中国半导体特色工艺的机会来了

总体来看，当下的晶圆代工业，有两类代工厂，一类专注于数字技术，以满足行业对存储、CPU和逻辑芯片的代工需求，这类多采用先进制程工艺，目标是实现更小的节点尺寸和更高的运算能力，其产品生命周期较短，因为制程节点在不断演进。

另一类则是特殊工艺（特色工艺）晶圆代工厂，它们专注于小众市场。不同于先进制程代工厂，特色工艺技术的差异化是通过技术的多样性实现的，其制程节点演进压力要小得多，这有利于延长产品的生命周期，降低资本密集度。另外，特色工艺代工厂还可以通过碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）这类新半导体材料的应用，来拓展硅基技术的极限。

在全球半导体市场，IDM正走在“失宠”的道路上，晶圆代工凭借其高效、灵活的固有特性，越来越吃香。2019年之前，行业的关注点更多的集中在最先进制程上，但近几年，随着中美科技战升温，以及疫情对全球电子半导体产业形成的影响，行业的关注点开始分散，有越来越多的资源投入到非先进制程，特别是特色工艺上。

01 先进制程的利与弊

之所以说特色工艺的重要性在逐步提升，一个很重要的原因是先进制程的发展瓶颈越来越凸出。

最先进制程产线多用来制造各种处理器，这些处理器的一个最大特点就是晶体管数量巨大，少则几十亿个，多则几百亿个。虽然晶体管越多越好，但由于处理器芯片尺寸有限，因此，通过缩小晶体管之间的空间来增加密度，将更多晶体管封装到芯片中成为关键。因此，不断推出新的先进制程节点是实现更高晶体管密度的主要途径。

先进制程工艺不仅能增加晶体管密度，还可以提高时钟速度和效率，例如，用台积电5nm制程制造的Ryzen 7000和RX 7000处理器，与其较早的7nm工艺版本相比，可以在相同功率下提供15%的时钟速度提升，或在相同频率下减少30%的功耗。直到2000年代中期，随着制程工艺的演进，频率和效率的提高还是积极正向的，因为功耗的下降很明显。

然而，随着制程工艺演进到10nm以下，特别是最新的3nm节点，它可以显著提高逻辑晶体管的密度，但对高速缓存（SRAM）的密度没有任何改善，而无法缩小缓存是致命的，因为它会限制整体密度的提升，同时，功耗下降越来越不明显。如果晶圆厂不能持续提升晶体管密度，在芯片尺寸不断减小的情况下，晶体管数量就不能增加，处理器性能也就难以提升。这会形成恶性循环，从而阻碍先进制程技术的演进，特别是未来的2nm和1nm，难度很大。

另外，设计费用的大幅提升，也是阻碍最先进制程普及的一个重要原因。例如，7nm芯片设计成本超过3亿美元，华为早些年推出的麒麟980芯片采用了台积电的7nm制程，麒麟 980是由超过1000名半导体工程师组成的团队历时3年时间，经历超过5000次的工程验证才成功应用的，这期间所花费的成本是绝大多数芯片企业承受不起的。而最新的3nm制程的成本更是惊人，据IBS测算，如果基于3nm制程开发英伟达GPU的话，设计成本就高达15亿美元，据悉，芯片设计公司要想用台积电3nm制程制造芯片，其产线上一片晶圆的花费就要25000美元。

后摩尔时代半导体工艺发展方向

因此，先进制程发展遇到了瓶颈，这为特色工艺发展提供了更多机会。

02 特色工艺百花齐放

什么是特色工艺？简单地说，不按照摩尔定律指定的时间和节奏缩小工艺节点的半导体工艺就可称为特色工艺。从需求来看，特色工艺的市场应有前景广阔，它可以使更多企业在各自擅长的领域做精做强，特别是在模拟和模数混合芯片领域，如MCU、 OSD（Optical-Sensor-Discrete，光电-传感-分立器件）等，它们对制程工艺的先进性要求较低，是特色工艺应用的主要市场。

与先进制程相比，目前特色工艺在晶圆代工厂的渗透率相对较低，模拟芯片、MCU、分立器件厂商多为IDM，这些厂商在研发投入和晶圆厂资本开支方面的双重需求拉低了毛利率等关键业绩指标，随着投入规模的扩大，这些IDM会将更多易于标准化的产品外包出去，从而推动特色工艺在晶圆代工业的发展。

从晶圆代工厂的营收变化情况来看，无论是年度营收还是季度营收，特色工艺代工厂的波动相对较小，这说明该行业的稳定性和客户的粘性更佳。特色工艺代工厂盈利能力的波动小，主要有两方面原因：一是需求端的稳定使代工厂的经营管理更具有可预期性；二是制程工艺的成熟度较高，特色工艺代工厂的设备资本开支和研发投入规模相对较小，可以很好地控制成本。

从行业发展层面来看，即使是在晶圆代工业发达的中国台湾地区，能够持续进行先进制程工艺开发的厂商也仅剩下台积电一家，先进与特色工艺的结合才是一个地区发展晶圆代工业并形成综合竞争力的保障。

那么，特色工艺包括哪些具体类型呢？实际上，微机电系统（MEMS），FD-SOI和RF-SOI，嵌入式非易失性存储器（eNVM），CIS图像传感器，功率器件，模拟、电源管理和射频等差异化工艺平台，BCD工艺平台，以及以SiC和GaN为代表的新一代化合物半导体工艺等，都可以归为特色工艺。

03 国际大厂的特色工艺战略

除了台积电、三星和中芯国际，多数晶圆代工厂将发展重点放在了特色工艺上，典型代表就是联电（中国台湾）、格芯（美国）和X-FAB（欧洲），前两家已经完全抛弃了12nm以下先进制程，将全部资源和精力都投入到成熟制程和特色工艺上，之所以如此，有以下几点原因：1、提升差异化竞争力；2、更好地满足客户需求，很多客户希望代工厂的投入、发展方向与它们的技术发展方向一致，工艺具备足够的差异化属性；3、客户希望从每一代技术中获得更多价值，充分利用每个技术节点的投资。

联电最近推出的特色工艺包括14nm 14FFC、22nm超低功耗22ULP和超低漏电流22ULL、28nm高性能运算28HPC+制程等，且已进入量产阶段。联电还为毫米波（mmWave）应用推出了55nm／40nm／28nm工艺平台。联电是晶圆代工业界第一个用28nm高压制程开发并量产OLED面板驱动IC的。RF-SOI方面，90nm制程已量产，55nm即将导入量产，同时已着手开发40nm制程RF-SOI技术平台。

联电40nm制程的嵌入式闪存（eFlash）已经量产，正在进行28nm研发，40nm制程ReRAM已经量产，22nm的ReRAM技术平台和22nm的eMRAM制程平台正在研发中。此外，该公司还在积极投入GaN功率和微波器件平台开发。

X-FAB是德国特色工艺晶圆代工厂，重点关注MEMS和SiC技术。X-FAB是全球唯一一家专注于汽车应用市场的纯晶圆代工厂，汽车芯片销售额约占其总收入的一半。此外，X-FAB可提供MEMS与CMOS的整合工艺，这种技术使客户能够开发智能芯片实验室（lab on a chip）应用，这是一些包含微系统的微流控组件，用于处理微量液体，如血液，可进行高通量筛选和测试，如病毒检测或DNA测序。

04 中国本土晶圆厂看好特色工艺

2022年，美国政府通过的“美国芯片法案”规定，获得美国国家补贴的公司，不得在中国大陆投资28nm以下制程技术，那之前，美国推出的“实体清单”明文禁止用于1X nm及以下先进制程的美国技术销往被列入清单的中国大陆企业。因此，多数中国晶圆代工厂积极拓展28nm及以上成熟制程技术。

在中国大陆，除了中芯国际，其它晶圆厂都在重点发展特色工艺，包括排名靠前的华润微电子、华虹半导体，以及后起之秀中芯集成、粤芯半导体、积塔半导体和增芯等。

华润微聚焦于功率半导体、智能传感器和智能控制器领域，提供-100V-1500V范围内的低压、中压、高压MOSFET产品。

华润微在深圳建设了12英寸特色工艺集成电路生产线，一期总投资超220亿元，目标是在2024年底实现通线投产。华润微电子总裁李虹表示，将全力以赴推进深圳12英寸特色工艺集成电路生产线工程建设，满产后将形成年产48万片12英寸功率器件的生产能力，此外，该产线产品还包括电机驱动、模数转换、MCU和光电集成等，重点支持新能源汽车、光伏储能、物联网、传感器等新兴领域的应用。

作为中国大陆特色工艺最具代表性的企业，华虹半导体旗下包含嵌入式非易失性存储器、功率器件、电源管理和射频等工艺平台，其中，嵌入式闪存、电源管理工艺平台已分别实现 90nm超低漏电工艺和90nm高性能BCD工艺量产。

近两年，华虹半导体新建的无锡厂产能快速释放，进一步巩固了其在中国本土特色工艺领域的地位。无锡晶圆厂主要聚焦在6大平台，分别是：逻辑&混合信号&射频，嵌入式非易失性存储器，NOR Flash，CIS传感器，功率半导体，以及BCD，这里，BCD是Bipolar-CMOS-DMOS，即能够在同一芯片上制作Bipolar、CMOS和DMOS器件的单片集成工艺技术，华虹半导体在这方面的发展速度比较快。

中芯集成是中芯国际的兄弟企业，聚焦特色工艺，优势技术包括MEMS和功率器件，是目前中国本土少数能够制造车规级芯片的晶圆代工企业之一。中芯集成的功率器件和MEMS 业务，与中芯国际形成差异化业务发展方向，目前，该公司在车载IGBT、高压IGBT、深沟槽超结MOSFET、射频MEMS等中高端领域拥有核心技术，也是国内少数能够提供全电压范围工艺平台IGBT的晶圆代工企业。

粤芯半导体是近几年发展起来的晶圆代工厂，是粤港澳大湾区首家且唯一进入量产阶段的中国本土12英寸晶圆厂。目前，粤芯正在进行三期项目建设，目标是在2024年投产。

积塔半导体的特色工艺制程为0.35μm~40nm，覆盖功率器件、通用模拟电路、MCU、CIS图像传感器、嵌入式存储等制造平台，重点是汽车应用，可以说是为汽车芯片量身打造的工艺产线。

增芯是2022年12月在广州新建的12英寸晶圆特色工艺产线，聚焦MEMS传感器。这是中国本土一条重要的12英寸MEMS制造生产线，按照计划，该项目将于2024上半年通线，2025年底满产，月产能2万片晶圆。

据悉，增芯吸引了10家MEMS芯片设计企业与其签订合作协议，共同定制工艺设备、开发特色工艺技术，包括加速度传感器、惯性传感器、磁传感器、基因测试芯片、微流控芯片、硅基麦克风芯片等。

除了以上这些企业，还有很多中国本土企业在大力发展特色工艺，从目前的情况来看，该产业发展方兴未艾，潜力巨大，值得期待。

审核编辑：刘清