也在加紧推进先进的驾驶辅助系统（ADAS）和自动驾驶技术。 ADAS 涉及汽车中的各种安全功能，如自动紧急制动和车道检测。
豪华车已经包含了许多 ADAS 功能。而现在的目标是将这些安全功能纳入中级和入门级车型。这而背后将与成本有关，需要一些时间来进行推进。尽管如此，全自动驾驶的出现还是要等好几个年头，甚至几十年。
除了汽车之外，5G 对 OEM、设备制造商和代工厂来说也是另一个潜在的大市场。 5G 是当前 4G、LTE 的无线标准的后续产品。它将使数据传输速率超过 10Gbps，或者说是 LTE 的 100 倍吞吐量。
如果 5G 起飞，该技术将推动基础设施和手机新芯片的发展。TowerJazz 公司的 Racanelli 说：“更快，更多的移动数据需求正在推动对超大规模数据中心和云计算中心扩展的迫切需求，并将为手机 5G 系统创造未来的机会。
Racanelli 说:“数据中心需要从电源管理到高速光纤前端的更专业级半导体，5G 系统将会让射频前端变得更加复杂，需要更多的 RF-soi 开关、过滤器和放大器。最后，5G 还包括一个 28GHz 的频段，我们的客户和合作伙伴已经在先进的 SiGe 中创建了 12Gb/s 的连接。”
然而，联电的 Ng 表示：“短期内，有关基础设施将如何发展，以支持目前定义的 Wi-Fi 和 6GHz 以下频段的路由器和智能手机等产品的 5G 无线电频率仍存在疑问。 5G 基础设施部署需要很长时间才能为普通公众使用。”
中国市场的机遇
中国市场对晶圆厂商来说是一个巨大的机遇，中芯国际和其他中国代工厂正继续扩张。国外厂商联电已经在中国建立了一个新的 12 英寸晶圆厂。 GlobalFoundries，TowerJazz 和台积电正在中国建设新工厂。
晶圆代工业务不仅会为多国 IC 制造商生产芯片，而且还会为越来越多的国内无晶圆厂设计公司提供芯片。 据 TrendForce 统计，2017 年中国 IC 设计行业收入预计将增长 22％。 根据研究公司的数据，到 2018 年，增长率预计将维持在 20％左右。
TrendForce 研究总监 Jeter Teo 表示：“这一增长将归功于物联网市场，其中 AI 和 5G 解决方案也将推动扩张的势头。“其他机会将来自新兴应用，如用于指纹和面部识别的生物传感器、双摄和 AMOLED。”
图 4：中国 IC 设计行业的增长情况 来源：TrendForce
图 5：中国半导体 Fab 设计公司按营收排名 来源：TrendForce
尽管业内密切关注着中国的半导体行业，其实我们也应该关注中国在应用领域的努力。SEMI 中国公司总裁 Lung Chu 表示，中国正在追求 5G、工业 4.0、智能电网等技术的发展。在某些地区，中国的发展速度比世界其他地区都快。
更多内容，欢迎访问《与非网晶圆代工专栏》。
与非网编译内容，未经许可，不得转载！
