美国为重获芯片制造优势的战略计划
作者: Mark Lapedus   编辑: Stella Su   发布: 10/27/2020 12:08

随着贸易紧张局势和国家安全问题的持续增长,美国正在制定新的战略,以防止其在半导体制造领域进一步落后于韩国,台湾地区甚至中国大陆。

多年来,美国一直是开发诸如GPU和微处理器之类的新芯片产品的领导者。但是从芯片制造的角度来看,美国在两个关键领域正在失去优势。首先,英特尔和美国的代工厂在工艺技术方面落后于台积电和三星的亚洲竞争对手。中国大陆也在缩小差距。其次,美国的新晶圆厂和产能急剧下降。

美国并非在所有制造业领域都落后。但是,从供应链和经济角度以及出于安全考虑,芯片制造对于保持技术领先地位至关重要。

多年来,美国公司一直是开发新芯片产品并在自己的晶圆厂中制造产品的领导者。直到2011年,当英特尔推出首批22nm finFET时,它们一直领先于制程技术,这是芯片扩展的关键要素。每个新过程都可以使设备更小,更快。

但是时代变了。如今,技术方面的变化已大为不同,它们指出了美国的一些令人震惊的趋势:“长期以来,我们一直在半导体制造领域失去领导地位,”西门子业务部Mentor的首席执行官Wally Rhines说。。“更重要的是,在提供领先的铸造服务方面具有领导能力,而不仅仅是制造。”

这是一个复杂的问题,涉及多个方面。例如,在一个方面,美国落后于以前的据点-工艺技术。美国技术领导者英特尔最近推迟了其新工艺,导致其在这方面进一步落后于台积电和三星。

尽管英特尔发誓将解决问题并重新走上正轨,但这对国家安全产生了影响。对于美国国防部和军事/航空航天公司以及企业竞争力而言,在岸上拥有领先的流程至关重要。半导体顾问公司总裁罗伯特·梅尔(Robert Maire)在最近的演讲中说:“您主导芯片,而主导国防,技术和情报行业。” “显然,这与全球统治息息相关。美国如此占主导地位的原因之一是因为我们的技术,而这扎根于半导体行业。”

同时,芯片制造商继续在美国建立新的晶圆厂,其速度低于其亚洲竞争对手。根据美国半导体工业协会(SIA)和波士顿咨询集团(BCG)的数据,美国在全球已安装晶圆厂产能中的份额已从1990年的37%下降到2020年的12%。在同一时期,亚洲的新晶圆厂发展迅猛增长,目前已占到全球产能的80%。

尤其是中国,其半导体议程非常雄心勃勃。在1500亿美元的资金支持下,中国正在发展其国内IC产业,并计划制造更多自己的芯片。更糟的是,包括中国大陆,香港和台湾在内的大中华区是一个地缘政治热点,中美贸易战加剧了当今所有领先工艺技术所处地区的紧张局势。任何中断都将对美国获得领先的工艺技术产生重大影响。

图1:1990年至2030年全球半导体制造份额。资料来源:新航

美国决策者认识到需要建设更多的国内晶圆厂,但这是一项昂贵的工作。一家先进的晶圆厂的规模从100亿美元到200亿美元不等,而且无法保证投资回报。尽管制造至关重要,但这只是竞争方程式中的一小部分。总部位于美国的公司继续在芯片设计,特殊工艺,EDA工具和晶圆厂设备方面处于领先地位。

尽管如此,正在采取措施以增强美国在各个方面的竞争力。其中:

国会提出了一项激励计划,以建造新的美国晶圆厂。

美国希望建立一个芯片联盟。

GlobalFoundries和英特尔正在升级其技术,台积电计划建立一个新的美国领先晶圆厂。

英特尔已经成立了一个新的商业实体,以开发基于小芯片的设计。将芯片集成在高级封装中的小芯片正在成为美国保持竞争力的另一种方式。

想要:更多的美国晶圆厂

在集成电路行业,公司在众多不同的市场中竞争。同时,国家之间在几个不同方面存在竞争。例如,在技术上,各个国家都在争夺5G,人工智能和量子计算的霸主地位。

中国的议程重燃了全球半导体竞争。要了解此处的动态,有助于时光倒流。

几十年来,IC行业一直遵循摩尔定律,该定理指出,芯片中的晶体管密度每18到24个月就会翻一番。当今的芯片在同一设备中具有数十亿个微型晶体管。“晶体管本质上是一个开关,” Lam Research大学项目主管Nerissa Draeger在博客中解释道。“场效应晶体管使用电场来控制通过沟道的电导率。”

因此,在过去的半个世纪中,芯片制造商一直遵循摩尔定律,这使他们能够将更多功能集成到单个芯片上。这推动了手机,计算机和其他产品的增长。

但是,在半导体行业的初期,这项技术还很初级。1965年,当戈登·摩尔发表他的标志性观察时,芯片是在1.25英寸(30毫米)晶圆上生产的。当时,建造晶圆厂的成本为100万美元。

然后,几十年来,大多数芯片制造商在自己的工厂中制造芯片,并且随着时间的推移,它们也转向了更大的晶圆尺寸。通过转向更大的晶片尺寸,供应商生产的晶片数量是每个晶片的2.2倍,从而可以降低制造成本。但是更大的晶圆也需要更大的晶圆厂和更昂贵的设备。

随着时间的流逝,半导体需求激增,但制造和工艺成本也急剧上升。从2000年代开始,芯片制造商从200毫米工厂迁移到现代300毫米工厂。最初,建造300毫米晶圆厂的成本为20亿美元,而200毫米晶圆厂的成本为7亿至13亿美元。

根据IBS的数据,在2001年,有18家芯片厂拥有可以处理130nm芯片的晶圆厂,这在当时是最先进的工艺。

突然,风景发生了变化。届时,亚洲和其他地区涌现了几家代工供应商,它们为外部客户提供芯片制造服务。那时,铸造厂落后于技术。

尽管如此,铸造模型还是在2000年代开始兴起的。最初,无晶圆厂设计公司开始使用代工厂。SIA和BCG的论文称:“半导体行业已经看到了无晶圆厂模式的兴起。” (作者是Antonio Varas,Raj Varadarajan,Jimmy Goodrich和Falan Yinug。)

在此期间,美国和其他地区的许多芯片制造商不再有能力开发新的晶圆厂和工艺。作为回应,一些芯片制造商选择了fab-lite。在这种模式下,供应商在自己的工厂中生产一些芯片,同时将其他设备外包给代工厂。有些人没有晶圆厂或完全退出了业务。

但是,英特尔和其他公司保留了自己的晶圆厂,称这给了他们竞争优势。

但是,随着时间的流逝,制造业的摆势转移到了亚洲。早期,几个亚洲国家通过减税和激励措施来支持其国内芯片公司。这推动了中国,韩国,台湾和新加坡的晶圆厂繁荣。SIA和BCG文件称:“政府政策一直是亚洲强劲增长的主要因素。”

这些投资带来了丰厚的回报。台湾是全球晶圆厂产能的领导者,到2020年将占有22%的份额,其次是韩国(21%),日本(15%),中国(15%),美国(12%)和欧洲(根据SIA和BCG的统计,该数字为9%)。

不过,中国是值得关注的国家。美国正以补贴的形式向其国内芯片设计和制造行业注资数十亿美元。根据SIA和BCG的数据,中国晶圆厂产能的份额将从2000年的3%跃升至2020年的15%,超过美国。

中国在技术方面落后,但中国正在积极追赶。D2S首席产品官Leo Pang说:“中国正在建造十二个新的晶圆厂。” “然而,中国仍然面临许多挑战,包括在半导体制造领域需要更多人才和知识产权,以及进一步缩小领先工艺技术之间的差距的需求。”

在中国扩张的同时,美国仍然停滞不前。根据SEMI的数据,到2020年,美洲地区总共有76个生产工厂,而2010年为81个。“这包括三星,恩智浦,英飞凌,X-Fab,Tower,台积电和博通等非美国公司的美国晶圆厂制造能力。SEMI的分析师Christian Dieseldorff表示。

Dieseldorff说,不包括非美国工厂,美国所有公司的工厂产能份额下降到10%。总体而言,根据SIA和BCG的数据,美国在晶圆厂产能中的份额是混合的,模拟量为30%,逻辑量为12%,内存量为5%。

据SEMI称,仍有一些新的美国晶圆厂项目正在进行中。它们包括:

Cree:SiC器件(纽约)

GlobalFoundries:铸造厂(纽约)

英特尔:逻辑(俄勒冈州)

TI:模拟(德州)

台积电:铸造厂(亚利桑那州)

展望未来,美国希望为国家安全和供应链目的建造更多的晶圆厂。SIA总裁兼首席执行官约翰·诺弗(John Neuffer)表示:“随着全球竞争对手进行大量投资以吸引先进的半导体制造技术到岸,美国必须参与其中,并使我们的国家更具竞争力,才能生产出具有战略意义的重要技术。” “过去30年来,美国在全球半导体制造业中所占的比例急剧下降,主要是因为其他国家/地区提供了巨大的政府激励措施,而美国却没有。同期,联邦在半导体研究方面的投资占GDP的比重持平,现在仅占美国半导体公司研发投资的一小部分,2019年美国半导体公司的研发投资总额接近400亿美元。

有一些解决方案,包括美国国会提出的法案。这项名为“创造有益的激励措施,为美国生产半导体法”(CHIPS)的法案,要求拨款100亿美元用于一项新的联邦拨款计划,该计划将激励建造新的美国晶圆厂。它还包括投资税收抵免。总体而言,这是一项220亿美元的计划。

不过,今天该法案仍停留在国会,目前尚不清楚该法案是否会通过。另外,账单太少了,太迟了。据SIA和BCG称,要提高竞争力,美国半导体行业需要一项500亿美元的激励计划,但即使这个数字也不足。

甚至连几个晶圆厂都付不起钱。例如,在台湾,台积电(TSMC)正在为其3nm工艺建造一个300mm晶圆厂,价格为195亿美元。

另外,在美国建造新工厂的成本比亚洲还要昂贵。而其他国家则提供了更好的激励措施。因此,尽管英特尔正在扩大其在亚利桑那州的新Fab 42工厂,但由于这些国家的激励措施,它还计划在爱尔兰和以色列建立新工厂。

但是,英特尔等人认为CHIPS法案是一个良好的开端,并且需要采取一种或多种形式的激励措施。英特尔政策与技术事务组织副总裁格雷格·斯莱特(Greg Slater)表示:“目前,我们在美国的市场份额为12%。” “在未来十年内,这一数字可能会降至10%以下。除非我们通过政府激励措施扭转这种局面,否则这种情况将继续下去。”

这不是那么简单。“美国晶圆厂的产能可以补贴超过12%,但这对整个行业有好处吗?” Semico Research的分析师Adrienne Downey问。“在过去的5至10年中,该行业在管理容量方面一直做得很好。内存市场就是一个很好的例子。有效地管理容量意味着更稳定的ASP /收入。过去,有补贴的晶圆厂造成了产能失衡。”

还有其他问题。“当今行业中,几乎没有一家公司能填补一家耗资200亿美元的晶圆厂。台积电成功地填补了他们的晶圆厂,因为它们拥有数百个客户和数千种产品。仅增加产能并不能保证在该行业中取得成功的地区地位。

无论如何,如果美国在半导体制造业中不采取共同行动,将产生经济后果。Mentor的莱茵斯说:“这意味着新技术和创新的增长将逐步转移到美国一直处于世界领先地位的其他地区。” “中国最近的风险资本投资大于美国,但要赶上美国还需要一段时间。问题在于,如果美国的风险投资减少,即使被联邦补贴抵消,技术创新也将趋于消失。这意味着终端设备创新也将逐渐消失。这意味着经济和就业增长将放缓。”

工艺比赛

同时,美国的芯片制造商都拿着自己的特色工艺,如III-V,模拟和RF。美国在28nm / 22nm及以上的成熟逻辑工艺方面实力雄厚。Semico公司的Downey说:“美国仍然有一批仍在美国生产的成熟产品。” “在大多数电子设备中,每个领先的芯片都需要至少5-10个成熟的芯片。Qorvo,ON Semi,NXP,ADI,Broadcom,Skyworks和Microchip等公司都在美国设有晶圆厂。SkyWater是铸造厂通过提供创新选择并帮助开发新解决方案为旧晶圆厂注入新生命的一个例子。”

但是美国在领先的逻辑/代工厂流程方面落后于美国。并非总是这样。多年来,英特尔一直是制程技术的领导者,但并非唯一的竞争者。如前所述,在2001年,有18家芯片制造商可以处理尖端的130nm芯片。

随着时间的流逝,流程成本不断上升,越来越少的参与者负担不起在高级节点上开发前沿技术的能力。

当传统的平面晶体管碰壁时,最大的变化发生在20nm。作为回应,英特尔在2011年转向了22nm的下一代finFET晶体管。代工厂转移到16nm / 14nm的finFET。(英特尔的22nm相当于铸造厂的16nm / 14nm。)

FinFET以较低的功率提供了更高的性能,但制造起来也更困难,更昂贵。TEL America副总裁兼副总经理Ben Rathsack表示:“这是由于制造该设备所需的处理步骤数量所致。”

FinFET也缩小了制造基础。只有六家代工厂/ IDM拥有迁移到16nm / 14nm finFET的资源。这些供应商包括GlobalFoundries,英特尔,三星,台积电和联电。中国的中芯国际最近进入了14nm finFET市场。

同时,英特尔希望在2016年推出10nm finFET工艺来扩大其逻辑技术的领先地位。但是,由于各种问题,英特尔两次推迟了10nm的生产,并最终在2019年基于该技术推出了处理器-比预期晚了大约两年。

在英特尔延迟10纳米的过程中,台积电(TSMC)在2018年初推出了世界上第一个7纳米finFET工艺,技术领先于英特尔。后来,三星出货了7nm。(英特尔的10nm大约相当于代工厂的7nm。)

这很重要,原因有几个。英特尔是代工业务中的佼佼者,它并不完全与台积电竞争。但是,台积电为诸如AMD和Nvidia之类的英特尔竞争对手提供代工服务。因此,英特尔的竞争对手突然在工艺技术领域站稳了脚跟。

还有其他变化。在2018年,GlobalFoundries和联电停止了各自的7nm努力。7nm的开发需要巨额投资,但两家供应商均表示回报值得怀疑。两家公司仍活跃于16nm / 14nm及以上。

尽管如此,7nm的震荡将制造基础缩小到只有10nm / 7nm的三家公司:英特尔,三星和台积电。但是随后,情况再次发生了变化。

2020年初,台积电和三星开始出货5nm。同时,英特尔推迟了7纳米制程,使其进一步落后于其两个竞争对手。中芯国际也在开发类似7nm的工艺,目前仍在研发中。最近,中芯国际从中国IP提供商Innosilicon处获得了首个用于类似7nm工艺的流片。

半导体顾问公司的Maire说:“显然,英特尔在这里跌跌撞撞,现在看来至少要延迟六个月,甚至一年,才能达到7纳米。” “在摩尔定律中,英特尔显然不落后于台积电,而是落后于台积电。显然,GlobalFoundries被冻结在适当的位置,并停留在14nm处。因此,我们真的没有铸造厂或IDM可以在美国加速发展了。”

美国并没有停滞不前。英特尔发誓它将解决该问题,并最终将发布7nm。它还在考虑一项计划,将其部分7nm生产外包给代工厂。

然后,为了重新夺回自己的优势,英特尔希望建立一个美国芯片联合体。作为该计划的一部分,英特尔建议在政府的支持下运营一家美国代工厂。目前尚不清楚该计划是否会实施。

最近,GlobalFoundries为其纽约州300毫米晶圆厂附近的主要扩张计划获得了新土地。“在我们国家对半导体制造投资的资本日益增长的共识中,比以往任何时候都重要的是,我们准备在GlobalFoundries在美国最先进的制造工厂中快速跟踪我们的增长计划,”高级副总裁兼总经理Ron Sampson说。 GlobalFoundries经理。

台积电(TSMC)可能是美国的真正希望,台积电计划在亚利桑那州建立一个新的领先的5nm晶圆厂。该晶圆厂计划于2024年投产。

不过,尚不清楚美国是否可以恢复其在工艺技术方面的竞争力,还是由哪家公司来领导美国的铸造业务。

“我们在基于铸造的制造领域,甚至在所有半导体制造领域都落后。我们落后了,但这是我们在相对较短的时间内无法赶上的。” Mentor的莱茵斯说。“在晶圆代工方面,我们将不得不依靠GlobalFoundries或美国在台积电的业务。政府倾向于将英特尔作为一种可能性。但是,即使您可以在美国获得可行的代工服务,但是如果您不能将产品销售给世界上最大的客户,那的确对您没有太大帮助。”

芯片的时机

展望未来,来自不同国家的几家公司将继续参与工艺技术竞赛。但这不是保持竞争力的唯一方法。

通常,为了推进设计,业界使用芯片缩放来开发ASIC,以将不同的功能装配到单个单芯片上。但是在每个节点上进行扩展变得越来越困难且昂贵,并且仅通过扩展获得的功率和性能收益正在减少。虽然单独扩展可将7nm以下的每个新节点的性能提高约10%至20%,但是架构更改,专用加速器和硬件软件协同设计可将性能提高10倍至1,000倍。

而且,并非芯片的所有部分都受益于缩放。数字逻辑当然可以,但模拟组件则不能。因此,整个行业都在将复杂的模具包装在高级封装中,而不是将所有内容都缩小并放在单个模具上。

如今,企业,代工厂和OSATS从几个国家都在追求一个小芯片的策略,因此芯片制造商可能具有模块化的模具,或小芯片的菜单,在库中。客户可以混合匹配小芯片,并将它们集成到现有的高级封装或新架构中。

AMD,英特尔和其他公司已经开发出类似芯片的设计,可以以更低的成本匹配或超越ASIC的功能。但是,随着越来越多的小芯片开发供第三方和跨多个市场出售,在边缘计算等新领域的市场主导地位已迫在眉睫。

小芯片的势头继续增强。例如,英特尔已获得国防部小芯片研发的新合同,称为最新异构异构原型(SHIP)计划。根据该计划,英特尔围绕小芯片建立了新的美国商业实体。该计划使客户可以使用英特尔的包装功能,包括国防部和国防界。

国防部研究与工程副部长办公室微电子首席总监妮可·佩塔(Nicole Petta)表示:“路线图确定了优先事项,并意识到随着制程规模的放慢,异构组装技术对于国防部和我们国家都是至关重要的投资。”国防部

结论

定义竞争力变得越来越复杂。逻辑的过程扩展将继续至关重要,但是高级封装也变得越来越重要。

来自不同国家的公司将需要同时发展两者。反过来,这将推动新的增长。但是从技术角度来看,美国仍有一些工作要做。问题是,是否有实现这一目标的政治意愿和/或公司回报,到目前为止,答案尚不清楚。

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来源: Semiconductor Engineering
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