华为实现非美化28nm产线的一条可能路径
posted on 07 Aug 2021 under category 工程技术
原文标题：谈谈非美化28nm与14nm产线的装备技术掣肘，以及国内晶圆代工业的竞争比较
关于最近热议的“非美28nm产线”落地问题，有很多误导性信息，在此作个解读：
【1：关于12吋晶圆外延片的国产化供应问题】：
晶圆尺寸与工艺制程是并行发展的【晶圆尺寸增大→每片晶圆产出芯片数量更多→效率提升→成本降低】；当下国内非美产线仅能凑出8吋晶圆的供应，规格与经济极限就是90nm，90nm以下都需要12吋，14nm自然是12吋（5nm-0.13μm都用12吋，不过28nm区分了先进制程与成熟制程，原因是28nm以后引入FinFET等新设计和新工艺，晶圆制造难度就提高了）。如今，国内12吋的硅料拉锭+切割的良率还不够的，谈其它的就尚早了；国内缺少合格的12吋外延片，而上海硅产据传是拿芬兰子公司的产品充数，而其它几家刚到能拉出个锭，切割良率还是未知，意味着12吋wafer也需要整体外购。就现状来看，完全的<去美产线>，上海可以做到90nm，再以下就不能了；更微缩的制程比如45nm-->5nm的话，中微的国产蚀刻设备曾经宣称可以支持（稍后再讲），但其余的光刻和后道环节都需要进口。以非美化28nm为例，在短期3年内点亮12吋45nm就已然是壮举了。而当下12吋线全部不能排除美国设备。
【2：关于某刻蚀设备宣称的先进节点良率达成，以及对应的解读】：
Y总多次发文宣称可以支持45nm-5nm的刻蚀机。要知道通常dry etch仅是做掩模用的；3年前致使Intel大连厂的班组全员年终奖取消，那只是55nm的节点。业内通识是，dry etch和litho是雕版和翻拍的区别，一般就是用来雕刻掩模，或者最后那层金属引线层（即整片芯片最粗的那层线）；3年前，报废大连厂200片wafer的就是这最后一层，55nm的etch；metal都刻不好，谁敢用这台机器刻在硅片上呢？那次事故是把直线刻出了狼牙棒（工厂出身的伙伴原话形容是”狗啃过的”）。我们知道Foundry是有坪效问题的，产线聚集了大量装备形成的流水线，4次曝光就是四套设备串联了，占地越来越大，这也意味着良率的掣肘必然会极大制约产能，进而引发巨额亏损。
【3：关于有评论称可以借用日韩二手装备和盗版系统加快“去美产线”建设的问题】：
当下流行一种<售后去美化>的模式，就是引进非美的二手机台（日韩台装备），加以翻修和调试，普遍认为可以达到130nm-90nm；但操作系统可能面临盗版或许可争议，要知道这些精密工业软件不像数据库管理那么简单，都是内嵌材料物理算法的设计。这也是国产化的主要掣肘，技术上可以实现对应的机台制造，但是短期没有必要，而且工艺调通以及形成不同工艺搭配也需要更长时间，且良率也无法保证。类似的项目比如张汝京先生的青岛芯恩28nm非美产线，即使凑出了一套装备也不能短期点亮和投产，不跑个2-3年，整条线的光学畸变不稳定，后端的IP就不能固化，如每张订单从tape-in开始调试3个月设备，就还是科研课题的结果了，这也是即使90nm光刻及所有机台装备实现国产也很难被Fab上线实用的原因。
再者，虽然日韩同为长臂管辖区，但此前几年尚且可以合规引进二手装备，加以调试，再搭配正版或盗版操作系统；这是装备领域的一条隐性产业链；如今几年内即将凑成的非美28nm产线也正是源于这个渠道。其中最具价值的点，是能够把冷机点热、产线调通、工艺良率调通的团队，冷机热机之间相差了10X-20X套利空间，这是维持二手装备产业链繁荣的利差。当下确定的是，我国28nm产线的关键装备已经禁运，美方正在持续排查“在美”和“非美”的供应链漏洞。
【4：关于28nm和14nm的产能掣肘问题，以及竞争环境】：
前面讲过，12吋线全部不能排除美国设备。同时14nm工艺又主要是美国IP，但10nm-7nm-5nm没有这个问题，使用台韩的装备都能解决。TSMC 7nm制程，源美IP占比<10%，所以其7nm芯片直到Y20年一直可以向HW供货，但当前使用最广泛的14nm节点，TSMC供货则会受到限制，因而HW海思才会加速导入7nm/5nm制程中去。而目前使用最广泛的14nm产品，HW也许有意将其分散到SMIC，而后者的掣肘是扩充14nm月产能，这是截至Y20年的办法。这两年，HW海思积极的扩大分散芯片制造来源，不断增加对SMIC的14nm和N+1制程技术的New Tape-out数量，包含HW手机的麒麟芯片也是首度在SMIC进行NTO，而随着Joe Biden的新政更为苛刻，即使确保该制程的美国技术IP占比<10，也是不能规避制裁。
此外注意，TSMC南京厂在28nm以下的供应是以12nm和16nm为主；去年我在南京厂调研期间，知道TSMC已在把支持上述两个节点的后端老兵都调来南京，这些老兵已专注在这两个节点练了8-12年…；成熟的12nm和16nm工艺高低搭配，针对SMIC 14nm是竞争力有余的。今年初，TSMC南京厂官宣28nm扩产，原来月产能2万片，新扩产计划应该是4万片，虽然不算大的，但却是针对SMIC，当下SMIC 28nm勉强1万片月产能，甚至不足以满足HW的需求，SMIC亦庄在建的北方厂设计产能有30万/月。那么，SMIC的竞争对手只有TSMC南京厂么？当然不是，来看一组数据对比，三星西安厂未来设计产能是40万/月，海力士是17万/月，其余加上长三角一地碎片。其中以三星西安厂为例，这些产能并非都是Flash/Mem，而是包含大量的Logic产线，并且西安厂二期是含代工业务的。那么且不说国内谁会去找三星代工（下游产品竞争），假设西安厂二期的代工业务规模起量，那么前门有TSMC南京，后门有三星西安，SMIC在28nm及以下制程的生意就不好做了。SMIC在Y20年的14nm月产能仅2000-3000片，直到Y25年计划是，全部14nm(16nm)节点及以下产能可以占到9%，而台湾的14nm产能我记得Y20年是63%，那么，9%产能将会是由多少台机组贡献的？此外，FinFET制程的产能也极昂贵，业内的投产核算模型是，平均每扩充1000片需要投资1.5亿至2.5亿美元。
BTW：如前所述，14nm主要是美国IP，但10nm-7nm-5nm没有这个问题，使用台韩的装备都能解决。我们知道SMIC正在积极追求更微缩制程的开发，原因是旨在规避14nm美方IP限制；比如SMIC N+1就是等效浸没式7nm，且这个7nm还用不到EUV；但它相比TSMC的密度规格和微电性能几个方面都有不小差别，那么Foundry的经典经济模型在短期就不容易成立；如今SMIC代工芯动科技的流片项目，良率指引还未公布；以及，由于产品家族高低搭配的种类不旺盛使其下线的部分瑕疵die也难留作它用（想想INTC Core i那几款搭配）。目前的规格比较是，N+1工艺对比SMIC 14nm功耗降低57%、逻辑面积小了63%、SoC面积减少55%。仅评价晶体管密度的话自然大于TSMC N’10节点，否则啼笑皆非咯。
BTW：SMIC尚且找不出几件28nm以上制程的设备，即使有，也不是国产的；何谈14nm国产呢。
【5：关于上海微电子的国产光刻机即将适配28nm产线的传闻】：
上海微电子的SSX800光刻机，宣称是国产28nm适配装备是存疑的（但反正年底就可以验证了）；一方面，国内光机科研领先的长春光机所在去年刚刚启动EUV光源和曝光机课题，承担DUV任务的上海光机所也没有可量产的28nm精度的DUV光源；另一方面，即使凑出了一套设备又如何，它不跑个2-3年，整条产线的光学畸变不稳定，后端的IP就不能固化，那么每张订单从tape-in开始调试3个月设备…，这就还是科研课题的结果了。
【6：国内非美28nm产线的热机落地进程】：
国内最早的 “非美28nm线” 几年内即将诞生在青岛。青岛芯恩目前估值百亿+，猜测HW基站芯片将在青岛首先复产。我个人消息来源是，HW大概率会接手张汝京先生在青岛组建的去美28nm线；其中的包含日韩二手装备组成的产线已经点亮成行，但工艺和良率尚需时间磨合，这正是张老师全球组队的努力，把装备点热即可完成使命了，此后整条线的商业量产的经济性和运营就不是他的工作了，而正是HW的工作。项目总投资额150Y，澳柯玛作为早期表面的大股东，不妨猜测实际的战略型出资人是哪一方？【澳柯玛仅代持，它现在归属青岛西海岸新区的政府融资平台企业融控集团】
青岛芯恩目前估值百亿+，预计HW基站芯片将在青岛首先复产。这其中的难关和最具价值的工作，并非二手日韩台装备的进口渠道，而是能够把冷机点热、产线调通、工艺良率调通的团队；冷机/热机之间相差了10X-20X套利空间，这曾是维持二手装备产业链繁荣的利差。在此之前，仅有几家海外大厂及指定服务商具备工程资格。具备热机水平的工程师，需要5-7年的产线工况实操，不同品牌，不同类别，不同材料参数，极度专业性；且这项工作无法通过招募几位骨干工程师闭门解决，要知道这些装备都是拆机的，一整条二手线，百多台设备，且存在跨代代差，且缺少正版工业软件、缺少辅材，热机过程更加复杂，需要团队将整条产线所有装备的参数一致调通。张汝京先生最具实力的出手，就是他能够找齐全球的原厂老师傅共同协作把冷机点热、产线工况调通、多种工艺搭配、良率和成本性调优。倘若仅仅是进口二手冷机，而不作调参，则不具有任何价值。期待看到全球第一条“home made 28nm”产线的投产。【当下芯恩投产的是8吋线交付功率型产品，而28nm的工艺/良率还需要几年内磨出量产水平】。【此外确定的是，我国28nm产线的关键装备已经禁运，美方也持续排查“在美”和“非美”的供应链漏洞，日韩引进渠道也许有变数】。
【答疑+转发知友评论】：有人认为国内Fab完全不可能摆脱美国装备，从而引进日韩台装备搭建去美产线是不可行的。这是错误而陈旧的认识，不了解行业上游。—— 在几个主要制程节点，日韩台与美的技术流派都有不同，前者工艺自研了数年，且装备也有自研或彼此联创的，比如Samsung/TSMC。台积电技术本身就主张广义去美化，三星略逊但是同样也算。先进制程芯片制造这块，美方话语权不高的，尤其在10nm以下，美方强掌控力的是在10-12-14-16-22这几个节点。举例，韩国本土最大的设备厂商Semes细美士是三星的全资子公司，韩国一线上市设备厂商Wonik-IPS大股东也是三星，等等。倘若明天美方限制对三星出口设备，三星可以极低成本拿出一整套去美化装备替代方案，而且是热机上线的。倘若去过三星或Hynix等厂商，会发现每个工序的设备，都是以70%美系+30%韩国设备的方案配置的，且要求工艺参数都要看齐美系设备。因此几年前，我方向同样具有去美/防美需求的日韩台厂引进一/二手装备和辅材，引进技师翻修和调试，此操作已经例行多年，不止芯恩，再去看看长存等等？