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[军事科普] 【原创】浅析中国目前芯片自造现状之二 - IC制造的格局和国产愿景

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发表于 2017-3-16 14:48 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 westwindmil 于 2017-3-16 15:26 编辑

难得大家这么关注,赶紧把第二部的IC制造弄出来,时间不多,有疏漏望指正

上一篇讲了芯片制造可以分为三大部分,前道晶圆(硅片)基材制造,中间IC晶圆制造和后面切割封装测试,也讲了第一部分的裸晶圆市场状况,这一篇讲讲第二部分也是最重要的IC制造的国产化状况。图片还是随手从网上拷的,科普宣传,不涉商业,不注明出处勿怪吧。

在进入正题前,还是跟大家补充一下上一帖的短板,那个随手找的芯片制造流程图虽然简化了,可还是有不少的生产用语,以为主要讲芯片自造的情况就没太在意,让有些好学的坛友费解了。为了让大家更好了解芯片产业的全景, 下面再解释下IC制造流程, 不过有坛友让从沙子讲起,这个我就不太熟了,笼统说就是沙子(二氧化硅)和焦炭在电弧炉里反应生成粗硅,经盐酸氯化,精馏,和氢气还原反应形成高纯度多晶硅碇,就是晶圆片的原料了。多晶硅这块我们实际已经产能过剩了,算上电子级高纯度多晶硅也无碍国家战略安全,所以咱们主要还是说晶圆到IC制造这些增值最大的部分。从多晶硅碇经过熔炼拉单晶,切割,研磨,清洗,生成大晶圆裸片, 一个12寸大晶圆裸片的价格一般几百美金,比沙子已经在天上了,可比最终芯片成品的价格还在18层地下趴着呢,从晶圆裸片到晶圆芯片一般要经历如下步骤:
1. 晶圆表面增层(用来制造不同层的电路)
2. 氧化沉积(形成光阻保护膜)
3. 光刻(把掩膜(底片)上的电路图通过曝光印到保护膜上)
4. 刻蚀(把电路下沉刻蚀到晶圆上)
5. 薄膜沉淀(溅射沉淀金属膜,在曝光刻蚀区域形成铜连线电路)
6. 参杂/钝化(用离子束注入定量杂质/离子改变不同晶圆部位导电性形成P/N结晶体管和电阻电容等)
7. 清洗测试(内部电性测试,不同于外部封装的功能测试,洗去光阻材料)
要注意的是实际生产还要复杂些,一般从晶圆到芯片大概要走2,30道工序,很多要反复走,不过科普嘛,知道这些就够啦,有了这个大家再看前贴的IC制造流程图就容易理解了吧。找了张芯片刻蚀电路的效果图,大家看看就明白了。
光刻板.jpg

网上看到个Intel的“从沙子到芯片”的视频,对照上面的解释大家再看应该更有感觉吧。想想沙子进来,金子(芯片)出去,果然科技才是暴利之源!  


回到芯片自造状况的正题,先说下自产率的总体情况,目前以12寸的主流大晶圆IC制造而言,全球每月消费晶圆片毛估510万片,而国内供货已经达到了46万片,目前在建厂的产量叠加更超过60万片/月,这样到2020年咱们有把握的大晶圆IC芯片自给率会逼近20%,加上现有和规划的8寸晶圆厂,虽然离国家2025规划里的40%的自给率还有距离,但各地规划还在更新,国家的大基金也在支持国内厂商的海外并购,简单的生产量达标的前景是乐观的,不过产品性能和盈利就不能太奢望了。以衡量芯片性能的纳米制程而言,如果把未来主流的5nm到40nm的范围比作一个人的身高,5nm是头,40nm是脚,现在看到的国内建厂规划全是冲着腰以下去的,倒不是各地真的兽性大发,无脑蛮干,实在是拜那个禁运协议的钳制,订不到相关的制造设备(这部分后面再细聊),而出来的产品估计会是以非大容量存储(NAND Flash)芯片为主了,想想90年代开张的北京NEC华虹厂就是生产低容量内存,那真是几十年如一日的亏呀,不过又要国家安全又要市场盈利,只能说我们还需要努力了。

再说IC制造的行业情况,现在全球大规模集成电路制造已经变成事实上的寡头之争, 第一梯队的三家Intel/三星/台积电独大,这里Intel和三星也都是主要的芯片设计公司,不过有意思的是问intel自己的人一定会说我们最牛的是芯片制造! 反正以前Intel一边借着x86专利和Wintel联盟,走设计厂盈利模式,在单颗芯片的利润上远超(10倍)台积电这种代工厂,另一方面对同样有x86专利的AMD则靠高制程和良品率的优势碾压,算是吃了原告吃被告。现在风水轮流转,ARM的兴起和设计代工分流的趋势,还有靠近摩尔定律极限后芯片性能提升的艰难,让三星和台积电逐渐赶了上来,在代表芯片性能的纳米制程上,都已赶上而且要超越Intel了,值得一提的还有浴火重生的AMD,不但分离原先生产部门专注设计(就是二梯队的Global Foundries,GF呢,奇妙的名字),最近居然跟分手后的GF谈判要赔钱终止前代工协议,就是给你钱,求你别帮我造了的意思,新厂不用讲情面加上新出的锐龙,值得看好! 扯远了,反正IC制造上说,第一梯队都是高高在上的腕儿,再看第二梯队,也是三家,大陆这边的中芯,台湾的联电UMC和上面说的GF,他们的产值跟第一梯队都有好几倍的差距,不过不是有后台就是有关系,江湖上总有一席之地,当然托最硬就是中芯啦(TG还有另一个御用的紫光,现在成立长江存储要上20nm搞3D NAND Flash,可那位赵头儿也是业界一大名嘴了,中芯还只敢走28nm呢,不过希望能成功吧),有图有真相,这里找了一个芯片巨头们到20年的技术路线图,大家一看就明白各家的赛位了
chipmakerplan.jpg
这里的FinFET,Tri-gate啥的是各家的在晶圆上做晶体管的方式,不必深究,只看制程,基本可以理解相互间的差距了。IC制造的明珠当然还得说CPU产品,现在最新的苹果高通联发科还有华为麒麟都是要10nm及以上的制程了,新的PC家和服务器芯片也要14nm以内了, 对照上图,这些基本都还是第一梯队的菜。当然芯片厂核心指标还有良品率,尤其在现在各家制程升级频繁的今天,尽快稳定良品率其实关乎客户来源和自己饭碗,最考校芯片厂功力。 当然中国比较特殊, 只能靠财力往上硬顶,先拥有制程再谈良品率吧。

除了第一,二梯队这些综合性的设计/代工厂家,还有象韩国SK海力士,美国镁光,日本东芝等主要在做存储类IC,至于其他的OLED/LED照明的也是一大块不过就不再本文范围内了。到这儿,大家至少对我们芯片国产化的状态和发展应该有所认知了,基本上2020年前,中国芯片自造还是以在量上追赶为主,性能上是会差至少两代制程以上(还是蛮多的,想想谁还在用iphone5,也就2代),至于盈利只能说维持了。这里也许的一个变数是我们芯片制造设备的进步的速度,不是会马上国产替代,而是让禁运协议国/公司松口。 比如关键设备光刻机已经是荷兰ASML一家独大了,而其对中国有礼有节的控制都快赶上纳米制程的精度了。象最近同意出口的28nm光刻机就因为上微的45nm技术攻关成功,45nm到28nm是可以调节光刻机物镜做到的,别的最难的光源掩膜啥的都不变,所以有了45nm,28nm就很快了,那还不趁机赶紧把28nm的钱挣了,还能压制一下(潜在)对手的发展! 有意思的是ASML最近高调宣布跟上微开始战略合作,好熟悉的味道呀,仿佛当年波音麦道的浓香... 算了,想得太阴暗也于事无补,上一个ASML的极紫(EUV)光刻机的图,10多年的研发,号称人类工业文明的巅峰(变态)之作呀,象其德产反射镜加工精度直到皮米,千分之一纳米的程度,也就是一个象德国那么大的反射镜,从高到最低的差在1公分以内,欧洲工业文明的成还是让人钦佩的!
EUV光刻机.jpg


呃,又写了好久了,以后再聊光刻机这些芯片制造设备的国产化情况和芯片最后一道的封装测试吧,芯片设备等同于机床之于工业,是我们受制并发力追赶的方向,好在TG的光学科研基础扎实,未来还是很有看头的。

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最具影响力军事论坛-超级大本营军事论坛欢迎你!超然物外,有容乃大。
发表于 2017-3-16 15:05 | 显示全部楼层
EUV到现在还是试生产阶段,三星台积对EUV还处于观测状态
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发表于 2017-3-16 15:06 | 显示全部楼层
十年前歼十还是我等军迷用来意淫对抗F22的,十年过去歼20都服役了。要相信TG勇攀高峰的雄心
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头像被屏蔽
发表于 2017-3-16 15:06 | 显示全部楼层
友情帮顶 版主加分吧
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 楼主| 发表于 2017-3-16 15:14 | 显示全部楼层

RE: 【原创】浅析中国目前芯片自造现状之二 - IC制造的格局和国产愿景

tonyget 发表于 2017-3-16 15:05
EUV到现在还是试生产阶段,三星台积对EUV还处于观测状态

EUV已经被台积电扫货了,1.1亿美金一个还有钱没处买,基本上10nm以内只能用EUV的。 话说危机意识最强的就是台积电,三星Intel都有自家产业链,后面中芯联电一帮小弟又不松腿,只好制程上下功夫的向前暴走,不过最近传在7nm的良品率有很多问题,事关iphone8的铺货,史上最大电子产品备货潮呀,整个手机产业链都在关注的
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发表于 2017-3-16 15:16 | 显示全部楼层
这次搞的那个5nm的刻蚀机是个啥水平
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发表于 2017-3-16 15:43 | 显示全部楼层
支持楼主多搞原创,欢迎大家大家积极参与、理性争论。。。
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发表于 2017-3-16 15:44 | 显示全部楼层
楼主好贴分析很到位,介绍也全面呢,通俗然后即好懂了

补充询问一下:

台积电属于了全球最大的晶圆代工厂,台积电南京建设12吋晶圆厂从产业链看属于了一个什么水平了?
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发表于 2017-3-16 15:45 超大游击队员 | 显示全部楼层
EUV搞完了是不是该X射线伽马射线了啊?
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发表于 2017-3-16 15:49 | 显示全部楼层
非常稀罕撸主的帖子,期待后续更新
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发表于 2017-3-16 15:54 超大游击队员 | 显示全部楼层
美帝已经开始酝酿制裁中国芯片产业了,由此可见中国已经开始威胁到美帝的核心产业了。
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发表于 2017-3-16 16:00 | 显示全部楼层
天朝芯片产业,2025年再看,我相信中国人的智慧。
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 楼主| 发表于 2017-3-16 16:10 | 显示全部楼层

RE: 【原创】浅析中国目前芯片自造现状之二 - IC制造的格局和国产愿景

我爱吃粉丝 发表于 2017-3-16 15:44
楼主好贴分析很到位,介绍也全面呢,通俗然后即好懂了

补充询问一下:

这个是28nm的厂,iphone5芯片那一代, 听说台积电会在台湾的南科厂和老厂做5/7/10纳米,慢慢把28nm直到14/6nm的移到国内,既不违反条约,又靠近用户
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发表于 2017-3-16 16:12 | 显示全部楼层

RE: 【原创】浅析中国目前芯片自造现状之二 - IC制造的格局和国产愿景

westwindmil 发表于 2017-3-16 16:10
这个是28nm的厂,iphone5芯片那一代, 听说台积电会在台湾的南科厂和老厂做5/7/10纳米,慢慢把28nm直到14 ...

确实受教了

但开建仅仅是28nm厂,以后进行产业升级换代岂不是很麻烦了?
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发表于 2017-3-16 16:16 | 显示全部楼层
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 楼主| 发表于 2017-3-16 16:17 | 显示全部楼层

RE: 【原创】浅析中国目前芯片自造现状之二 - IC制造的格局和国产愿景

本帖最后由 westwindmil 于 2017-3-16 16:19 编辑
CheckAndBalance 发表于 2017-3-16 15:45
EUV搞完了是不是该X射线伽马射线了啊?


EUV按intel当年的说法05年就可能投产的,可越接近1nm, 研制难度就越发成倍增加,拖到现在才由ASML搞定,反正纳米再往下就进入量子领域范畴了,量子效应显现,摩尔定律完蛋,所以芯片的升级方向一个是复杂的3D化设计,还有就是等量子计算时代的到来吧,那个就是技术革命而不是产业升级了
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发表于 2017-3-16 16:25 | 显示全部楼层
好文章,学习了,长知识,多谢楼主!
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 楼主| 发表于 2017-3-16 16:27 | 显示全部楼层

RE: 【原创】浅析中国目前芯片自造现状之二 - IC制造的格局和国产愿景

我爱吃粉丝 发表于 2017-3-16 16:12
确实受教了

但开建仅仅是28nm厂,以后进行产业升级换代岂不是很麻烦了?

对,28nm再往上走,光刻离子束等设备要换的不少,但怎么也还是在12寸晶圆上做, 比新建厂要省,而且总有中低端的芯片需求,铁能用一阵子呢,以国内市场之庞大,没准到能干设备老化淘汰了呢。 这还主要是TG2025一出江湖震动,要不以台积电的深蓝内核,28nm也不拿过来的
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 楼主| 发表于 2017-3-16 16:32 | 显示全部楼层

RE: 【原创】浅析中国目前芯片自造现状之二 - IC制造的格局和国产愿景

肥杨 发表于 2017-3-16 16:16
http://lt.cjdby.net/forum.php?mod=viewthread&tid=2371719&page=1#pid72945990

这个上面的怎么理解。

不就是咱们说的被ASML等卡了脖子了吗,想和做,做和做好差着好几道呢,公开的中芯路线图20年14nm可以接单,这个关乎客户招揽,宁肯忽悠也不会太保守的
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发表于 2017-3-16 16:38 | 显示全部楼层

RE: 【原创】浅析中国目前芯片自造现状之二 - IC制造的格局和国产愿景

本帖最后由 肥杨 于 2017-3-16 16:39 编辑
westwindmil 发表于 2017-3-16 16:32
不就是咱们说的被ASML等卡了脖子了吗,想和做,做和做好差着好几道呢,公开的中芯路线图20年14nm可以接单 ...


我一直认为是,美国一定要卡死我们,技术水平必须要差两代。否则不让进口。
看来主要还是自身投入和本身水平差距造成的。
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发表于 2017-3-16 16:42 | 显示全部楼层
一步一个脚印。
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发表于 2017-3-16 16:57 超大游击队员 | 显示全部楼层
学习了,感觉芯片这一块,差距比军民用发动机还大,可是国家支持投入力度和决心也比发动机大
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发表于 2017-3-16 17:05 | 显示全部楼层
好文章,学习了,期待后续更新
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发表于 2017-3-16 17:18 超大游击队员 | 显示全部楼层
两篇文章都看了,有了点浅显认识,辛苦了。

中芯加油!紫光加油!
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发表于 2017-3-16 17:19 超大游击队员 | 显示全部楼层
westwindmil 发表于 2017-3-16 16:32
不就是咱们说的被ASML等卡了脖子了吗,想和做,做和做好差着好几道呢,公开的中芯路线图20年14nm可以接单 ...

纯粹段子。 中芯又不是买不来14NM光刻机。 买来是要开发工艺的,不是说你买来相应等级的光刻机就能制造芯片了。 纯粹研发能力问题。到现在28NM的HK还是没搞定呢,良品率太低
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发表于 2017-3-16 17:29 超大游击队员 | 显示全部楼层
而且,从利润率上来讲,确实越高等级利润率越高,但是相应开发难度和投入也大。 新建28NM和45NM的线实施上从市场需求来讲,也不低。 首先28NM工艺成本上比16NM低很多,并且工艺上与前代工艺差距不是很大,在低成本或者对性能要求不高的,更关注性价比的市场里需求很大。比如智能家居、智能电视、机顶盒等等。  45NM则在IOT等物联网和低功耗领域需求也大。 比如目前45NM的主力华虹和虹力,近几年8寸和12英寸线已经接近饱和。  支持部分运行良好的企业,国家投钱,去追赶先进技术是可以的。 但是要求所有企业不考虑市场因素去投资显然不合适。 国内大部分厂家还是应该把生存放在第一位。全靠国家养不靠谱。
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发表于 2017-3-16 17:30 | 显示全部楼层

RE: 【原创】浅析中国目前芯片自造现状之二 - IC制造的格局和国产愿景

westwindmil 发表于 2017-3-16 15:14
EUV已经被台积电扫货了,1.1亿美金一个还有钱没处买,基本上10nm以内只能用EUV的。 话说危机意识最强的就 ...

台积是不想做IDM,张仲谋强调台积与IDM相比的优势就是与客户不存在竞争关系,比如三星与苹果高通那样

想做IDM的话就收购Fabless呗,反正台积那么有钱
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发表于 2017-3-16 17:33 超大游击队员 | 显示全部楼层
干脆用3D打印打出来算了
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发表于 2017-3-16 17:38 超大游击队员 | 显示全部楼层
tonyget 发表于 2017-3-16 17:30
台积是不想做IDM,张仲谋强调台积与IDM相比的优势就是与客户不存在竞争关系,比如三星与苹果高通那样

...

倒是不用收购,台积电自己本身在台湾就有专门做外包的公司,想自己开发IP不难。
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发表于 2017-3-16 17:41 | 显示全部楼层

RE: 【原创】浅析中国目前芯片自造现状之二 - IC制造的格局和国产愿景

楼主写的很好,提个建议,能不能这个帖子也放到你另外的那个第一部分的帖子里。和版主讲一下,应该可以放到2楼。
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发表于 2017-3-16 17:54 | 显示全部楼层
涨姿势,学习了
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发表于 2017-3-16 18:12 超大游击队员 | 显示全部楼层
印象里好象某种半导体材料只能在太空微重力环境下合成,价钱很贵产量有限,一直被欧美垄断。中国自己的空间站建成了或许会加速Ic业赶超进度。
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发表于 2017-3-16 18:16 | 显示全部楼层
这东西一旦追上来,经济发展除了原材料,其他都齐活了。
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发表于 2017-3-16 18:17 | 显示全部楼层

RE: 【原创】浅析中国目前芯片自造现状之二 - IC制造的格局和国产愿景

westwindmil 发表于 2017-3-16 16:27
对,28nm再往上走,光刻离子束等设备要换的不少,但怎么也还是在12寸晶圆上做, 比新建厂要省,而且总有 ...

多谢了,辛苦予以解释和介绍
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发表于 2017-3-16 18:34 超大游击队员 | 显示全部楼层
Yta. 发表于 2017-3-16 18:12
印象里好象某种半导体材料只能在太空微重力环境下合成,价钱很贵产量有限,一直被欧美垄断。中国自己的空间 ...

虚假新闻而已。
最多是实验室的玩意
你想想全球用量多大
而空间站多大,够机器放入吗?
扯淡言论你都信,唉
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发表于 2017-3-16 18:55 超大游击队员 | 显示全部楼层
bugular 发表于 2017-3-16 18:34
虚假新闻而已。
最多是实验室的玩意
你想想全球用量多大

科教台看的应该是真的,我懒的搜不行你搜下。
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发表于 2017-3-16 19:12 | 显示全部楼层

RE: 【原创】浅析中国目前芯片自造现状之二 - IC制造的格局和国产愿景

半导体这方面,确实得加油了。
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发表于 2017-3-16 20:00 超大游击队员 | 显示全部楼层
Yta. 发表于 2017-3-16 18:55
科教台看的应该是真的,我懒的搜不行你搜下。

那也不太可能是空间实验室,太小了。
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发表于 2017-3-16 20:09 | 显示全部楼层
这种贴子最有营养。赞楼主
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发表于 2017-3-16 20:09 | 显示全部楼层
干货帖子,学习了,顶
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