IC┆运算与任务分配硬件

来源：内容来自半导体行业观察（ID：icbank）原创，作者：畅秋，谢谢！

随着半导体制程向着更先进、更精细化方向发展，不同节点范围和玩家的边界越来越明显。其中，最先进制程玩家只剩下台积电、三星和英特尔这3家，而在10年前，至少有7家在专注于当时最先进制程的投资和研发。而在成熟制程方面，也是在近些年才被业界特别提及的，早些年，特别是在14nm量产之前，先进制程与成熟制程之间的差别并没有今天这么大，相应的玩家也不像今天这么“割裂”，特别是在逻辑芯片生产领域，当下，专注于成熟制程的厂商特点愈加突出。

上周，IC Insights发布了《2020-2024年全球晶圆产能》报告，该报告指出，半导体界对于不断缩小晶体管几何尺寸有着强烈的动机，因为这样做有很多好处，如更高的速度、更低的功耗、更低的单位面积成本等。但是，有时也会出现收益递减的问题，这就使得很多芯片设计人员和企业越来越怀疑高投入是否值得，特别是10nm以下制程技术相关的设备成本已经飙升至许多晶圆厂无法承受的地步。而且，微缩带来的成本优势也已经不再像以前那样明显了。

另外，设计难题（例如，继续缩小DRAM和NAND闪存单元的体积）阻碍了IC行业使用多年的微缩方法，而更复杂的逻辑芯片（如微处理器，ASIC，FPGA等）也在这方面面临更多挑战。

总之，IC Insights认为，随着芯片特征尺寸微缩速度持续放缓，芯片设计人员也发现越来越难以证明较高的成本能得到合理的回报。因此，先进与成熟制程之间的利弊愈加明确，不同公司所采用的制程也愈加有针对性。这就使得各种制程都有展现各自优势的空间。

在这样的发展趋势下，按照IC Insights的统计和预测，各种半导体制程的市占率正向着相对更加均衡的方向发展，如下图所示。如图所示，在2019年，10nm以下先进制程的市占率仅为4.4%，而到2024年，其比例将增长到30％。在该时间段内，10nm -20nm制程的市占率将从38.8%，下降到26.2%；20nm-40nm制程的市占率将从13.4%，下降到6.7%；不过，从该统计和预测来看，40nm以上成熟制程的比例在这些年当中没有出现明显变化。

总体来看，到2024年，10nm以下，10nm -20nm，以及40nm以上制程各占市场约三分之一，到时将呈现出三分天下的格局。

最先进制程强势增长

10nm以下的先进制程呈现出快速增长的态势，如图所示，2020年市占率为10％，2022年的预测值就超过了20％，并在2024年增加至全球产能的30％。市场主要驱动力是7nm，以及今年刚量产的5nm，还有将于2022年量产的3nm（台积电和三星都宣布在2022年实现量产）。

5nm方面，台积电先于三星量产，并拿下了苹果和华为海思这两大客户，本来今年的产能是比较吃紧的，但TrendForce集邦咨询认为，由于受到华为禁令影响，2020年初才量产的5nm制程仅剩苹果一家客户，即便苹果积极导入自研Mac CPU，其总投片量仍难以完全弥补海思空缺的产能，导致5nm产能利用率在今年下半年落在85%~90%之间。不过，到2021年，除了苹果持续以5nm+生产A15 Bionic外，AMD 5nm Zen 4架构产品也将开始小量试产，到时候，台积电5nm产能利用率有望维持在85~90%。

另外，TrendForce表示，2021年底至2022年，联发科、英伟达和高通都有5nm/4nm产品量产计划，加上AMD Zen4架构的放量，以及英特尔CPU委外生产预估将于2022年采用5nm制程，庞大的需求量促使台积电着手进行5nm扩产。另外，苹果在2022年持续采用4nm生产A16处理器的可能性相当高，届时不排除台积电将进一步把5nm产能再扩大。

三星方面，英伟达Hopper架构Geforce平台GPU将持续委由三星代工，加上高通骁龙885及三星Exynos旗舰系列，可支撑三星5nm在2021年进一步扩产。虽然与台积电相比，三星处于下风，但由于具备5nm量产能力的只有这两家厂商，所以三星依然会对今后几年先进制程市场发展做出很大贡献。

7nm制程方面，台积电已经量产两年多时间了，牢牢掌控着这部分市场。虽然5nm产能非常吸睛，但目前来看，台积电营收主力仍为7nm制程。不久前，该公司宣布截止到7月，其7nm良品芯片（good die）累计出货量已超过10亿颗。同时，台积电优化7nm制程后推出的6nm已经开始进入生产阶段，并采用EUV技术取代部份浸润式光刻掩模。苹果、华为海思、高通、联发科、AMD、赛灵思、英伟达、博通等均是台积电7nm客户，且客户还在扩展，如英特尔和特斯拉，都是台积电潜在的7nm制程客户。

目前，大部分客户已经大幅追加第四季7nm订单，使得台积电7nm产能满载。

在过去两年里，因客户需求非常强烈，其产能得到快速提升，预估2020年7nm产能将是2018年的3.5倍。从近期台积电的财报来看，7nm制程是其近两个季度的主要营收来源，分别贡献了营收的35%和36%。据产业链消息人士透露，台积电计划将7nm制程工艺的月产能提升到13万片晶圆，并努力在年底提升至14万片。

10nm -20nm占比被压缩

10nm -20nm制程市场占比本来是最大的，如图所示，2019年接近40%，但随着10nm以下先进制程的崛起，10nm -20nm的市占率正在逐渐被蚕食。

该范围内的主力制程是16nm（主要由台积电提供），14nm（主要由三星、英特尔和格芯提供），12nm（主要由台积电和格芯提供），以及10nm（主要由台积电、三星提供）。芯片种类主要是逻辑芯片和高性能的存储芯片。

逻辑芯片主要以手机处理器，以及英特尔的CPU为代表，该部分市场较为成熟。

而采用10nm -20nm制程生产存储芯片的，主要是行业三强：三星、SK海力士和美光，这部分市场正处于成长期。在低于20nm的工艺中，韩国拥有66％的产能，与其他地区或国家相比，韩国的领先优势仍然明显得多，这主要是得益于三星、SK海力士对高密度DRAM和3D NAND闪存的重视。

美光是除韩国存储双雄之外另一支强劲力量，该公司在10nm -20nm制程DRAM方面一直在积极投入。在今年5月举行的线上存储半导体国际学会--国际存储半导体研讨会（IMW 2020）上，美光公布了先进DRAM量产的相关路线图，相关数据显示，美光是以2019年1Z、2020年1α、2021年1β、2022年1γ、2023年1δ的形式（1Z、1α、1β和1γ等是10nm -20nm制程，具体数字根据不同公司的制程特点而略有不同），即“一年一代”的步骤量产先进DRAM。一直以来，美光和三星一样以“两年一代”的形式量产先进DRAM。然而，2019年以后，美光将方针改为了“一年一代”。这也从一个侧面反应出，虽然市占率被10nm以下先进制程压缩，但10nm -20nm制程依然具有强大的生命力和发展前景。

小众的20nm-40nm市场

从图中可以看出，20nm-40nm制程的市占率一直都比较低，且随着时间的推移，将从13.4%，下降到6.7%，在几大板块中，降幅是最大的。

在20nm-40nm这一区间内，主要有20nm，22nm，28nm和32 nm，而从性价比角度看，28nm无疑是最优的，其它几种制程节点的应用都比较有限。前些年，28nm的市占率还是比较高的，但随着先进制程的不断更新，逻辑芯片制程大都采用20nm以下制程了，而存储三巨头也都在向10nm+领域拓展。与此同时，大量的模拟和功率芯片本就不需要先进制程，从图中也可以看出，40nm以上成熟制程的市占率一直都比较稳定。这些使得原本处在性价比最高的过渡制程节点区间内的28nm，竞争力逐渐减弱，市场份额也会不断缩减。

稳定的成熟制程

40nm以上的成熟制程，无论是180nm以下，还是180nm以上的，市占率都很稳定。这也正是诸多晶圆代工厂长期专注于成熟工艺，而不向先进制程投入过多资本和精力的底气所在，同时，也是格芯和联电放弃最先进制程的主要原因。无论先进制程如何发展，未来，成熟制程工艺的市场依然会很广阔，依然具有很好的投资价值。

结语

综上，四大制程工艺板块的市占率及其变化情况，从侧面说明了：为什么近几年，在业内不断兴建12英寸晶圆厂的同时，8英寸产能总是供不应求，且一直没有很好的解决办法。大部分资本都投入到了20nm以下的先进制程（以12英寸晶圆为主），而40nm以上成熟工艺（以8英寸晶圆为主）在很大程度上被忽略，而这部分的市场需求和市占率一直都很高。要解决如此庞大市场的供需问题，恐怕短时间内还是难以找出立竿见影的解决方案，因为相关晶圆厂，设备等投资巨大，且需要较长的时间周期培育。今后几年，成熟工艺芯片供不应求的局面大概率还会持续下去。

十五年来，我国集成电路产业高速增长，产值增长近14倍，年均复合增长率达到19.2%，远高于全球4.5%的年均复合增长率。2019年，中国集成电路产业继续维持两位数成长，全年销售达到7562.3亿元，同比增长15.8%。

具体到集成产业链的不同环节，根据中国半导体行业协会的数据，2019年各个环节销售额均超过2000亿元，芯片设计业增速最快，从2004年的84.5亿元增加到了2019年的3063.5亿元，增幅高达36.2倍，年均复合增长率也达到27.04%。

我国的芯片设计成为设计、制造、封测三业中唯一15年增长率都为正值的环节，已经成为我国集成电路发展的重要火车头，并且超越台湾成为全球第二大设计业聚集地，占全球集成电路设计的比重由2004年的3.56%提升到了2019年的42.99%。

芯片制造业销售额从2004年的180.5亿元增长到了2019年的2149.1亿元，增幅达11.9倍，年均复合增长率达到17.96%。在《国家集成电路产业发展推进纲要》的指导下以及大基金的强力拉动下，中国集成电路制造业正在迎来新一轮的高速增长，2014年以来，制造业的年均复合增长率为24.72%，为三业中最高。

封装测试业起点较高，从2004年的280.3亿元增加到2349.7亿元，增长8.4倍，是三者中最低，年均复合增长率为15.23%。虽然国内集成电路封测业的总体规模被设计业超越，但封测企业的技术水平显著提升。

魏少军在全球CEO峰会上演讲时表示：“封测业曾经长期占领我们集成电路产业绝大部分的份额，但现在它的比例在下降，而且增速也不高，这说明我们在这个领域的投入不足，值得关注。”

国内的半导体装备产业在很长一段时间内存在感不强，在外资冲击下，在生存的边缘上苦苦挣扎。直到2008年启动的国家科技重大专项，为装备产业的发展注入了强大动力，才促进了国内装备制造业的快速发展，2008-2019年10年间的年均复合增长率为18.37%。

半导体材料产业近些年也取得了长足的进步，保持了快速发展的势头，2005-2019年的年均复合增长率为19.8%。

整体而言，国内的芯片呈现出需求旺盛、供给不足的情况。根据WSTS & CSIA-Fabless的数据，国产芯片产品在全球市场的占比从2013年的4.3%增长到了2019年的10.3%。对比来看，国产新片产品在本地市场的占比2013年到2019年，比例从14.9%提升到29.5，产值也从2013年的131.5亿美元增加到2019年的425.9亿美元。

中国高端芯片依赖度很高，技术脱钩损人不利己

虽然国内集成电路产业的发展取得了长足的进步，但是在计算机系统、通用电子系统、通信装备、存储设备、显示及视频系统中的核心芯片，国产芯片的市场占有率许多都低于0.5%，只有少数芯片的市场占有率能超过20%。

中国对高端芯片的依赖程度从集成电路的进口额也能直观体现。根据中国海关的统计数据，2014-2019年，进口集成电路价值从2177.2亿美元增长到3064.3亿美元，增长了40.7%。其中，进口微处理器/控制器5年间增加了385.5亿美元，2019年达到1437.7亿美元，增长比例为36.6%。进口存储器从2014年的542.8亿美元增长到2019年的947.0亿美元，增加了404.2亿美元，增长比例为74.5%。

放大器类芯片进口从2014年的90亿美元增长到2019年97.0亿美元，增加了7.0亿美元，增长比例为7.8%；其它芯片五年间增加了90.4亿美元，增长比例为18.4%。

魏少军指出，从进口数据就可以看出，过去五年我们的中低端产品整体替代比较强。但高端微处理器和存储器差距还比较大，进口增长比例非常大。

当下的国际关系以及疫情给全球半导体行业都带来了不小的挑战，市场研究机构纷纷预测半导体市场可能下降的比例。“在这种情况下，既然有机遇，也有困境，特别是在重压情况下，我们更需要一种冷静的心态，我想说的是人间正道是沧桑”魏少军进一步表示，“我们有太多的压力要释放，但我们今天的做法是否做对了？中国已经融入全球技术体系，不能走回头路。有人呼吁我们要另搞一套，我认为这个想法是错误的。”

国内的光伏面板、高铁、数字支付、智能手机、云服务、机器人等的国内市场占有率都超过了50%，如果要发展技术，就需要全球化。魏少军认为：“除了半导体，其他行业也需要走向国际。全球化下，脱钩是损人不利己。”

根据美国半导体行业协会（SIA）的统计，2018年美国公司出口到中国的集成电路产品价值超过800亿美元。而根据中国半导体行业协会的估计，美国企业销售到中国的集成电路产品价值应该接近或超过1000亿美元。美国半导体巨头公司有5家的在中国的销售收入都占到其总销售额的一半以上。

日前，全球第三大手机图像传感器公司豪威科技（OmniVision）宣布推出OV64A图像传感器。据悉，这是全球首款大光学格式的1.0 微米6400万像素图像传感器，进一步了提升手机弱光性能，最高支持30帧/秒的8K视频。

据介绍，这款传感器提供6400万像素分辨率，在同类产品中具有最大的1.0微米像素以及领先的1/1.34 英寸，可为手机中的广角和超广角主摄像头提供优异的弱光性能。

此外，OV64A具有三次曝光、四合一HDR、片上组合和色调映射功能，而且帧率非常高，这些优势能够共同消除运动伪像，并产生优异的6400万像素信噪比（SNR）。

这款传感器还提供二次和三次曝光的交错式HDR定时选项，使智能手机设计人员能够灵活地为指定场景选择优异的HDR方法。

“TSR估计到 2021 年，智能手机市场将有约3.22亿颗5000万像素或更高分辨率的高性能图像传感器需求，这为豪威科技不断增长的 6400万像素产品组合带来良机。”

豪威科技产品经理Arun Jayaseelan 表示，“与我们的0.8 微米6400万像素图像传感器相比，OV64A的1.0 微米像素尺寸可将灵敏度提高60％以上，从而在弱光条件下实现优异的性能。

“国产版7nm芯片制造取得突破”

在一篇题为《“国产芯”突围刻不容缓》的报道中，《珠海特区报》写道：“芯动科技首个基于中芯国际先进工艺的芯片流片和测试成功，不仅意味着具有自主知识产权的‘国产芯’再次打破国外垄断，同时也说明‘国产版’的7nm芯片制造技术已经得到突破。”

《珠海特区报》报道截图

事实上，流片是芯片量产前的一个必要步骤。为了测试集成电路设计是否成功，需要对芯片进行试生产，以检验电路是否具备所需的性能和功能。如果流片成功，就可以大规模地量产芯片；反之，就需要找出其中的原因，并进行相应的优化设计。

中科院半导体所相关人士告诉观察者网：“在技术交付之前，会经历一个用户试用的阶段，分不同的情况，也许流片之后几个月或者几年才能真正实现量产。”

中芯国际官网截图

就在1个月前（9月18日），中芯国际在“上证e互动”回答投资者提问时披露：“FinFET N+1已进入客户导入阶段，可望于2020年底小批量试产。”

虽然中芯国际从未证实，但外界一直猜测“N+1”就是该公司的7nm工艺。

今年2月，中芯国际联合CEO梁孟松在财报会议上首次披露，在功率和稳定性方面，N+1和7nm工艺非常相似，唯一区别在于性能方面，N+1工艺提升较小。

谈到具体数据，他透露，中芯国际N+1工艺和14nm相比，性能提升20%，功耗降低57%，而7nm市场基准性能提升应该是35%，所以该公司的N+1工艺是面向低功耗应用领域的。

在此之前，中芯国际曾向荷兰阿斯麦（ASML）订购一台EUV光刻机，用于下一代工艺制造，价值高达1.5亿美元，原计划在2019年初交付。但在美国政府阻扰之下，这项交易至今仍未完成。

对于外界“没有EUV光刻机就无法实现下一代工艺开发”的质疑，梁孟松提到，在当下的计划中，N+1和N+2工艺都不会使用EUV设备，等到设备就绪以后，N+2才会转而使用EUV设备。

福布斯中文网也在今年3月的报道中指出，中芯国际的7nm工艺发展跟台积电路线差不多，7nm节点一共发展三种工艺，分别是低功耗的N7、高性能的N7P、使用EUV工艺的N7+。

需要注意的是，目前世界上可以量产7nm芯片的晶圆代工厂商仅台积电和三星两家，IDM厂商英特尔10nm产品刚上市不久，7nm芯片可能推迟至2023年。这意味着，中芯有望在制程上赶超英特尔。

据外媒报道，Gartner公司预测，由于新型冠状病毒全球大流行对半导体供需产生的影响，2020年全球半导体收入预计将下降0.9%，低于上一季度12.5%的增长预期。Gartner研究业务副总裁理查德·戈登（Richard Gordon）表示：“COVID-19在全球范围内的广泛传播，以及各国政府为遏制疫情扩散而采取的强有力行动，对半导体行业需求产生了比此前预期更为严重的影响”。

资料图（来自：Samsung）

“今年的预测可能会更糟，但内存业务的增长可能会在一定程度上减缓业务的急剧下降。”

总体而言，2020年全球半导体营收较上个季度预期减少550亿美元，降至4154亿美元（见表1）。2020年，市场总增长率预期由12.5%降至0.9%，非内存预计将下降6.1%，而内存预计将增长13.9%。

2020年，半导体存储业务收入将占全球半导体市场营收总额的30%。预计2020年内存市场规模将达到1247亿美元，预期增长13.9%；而非内存收入市场规模将达到2906亿美元，同比下降6.1%。

在内存方面，由于从2019年开始持续严重短缺，预计NAND闪存收入将在2020年增长40%，这将使定价保持稳定。Gordon认为：“由于晶圆厂的业务延迟和技术转型，NAND闪存的供应量在2020年将保持历史低位，但需求会在2020年晚些时候减少。2020年上半年15.7%的初始价格涨幅将在下半年逆转为9.4%的跌幅。不过，平均价格水平仍将使得NAND闪存收入在今年实现增长。”

2020年上半年，来自云服务提供商的强劲需求将推高服务器DRAM的定价和营收。然而，需求疲软和智能手机市场价格的下跌将完全抵消这一增长。Gartner分析师预计，DRAM市场整体收入将在2020年下降2.4%。

Gordon表示：“非内存半导体市场的智能手机、汽车和消费电子产品产量将大幅下降，并将受到来自各个方面的严重影响。相比之下，随着远程工作和在线访问需求的激增，持续的投资将会让我们看到超大型数据中心和通信基础设施行业的业务弹性。”

2017年，广州提出强“芯”工程，晶圆制造业成了广州的首选，加速发展集成电路产业。做为改革开放的前哨，广州在晶圆制造也敢为天下先，提出打造CIDM和VIDM的概念。2017年下半年，短短半年时间，芯恩和粤芯两个IDM项目相继发布。

粤芯半导体一期于2018年3月5日正式开启桩基工程建设，2019年9月20日正式投产。公司官网表示，是国内第一座以虚拟IDM（Virtual IDM）为营运策略的12英寸芯片厂，也是广州第一条12英寸芯片生产线。一期的工艺制程是0.18um-90nm，规划产能20000片，生产微处理器、电源管理芯片、模拟芯片、功率分立器件。

2020年2月28日，粤芯半导体二期扩产项目正式签约，计划投资65亿元，规划产能20000片，将新建一条12英寸生产线，提供65-90nm模拟工艺平台，生产高精度数模转换芯片、高端电源管理芯片、光学传感器、车载及生物传感芯片等产品。

《广州市加快发展集成电路产业的若干措施》定下目标，到2022年，广州市争取纳入国家集成电路重大生产力布局规划，建设国内先进的晶圆生产线，引进一批、培育一批、壮大一批集成电路设计、封装、测试、分析以及深耕智能传感器系统方案的企业，争取打造出千亿级的集成电路产业集群，建成全国集成电路产业集聚区、人才汇聚地、创新示范区。

广州拥有安凯微电子、昂宝电子、广芯微电子、慧智微电子、泰斗微电子、晟矽微电子等一批集成电路设计企业；拥有晶科电子、风华芯电、飞虹微电子、华微电子、瑞芯电子等一批封装骨干企业。而随着粤芯12英寸生产线的投产，广州已初步构建完成“芯片设计、晶圆制造、封装测试、终端应用”较为完整的半导体产业链。而海芯项目的启动，将使得广州将成为继上海、北京、武汉、合肥、无锡之后，第六个拥有两家12英寸晶圆制造公司的城市。