“聯(lián)合創(chuàng)新”模式助力中國集成電路工藝創(chuàng)新與演進

在中國全面實現(xiàn)工業(yè)化的今天，幾乎所有人都將目光集中在飛機發(fā)動機、集成電路、生物工程等重點行業(yè)。這其中，集成電路行業(yè)發(fā)展尤為引人注目。工信部在解讀《中國制造2025》時稱，“集成電路是工業(yè)的‘糧食’，其技術(shù)水平和發(fā)展規(guī)模已成為衡量一個國家產(chǎn)業(yè)競爭力和綜合國力的重要標志之一，是實現(xiàn)中國制造的重要技術(shù)和產(chǎn)業(yè)支撐。國際金融危機后，發(fā)達國家加緊經(jīng)濟結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略性調(diào)整，集成電路產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性地位進一步凸顯，美國更將其視為未來20年從根本上改造制造業(yè)的四大技術(shù)領(lǐng)域之首。”同時也有業(yè)內(nèi)人士將集成電路比喻為工業(yè)生產(chǎn)的“心臟”，其重要性可見一斑。

日前，賽迪顧問發(fā)布《中國IC 28納米工藝制程發(fā)展》白皮書，闡釋全球及中國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，并對“聯(lián)合創(chuàng)新”模式給予極高評價。

28納米為IC工藝制程發(fā)展關(guān)鍵節(jié)點

全球方面，白皮書數(shù)據(jù)顯示，2014年全球集成電路產(chǎn)業(yè)規(guī)模達到3331.51億美元。從區(qū)域分布來看，集成電路產(chǎn)業(yè)主要分布在北美、歐洲、日本和亞太地區(qū)(除日本)。同時，也形成了以英特爾、三星、臺積電、高通為代表的龍頭企業(yè)。其中，美國企業(yè)占據(jù)主導(dǎo)地位，在全球前20大半導(dǎo)體廠商中達到9家，其余包括日本企業(yè)3家、歐洲企業(yè)3家、韓國企業(yè)2家，中國臺灣企業(yè)3家;中國方面，根據(jù)工信部統(tǒng)計，2014年，中國集成電路產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)銷售收入2672億元人民幣，同比增長11.2%，比上年提高3.6個百分點。

技術(shù)演進角度，白皮書認為，縱觀集成電路50年來的發(fā)展歷程，自發(fā)明以來所取得的成功和產(chǎn)品增值主要歸功于半導(dǎo)體制造技術(shù)的不斷進步。工藝技術(shù)持續(xù)快速發(fā)展現(xiàn)有技術(shù)不斷改進，新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，帶動了芯片集成度持續(xù)迅速提高，單位電路成本呈指數(shù)式降低。白皮書認為綜合技術(shù)和成本等各方面因素，28納米都將成為未來很長一段時間內(nèi)的關(guān)鍵工藝節(jié)點。

從工藝角度，與40納米工藝相比，28納米柵密度更高、晶體管的速度提升了大約50%，而每次開關(guān)時的能耗則減小了50%。此外，目前28納米采用的是193納米的浸液式方法，當尺寸縮小到22/20納米時，傳統(tǒng)的光刻技術(shù)已無能為力，必須采用輔助的兩次圖形曝光技術(shù)(double patterning，簡稱為DP)。然而這樣會增加掩膜工藝次數(shù)，從而致使成本增加和工藝循環(huán)周期的擴大。這就造成了20/22納米無論從設(shè)計還是生產(chǎn)成本上一直無法實現(xiàn)很好的控制，其成本約為28納米工藝成本的1.5-2倍左右。

從市場需求角度，白皮書同時表示，隨著28納米工藝技術(shù)的成熟，28納米工藝產(chǎn)品市場需求量呈現(xiàn)爆發(fā)式增長態(tài)勢——從2012年的91.3萬片到2014年的294.5萬片，年復(fù)合增長率高達79.6%，并且這種高增長態(tài)勢將持續(xù)到2017年。白皮書還表示，因為成本等綜合原因，14/16納米不會迅速成為主流工藝，因此，28納米工藝將會在未來很長一段時間內(nèi)作為高端主流的工藝節(jié)點。

白皮書還調(diào)研了中國28納米工藝制程現(xiàn)狀。白皮書稱，自45納米工藝技術(shù)于2011年被攻克之后，以中芯國際為代表的IC制造企業(yè)積極開展28納米工藝技術(shù)的研發(fā)。中芯國際的28納米生產(chǎn)制程經(jīng)過幾百人研發(fā)團隊和近三年時間，于2013年底實現(xiàn)產(chǎn)品在上海試生產(chǎn)。2015年9月，中芯國際28納米工藝產(chǎn)品將基本上實現(xiàn)量產(chǎn)。首先量產(chǎn)的將是PolySiN工藝，下一步集中在HKMG工藝。

聯(lián)合創(chuàng)新將推動中國IC產(chǎn)業(yè)發(fā)展

如何進一步從半導(dǎo)體制造領(lǐng)域著手突破、進而實現(xiàn)整個半導(dǎo)體水平的提升?在去年工信部頒布的《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進綱要》中，主管部門提出了指導(dǎo)性意見，其中包括：以技術(shù)創(chuàng)新、模式創(chuàng)新和體制機制創(chuàng)新為動力，充分利用全球資源，推進產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)開放式創(chuàng)新發(fā)展，加強國際交流合作，提升在全球產(chǎn)業(yè)競爭格局中的地位和影響力。

值得關(guān)注的是，工信部多次強調(diào)“模式創(chuàng)新”和“加強國際交流合作”。而賽迪發(fā)布的白皮書也利用較大篇幅論述晶圓制造廠與IC設(shè)計企業(yè)聯(lián)合創(chuàng)新的必要性。白皮書認為傳統(tǒng)IDM模式面臨巨大挑戰(zhàn)，而行業(yè)分工模式也存在諸多不足;白皮書經(jīng)過大量調(diào)研認為，聯(lián)合創(chuàng)新將開啟IC產(chǎn)業(yè)發(fā)展新模式。

所謂IDM(Integrated Device Manufacturer)，即從設(shè)計到制造、封裝測試以及投向市場全包的運營方式。其特征是經(jīng)營范圍覆蓋IC設(shè)計、芯片制造、封裝測試，甚至下游終端產(chǎn)品制造，代表企業(yè)有三星、英特爾、德州儀器等。該模式具備內(nèi)部資源整合能力強、利潤高以及技術(shù)領(lǐng)先等優(yōu)勢，但白皮書認為其存在明顯弊端，主要體現(xiàn)在——生產(chǎn)運營成本高制約技術(shù)創(chuàng)新;技術(shù)進步難度大;產(chǎn)能和市場難以匹配。

而傳統(tǒng)的行業(yè)分工模式源于產(chǎn)業(yè)的專業(yè)化分工。隨著分工的逐漸深入，形成了專業(yè)的IP(知識產(chǎn)權(quán))核、無生產(chǎn)線的IC設(shè)計(Fabless)、晶圓代工(Foundry)及封裝測試(Assembling & Testing)廠商。模式的最大優(yōu)點是靈活性強，但劣勢也很明顯——工藝對接難度加大，延緩產(chǎn)品上市時間;Foundry標準化的工藝研發(fā)，不利于滿足客戶特色需求;各Foundry工藝不統(tǒng)一，增加了Fabless適配難度。

在此背景下，白皮書提出，聯(lián)合創(chuàng)新將開啟IC產(chǎn)業(yè)發(fā)展新模式。這種模式可在實現(xiàn)分工的基礎(chǔ)上合作，在合作的基礎(chǔ)上分工，聯(lián)合創(chuàng)新模式中，各種領(lǐng)域內(nèi)有所長的企業(yè)，彼此以深度伙伴關(guān)系合作的形式，達到各環(huán)節(jié)的有效垂直整合。代工廠不再僅限于產(chǎn)業(yè)鏈中的制造，可以參與到專業(yè)芯片的前期設(shè)計和后期服務(wù);此外，聯(lián)合創(chuàng)新模式加快Foundry工藝進步速度，有助突破產(chǎn)業(yè)發(fā)展瓶頸;第三，這種模式可提高Fabless工藝適配能力，提升產(chǎn)品性能優(yōu)化空間。白皮書稱，從集成電路行業(yè)發(fā)展來看，新工藝與新材料的引入需要設(shè)計企業(yè)與制造企業(yè)緊密合作，需要IC設(shè)計企業(yè)對工藝、器件有深入的理解。讓IC設(shè)計企業(yè)加入到工藝研發(fā)過程中，可以結(jié)合工藝進行設(shè)計優(yōu)化，提高Fabless的工藝適配能力，提升產(chǎn)品性能的優(yōu)化空間，從而確保設(shè)計的產(chǎn)品在性能方面獲得優(yōu)勢，也能有效降低風險。

白皮書重點介紹“中高聯(lián)合創(chuàng)新”模式

何為聯(lián)合創(chuàng)新模式的典范?白皮書力挺“中高聯(lián)合創(chuàng)新”。白皮書認為，作為全球最大的、領(lǐng)先的Fabless廠商Qualcomm(美國高通公司，以下簡稱“高通”)，和中國內(nèi)地最大的Foundry廠商中芯國際的合作具有典型意義和示范作用。 白皮書稱，中芯國際與高通的聯(lián)合創(chuàng)新模式，主要體現(xiàn)在協(xié)同技術(shù)創(chuàng)新、相互經(jīng)驗分享、聯(lián)合人才培養(yǎng)、促進市場開拓等方面。這種聯(lián)合創(chuàng)新是一種從技術(shù)到產(chǎn)業(yè)的全生態(tài)合作，有利于加速28納米制程技術(shù)在中國的采用。

白皮書表示，高通擁有眾多關(guān)于半導(dǎo)體工藝和設(shè)計的領(lǐng)先技術(shù)。作為雙方28納米制程工藝合作的一部分，高通為中芯國際提出實際的產(chǎn)品需求。這對幫助中芯國際利用、改進和完善其生產(chǎn)能力，打造出高良品率、高精確度的世界級商用產(chǎn)品至關(guān)重要。同時，協(xié)同技術(shù)創(chuàng)新也有利于中芯國際建立世界級的28納米工藝設(shè)計包(PDK),可以幫助高通以外的其它設(shè)計企業(yè)對中芯國際28納米工藝樹立信心。為了加大與中芯國際的合作與協(xié)同創(chuàng)新力度，高通還在上海設(shè)立了專門的研發(fā)中心來為中芯國際提供現(xiàn)場支持。此外，作為IC設(shè)計廠商，高通與多家海外晶圓制造廠合作開發(fā)芯片，在支持晶圓代工廠的制程技術(shù)成熟化和不斷演進方面累積了很多經(jīng)驗，并得到實際產(chǎn)品的驗證。這方面的知識積累和經(jīng)驗優(yōu)勢使高通在低功耗、高性能、移動端的芯片領(lǐng)域處于全球第一的位置。高通也是少數(shù)幾家能夠以規(guī)模化和技術(shù)資源支持晶圓代工廠開發(fā)領(lǐng)先制程工藝的設(shè)計企業(yè)。而中芯國際和高通開展合作后，高通可以把這些成熟的合作經(jīng)驗帶到中國，與中芯國際進行分享，生產(chǎn)出符合市場需求的產(chǎn)品、并保證產(chǎn)品良率的提高。

白皮書還表示，“中高聯(lián)合創(chuàng)新”模式還可以強化業(yè)內(nèi)其它客戶對中芯國際28納米制程的信心，有利于中芯國際承接除高通之外的更多訂單，并獲取發(fā)展所必須的重要利潤。28納米技術(shù)未來將成為中芯國際重要的增長動力之一。中芯國際實力進一步增加以后，進而可以聘用、培養(yǎng)一流的高技術(shù)人才，投入更多的資金用于研發(fā)，開發(fā)更先進的工藝技術(shù)，最終形成一個良性循環(huán)，讓研發(fā)與市場更加有效地結(jié)合起來。

對于該模式帶來的成果之一，工信部在《2014年集成電路行業(yè)發(fā)展回顧及展望》中稱，中芯國際與高通合作的28納米驍龍?zhí)幚砥鞒晒χ圃?，標志著其?8納米工藝制程成熟的路徑上又邁出重要一步。

開放合作是中國IC發(fā)展的重要方向

開放、創(chuàng)新將幫助中國集成電路產(chǎn)業(yè)迅速走向國際前沿。今年5月，工信部副部長懷進鵬表示，中國集成電路市場需求強大，中美雙方在集成電路領(lǐng)域合作空間廣闊。中國在實施《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進綱要》過程中將充分發(fā)揮市場配置資源的決定性作用，更好發(fā)揮政府作用，堅持開放發(fā)展原則，歡迎包括美國半導(dǎo)體企業(yè)在內(nèi)的國外企業(yè)參與其中。

事實上，以高通為代表的海外企業(yè)已經(jīng)深度參與中國的集成電路產(chǎn)業(yè)。去年，高通與中芯國際宣布了將雙方的長期合作拓展至28納米晶圓制造，即前文所述“中高聯(lián)合創(chuàng)新”模式合作項目之一。中芯國際藉此成為中國內(nèi)地第一家在最先進工藝節(jié)點上生產(chǎn)高性能、低功耗手機處理器的晶圓代工企業(yè)。僅僅一年多時間，中芯國際28納米芯片組實現(xiàn)商用，采用其28納米工藝的驍龍410處理器已經(jīng)應(yīng)用于主流智能手機。此事件在中國推進“互聯(lián)網(wǎng)+”和“中國制造2025”戰(zhàn)略的大背景下具備里程碑意義，中芯國際首席執(zhí)行官兼執(zhí)行董事邱慈云博士表示，“這對整個產(chǎn)業(yè)鏈來說意義非凡，我們通過與高通的緊密合作，實現(xiàn)了中國內(nèi)地制造核心芯片應(yīng)用于主流智能手機零的突破”;高通總裁德里克·阿博利表示，“這標志著高通和中芯國際在先進工藝制程和晶圓制造合作上再次取得重大進展”。

而在今年6月份，高通攜手中芯國際、華為、IMEC，共同投資中芯國際集成電路新技術(shù)研發(fā)公司，該公司目前以14納米先進邏輯工藝研發(fā)為主，此項目是集成電路制造企業(yè)與國際業(yè)界公司、研究機構(gòu)合作模式上的重大突破，充分整合了國際產(chǎn)業(yè)鏈的上下游公司、國際尖端研發(fā)力量等優(yōu)勢資源。該項目為比利時國王菲利普·利奧波德·路易斯·瑪麗訪華期間與中國簽署的一系列協(xié)議之一，這項代表著中國和比利時最尖端科技之間的合作，受到了各方的關(guān)注。中國國家主席習近平、比利時國王菲利普共同見證了簽約儀式。

此外在近日，中芯國際、國家集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金股份有限公司和高通宣布達成向中芯長電半導(dǎo)體有限公司投資的意向并簽署不具有法律約束力的投資意向書，投資總額為2.8億美元。如本輪擬進行的投資一旦完成，將幫助中芯長電加快中國第一條12英寸凸塊生產(chǎn)線的建設(shè)進度，從而擴大生產(chǎn)規(guī)模，提升先進制造能力，并完善中國整體芯片加工產(chǎn)業(yè)鏈。