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中国IC产业:晶圆代工的发展之路

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摘要:中国IC产业:晶圆代工的发展之路
自2000年中芯国际集成电路制造有限公司(Semiconductor Manufacturing International Corp,中芯国际)成立开始,硅代工便立即成了大陆半导体产业的发展主力。通过学习象徵着台湾半导体产业发展的台湾积体电路制造有限公司(Taiwan Semiconductor Manufacturing,TSMC)的硅代工业务模式,大陆半导体产业链的构筑以及上下游产业集群效果的提升备受期待。

大陆的半导体产业随着国内最大型硅代工企业中芯国际等半导体厂商的积极投资,一跃成为仅次于台湾的全球第二大硅代工生产基地。大陆硅代工产业的全球市场份额2006年达到了13.3%。但之后逐年衰退,到2010年,全球市场份额降到了10%。IEK预测,2011年将降至9%以下。而台湾的硅代工产业方面,2010年TSMC的全球市场份额超过50%达到了50.3%。台湾整体的硅代工产业市场份额高达68%。IEK预测,在绝对的的竞争力优势下,2011年TSMC的市场份额将进一步提高到50.8%。

2011年,中芯国际出现了给公司运营造成巨大影响的经营权之争,导致公司整体陷入不稳定局面。在此之前,中芯国际的发展可以说是大陆硅代工产业的榜样。中芯国际现在遭遇的难题也可以说是很多其他大陆硅代工企业今后会面临的课题。大陆硅代工无法取得成功的原因在哪来?竞争力低下的原因又在哪里?更重要的是,大陆的硅代工企业今后是否能抓住东山再起的机会。本文将对大陆硅代工产业过去10年间的兴衰进行分析,并展望未来的发展趋势。

大陆硅代工产业的全球市场份额持续低迷

在2004~2010年的大陆硅代工产业中,中芯国际的市场份额超过了5成。因此,中芯国际的业绩变动给大陆硅代工产业整体带来了巨大影响。2004年对大陆硅代工产业来说是一个重要的分水岭。从2004年起,大陆硅代工产业在全球市场上的份额上升速度开始减缓。而到了2008年以后,竞争力和市场份额开始下降。

大陆主要硅代工企业的销售额增长率如表1所示。表1列出了大陆硅代工产业全球市场份额迎来峰值的2006年至2010年间的销售额年均增长率(CAGR)。除了在大陆硅代工企业中排名第五的中国上华半导体(Central Semiconductor Manufacturing Corp,CSMC)实现了18.5%的高增长外,其他企业的增长率均低于全球硅代工企业的年均增长率6.7%。最大型的中芯国际的增长率只有1.5%。大陆硅代工产业在过去10年里发生了巨大变化,追根溯源分析原因至关重要。

硅代工产业成功的关键——产能、技术、资金

对硅代工而言,销售额增长和产能扩大之间有直接相关性。因此,增加资本支出意味着将来会扩大产能,从而关系到潜在的销售额增长。2004~2010年间,台湾TSMC和UMC(United Microelectronics Corp。:联华电子有限公司)以及大陆中芯国际三家硅代工企业的产能走势如图1所示。

2004年以后,全球硅代工市场上300mm晶圆工厂的产能需求大幅增加。因此,在制造技术及300mm工厂硅代工产能方面领先的公司得以较其他竞争公司实现了大幅增长。2010年底TSMC的产能比2004年扩大127%。UMC扩大34%。但中芯国际的产能自2007年迎来峰值以后便开始缩小。

主要原因是,中芯国际的300mm工厂当初因重视营业收入,推进了DRAM量产。而将硅代工生产业务转移到了200mm工厂中。虽然DRAM的总销售额比例一举达到了中芯国际整体销售额的3成以上,但DRAM的产能与全球其他主要竞争公司相比很小,未能发挥“规模经济”的效应。

因此,中芯国际为扩大DRAM产能绞尽了脑汁。但就中芯国际当时的资金和财务状况而言,难以负担经济形势变动给DRAM业务造成的潜在风险。2007年以后DRAM市况急转直下,局面对中芯国际十分不利。最终,中芯国际退出了DRAM业务,开始调整300mm工厂用来承接逻辑IC的代工业务。

现在来看,当时中芯国际退出DRAM市场并非上策。经过这么一折腾,300mm工厂的硅代工产能出现空白,影响了公司的营业利润。中芯国际在这种“东奔西跑”的过程中,延误了发展。

接下来从技术方面进行分析。2010年全球硅代工专业公司的65nm~40nm产品销售额如图3所示。在需要高水平制造技术的65nm~40nm产品市场上,台湾TSMC占有最高份额,达到了63.5%。其次是美国GLOBALFOUNDRIES。GLOBALFOUNDRIES是从美国知名CPU企业AMD公司分离出来的硅代工企业。从事AMD拥有的尖端制造工艺所需的CPU受托生产业务,作为拥有较高专业性制造技术的硅代工企业取得了成功。

而中芯国际在65nm~40nm产品的营业收入方面,与全球硅代工企业前三强之间相差甚远。2010年65nm~40nm产品的供货金额只占全球整体的1%。虽然为应对无厂IC设计公司的订单,在闲置的300mm工厂导入了尖端制造工艺,但生产线开工率并不高。因此,非但未能通过尖端制造工艺订单获得高利润,反而在高端产品以外引发了订单价格战。

这种制造技术的落后及间接接单能力不足导致了销售额和利润降低。一旦出现赤字,对以后的制造技术和旨在扩大产能的资本支出能力也将产生影响。这就是中芯国际现在正经历的恶性循环经营环境。在硅代工行业,产能、技术和资金的三位一体是取得成功的条件,三者缺一不可。

另外,从表1可以明确看出,硅代工制造工艺技术及产能的组合会影响订单和营业收入。客户对硅代工业者整体服务的信赖度直接影响订单,关系着业务能否顺利进展。

中芯国际因2011年发生的新旧股东之间的经营权之争,导致交货时间及产品质量的可靠性降低,信赖度受到了客户质疑。另外,虽然中芯国际最近三年调整了产品线和产品技术,使精细度高于65nm的产能占到整体的约2成,但由于生产线开工率较低,销售额并没有增长,未能达到预期效果。其中,大客户美国德州仪器(TI)及美国博通的订单被台湾硅代工企业抢走,结果,中芯国际的300mm工厂的硅代工产能降到了4成以下。

此外,300mm工厂的设备折旧及贷款利息也对中芯国际公司2011年的现金流量造成了巨大负担。另外还严重影响了2012年的资本支出能力。从表2来看,TSMC和GLOBALFOUNDRIES成功维系了与大客户之间的长期合作关系,在65nm以下尖端制造工艺方面获得了巨大的超额利润。而且,针对将来的资本投入也保持了一定程度的水准。TSMC、UMC和GLOBALFOUNDRIES三大巨头与中芯国际之间的距离进一步扩大。

中芯国际今后需要发起新的挑战。即45nm以后的蚀刻制造工艺竞争。中芯国际拥有40nm以后的32nm、28nm以及22nm技术开发能力以及具有竞争力的合理的、低成本制造工艺,存在的课题是如何向客户提供性能高、功耗低的产品。

中芯国际的45nm制造技术是从美国IBM公司的通用平台(Common Platform)导入的。另外,目前正通过持续进行的研究开发,向客户提供40nm制造工艺服务。但中芯国际之前一直依靠IBM的技术转让,而且在TSMC提起的专利权侵害诉讼中败诉,这对市场竞争以及人才和资金的获得非常不利。

与大陆其他硅代工企业一样,中芯国际对EUV(超紫外光)制造工艺投入力不足,这意味着中芯国际将来只能向市场提供非主流的多供应商设计服务(second-source service)。

三维LSI带来服务整合价值变革

包括中芯国际在内,大陆的硅代工企业依然在沿袭SoC(System on a Chip)专业代工服务模式。

而台湾的两大硅代工企业TSMC和UMC将企业的运营模式转换成了垂直整合型部件制造服务供给公司(Integrated Device Manufacturing&Service Provider)的业务模式。目前正积极致力于向IP提供商、设计工具及供应商、设计服务公司(ASIC service provider)供货。另外,加大三维SiP(System in Package)的研发力度更加重要。其中,三维LSI及TSV(硅通孔)是重中之重。三维LSI的发展将促使台湾半导体产业上下游专业构造进行重新构筑,将影响目前的半导体产业的价值。

电子产品的功能和规格呈多样化发展,变得越来越复杂。同时,必须要考虑商品形态和能源消费等要素。在今后的电子产品设计开发中,为实现软硬件间的最佳组合,能否优化组合重要的半导体部件?另外,在电子系统整体的功能及能源消费方面,如何才能维持最高水平至关重要。在LSI产品中,采用尖端制造工艺的高速运算处理器、媒体处理器以及存储器的功能和耗电量比较重要。

在不久的将来,电子产品将继续提高功能,运算速度会进一步加快,信息传达量将进一步增加。其中,必须将系统整体的能源消耗控制在一定范围内。而三维LSI技术就是强有力的解决对策。例如,在存储器方面,三维LSI是实现高速带宽和低耗电量的关键。

今后,下游电子产品厂商需要的,是拥有三维LSI技术,能够提供定制和综合服务的半导体厂商。台湾两大代工企业TSMC和UMC与电子产品厂商合作的机会今后会陆续增加。这将为半导体产业创造价值。在由SoC厂商、存储器厂商以及封装和测试后工序企业构成的生态系统中,两公司将利用三维LSI,提供系统级的综合服务。TSMC和UMC将大量投放三维LSI,这与电子产品厂商的期待完全一致。

IEK预测,2013年采用三维LSI和TSV的存储LSI和逻辑LSI的应用及量产将大幅扩大。高性能云计算服务将得到积极采用,高端智能手机会逐渐普及。这种趋势将改变TSMC和UMC的业务模式。

包括硅代工企业在内,目前大陆的半导体制造业界基本还未涉足三维LSI业务。现阶段只是在追随台湾此前构筑的SoC代工业务模式。随着三维LSI的发展,大陆半导体制造业界与引领全球的的硅代工企业之间的距离将进一步扩大。(特约撰稿人:杨瑞临,工研院IEK系统IC与制程研究部经理)
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