浅谈三星半导体的“冰下世界”

传感器技术 2018-07-12 15:40 次阅读

由于过去一年存储价格的飞涨,全球对获利最大的三星半导体的关注度达到了前所未有的高度。诚然,无论从市场份额还是营收上看,三星半导体的存储表现都是非常亮眼。

DRAMeXchange的数据显示,2018年第一季,三星DRAM全球占有率为44.9%,遥遥领先后面的SK海力士和美光,后两者的份额恩别为27.9%和22.6%;来到NAND Flash方面,DRAMeXchange的数据指出,三星在2018年Q1的份额为37%,也大幅度领先于其后面的Toshiba(19.4%)和西部数据(15%)。依赖于这两类产品的好境况,三星也把坐了25年半导体龙头宝座的英特尔拉下马。

但随着NAND Flash的价格走弱,加上追赶着的来势汹汹,分析人士不看好三星存储乃至三星的后续表现。但其实除了存储外,三星半导体已经在多个领域夯实了基础。让我们来见识一下这个韩国巨头在半导体领域的真正实力。

CMOS图像传感器业务的快速追赶

近年来,得益于智能手机的增长,还有最近两年双摄像头甚至三摄像头的升级,加上汽车、安全、机器视觉、医疗、虚拟现实和其它方向对CMOS图像传感器的需求,CMOS的销量将会保持较高的增长率。

ICinsights的报告指出,CMOS 图像感测器2017年的销售额同比增长10%至137亿美元,过去六年的GAGR达到11.9%。按照他们预测,从现在起到2022年,CMOS图像传感器销售额GAGR会达到8.8%,出货量方面的GAGR更将达到11.7%。三星无疑是其中的一个赢家。

浅谈三星半导体的“冰下世界”

TSR最近公布的数据显示,如果以出货量计算,2017年移动CIS市场,Sony以31.5%市占率荣登冠军宝座,而三星则是以30.3%市占率紧追在后,后者同比增长了28%。相较2016年,两大业者的市场影响力有扩大趋势,在2016年,Sony、三星年合计市占率56.3%,2017年进一步扩大为61.8%。三星能获得这样的表现,归功于他们过去十来年的投入和技术创新。尤其是2013年对外公布的ISOCELL技术。据三星方面介绍,该技术让传统 CMOS 图像传感器的结构有了革命性的变化,让所有像素能聚集更多的光线,是一项突破了性能瓶颈的新技术。

众所周知,索尼之所以能够称霸传感器市场,与他们的技术有很大关系。例如内置ADC、重新排列传感器布局、开发出背照式传感器和堆叠式结构(stacked structure)。而ISOCELL就是三星叫板索尼的杀手锏。

据了解,三星的ISOCELL,从技术上看,就是通过在图像传感器里的像素之间形成一道绝物理性绝缘体,来有效的防止进入像素的光信号外漏。除此之外,因为有了屏障的存在,所以进入像素的光信号互相之间的串扰影响也被大大降低,从而提升了图像清晰度和色彩表现,即便使用较小的像素也能实现出色的图像质量。

经过多年的发展,三星在今年推出了新一代的产品ISOCELL Fast 2L3。这款新品拥有2Gb LPDDR4 闪存,快门时间可达1/120 秒,并支持960FPS 720P 解析度的慢动作捕捉,集成堆叠式DRAM。从规格上看,三星这次根本就是冲着Sony 而来。从三星内部的布局来看,他们正在CMOS图像传感器上面开足马力。

今年三月份,一份来自韩国的报告表示,三星正在计划增加其图像传感器的生产能力,并把自己的目标定为图像传感器的全球领先者。报告声称,三星已经将在华中的一条生产线进行改造,把它变成图像传感器的制造生产线,这将在今年年底完成。另外也有传言称,在这个过程中,三星已经开始了第二条生产线的改造。如果两条产线改换成,三星的图像传感器总生产能力预估将会达到120000片每个月。作为对比,领头羊索尼的月产能只有100000,由此我一看到三星的决心。从他们官方透露的数据上看,他们的ISOCELL图像传感器也获得了不错的效果。

三星方面表示,目前全球有三分之一的智能手机采用了ISOCELL的图像传感器,而每10部国产手机,就有4.6台采用了三星的ISOCELL 传感器,与2014年相比,三星的图像传感器营收了有了两倍的增长。

从整个市场发展来看,三星的这个投入也是有道理的。

ICinsights表示,手机拍照手机占CMOS图像传感器销售量的62%,但预计到2022年市场份额将下滑至45%。但他们进一步指出,汽车CMOS图像传感器预计将在未来五年成为传感器的主要增长动力,从想到2022年,其复合年增长率(CAGR)也将达到38.4%,届时CMOS图像传感器总销售额的15%(28亿美元),而相机手机产生的收入预计将以年复合增长率当年仅为2.2%至86亿美元。

对于三星来说,拓展传感器到车载领域是一个很有必要的举动。在这方面,领头羊索尼就做得比较前,他们已经发布了适用于车载摄像头的影像传感器。

晶圆代工业务的快马加鞭

在去年五月,三星宣布将其晶圆代工业务成为一个独立运营的部门,这足以体现三星在晶圆代工方面的决心,但从现状来看,三星的晶圆代工业务似乎进展并没有想象中那么好。

拓墣产业研究院的最新数据指出,2018年上半年,三星晶圆代工业务位居全球第四,较之去年同期下滑了2.2%。在晶圆代工业绩全面飘红的时代,三星成为前十中唯二业绩下滑的厂商。但拓墣产业研究院表示,三星正在积极推出多项目晶圆服务,强化与芯客户合作的可能性。但这是三星晶圆代工的一步。

三星晶圆代工高层曾表示,要成为全球第二大芯片代工厂,年营收冲上100亿美元,未来更打算超越台积电。为达到这个目标,他们做了很多的准备工作。

如在今年年初,三星设立了“三星先进晶圆代工生态系统”(Samsung Advanced Foundry Ecosystem,简称 SAFE),并强化主要客户高通等的关系,提升成长引擎;

五月,韩联社报道,三星悄然开设了晶圆代工专属的研发部门,全力追赶台积电。消息源表示,三星主管芯片业务的装置解决方案部门近来设立了晶圆代工研发中心,强化此方面的实力。值得一提的是,装置解决方案部门旗下原本已有8个研发中心,包括存储器、System LSI、半导体、封装、LED、生产技术、软件、面板。三星的先进技术基本与这个部门有莫大的关系。而三星在晶圆代工技术方面也有了莫大的进步,在上月底举办的年度技术论坛上,三星披露了其相关技术细节和规划:

三星强调,通孔层光刻优化和工艺改进作为提高密度的推动因素——寻求“栅间通孔”设计风格的出现;同时他们还表示,将减少单元之间的明显的“扩散隔离( SDB single diffuse break设计)”,还强调了与虚拟(冗余)栅极相关的“应力工程”,以提高载流子移动性和器件性能;当然,三星方面还会对FD-SOI持续关注。

另外,对先进封装和晶圆级封装技术的关注,也是三星追赶台积电的另一个武器。众所周知,正是因为过去多年在晶圆级封装的关注,让台积电巩固了苹果芯片的订单,并让他们在现在高性能芯片时代,拥有领先优势。

在技术论坛上,三星甚至披露了他们的路线。

消息显示,三星的7nm工艺已经完成,而根据三星的计划,他们将在今年下半年投产7LPP (7nm Low Power Plus)工艺,并将首次应用到EUV光刻技术,而其中一些关键IP正在研发阶段。接下来,他们会继续推进5LPE (5nm Low Power Early)技术,进一步缩小芯片核心面积,带来低功耗,这个工艺将会在2019年面世;接下来就是4LPE/LPP (4nm Low Power Early/Plus),这将让芯片面积更小,性能更高,且可以能快速量产,方便客户升级。到2020年我们就可以看到4nm工艺了。

值得一提的是,按照三星的说法,4LPE/LPP将会是他们最后一个使用FinFET晶体管的节点,进入了3nm之后,他们将会投向GAA(环栅晶体管)的怀抱。

按照Intel架构和集成方面的资深Fellow Mark Bohr的观点,GAA晶体管能够提供比FinFet更好的静电特性,这个可满足某些栅极宽度的需求,同时你就可以得到一个全环绕和一点的静电性能的控制。当然,gate的缩小是必不可少的。

从上面技术方面的布局看来,三星已经为未来的晶圆代工生意点下了慢慢的科技树。

再加上三星将其晶圆代工业务扩展到物联网与指纹识别芯片等领域,强化八英寸代工市场。还有在挖矿芯片抢单上面的激进,也许三星晶圆代工业务真有可能实现其高层去年七月在接受路透社采访时候谈到的“翻三倍至25%份额,成为全球第二大晶圆代工厂”的目标。

其他芯片产品的布局

除了上述的CMOS图像传感器和晶圆代工业务,三星在其他芯片方面有很多布局也体现了他们的前瞻性。甚至有些产品统领了市场不为人知。

首先谈一下大家都知道的猎户座(Exynos)SoC,这是他们推出的一系列面向智能手机的SoC。坦白说,三星的这一系列芯片在过往卖得并不是很好,但无可否认的是他们的产品性能,是除了高通以外,做的最好的。

腾讯科技最近报道指出,三星已经在开发下一代的旗舰处理器芯片Exynos 9820。根据Twitter上爆料大神的消息称,三星的定制Mongoose M4核心性能将有相当大的提升,与ARM的Cortex-A76架构相比,有明显的优势。

也有消息称,与ARM的CPU架构相比,Mongoose M4的效率系数更高,而后者的核心性能将使Exynos 9820的GeekBench多核跑分成绩更上一层楼。

从爆料上看,三星的这款芯片很有可能是一款7nm工艺的产品,且将在2019年面世。

在MTK将手机SoC目标停留在中低端搏杀的时候,三星是市场上唯一一个能追上高通步伐的厂商了。这就像在CMOS图像传感器市场一样,在豪威科技卖身,东芝相关业务被索尼收购以后,三星也是唯一一个追上领头羊索尼的竞争者。这就再次证明了三星的竞争力。

回到移动SoC产品方面,据ExtremeTech、The Register等外媒报道,三星现在正在加快和OEM洽谈手机芯片授权与销售事宜。路透社也报道,三星将会在上半年公布一家新客户,这将会给三星带来更强的竞争力。

更有媒体声称,鉴于三星在OLED屏幕的强大竞争力,如果他采用搭售的方式,对于三星来说,会是一个很大的推动。但这是一些想法而已。

其次,在驱动IC方面,三星也有不为人知的表现。

三星方面表示,现在每10部手机的屏幕中,有4.6部用的是他们的驱动IC,在AMOLED屏的驱动IC中,三星的优势更是明显,旭日大数据的报告显示,三星的AMOLED驱动IC市占率高达75%。

另外,还有消息表示,三星正在研发车用处理器Exynos Auto。

盖世汽车网表示,这系列芯片将拥有神经处理单元(Neural Processing Unit,NPU)区块,供人工智能算法使用,还可对车载传感器所采集的信号数据加以分析。新款AP或将被用于先进驾驶辅助系统(ADAS),旨在更为高效地识别车道及障碍物。据估计,Exynos Auto还将配置LTE调制解调器,用于连接云端。

当然,车载信息娱乐系统、数字仪表板(digital dashboards)、抬头显示器等设备中,这将会是他们与NXP瑞萨英飞凌和高通一争高下的产品。

至于其他车用LED、数据中心等业务,那就更不用说了,三星势必会紧跟。

换句话说,在全球对三星存储业务群而攻之的时候,三星半导体早已经为未来种下了几颗胜利的种子。从三星过往的发展和现在布局看来,韩国巨头能够获得今天的地位,绝不是侥幸,这种超前的意识和投入,也值得我们学习借鉴。

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原文标题:可怕的三星半导体

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