追上台积电,中芯国际还有多久的路要走?

作者 | 太浪

来源 | 杭派工程师,已获授权

“拥有晶圆厂,才是真男人。”

PC芯片二号厂商AMD创始人Jerry Sanders在晶圆厂创办初期说过这样一句话。

虽然他后来被人嘲笑“打脸”——因为AMD是在放弃晶圆厂,拥抱台积电,从IDM转向没有晶圆厂的Fabless后,才拥有了可以叫板Intel的实力,但不可否认晶圆代工的价值。

芯片制造分为三个环节:芯片设计、晶圆代工、封装测试。

晶圆代工处于芯片产业链的中游,按照上中游是否集成,芯片行业分为两种模式:

一种是IDM模式,指覆盖从芯片设计、制造到销售全部流程的公司,典型代表是英特尔、三星。

另一种是垂直分工模式,随着半导体产业链的专业化分工,诞生了专注于芯片设计的Fabless(如高通、博通、赛灵思、英伟达等)、专注于晶圆代工的Foundry(台积电、联电、格罗方德、中芯国际等),以及封装测试企业。

由此可见,晶圆代工殊为重要。近日中芯国际登陆A股,搅得资本市场大起大落,各色人等心怀各异。在当下,再也没有比中国芯更能刺激国人心理和资本情绪了。

那么,中芯国际会是下一个台积电吗?

这两周,芯片厂商在全球资本市场玩得真是心惊肉跳。

上周五(7月24日),当Intel宣布7nm芯片制程良率不及预期、将延期6个月,比最初的内部目标晚 12 个月,考虑将部分 7nm 芯片制造外包给第三方代工厂以保证产品及时供应给客户的消息后,股价暴跌16.24%、市值一日蒸发415亿美元。

前日(7月27日),有消息传出,台积电已拿下Intel这个大单,后者向台积电预定了2021年18万片6nm芯片产能。台积电经过两个交易日(上周五、本周一),市值骤增700多亿美元。今日,台积电市值更是反超英特尔。

而两周前(7月16日),中芯国际在A股上市,创下多个“第一”:

成为A股10年来融资规模最大的IPO,科创板首家回归A股的境外已上市红筹企业,19天过会、仅用一个半月时间正式上市,今年以来募资金额最多的公司(首发募集资金达532亿元)…… 按市值计算,中芯国际还成功跻进中国科技股前五名。

因此,当华为遭台积电断供后,由中芯国际实现“国产替代”的声浪日益高涨。

但中芯国际能接住吗?

台积电是当今世界上最大的晶圆代工厂商,自2014年拿下苹果订单后,市场占有率就一直超过50%。

据市场研究机构Counterpoint Research的报告,台积电已为华为代工的芯片包含:手机芯片——麒麟1020(5nm制程)、麒麟980(7nm制程)和麒麟990(7nm制程,已用于华为P40),5G基站芯片“天罡”(7nm制程),服务器芯片——鲲鹏920(7nm制程)、人工智能芯片昇腾910(7nm制程)以及昇腾310(12nm制程),涉及制程包括12nm、7nm、5nm。

中芯国际是中国大陆最大的晶圆代工厂商、全球排名第四。目前仅能实现14nm制程芯片量产。而且,直到今年1月份,才因为华为在海外遭遇重大挫折而获得海思14nm制程的订单。

所谓芯片制程,可以简单理解为,用来表征集成电路尺寸大小的一个参数。

参数值越小,表示制程工艺越先进,芯片性能更高、功耗更低。

对于现代半导体晶体管这么小的电路结构来说,制程越先进,电子从一极到另一极所流经的距离就越短,晶体管反应就越迅速;同时,晶体管的整体体积也越小,意味着在同样大小的面积内可以集成更多电路,做出更复杂的高性能设计……

因此,更大尺寸的晶圆及更先进的制程工艺是芯片制造商竞逐的目标。

如今,台积电先进制程的开发进度几乎决定了行业的发展速度。中芯国际与台积电隔了3个技术代差。也就是说,即使华为这条“大鱼”喂到中芯国际嘴边,它也吃不下。

曾几何时,二者之间的差距并没有这么大。

中芯国际是带着光环出生的,只是在经历了长期的专利诉讼、创始人离职等事件,以及公司战略调整后,才落后至此。

中芯国际是“中国半导体之父”张汝京于2000年创办,是中国大陆最早提供0.18微米技术的晶圆代工厂商。

张汝京祖籍南京,长在台湾,曾为美国德州仪器公司效力20年,是位建厂高手。台积电创始人张忠谋曾任德州仪器副总裁,与张汝京是上下级关系。

从1990年起,张汝京带领团队先后在中国台湾、意大利、日本、泰国、新加坡等各地参与管理和建厂,每处停留2、3年,待工厂步入正轨便离开,走向下一个“建厂循环”。

1997年,因德州仪器终于决定终止DRAM产业,张汝京离职,返回台湾,创办“世大半导体”,成为继台积电、联华电子之后的台湾第三家晶圆代工厂商。同年,台积电在纽交所挂牌上市。

“世大半导体”成立短短三年即实现了盈利,产能超过台积电的1/3。随后,台积电、联电纷纷发起收购邀约,最终,台积电出价50亿美元将“世大”收至麾下。

一直有在大陆建厂心愿的张汝京之后便到了上海,52岁时,创办中芯国际。公司注册在开曼群岛,并以此为平台募集资金,及以外商投资的身份在上海设厂,项目第一期募资14亿美元,股东有海外华人、国外VC、海外投资银行以及国内企业。

芯片制造企业对资金的需求很大一部分来自于试验和生产设备,这些设备均产自国外,需要进口。但由于欧美国家对中国大陆实施进口设备及高端逻辑技术封锁,出口许可证可不好申请,但中芯国际做到了,因为外商投资者的关系。

2001年9月,中芯国际第一片0.13微米技术的芯片顺利完成。从打桩建厂房到产出第一片芯片,只用了13个月。

2004年,中芯国际在港股和美股同步上市,那时,与台积电间的制程技术差距仅有一代半。

但好景不长,台积电很快将中芯国际告上法庭,打了四五年专利官司,最终以中芯国际缴纳罚款及张汝京从公司离职告终。

此后,中芯国际又经历了两年动荡期,之后便选择“求稳”,即严控成本,而不是一味追求先进制程。

2012年开始,中芯国际进入持续盈利通道,但“求稳”也导致新技术、新产线研发不足。直到2015年,28nm产线才量产,比台积电足足晚了四年。那一年,台积电已开始量产16nm FinFET制程。

芯片行业,竞争势态一日千里,真是一步慢步步慢。

中芯国际开始了艰难地追赶历程。

2017年,原台积电老将梁孟松从三星转投中芯国际,其14nm制程才出现转机。同年,台积电已开始大规模出货10nm FinFET制程,并开始风险试产7nm FinFET制程。

梁孟松出任联合CEO后,用了半年多时间就把中芯国际14nm制程试产良率从3%提升到95%。最终在2019年12月底,实现14nm第一批芯片正式量产。

台积电则在2019年就开始量产7nm+(EUV版的7nm)芯片,其5nm芯片将在2020年量产,3nm制程预计2022年量产,2nm制程技术正在研发中。

明晃晃的技术差距,导致中芯国际拿不到高价订单,营收不好,利润率低。并产生恶性循环,产能不高,研发费用不敌台积电。

据中芯国际招股书,营收和毛利率方面,中芯国际的营收仅有台积电的1/10左右,毛利率约为台积电的1/2。

2017年到2019年,中芯国际的营收分别为214亿元、230亿元、220亿元,毛利率分别为25%、23%、21%。2017年到2019年,台积电的营收分别为2228亿元、2233亿元、2466亿元,毛利率分别为51%、48%、46%。

再从不同工艺产品对公司营收的贡献来看,中芯国际40nm及以上更早节点的成熟制程贡献约94%收入,且盈利稳定;28nm以下节点尚处于亏损状态。台积电16nm及以下先进制程贡献56%收入,7nm贡献35%收入,先进制程在全球处于80%份额的垄断地位。

产能方面,中芯国际建有3座8寸晶圆厂,4座12寸晶圆厂。其中,8寸产能共计23.3万片/月,12寸产能10.8万片/月,总产能47.6万片/月(折合8寸)。台积电8寸产能为56.2万片/月,接近中芯国际的2.5倍;12寸产能为74.5万片/月,是中芯国际的7倍。

研发投入方面,2017年到2019年间,台积电的研发投入费用是中芯国际的4-5倍。

2017年到2019年,中芯国际的研发投入分别为36万亿元、45万亿元及47万亿元,分别占营业收入的17%、19%、22%。台积电的研发投入分别为184万亿元、186万亿元、211万亿元,分别占营业收入的8%、8%、9%。

研发人才数量方面,截至2019年12月31日,中芯国际拥有技术研发人员 2530 人,占公司员工总数的16%。2019年,台积电研发组织人数总数为6534人,是中芯国际的2.5倍。

当看到中芯国际在各项硬性指标上都拼不过台积电时,机构投资者们便很少出手。

中芯国际最终因股价长期低迷且成交量低,于2019年5月从纽交所退市。

“技”不如人的连锁反应还包括:2020年4月以前,中芯国际都无法在A股上市。

尽管后来中芯国际让投机客们如痴如醉,但个中原委却少为人知。

原来,证监会2020年4月底调整了红筹上市企业境内上市门槛,将市值标准从“不得低于2000亿元”降为“不得低于200亿元”。

中芯国际因此成为第一家受惠于此项政策的公司,拿下境外已上市红筹公司回归A股上市第一单。7月16日,在科创板上市后,更是以532亿元的首发募资额,成为近十年来A股市场上的“募资王”。市值最高时超过6500亿元。

中美高科技贸易摩擦的大背景,以及中芯国际在国内独一无二的地位,让市场对中芯国际寄予厚望。

通过对中芯国际上市十个交易日的观察,可以发现,股价已经回归正常——在某位业内人士看来,现在的中芯国际只值5000多亿元。

7月16日,中芯国际以95元/股的价格开盘,市值超7000亿元。当日报收于82.92元/股,总市值达5918亿元,荣登科创板企业市值榜首。

之后,股价便一路走低,最低为70.02元/股。因为有大批前期中签的投资机构纷纷抛售兑现,以及受中美关系影响。

自中芯国际在A股上市,其在港股的市值就一路下跌。股价最低时,仅24.1港元/股(21.76元/股)。7月28日起,股价有小幅回升。

中芯国际在A股和港股的表现差距较大。

而且中芯国际IPO背后有大量国有资本为其背书这一点,也引发部分人担忧:是否会拔苗助长?

7月5日中芯国际披露的战略配售信息显示,29 名战略投资者参与了配售,合计投资金额达242.61亿元。

其中,国家大基金二期和新加坡政府投资公司认购在30亿元以上,分别为35.18亿元、33.17亿元。中国信息通信科技集团有限公司、国新投资有限公司、中国国有企业结构调整基金股份有限公司、青岛聚源芯星股权投资合伙企业、中国保险投资基金均认购10亿元以上。

中芯国际IPO发行后,其大股东将由大唐电信和国家集成电路产业投资基金(国家大基金)组成,分别持股12.75%和11.82%,其他股东则占50.43%。

截至发稿,中芯国际A股市值约5584亿元,港股市值达2123.7亿港元(1917.51亿元)。台积电台股市值达10.94万亿新台币(2.6万亿元人民币),美股市值达3471.04亿美元(约2.4万亿元人民币)。

也许这就是真实的差距,很刺眼,但必须承认。

现在,不论是出于自证的需要,出于长远发展的需要,还是不辜负国家/市场的期待,中芯国际都应该迫不及待地追赶先进制程。

但先进制程的研发,极其耗钱,且技术壁垒越来越高。联电和格罗方德已经宣布放弃7nm以下的高端工艺了。

而且,芯片生产分为小批量试产、风险量产、批量生产三个阶段。良品率的问题,会对产能造成影响。最近,英特尔就因为7nm芯片制程良品率不及预期,决定将部分7nm芯片交由台积电代工。

为了造出中国大陆第一条14nm及以下先进工艺生产线,中芯国际和国资背景的基金(两期大基金和两期上海集成电路基金)没少掏腰包。

中芯国际在上海工厂建立了12 英寸“研发——生产”一体化集成电路研发生产线,配备了最先进的浸润式光刻机、数百套研发生产设备和在线测试设备。如今,该产线拥有中国大陆最先进的14nm FinFET 生产能力和第二代 FinFET 工艺技术研发能力。

2018年1月,国家集成电路基金一期、上海集成电路基金一期、中芯国际全资公司中芯控股,分别出资9.465亿美元、8亿美元、15.435亿元,将中芯南方的注册资本由2.1亿美元增至35亿美元。

中芯南方在申请科创板前进行了新一轮增资扩股,国家集成电路基金二期和上海集成电路基金二期将分别注资15亿美元、7.5亿美元,合计22.5亿美元(约160亿元人民币),将中芯南方注册资本由35亿美元增加至65亿美元。

中芯国际表示,由于预期先进制程的市场需求持续急增,中芯南方的目标为将产能由每月6000片增加至3.5万片,以满足未来的集成电路晶圆代工生产需要。

此次IPO募集资金的40%(80亿元)也是用于扩充该产线产能,20%用于为先进及成熟工艺研发项目储备资金。

14nm芯片量产的同时,中芯国际12nm工艺也已进入流片阶段,第二代 FinFET 技术(N+1)已进入客户导入阶段,预计2020年第四季度将实现小规模量产。

和市面上的7nm相比,N+1性能提高了20%,但低于台积电计划的30%和实际的市场基准35%。但二者在功率和稳定性方面非常相似,功耗降低了57%,逻辑面积降低了63%,SOC面积降低了55%。

可以说,N+1就是在对标7nm,N+2是为了对标5nm。这次有戏吗?

但芯片制造并非做好自身,就能一步到位。

芯片制造是将集成电路刻在晶圆上,这个过程需要经过光刻、刻蚀等工艺流程的反复几十次甚至上百次循环,逐层集成,并经离子注入、退火、扩散、化学气相沉积、物理气相沉积、化学机械研磨等流程,最终实现芯片设计图从光掩模到晶圆上的转移,在指甲盖大小的空间中集成数公里长的导线和数以亿计的晶体管器件。

由于这些图形的最小宽度甚至不到头发丝直径的千分之一,只能使用高精密设备来进行操作。光刻机的精度更是决定了制程的精度。

但当技术节点向 5nm 甚至更小的方向升级时,普通光刻机受其波长的限制,精度已无法满足工艺要求。而EUV光刻机却能以波长为10-14nm的极紫外光作为光源的光刻技术,具体为采用波长为13.4nm的紫外线。

迄今为止,能够生产出EUV光刻机的,全世界仅有一家:荷兰的ASML。

2018年初,中芯国际从ASML订购了一台EUV光刻机,但由于瓦森纳协议(美国的施压),至今尚未发货。

或许你会好奇,为什么美国可以阻止一家荷兰公司出售光刻机,扼住中国公司的喉咙?这个故事得从ASML的EUV光刻机是怎么来的讲起。

上世纪90年代,光刻机的光源波长被卡死在193nm,成为摆在全产业面前的一道难关。为了尝试突破193nm,英特尔选择了激进的EUV方案,(尝试用仅有十几nm的极紫外光,刻10nm以下的芯片制程,)便在1997年,组了一个“EUV LLC”联盟。

联盟成员除了英特尔和牵头的美国能源部,还有AMD、摩托罗拉、IBM,以及能源部下属劳伦斯利弗莫尔、桑迪亚、劳伦斯伯克利三大国家级实验室。

由于联盟中的美国光刻机企业SVG、Ultratech早在80年代就被尼康打得七零八落,于是,英特尔拉ASML入伙,共同参与开发,共享研究成果。

为了表达诚意,ASML同意在美国建立一所工厂和一个研发中心,以此满足所有美国本土的产能需求。另外,还保证55%的零部件均从美国供应商处采购,并接受定期审查。

2003年,EUV LLC联盟的几百位科学家在发表了大量/数百篇论文,论证了EUV技术的可行性后,光荣解散。作为组织成员,ASML有机会分享技术。

经过10年的研发,ASML终于在2015年将EUV弄到可量产状态。

EUV的核心技术集中在三大领域:顶级的光源(激光系统)、高精度的镜头(物镜系统)、精密仪器制造技术(工作台)。

但EUV光刻机是个集大成者,堪称现代光学工业之花,镜头被德国的蔡司垄断,顶级的光源来自于2012年收购的美国企业Cymer,精密仪器制造技术也来源于德国。ASML只掌握了不到10%的核心技术。这为日后美国能够禁运中国埋下了地雷。

目前,国内最成熟的光刻机厂商——上海微电子,能规模化制造的是90nm左右的工艺光刻机。在精密制造领域,83nm的差距,12.85倍,“比站在地上看星空的距离还要大”,暂无法做到国产替代。

中芯国际称,EUV光刻机对于其目前在研中的N+1技术是不必要的。台积电就是使用193nm DUV设备率先实现了7nm量产。

但要想实现5nm及以下制程工艺芯片制造,EUV光刻机就必不可少。如果买不到ASML光刻机,中芯国际的芯片制程工艺只能停留在7nm。

除此之外,美国的“实体清单”就像一把悬在中芯国际头上的达摩克斯之剑。不知何时,它就会落下。

中芯国际能做的,唯有calm down,and keep going。

参考资料:

【1】《光刻机大败局》,远川科技评论

【2】《张汝京:告别中芯国际这10年》,全天候科技

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