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    电子论文

    全球集成电路设计和制造业的发展状况

    时间:2019年05月06日 所属分类:电子论文 点击次数:

    摘要:分析表明,全球集成电路产业先进的设计和制造工艺技术已从16/14nm推向10nm。新兴领域是驱动2017年集成电路产业继续向前发展的主要驱动力。阐述2017年全球集成电路设计业的发展状况,全球晶圆代工业和封装测试业的发展状况。 关键词:集成电路制造,产业

      摘要:分析表明,全球集成电路产业先进的设计和制造工艺技术已从16/14nm推向10nm。新兴领域是驱动2017年集成电路产业继续向前发展的主要驱动力。阐述2017年全球集成电路设计业的发展状况,全球晶圆代工业和封装测试业的发展状况。

      关键词:集成电路制造,产业规模,调研数据

    中国集成电路

      12017年全球集成电路设计业的发展状况

      根据ICInsights的数据,2017年全球集成电路(IC)设计业的营业收入为1006亿美元[1],首次突破1000亿美元大关,比2016年上涨11%。高通(Qualcomm)依然稳居全球IC设计厂商(Fabless)之首,2017年营业收入超过170亿美元。2017年下半年,博通(Broadcom)的营业收入曾一度超过高通,但从全年来看,博通依然未超过高通。

      但很明显,两家的差距正在逐步缩小。排名第三位的英伟达(Nvidia)和排名第六位的超微(AMD)都依赖于2017年以来人工智能(AI)的火热发展,在过去的一年中两家厂商都业绩喜人。特别是AMD,在2017年推出了一系列新产品之后,让其在和Intel的竞争中重获不少优势。

      排名第四位的联发科(MediaTek),在2017年痛失众多大客户订单的情况下,可谓流年不利。2017年营业收入大幅下降44%,其排名由2016年的第三位降至2017年的第四位。不过有消息称联发科已经和苹果公司共同研发出新一代智能手机的基带芯片,如果该消息属实,可以相信联发科的前景依然光明。

      中国大陆地区的海思(HiSilicon)近年来受惠于华为手机出货的强势增长,以及麒麟系统应用处理器和基带芯片搭载率的提升,营业收入的提升较为明显,因而在2017年的排名中居第七位。2017年,应用海思麒麟系列芯片的华为手机销售收入达到2360亿元,营收规模较2016年扩大约30%;腿僖放浦悄苁只瓿龌1.53亿部,保持国内市场份额第一位。

      中国大陆地区的紫光集团(Unigroup)在2017年全球前10大IC设计厂商排名中居第10位。紫光集团自2013年开始,先后并购了展讯通信、锐迪科和新华三等国内设计企业,同时与英特尔、西部数据和惠普结成联盟,顺利搭建了“从芯到云”的泛IT产业链,形成了以IC设计、存储和IT信息系统为主的高科技技术联盟雏形。截至2017年年底,紫光集团实现出货超过10亿颗芯片,其中手机芯片出货6.5亿片(套)。

      在2016年排名第八位的是赛灵思(Xilinx)。2017年其营收实现了7%的增长,仍然保持第八位。马威尔(Marvell)在2017年营收中出现了-1%的增长,其排名由2016年的第七位降至2017年的第九位。纵观2017年全球前10大IC设计厂商排名,总部在美国的设计厂商有6家,中国大陆地区的设计厂商有2家,中国台湾地区和新加坡的设计厂商各1家。2017年全球前10大IC设计厂商的营收总额为737.85亿美元,占全球IC设计业全部销售收入的73.7%,比2016年提升了12%。根据ICInsights的报告,2017年全球IC设计厂商(Fabless)销售额按总部所在地的分布如图1所示。

      其中,总部在美国的IC设计厂商销售规模占了全球的53%。中国台湾地区的IC设计厂商占了18%的份额。中国大陆地区的IC设计企业,扣除华为海思(HiSilicon)、中兴微电子(ZTE)和大唐微电子(Datang)转移为自用的IC产品之外,直接向市场供应的IC产品销售额占11%,如果计及中国大陆以上3家的全部IC产值,则2016年中国大陆地区IC设计业销售收入占全球的百分比为16%。日本和欧洲的半导体厂商大多数为IDM,单独的IC设计厂商(Fabless)很少,其销售收入仅占全球的1%或不足1%,世界其他地区IC设计厂商的销售份额约占17%。

      2全球晶圆代工业的发展状况

      根据TrendFarce报道的数据,2017年全球晶圆代工业的销售规模超过540亿美元,比2016年增长7.5%。虽然2017年智能手机市场增长趋缓,但人工智能、物联网、云端服务、虚拟货币等应用陆续兴起,使得整个晶圆代工业保持稳步增长态势,也使全球晶圆代工厂商有机会持续扩展版图。预计2018年全球纯晶圆代工业继续保持稳定增长8.0%左右,市场规模达到575亿美元。其中,韩国占2家,中国台湾地区占4家,中国大陆地区占2家,美国和以色列各占1家。

      台积电(TSMC)继续占全球纯晶圆代工行业的主导地位。2017年,台积电营业收入达到320.4亿美元,同比增长8.8%,市场占有率为55.9%。格罗方德(GlobalFoundries)2017年营业收入为54.07亿美元,同比增长8.2%,市场占有率为9.4%,继续保持第二位。

      联电(UMC)仍然保持第三位,2017年营业收入为48.98亿美元,同比增长6.8%。2017年5月,三星将晶圆代工部门分离出来成为独立的纯晶圆代工厂商,按其2017年营收规模挤进了第四位,替代了中芯国际原来的位置。中芯国际2017年成功上量28nm技术,在第四季度时对营收的贡献率超过11.3%,全年营收29.14亿美元,同比增长6.4%,排名第五位,市场占有率为5.4%。塔富(TowerJazz)和力晶(Powerchip)是2017年营收增幅最大的2家纯晶圆代工厂商,2017年营收增幅分别为11.1%和18.9%,但这两家厂商的营收体量较小,仅占纯晶圆代工市场份额的2.4%和1.8%。世界先进(Vanguard)、华虹宏力(HuaHongGrace)和东部高科(DongbuHiTek)3家企业都从事8英寸晶圆代工。

      按营收规模分别列于第八至第十位。2017年,随着全球8英寸晶圆产能紧张,华虹宏力的特色工艺代工市场更显紧俏,营收增幅在12%以上。东部高科(DongbuHiTek)2017年营收与2016年相比变化不大,排名第十位。X-Fab2016年排名为第十位,2017年无缘进入全球前10大纯晶圆代工厂商系列。2017年,智能手机芯片等移动设备对晶圆代工市场的推动作用有所减缓。

      但高性能计算、人工智能、虚拟货币(比特币)挖矿芯片和5G芯片等需求持续看好。车用电子、物联网、可穿戴设备等市场持续增长,为2017年和2018年全球晶圆代工市场持续发展增加了新的动力。当前移动设备、高性能计算、人工智能、虚拟货币和5G芯片等主要集中在40nm及以下代工市场,而车用电子、物联网、可穿戴设备等需求带动了8英寸晶圆代工市场走俏,重现产能紧张的局面。

      根据我国台湾地区媒体《经济日报》的报道,全球晶圆代工大厂台积电自2年前开始从事比特币挖矿机芯片(ASIC)代工以来,至今台积电已经掌握了全球超过90%的挖矿机芯片(ASIC)的代工订单。在2017年台积电代工大类产品中已占第2位。为此,三星晶圆代工也积极切入,目前已携手中国台湾地区的智原硅知识产权公司,借其为客户增强委托(NRE)能力,争取更多中小型挖矿芯片客户青睐,深耕挖矿机芯片的商机。

      由于2017年高性能计算、人工智能、虚拟货币等高端晶圆代工市场需求的增长,据格罗方德分析师估计,2017年10nm制程代工产生了50亿美元的价值。到2018年,由于人工智能和5G芯片的更多加入,10nm制程收入增加到70亿美元,而7nm制程的销售额也增至30亿美元。台积电也表示,7nm节点将是一个长寿命节点,其FinFET将会有很多延伸,有很大的扩展空间,7nm节点可能会达到与28nm一样的成就。7nm的最初应用是高端应用处理器和高性能计算芯片,到2018年年底,台积电的7nm制程将会有50次流片。

      目前许多晶圆客户仍坚持使用28nm技术,因为28nm技术提供了速度、功耗和成本的最佳组合,2017年全球28nm的晶圆代工的年收入达到了100亿美元。为了填补市场空白,近期格罗方德、英特尔、台积电和联电正在开发一种新的22nm工艺技术。

      22nm芯片比28nm更快,芯片开发成本也低于16/14nm。但是各家厂商的22nm技术都不一样,如格罗方德开发的是22nmFD-SOI技术(22FDX),台积电和联电正在开发的是22nm大容量CMOS工艺,而英特尔则采用新的低功耗22nmFinFET技术。在最近两年,由于汽车电子、物联网、电源管理、指纹传感器和显示驱动等芯片的市场需求仍然旺盛,8英寸晶圆代工仍保持紧俏。同时各项特色工艺技术已经相当成熟,如数;旌、BCD、MEMS和RF射频芯片技术等。

      因此,8英寸晶圆产能紧缺可能还会延续一段时间,这就可能促使晶圆制造厂商寻找新的创新的方法来应对产能紧缺。例如,有的晶圆制造厂商将一些8英寸晶圆的制造技术转移到12英寸晶圆生产线,或仿照12英寸晶圆建设超大型生产线(MegaFab)的方法建设8英寸晶圆MegaFab。这些方法在我国正在实施,如上;缂旁谖尬陆12英寸晶圆数;旌闲酒;中芯国际将中芯国际(天津)的8英寸晶圆生产线从3.5万片/月扩建至15万片/月,建成目前全球最大的8英寸晶圆生产单体。近期全球主要晶圆代工厂商的发展情况如下。

      (1)台积电(TSMC)。台积电一直是全球纯晶圆代工行业的领头羊。自张忠谋复出董事长以来,台积电处处表现出雄心勃勃。2017年台积电营收达到320亿美元,在全球纯晶圆代工业中市场占用率高达55.9%。在技术优势方面,2016年台积电16nm制程独拿了苹果A10处理器(iPhone7)订单,2017年台积电10nm制程又抢得了苹果A11Bionic(iPhone8)大单。2017年年底台积电率先推出7nm工艺技术,在与三星的技术竞争中,不断抢得先机。台积电的7nm制程及7nm+(7nmplus)制程分别采用193nmArF浸没式光刻和极紫外光刻技术(EUV)。

      7nm制程具有承先启后的划时代意义。近两年来台积电的优势主要表现于先进制程导入时间领先同行,以及抢先建设全球第一座5nm制程工厂。2018年1月26日,台积电在台南科学园区(南科园区)新建全球第一座5nm制程工厂(Fab18),台积电董事长张忠谋亲自主持了动土典礼。该项目投资金额达到5000亿元新台币,计划于2020年开始量产,加上在新竹园区总部的5nm工厂,台积电在5nm制程建设上投资高达7000亿元新台币。

      目前台积电的16nm和20nm制程均在南科园区生产,占台积电整体营收高达40%。未来在南科园区建成5nm先进制程后,所占的营收比重将提升至50%以上。台积电还计划近期在5nm生产线的基础上,适时开工3nm制程的建设。台积电大手笔投资5nm制程,并计划投产后5年内收回投资,继续将3nm落脚我国台湾地区。

      因此,南科园区Fab18晶圆工厂建设,对于台积电具有三层意义:一是体现台积电对于先进技术继续前进的承诺;二是体现台积电会持续成长的承诺;三是体现台积电决心深耕中国台湾地区半导体产业的承诺。2018年新年伊始,台积电不断爆出一些好消息。2018年1月2日,台积电接获我国大陆地区高性能运算(HPC)芯片急单,总计追加10万片数量。该类芯片采用了台积电具有成本优势的12nm制程。

      英伟达(Nvidia)的GPU和联发科(MediaTek)的主力手机也将导入台积电的12nm制程。全球5G的商用时间表落实于2020年,但是2018~2019年两年4GLTE仍然是智能手机的主流技术,2017年年底高通的业界传输速率最高的X24基带芯片采用了台积电的7nm制程。高通新一代搭载X24的骁龙855(Snapdragon855)手机芯片也同样采用台积电的7nm制程芯片;K己吞ɑ缫恢焙献鹘裘,从28nm就开始携手前进,然后在16nm、10nm、7nm等节点上一直延续下来。海思的麒麟970首发采用台积电10nm,麒麟980首批上台积电7nm也不例外,估计在2018年第二季度后期进入量产,成为首批量产的7nmSoC。

      (2)三星电子。三星晶圆代工部门自2017年5月从三星半导体事业部分离出来之后,其晶圆代工业务呈现快速增长之势。2017年,三星晶圆代工营收规模为44亿美元,占全球纯晶圆代工市场份额的7.7%。

      3结语

      制程中使用了13次掩模,各次光刻确定了SubmironCMOS芯片各层平面结构与横向尺寸。工艺完成后确定了:(1)芯片各层平面结构与横向尺寸;(2)剖面结构与纵向尺寸;(3)硅中的杂质浓度、分布及其结深;(4)电路功能和电气性能等。芯片结构及其尺寸和硅中杂质浓度及其结深是制程的关键[2]。它们不仅与下列工艺参数:(1)衬底硅电阻率;(2)阱深度、掺杂浓度及其分布;(3)场区氧化层和栅氧化层厚度;(4)有效沟道长度;(5)源漏结深度及其薄层电阻等有关。而且与器件的阈值电压、源漏击穿电压、跨导以及漏电流等密切相关。

      此外,CMOS两种阈值电压必须进行调节,以达到互相匹配。制程完成后,平面结构与横向尺寸和剖面结构与纵向尺寸能否实现芯片要求,关键取决于各工序的工艺规范值。如果制程完成后芯片得到的参数不精确,则电路性能就达不到设计指标。所以芯片制造中要严格按照工艺规范才能得到合格的电路。晶圆完成制程加工以后,先测试晶圆PCM数据,达到规范值后,才能测试芯片的电参数特性。如果主要PCM数据未达到规范值,偏离数值很大,则该晶圆做报废处理。

      参考文献

      [1]潘桂忠.CMOS芯片结构与制程技术分析[J].集成电路应用,2017,34(04):43-46.

      [2]潘桂忠.MOS集成电路工艺与制造技术[M].上海:上?蒲Ъ际醭霭嫔,2012.

      集成电路论文投稿刊物:中国集成电路(月刊)创刊于1992年,是由中国信息产业部主管,中国半导体行业协会/集成电路设计分会主办的全国性专业电子刊物。自创刊以来,一直致力于IC市场应用分析,介绍先进的IC设计、制造、封装工艺和技术以及先进的组织形式和管理经验。在业界形成了一定影响和良好口碑,并随中国集成电路产业一同成长。

      

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