製程戰爭——英特爾篇_風聞

其實以製程技術的”輩份”而論，英特爾應該要擺在這個系列的第一篇，但考慮到目前製程技術的發展走勢以及對整體市場的影響力，在代工行業失利，僅能專注於IDM模式的英特爾，因此還是擺到第二篇的位置。

然而要談到英特爾，得回頭看看半導體產業發展的脈絡。

作為科技產業的核心，電子設備的設計與製造最核心的部件，也就是控制開關、邏輯等的元件，從最早期的機械式控制開關邏輯，到後來使用電子管(Vacuum Tube)來控制電子的走向，形成邏輯操作。

但電子管體積大、成本高，且非常不耐用，業界希望能夠找出更小更快的解決方案，於是在1947年代，由美國貝爾實驗室（The Bell Labs）科學家John Barden與Walter Brattain成功發明第一顆點接觸晶體管，成為現今所有半導體技術的始祖。

貝爾實驗室後來也研發出一整套，包括氧化、光罩、蝕刻等半導體制程，並且沿用至今。

後來德州儀器(TI)的Jack Kilby在1958年發明集成電路，也就是把多種電阻電容元件配合不同的線路佈置做到一塊電路片上，從而實現更多元更高效的電子開關模式與應用可能性，並且命名為大型集成電路(VLSI)，而這種設計則是在1960年代開始成功商用。當初的VLSI其實就是固定功能的芯片功能集合體，跟現在的ASIC意思差不多。

而雖然德州儀器和FairChild開創了集成電路，但是現代微處理器是由英特爾Marcian Hoff在1971年所發明，這種處理器和德州儀器推出的ASIC架構不同，是可以通過編程來重新定義其計算邏輯的架構，而英特爾也為了這個處理器創造了計算機，也就是計算機這種概念產品，從此，計算機不再只是大型行業或者是實驗室的專利，而是真正進入市場的產品。

雖然英特爾以處理器的發明聞名於世，但真正支撐起英特爾在市場與技術發展動能的，反而是其製造能力。

不過與台積電這類只幫客户做產品的專業代工廠商不同，英特爾的製造只用來幫自己製造產品，而最初讓英特爾成功的產品並不是處理器，而是內存。其開創了業界首個商用化的金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)的SRAM產品，隨後也發展出業界首個基於三晶體管器件(three transistor cell)的DRAM。

由於在內存市場的成功，到1990年之前，英特爾的主要業務都是在內存方面，其微處理器產品並非一開始就取得成功，而是在機緣巧合之下的結果。首先，由於日本在DRAM產業的急起直追，利潤大幅降低，迫使當初的總裁Andy Grove把重心轉往微處理器市場，另一方面，IBM在1981年時推行其個人計算機概念，並且迅速取得成功，從這段時間開始，英特爾也搭上順風車，成功在IBM的PC以及後來的兼容機器搶下絕大部分的市場。

不過在80486之前，英特爾的製程雖提供相當高的質量，但技術層次其實並沒有太突出的地方。事實上，當初聯電(UMC)曾用自己的製程推出80486的兼容芯片，不僅功耗更低，性能也更好。

由於英特爾在486之後就沒有把處理器技術對外授權，聯電是利用逆向工程，一層一層電路、一個一個晶體管的解析英特爾的產品，並從英特爾的設計中加上自己的調整，從而推自己的486處理器。

在當初的時空背景下，逆向工程後加上自己的設計並不算仿冒，而是合法的作法。當初AMD也利用這種方式推出自己的486處理器。

後來的發展大家都知道，AMD和聯電都被英特爾告上法院，但因為英特爾自己違反授權協議在先，因此聯電和AMD其實在美國的訴訟都贏了英特爾，但當時台灣對這方面的法律規定並不周延，且因為多種軟硬件產品受到美國的貿易制裁，自己腿先軟了，因此法院判英特爾贏了這場訴訟，聯電從此無法再生產兼容芯片，業界也從此少了一個更好的選擇。

前面講了這麼久的故事，接下來談到正題，也就是製程的發展部分。486事件讓英特爾認知到自己的製程技術發展仍遠遠不足幫助其處理器超越兼容產品，因此開始在製程技術方面有更大的投入，另一方面，由於處理器的需求日漸增加，英特爾也需要更高的產能來生產其產品。增加產能除了買廠設置更多生產流水線以外，另一個最有效的方法就是在製程節點上進行微縮，當初節點每一代微縮都可能帶來至少兩三成，甚至接近倍增的產能。

之前筆者也討論過，英特爾的製程工藝是屬於Gate-Last技術，但實際上，在1um，也就是100nm之前，其實包含英特爾在內的所有的晶圓廠都是採用Gate-last技術。

當初的芯片是基於MOSFET技術，而成依照其通道極性的不同，可分為電子佔多數的N通道型與空腔佔多數的P通道型，通常被稱為N型金氧半場效晶體管（NMOSFET）與P型金氧半場效晶體管（PMOSFET）。

MOSFET的組成有三個部分，分別是也就是Source(源極)、Drain(汲極)和Gate(柵極)，100nm之前，由於當初機台的精度較低，IDM或OEM幾乎都採用先做Source和Drain，後做Gate的方式。但微縮到100nm之後，三個極的重疊電容太大，對於性能和漏電控制控制不了，這時候幾乎所有晶圓廠都往Gate-First技術轉移，也就是先做Gate，然後再做Source和Drain，從而解決三個極的重疊問題。

後來英特爾發展到45nm，又遇到了瓶頸，由於Gate的氧化濺鍍難度越來越高，必須在Gate上使用High-K材料，提高絕緣以及電容特性。

K是希臘字母“Kappa”，它就是介電常數，其工程意思指的是材料存儲電荷的能力(類似海綿和木材都可以吸收水分，但是能力有差)。

High-K既保證了可以存儲足夠的電荷，又保證了漏電不會太高。相較於傳統材料，High-K材料能確保漏電降低超過100倍，電容提高超過60倍。

不過在High-K材料世代，業界又面臨了Gate-First與Gate-last的爭議，這主要是在成本與加工難度方面的抉擇，一般都認為前者易於後者。

然而實際上Gate-first在Vt電壓的控制難度越來越高，28nm之後幾乎解決不了，可自由設置和調配Gate材料的功函數值，充分控制Vt電壓就成了Gate-last的最大武器。

英特爾是業界最早在納米世代轉移到Gate-last製程的公司，雖然像IBM、聯電、Global Foudries以及三星都還堅持Gate-first，但後來還是在功耗與漏電解決方面的工程難度太高，也先後轉成Gate-last技術，但英特爾在45nm的製程優勢已經拉開來，後續晶圓製造技術也得以持續領先。

台積電在28nm走入Gate-last，算是純晶圓代工廠最早的，雖然仍落後英特爾一到兩代的差距，但已經是晶圓代工廠中最優秀的表現。

不過值得注意的是，英特爾雖然長期在晶圓製造技術方面領先，但英特爾的製造技術只能適用於自家的產品，並沒有發展出針對不同客户的服務套件，而在45nm世代之後，其實半導體業界因為智能手機等移動電子產品的熱門發展，也開始走向低功耗計算架構，英特爾在這方面的方案也嚴重缺乏。

為了搶進低功耗計算市場，最早英特爾向Arm授權了指令集，發展出自己的Xscale方案，用來解決手機等移動終端的計算需求。不過由於英特爾缺乏自己的基帶技術，無法像高通一樣發展出完整的通信SoC，而作為單純應用處理器，Xscale也算是當初業界數一數二的架構。

但可惜的是，由於當初英特爾還是PC本位主義，在長期耕耘仍無法獲得多數市場，甚至市佔逐漸衰退的情況之下，英特爾決定放棄Xcale，並轉賣給Marvel。

這也造成後來Android帶動智能手機興起時，英特爾手上完全沒有武器可以對應的窘況。

雖然後來英特爾利用收購英飛凌(Infineon)發展出自己的基帶，但也已經沒有處理器可以搭配，因此英特爾推出Atom架構，利用規模縮小的X86架構達到低功耗計算目的，希望重新取得市場。不過擅長做高性能架構的英特爾，在低功耗技術完全比不上當初的Arm架構產品，Atom原本也是為了主流PC市場需求增長減緩，希望能夠開闢更廣應用的武器，但事與願違，Atom的表現遠不如預期。

在移動方案發展時期，英特爾也開始希望多方向發展，將多餘的晶圓產能賣出去。然而前面也提到，英特爾的晶圓廠完全就是英特爾產品的形狀，缺乏可以生產當時主流Arm架構的彈性與周邊配套需求，因此後來英特爾在中國有推出代工服務，並且先後和展訊等公司合作，但基本上都沒有成功。

事實上，英特爾首個晶圓代工業務是來自於Altera的14nm製程技術的FPGA生產。為了生產Altera的產品，佈局更廣的代工服務，英特爾當初甚至把自家產品的生產排程優先度降低，只為了滿足Altera的需求。

不過Altera後來被英特爾收購，其FPGA技術成為英特爾的支柱之一，其他代工客户，如LG、展訊、Achronix、Netronome等，基本上量也小到不行，食之無味，棄之也毫不可惜。事實上，英特爾還曾經坑了LG數百億美元的研發投入，只因為承諾的10nm技術遲遲無法到位，讓LG在相關芯片的佈局落了空。

LG原本要投入自有手機處理器的研發，採用Arm架構，並且預定要在英特爾的晶圓廠進行生產，2016年時，英特爾還與Arm聯手宣佈要提供10nm的Arm處理器代工服務，LG被英特爾和Arm兩家公司聯手設的坑給坑慘了，其研發投入血本無歸，後來也不敢再提自有的Arm架構處理器。

而英特爾也徹底喊停了代工服務。真的是坑人坑己啊。

英特爾早在2014年就已經推出14nm產品，但往後數年，雖然14nm本身仍持續有不小的改進，但技術本身缺乏更大的跨度，導致競爭力逐漸喪失。當然，英特爾之所以放慢製程的演進速度，其實也是肇因於PC市場的衰退，且當時英特爾自行發展的其他計算架構也先後都黃了，帶動不了產能需求。另一方面，最大的競爭者AMD也長期積弱不振，Arm雖然想從手機等移動終端前進到PC甚至服務器市場，但缺乏生態，對英特爾也造成不了威脅。

而過去曾一度想進軍晶圓代工業務，但英特爾從來就沒有在製造服務上下過苦工，且老美無法接受像台積電這種高強度的工作與服務模式，因此客户接受度不高，這方面的業務規劃也落得鎩羽而歸，在各方面都缺乏往下一步推動的助力之下，英特爾放緩製程的發展也是合理決定。

但隨着計算產業生態的更迭，當過去被認為只能稱霸低功耗計算的Arm也前進高性能計算，且AI成了未來推動計算的主要應用，X86 CPU更在這波計算應用轉移的路上被逐漸邊緣化，英特爾逼不得已，只好一方面針對未來更廣的應用發展架構，另一方面也重新拾起荒廢了的製程發展，意圖抵抗來自包含晶圓代工廠結合整個計算業界的挑戰。

隨着產品策略的方向確定，未來AI與視覺計算工作會是英特爾面對市場的兩大重點，要維持優勢，製程就顯得極為重要，若沒有製程支撐，即便架構再優秀，也難以面對市場的挑戰。

英特爾預計在2021年開始引入7nm製程，該製程推出後也會如同過去14nm般不斷進化，並要以優於業界的規格向台積電的5nm正面挑戰，畢竟過去英特爾的製程密度定義都要超過業界一個世代以上，14nm晶體管密度已經和對手的10nm大同小異，10nm則是對標對手的7nm，7nm自然就是瞄準對手的5nm了。

通過對製程研發的提速，英特爾也期望能重回領先者的地位，通過製程優勢，幫助自家為來的計算產品能以更好、更快，也更省電綜合表現的打進市場。