迷你晶圓廠橫空出世 芯片產(chǎn)業(yè)格局或生變

　　芯片設(shè)計重要還是制造重要，等日本的這項“黑科技”出來后或許就有答案了。

　　橫空出世的“迷你”晶圓廠

　　我們知道，臺積電最新的超大晶圓廠(GIGAFAB)，每個月可生產(chǎn)超過10萬片12寸晶圓，而每座晶圓廠造價高達(dá)3千億新臺幣(約合610億人民幣)。但今年4月1日，日本推出的“迷你晶圓廠”(Minimal Fab)，瞄準(zhǔn)物聯(lián)網(wǎng)時代小量、多樣的感測器需求，起價卻只要5億日元(0.3億元人民幣)。《日經(jīng)商業(yè)周刊》稱之為：“顛覆全球半導(dǎo)體業(yè)界的制造系統(tǒng)”。

　　這個由經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省主導(dǎo)，由140家日本企業(yè)、團(tuán)體聯(lián)合開發(fā)的新世代制造系統(tǒng)，目標(biāo)是透過成本與技術(shù)門檻的大幅降低，讓汽車與家電廠商能自己生產(chǎn)所需的半導(dǎo)體及感應(yīng)器。形同推翻臺積電董事長張忠謀30年前所創(chuàng)的晶圓代工模式，重回早年飛利浦、Sony等大廠都自己生產(chǎn)半導(dǎo)體的垂直整合時代。

　　販賣這種生產(chǎn)系統(tǒng)的，是日本橫河電機(jī)集團(tuán)旗下的橫河解決方案。每臺外型流線、美觀的制造機(jī)臺，大小約與飲料自動販賣機(jī)差不多，但各自具備洗凈、加熱、曝光等功能。每一臺機(jī)器，都相當(dāng)于一條半導(dǎo)體制造的生產(chǎn)線。一條“迷你晶圓廠”產(chǎn)線，所需的最小面積是大約是兩個網(wǎng)球場的大小。也僅是一座12寸晶圓廠的百分之一面積。

　　“迷你晶圓廠”能夠做到如此廉價、體積小，首先是挑戰(zhàn)業(yè)界常識的創(chuàng)新做法──不需要無塵室。

　　半導(dǎo)體芯片上如果沾有超過0.1微米的灰塵就算是不良品，為此，制造室內(nèi)一定要保持超高潔凈度。維持無塵室需要大量的電力，因此不只投資金額很高、維持費(fèi)用也相當(dāng)驚人。所以半導(dǎo)體不大量生產(chǎn)的話，很難獲利。

　　產(chǎn)業(yè)技術(shù)總合研究所的原史朗挑戰(zhàn)了這項業(yè)界的常識。“半導(dǎo)體工廠真的需要無塵室嗎?明明需要隔絕灰塵的只有晶圓而已。”抱持著這項疑問，原史朗從 1990 年代開始構(gòu)想“迷你晶圓廠”。

　　幾年后，原史朗終于開發(fā)出局部無塵化的關(guān)鍵技術(shù)，并將此成果制出特殊運(yùn)輸系統(tǒng)“Minimal Shuttle”。利用電磁鐵控制開關(guān)，幾乎不會有灰塵進(jìn)入。

　　“迷你晶圓廠”的另一個特點(diǎn)，是不需要用到光罩，這又可大幅降低成本。Minimal Fab的概念，就是那樣的時代十分需要的多種少量生產(chǎn)系統(tǒng)。要處理的晶圓大約直徑0.5英寸，比1日元硬幣還要小。因為晶圓很小，所以生產(chǎn)設(shè)備也要跟著變小。

　　芯片從晶圓上切割下來，大約1平方公分大小。“迷你晶圓廠”的年產(chǎn)量大約是50萬個，一般的12寸晶圓廠則是兩億個。如果只生產(chǎn)1萬個，市面上每一芯片要收1萬日元，但“迷你晶圓廠”只要收1，200日元。

　　這項“迷你晶圓廠”的研發(fā)計劃，源自2010年。從2012年開始的3年內(nèi)，獲得經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省的預(yù)算，計劃也隨之通過?，F(xiàn)在包含許多制造大廠在內(nèi)，共140間企業(yè)團(tuán)體參與。雖然是由橫河解決方案在銷售，可是參與開發(fā)制造的日本中小企業(yè)大約有30間，這也是該設(shè)備的一大特色之一。

　　目前“迷你晶圓廠”的半導(dǎo)體前段制程所需的設(shè)備，已經(jīng)大致研發(fā)完畢，開始正式銷售。預(yù)計2018年以前，切割芯片功能與封裝等的后段制程設(shè)備也會開發(fā)完成。

　　目前芯片產(chǎn)業(yè)的格局

　　“迷你晶圓廠”的出現(xiàn)，將會對現(xiàn)有的芯片產(chǎn)業(yè)提出了挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有的芯片產(chǎn)業(yè)，設(shè)計與制造兩個環(huán)節(jié)基本分開，當(dāng)然也有少量的集設(shè)計、制造于一體的垂直整合模式的芯片企業(yè)。

　　一、芯片設(shè)計—晶圓代工模式

　　由于半導(dǎo)體器件制造耗資極高，將集成電路產(chǎn)業(yè)的設(shè)計和制造兩大部分分開，使得無廠半導(dǎo)體公司可以將精力和成本集中在市場研究和電路設(shè)計上。而專門從事晶圓代工的公司則可以同時為多家無廠半導(dǎo)體公司提供服務(wù)，盡可能提高其生產(chǎn)線的利用率，并將資本與營運(yùn)投注在昂貴的晶圓廠。“無廠半導(dǎo)體公司-晶圓代工模式”的概念最初是由Xilinx的伯尼·馮德施密特(Bernie V. Vonderschmitt)和C&T的戈登·A.坎貝爾(Gordon A.Campbell)所提出。

　　二、垂直整合模式

　　與“無廠半導(dǎo)體公司-芯片外包代工模式”相對的半導(dǎo)體設(shè)計制造模式為“垂直整合模式”(英語：IDM， Integrated Design and Manufacture)，即一個公司包辦從設(shè)計、制造到銷售的全部流程，需要雄厚的運(yùn)營資本才能支撐此營運(yùn)模式，如英特爾、三星等。

　　兩種模式各有優(yōu)勢

　　對比來說，芯片產(chǎn)業(yè)的兩種模式各有優(yōu)劣，具體選擇以哪種商業(yè)模式主要看市場的需求，而對企業(yè)來說，最優(yōu)的選擇當(dāng)然是能為自己帶來最大效益的模式。

　　芯片設(shè)計—晶圓代工模式

　　這種模式的好處很明顯了，負(fù)擔(dān)很輕，自己只管設(shè)計就行了，不用耗費(fèi)巨資去興建晶圓廠、開發(fā)新工藝，但壞處同樣很突出：你設(shè)計出來了，能否造出來、即便造出來又是個什么樣子你就無法做主了，得看代工伙伴的能耐。這方面的教訓(xùn)當(dāng)然很多：前些年臺積電40/28nm兩代工藝最初都很不成熟，產(chǎn)能也是遲遲上不來，讓整個行業(yè)為之拖累。

　　再比如說之前GlobalFoundries 32nm工藝沒有達(dá)到AMD的預(yù)期水平，第一代FX/APU處理器的頻率和電壓就跟設(shè)計得差很多，而當(dāng)時的28nm工藝也比預(yù)想中的遲，迫使AMD一度放棄了整整一代的低功耗APU，不得不重新設(shè)計再去找臺積電。

　　垂直整合模式

　　目前芯片產(chǎn)業(yè)選擇用垂直整個模式的企業(yè)最具代表的就是英特爾與三星兩家。這種模式的好處就是可以使公司的業(yè)務(wù)涉及到整個芯片產(chǎn)業(yè)，這能給公司帶來大量的資產(chǎn)與營收，目前英特爾與三星的營業(yè)收入牢牢地占據(jù)著整個芯片產(chǎn)業(yè)的前兩位就很好的說明了這一點(diǎn)，此外，因為設(shè)計的芯片由自己來生產(chǎn)監(jiān)督，可以更好的保障芯片的質(zhì)量，而且，相比于采用代工生產(chǎn)的芯片可以有更多的降價空間，以保證競爭力。

　　但是，垂直整個模式對于企業(yè)的技術(shù)與投入要求相當(dāng)大，因為晶元制造廠的成本投入很高，需要的生產(chǎn)管理人員也很多，這些都極大的增加了企業(yè)的成本，所以，即使像英特爾這樣的行業(yè)壟斷型企業(yè)其最終的利潤率也就維持在20%左右，遠(yuǎn)低于臺積電、高通30%~40%的凈利率。

　　為什么說日本“迷你”晶圓廠能改變芯片的產(chǎn)業(yè)格局

　　日本此項“迷你”晶圓廠技術(shù)的出現(xiàn)，或許會逐漸改變整個芯片產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀。目前，芯片產(chǎn)業(yè)的兩種模式雖然并存，但總的來說也是相安無事，但是，隨著技術(shù)的進(jìn)步以及市場環(huán)境的改變，將會形成新的產(chǎn)業(yè)格局。

　　芯片生產(chǎn)工藝的物理極限

　　對比晶圓制造廠家的技術(shù)水平一個很重要的指標(biāo)就是XX納米的工藝。因為將晶體管做的越小，芯片的集成度就越高，相應(yīng)的性能也就越高。目前，臺積電、聯(lián)電、三星等等廠家的制造工業(yè)均已達(dá)到14nm級別了，而10nm甚至7nm的制造工藝也在規(guī)劃中。但是，從物理結(jié)構(gòu)來說，芯片的制造工藝也越來越接近極限，工藝的提升空間也會越來越小。以制造工藝保持競爭力的晶圓代工廠商未來的路便會顯得越來越窄。

　　市場格局方面

　　目前，整個市場也在逐漸的改變，最主要的是從集中變?yōu)榉稚?，因為，從需求上來說，人們對于電子產(chǎn)品的個性化需求越來越強(qiáng)，這便要求作為電子產(chǎn)品的核心元件——芯片無論是種類還是性能都要有多樣性。這種分散式的需求，或許會催生更多的芯片廠家去進(jìn)行芯片的設(shè)計與制造，而不僅僅是由一些大型的晶元代工企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)。

　　“迷你晶圓廠”技術(shù)的出現(xiàn)，能夠極大的降低芯片制造的成本，這為眾多的電子廠商提供了芯片制造的便利。

　　其實芯片設(shè)計環(huán)節(jié)的門檻并沒有想象中的高，在大家的印象中，中國的芯片產(chǎn)業(yè)一直是一個傷痛，其實，近些年，國內(nèi)芯片的設(shè)計產(chǎn)業(yè)發(fā)展的很快，芯片設(shè)計公司數(shù)量逐年增加，公司的規(guī)模也在不斷擴(kuò)大，芯片設(shè)計產(chǎn)業(yè)的銷售額逐年增加，加上華為、聯(lián)想、小米這些公司已經(jīng)具備了一定的芯片設(shè)計能力，與世界領(lǐng)先水平的差距不算太大。

　　那么芯片制造呢?中國現(xiàn)在已經(jīng)成為了全球最大的芯片消費(fèi)市場，而我國每年在進(jìn)口芯片上和進(jìn)口石油上花的錢一樣多(2000億人民幣左右)，中國本土的芯片制造商在技術(shù)和產(chǎn)能上都落后太多。

　　想想，“迷你晶圓廠”能夠普及，或許中芯、臺積電等代工廠的好日子將會到頭了~