“難產”的英特爾和落敗的芯片製程戰爭_風聞
财经无忌-财经无忌官方账号-独特视角记录时代冷暖2020-08-01 00:03
月落烏堤 | 文
7月24日,英特爾(Intel)發佈Q2財報,與營業額及淨利潤均同比超20%的漂亮相比,7nm製程工藝的一再跳票和推遲,則顯得格格不入。
由於7nm製程工藝中仍存在“缺陷”,導致了英特爾生產進度落後於其內部產品路線圖一年時間。此前英特爾原計劃採用7nm製程的芯片將在2021年底上市,現在看來,這一進度將至少會推遲到2022年的年中。
英特爾7nm製程再一次放了市場的“大鴿子”。
兩天後,《華爾街日報》報道,英特爾考慮將其部分製造業務外包,使用其他企業的生產力,不必所有程序都親歷親為。
本週一上午,中國台灣《工商時報》稱,英特爾已與台積電達成協議,明年將開始採用台積電6nm製程量產18萬片處理器或繪圖芯片。受這一消息影響,台積電股票在開盤後迅速拉昇,到當地時間10點33分,已經上漲超過9%。
台積電一向不評論單一客户接單及業務發展,英特爾亦表示不評論該市場傳言。但是,這並不能阻礙市場的熱情。
一路“奔騰”的江湖地位
1993年3月22日,英特爾正式對外發布了奔騰(Pentium)處理器,這是英特爾在品牌和命名上的第一次突破。這打破了此前英特爾發佈的四代微處理器均以純數字如386/486命名的方式,開始真正地建立起屬於英特爾的芯片王朝,也是從這一年開始,英特爾成為全球最大的半導體公司,並持續近數十年。
從市值上看,英特爾只被三星短暫地超越過,就很快又重新回到了全球第一的寶座。雖然在今天,英特爾已經被台積電完全超越,在這場處理器製程的戰爭中,英特爾事實上已經被台積電斬於馬下。但在過去幾十年中的大部分時間內,英特爾一直是全球最大的芯片製造商。
內部代號為P5的第一代奔騰(第五代x86)微處理器,採用了管線化(Pipe-Lined)的循序(In-Order)超純量(Superscalar)技術,並以0.8um製程製造;接着推出的是P54,是把P5縮小到0.6um製程;P54之後接著是P54C,使用0.35um製程,這一製程工藝,是全球第一款採用純粹的CMOS (互補式金屬氧化物半導體)技術的微處理器,相對於之前兩代奔騰處理器使用的Bipolar CMOS(雙極性晶體管和互補式金屬氧化物半導體)製程,P54C的集成程度更高、面積更小、晶體管數量更多,而且主頻更高,意味着其性能更為強大。
初代奔騰系列微處理器
在P54C上,英特爾規劃了筆記本專用版,至此,英特爾初步在“奔騰”上,完成了台式機及筆記本的全面覆蓋佈局,在90年代初期,依靠這一戰略規劃,一舉奠定了英特爾的江湖地位。
那麼,為什麼採用0.8um製程、CMOS技術的P5內核,衍生的處理器成為當時最為優異的微處理器呢,併為英特爾的江山立下汗馬功勞,這我們就要回到“摩爾定律(Moore’s Law)”下的製程之爭。
製程戰爭推上桌面
半導體產業是誕生於美國的原創性技術,以IBM在1958年12月推出並量產的全晶體管式 RCA 501 微型計算機為代表,美國獨家掌握全球最領先的半導體工藝與知識產權長達六十年之久,產業鏈上下游都遵循 IBM(及其盟友)的研發節奏,推出新制程、新工藝的半導體產品,如微處理器等。
1965年4月19日,仙童半導體創始人之一、工程師摩爾在《電子學》雜誌(Electronics Magazine)發表了題為《讓集成電路填滿更多的組件》的論文,在文中,摩爾預測:半導體芯片上集成的晶體管和電阻數量將每年增加一倍。
1968年7月16日,摩爾從仙童半導體辭職,以集成電子 (Integrated Electronics)之名,創建英特爾。三年後,推出了第一款名為i4004的產品,這顆處理器的問世,成為了推動“摩爾定律”前進的開端,即便他僅僅集成了2250個晶體管,採用的是4位、10um製程、每秒僅可處理92000條指令。雖然其頻率只有108kHz,但是i4004的出現,代表了英特爾在產品技術上踐行創始人摩爾對技術的認識的步伐。
另一方面,英特爾在i4004的設計上,將集成電路劃分為RAM、ROM和CPU。i4004微處理器成為了全球第一顆真正意義的CPU,也就是説,他能用於通用計算機。同時,以RAM/ROM為代表的儲存器芯片,也成為了英特爾的另一塊重要業務,英特爾將半導體產業,分成了儲存器與處理器。
另一個半導體巨頭TI(Texas Instruments,德州儀器)在1970年3月推出了第一個單芯片上完整的4位 ALU(算術邏輯單元) —— SN74181集成電路,這是TI在芯片上製造計算機的第一步。1971年7月,TI推出 TMS-0100微控制器,這是世界上第一個MCU(單芯片微控制器)。這種芯片確實是一種“芯片上的計算機”,因為它在一塊硅上包含了計算機的所有功能。
不過,他們接下來的項目,和英特爾一樣,走向了微處理器的研發。在i4004樣品面世的三個月後,TI也推出了一款叫TMX 1795的微處理器,這是全球第一款8位的處理器,當他們將樣品交到客户CTC(後改名為Datapoint)手上,以滿足他們需要針對設想的產品——可編程桌面終端來開發的8位 MOS 芯片,最終,TMX 1795被拒絕,TI隨後放棄了這顆微處理器,也就是説,TMX 1795從來沒有進行過商業銷售,TI眼睜睜的將一個引領世界的機會,拱手讓給了英特爾。
同年11月,創造歷史的i4004正式銷售,半年後,英特爾的第一顆8位微處理器i8008推出,不過,i8008還是10um,但是集成的晶體管上升到了3500個,最高頻率提升到800kHz。
1975年12月,摩爾在IEEE國際電子組件大會上,根據當時的實際情況對摩爾定律進行了修正,把“每年增加一倍”改為“每兩年增加一倍”,後來,摩爾定律更為讓人熟知的,是“每十八個月增加一倍”的説法。但1997年9月,摩爾在接受一次採訪時表示,他從來沒有説過“每18個月增加一倍”,而且SEMATECH路線圖跟隨24個月的週期。
也就是説,摩爾定律的定義歸納起來,主要有以下三各方面:
一、集成電路上可容納的晶體管數目,約每隔18個月便增加一倍;
二、微處理器的性能每隔18個月提高一倍,或價格下降一半;
三、相同價格所買的電腦,性能每隔18個月增加一倍。
由於晶體管的排列擺放可以近似於放在正方形之上,要使這個正方形面積縮小一半,晶體管的集成密度要成倍增長,就一定需要考慮到晶體管尺寸和麪積的關係,而密度和麪積是呈倒數的,晶體管尺寸變為1/sqrt(2)=1/1.414(根號二分之一),這樣計算面積平方相乘正好就是二分之一的面積,而根號二分之一≈0.7,≈0.7便成了“摩爾定律”中的一個比較神奇的數字。根據摩爾定律,製程節點將以≈0.7倍遞減逼近物理極限,從0.8 μ m、0.5 μ m、0.35 μ m、0.25 μ m、0 .18 μ m、0.13 μ m、90nm、65nm、45nm、32nm、22nm、16nm、10nm、7nm,一直發展到未來的5nm、3nm都是如此。在正常演進節點中間,還出現一些最為常用的半節點製程,如28nm、20nm、14nm。
事實上從0.13um製程演進到90nm製程節點出現了一些針對製程節點定義的爭議。在此之前特徵尺寸基本上對應制程進展的物理長度,自65nm開始各廠商節點名稱的定義越來越模糊,已不能完全對應器件的物理尺寸。
我們可以這麼理解:摩爾定律的核心,是處理器的製程、集成度和價格。
i8008發佈後兩年,i8080發佈,這顆採用6um製程的微處理器,和上代相比,進步了約10um的0.7倍。
之後的i8085、i80186、i80286、i80386,基本上都遵循了這個定律。
奔騰的出現,將製程戰爭,真正的推到了桌面,而他最初的競爭對手,除了TI和IBM外,便是1987年成立的台積電。可以説,台積電與英特爾製程之戰,從台積電的成立,就已經開始,這是IDM廠商與晶圓代工廠兩種形態的競爭。
“碾壓”中成長的台積電****與“羣山計劃”
1987年,《美日半導體協定》生效一年,美國對日本電子產品如電腦徵收100%關税,美日貿易戰打到頂峯。為承接美國主導下的半導體產業分工轉移,台積電在中國台灣工研院的投資下成立,除中國台灣工研院之外,各大半導體巨頭中,只有飛利浦(Philips)一家向台積電投資。
之後,藉助中國台灣工研院投資1000萬美元的“RCA計劃(美國無線電公司(RCA)技術移轉授權計劃)”引入的技術、飛利浦的資金與台積電創始人張忠謀的個人資源,台積電用了一年的時間,從美國、日本及歐洲,買來了設備,搭建了產線。
飛利浦的半導體部門,自然而然成為了台積電最先的客户。
後來,飛利浦半導體部門剝離出來,獨立成了兩家巨頭,一家就是專供光刻機設備的ASML,另一家就是NXP (NXP Semiconductors,恩智浦)。
但飛利浦的訂單,怎麼能滿足台積電的產能呢?雖然“晶圓代工廠”模式在當時的日本和美國都有公司在做,但是這些公司並沒有專門只做代工,而是將代工作為業務板塊之一,並沒有特別重視。包括台積電一直的代工競爭對手聯電,也是在1995年前後才轉型為“晶圓代工廠”。
轉機,來自於美國當時“扶台抑日”的政策,在半導體產業上游的設計、設備、原料無法與日本、美國競爭的情況下,台積電選擇了半導體產業鏈末端的製造。而美國所給予的支持,初期主要便是由英特爾提供,只不過英特爾沒有想到的是,自己在30年後,會被台積電在製程上超越。
產線建立後的台積電,製程只有3um和 2.5um兩種生產工藝,全年產能不到 7000 片、6吋晶圓,良率也不高,基本接不到大公司的晶圓訂單,整個台積電在以虧損的狀態運行。
1988年,年輕的格魯夫接替摩爾成為了英特爾的CEO,張忠謀憑藉與格魯夫的私交,將格魯夫邀請到了台積電,想讓英特爾救救虧損中的台積電。
此時的英特爾,正在進行斷臂求生的自救。在東芝(Toshiba)、尼康(Nikon)、日立(HITACHI)等日本半導體公司的競爭下,格魯夫對英特爾進行了大手術,砍掉了儲存器業務,向電腦處理器(CPU)業務轉型,集中力量“要做地表最強CPU”。
格魯夫在參觀完台積電工廠後,發現台積電的製程工藝比當時英特爾的落後兩代半,但格魯夫最終還是決定將一部分落後製程的生產任務給了台積電,前提是要通過英特爾的認證。
格魯夫是個真正的朋友,英特爾是個嚴格的師傅,他們給台積電制定了魔鬼檢測。在當時半導體制程工藝還僅有二百多道環節的情況下,格魯夫要求英特爾的工程師們至少要在台積電的產線上,找出二百個問題。對於這種命令,英特爾的工程師們對每道工序要帶着“放大鏡”一個細節一個細節的去摳,而台積電的工程師們,則面臨着前一個問題剛剛解決,下一個問題接踵而至。
最終,台積電通過了英特爾的生產認證,這使得台積電終於獲得了主流廠商的認可。不過,此後的十餘年中,台積電依舊是在英特爾主導的技術進程下生存。
1990年,台積電突破6吋、1um製程,而英特爾的0.8um,在1985年的i80386上已經量產。
1993年,對於台積電來説,是個製程急劇進步的一年,這一年,在英特爾的幫助下,台積電實現了0.8um製程的量產,並逐步解決了0.6um的一些問題,突破了0.6um的重要技術,依附於英特爾技術支持的台積電,不僅通過了英特爾關於ISO 9001的質量體系認證,依靠張忠謀的資源,獲得了TI的訂單。
1991年成立的博通(Broadcom)和1993年成立的英偉達(NVIDIA),成為了第一代無廠半導體公司的代表,他們藉助台積電的工廠,開始生產不同於英特爾CPU的產品,並迅速成長為行業巨頭。1994年,台積電獲得了剛剛在美股上市的ST(ST Microelectronics,意法半導體)的訂單,也是從這個時候開始,台積電真正的成為無廠半導體公司們的“虛擬工廠”。
這一時期,無論是台積電,還是三星,其發展的製程工藝技術,都是委身和依附於以IBM/英特爾為代表的美國公司之下,他們一方面要依靠美國公司的技術支持,另一方面,在半導體產業合併浪潮和2000年互聯網泡沫之前,半導體公司大多還在堅持IDM模式來進行發展,台積電的製程,一定程度上會落後於IBM/英特爾,畢竟最新的技術,肯定是要自己優先使用。
1995年11月1日,奔騰Pro發佈,與奔騰Pro前後發佈的Windows95,與之構建了Win-Tel軟硬件聯盟,成為了個人電腦時代,最為強大的壁壘。
1997年1月8日,奔騰MMX發佈,這顆處理器,成為了奔騰I的絕唱,也是英特爾新制程的試驗品,他同時採用了0.6um與0.35um製程,最高頻率也飆升到了200MHz,集成的晶體管數量,達到了450萬個。
1997年5月7日,英特爾推出基於全新核心架構“Klamath”的奔騰II,奔騰II的發佈,延續了英特爾在製程上的持續領先,全系0.35um製程,並開始導入0.23um製程。
1998年是英特爾全面開花的一年。
首先,英特爾在1月19日發佈了基於“Deschutes”核心架構的奔騰II,啓用新系列命名,是為了完全的與上一年採用0.35um製程的“Klamath”區分開來,這一系列,全部採用0.25um製程,在131mm²的面積上,集成了750萬個晶體管。
其次,在6月29日,英特爾推出了全新的至強(Xeon)品牌,以替代之前的奔騰Pro,其目的是用於服務站,至強的推出,是英特爾進入專業服務器處理器的前奏,在之後的日子裏,至強進過數代的迭代,成為了使用最為廣泛的服務器處理器。直到今天,在全球主要的超級計算機中,除了中國的之外,幾乎都採用了至強的處理器。
8月15日,英特爾推出全新的、面向低端用户的處理器品牌賽揚(Celeron),至此,英特爾圍繞處理器,搭建了覆蓋低端市場、中高端市場、服務器市場的產品佈局,藉助這一佈局,英特爾進一步擴大了自己的優勢。
隨着Windows 98的發佈,Win-Tel聯盟的優勢進一步擴大,而英特爾在製程上對台積電的優勢,隨着個人電腦的普及,形成了全面的碾壓。
受到碾壓的,除了台積電,還有台積電的兄弟們,比如英偉達。在這一年的3月,英偉達與台積電達成全面戰略合作協議,英偉達將所有的圖形加速顯示適配器交給台積電生產,這一局面,直到2003年英偉達以IBM簽訂長期代工合約,才被打破。
這一年,台積電終於實現了0.25um的量產,並將之用到英偉達推出的全新顯卡RIVA TNT上。
為了擴大對晶圓代工廠的優勢,和縮小與IDM(尤其是與IBM及英特爾)的差距,台積電在1998年開始實施醖釀了長達五年時間、名為“羣山計劃”的戰略:
台積電給5家使用先進製程的IDM廠商制定專屬的技術支撐計劃,來適應每家企業不同需求。
這一戰略實施的本質就是“先做技術服務、輔助技術升級、更新設備產能,然後獲取訂單”。這五家IDM廠商包含了TI、ST、摩托羅拉、NXP等,都是當時並延續到現在的半導體巨頭公司。台積電通過與他們的合作,打磨技術、降低成本、提高良率,讓自己成為IDM廠商的備用生產車間。而對於無廠半導體公司來説,台積電本身就是他們的“虛擬工廠”。
這一戰略從1998年開始實施後,成為了後期台積電獨立體系的基礎。
1999年2月26日,英特爾發佈奔騰III系列處理器,在最初的四款產品中,英特爾保守的選擇了0.25um製程。從奔騰III 500E開始,英特爾導入了0.18um製程。
同一時期,台積電量產0.18um,這一製程最先用在了英偉達8月推出的GeForce 256,這是全球第一款真正意義上的GPU(Graphics Processing Unit,圖形處理器)。
0.18um製程的量產,是台積電第一次與IDM廠商在製程數字上實現同步,不過其產能和良品率一直受到影響。而且,其技術仍舊是來自於IBM/英特爾主導的技術聯盟,從一定程度上來説,現階段的台積電依舊是作為IDM廠商技術的延伸,還不足以成為自身“製程之戰”的武器。
不過,這一情況很快會被改變,因為,台積電打造的武器,正在形成。
**英特爾不疾不徐,**台積電加速
1997年,IBM率先切入0.13um製程的研發,隨後,英特爾、TI也選擇進入新制程的競爭中去,如何在新制程的研發中獲得先機,成為了擺在台積電面前最大的挑戰。
此時,被半導體業暱稱“蔣爸”的蔣尚義入職台積電,這位半導體技術大牛,成為了台積電0.13um突破的最重要的領導者。
1998年時,張忠謀表示:
“摩爾定律在過去30年相當有效,未來10到15年應依然適用。”
2000年,IBM率先將0.13um銅製程推向市場,IBM找到台積電,試圖將該技術賣給台積電,使台積電繼續成為自己技術聯盟中的一員,繼續依附於自己的技術體系之中。
在通過一段時間的溝通後,台積電以IBM的0.13um製程不成熟而婉拒,轉而進行自主研發0.13um製程。
0.13um製程之所以重要,是因為這一製程是第一個溝道長度小於用於光刻的波長的製程,而且也是摩爾定律演進的重要的跨度製程,從大於光刻光波長到小余光刻光波長。
恰恰在這個時候,互聯網泡沫破裂,無數互聯網公司破產倒閉。半導體產業也受到極大的波及,台積電營收在這一年首次出現了下滑。不過,台積電的“羣山計劃”開始取得成效,此時的IDM廠商,搭建一條12吋、0.13um的產線需要25~30億美元,處在危機之中的IDM廠商們,切實感受到自建廠房的壓力,張忠謀的“羣山計劃”,在幾年的持續操作下,得到了收穫,台積電開始收穫IDM廠商的訂單。
另一方面,台積電將3D晶體管技術(FinFET(Fin Field-Effect Transistor,鰭式場效應晶體管)和FD-SOI(Fully Depleted Silicon-on-Insular,全耗盡型絕緣上覆矽))的主要發明人胡正明聘任為CTO。這項技術,簡單説來就是把晶體管排布方式從原來的平鋪改為立體堆棧,使得單位面積內能容納的晶體管數量更高。
蔣尚義帶領的團隊,依靠胡正明的帶來的技術,迅速找到了0.13um製程的突破口。同時,以餘振華為核心的研發團隊在新制程的研發中,還引入了Low-K Dielectric(低介電質絕緣)技術,全新的0.13um系統單芯片(System-on-a-Chip,SoC)銅/低介電係數(Cu/Low-K Dielectric)製程技術在台積電誕生。
這一技術,成為了台積電發展史上最為重要契機,他使得台積電第一次以IDM廠商在製程上並駕齊驅,而且重新將晶圓製造技術,定義為IBM/英特爾體系與台積電體系。
已升任台積電COO的蔣尚義力排眾議,決定跳過0.15um製程,直接量產0.13um製程。
此後,在胡正明任CTO的三年多時間裏,台積電形成了以胡正明為主導、蔣尚義為核心、餘振華為執行人的技術團隊,他們加速消化胡正明帶來的新技術,並不斷的在實驗室和量產過程中進行嘗試,以尋找更新的製程。
在摩爾定律的推動下,處理器在經歷了0.18um製程後,在2001年直接進入了0.13um製程時代。公開數據顯示,與0.18um製程相比,0.13um製程的氧化層可減少30%以上,工作電壓可達到更低,芯片面積更小,每塊芯片的成本變得更低,處理器/顯示芯片的競爭進入到最為激烈的時候。0.13um取代0.18um成為大勢所趨,而銅/低介電係數技術的引入,成為了芯片製造界歷史上一次重大的變革。
與台積電取得的成就相比,英特爾的步驟,依舊走得不疾不徐。依靠前三代奔騰系列的熱賣,和賽揚、至強的佈局,以及好基友微軟的給力,英特爾世界第一的位置,根本無法撼動,即使在台積電0.13um取得長足進步的時候,英特爾依舊按照自己的節奏,更新着奔騰系列。
奔騰IV系列,這顆英特爾歷史上,生命週期最長、產品序列最多、銷量最大的處理器誕生,自2000年11月20日推出,2001年1月3日發售,到2006年1月16日最後一個產品序列Pentium 4 HT 661推出並停止更新。
奔騰IV前後延續了至少5年,發佈了至少110顆不同型號的處理器,其製程橫跨了0.18um到65nm。既是英特爾在PC市場攻城拔寨的利器,也是英特爾在製程戰爭中持續領先的砝碼,同時也是英特爾新制程的試驗田。奔騰IV系列,是英特爾處理器發展史上的重要一環,是英特爾承上啓下快速發展的中堅力量。
與Pentium 4 HT 661在2006年1月16日一同出現在發佈會上的,是英特爾全新架構的全新品牌:酷睿(Core),這個品牌名,本身就是“核心”的意思。
帶着65nm製程到來的酷睿,拉開了小余波長光製程新的戰爭。
2000年與蔣尚義同時來到台積電的,還有一位真正的科學家,林本堅。
2002年全球芯片產業進入發展瓶頸期,摩爾定律也因此止步不前,如何從65nm製程,跨入到45nm,成為了阻擋在所有半導體廠商門口的攔路虎。
這一年7月,受比利時微電子中心(IMEC)負責人阿諾德(Bill Arnold)邀請,林本堅出席在比利時布魯塞爾(Brussels)舉行的157nm微影技術的研討會,林本堅在介紹“浸潤原理”的專題演講時,説了句“不得了,我找到了134nm波長的光波”,當大家聽到134nm波長的時候,157nm技術研討會,讓林本堅成為了主角。
此時的ASML依舊投入7億美元用來研發157nm光刻機,而英特爾的投入,超過了10億美元,加上尼康、佳能的投入,各大廠商在“卡殼”的157nm波長、45nm製程上,投入巨資仍不見成績。
林本堅回到中國台灣後,在張忠謀及蔣尚義的支持下,開始了“浸潤原理”商業化的研究。尼康第一家宣佈加入193nm、通過浸潤原理,利用水1.44的折射率,實現193nm÷1.44≈134nm波長的“浸潤式光刻機(Immersion Lithography)項目”,隨後,ASML宣佈放棄157nm的研發,也加入到193nm浸潤式光刻機的行列。
2004年12月,日本半導體展(SEMICON Japan)開幕,台積電正式推出已順利使用浸潤式光刻機生產的90nm芯片、並通過了相關的功能驗證。這台浸潤式光刻機,便是台積電與ASML聯合研發,由ASML生產的。
浸潤式光刻機技術的使用,是台積電第一次在製程上實現領先。如果説,張忠謀奠定了台積電前二十年的基礎,那麼,林本堅的浸潤原理,則使台積電在接下來的二十年中保持領先。
FinFET技術與193nm浸潤式光刻機在台積電的技術組合,使得“摩爾定律”得以續命,也使得製程得以繼續推進,“浸潤原理”得到了英特爾等半導體龍頭、設備商採用,並順利跨入了45nm製程節點,這一解決方案,也成為了國際半導體藍圖架構成為主流。
在台積電的官網上,這麼介紹90nm製程:
“浸潤式曝光技術改寫了全球半導體產業的光刻機規格。此項創新不僅進一步強化台積公司的技術領導地位,更協助全球半導體業突破摩爾定律的挑戰,得以繼續推進更先進的製程技術。”
一飛沖天的“夜鷹”
之後的故事就簡單多了。
台積電在蔣尚義的主持下,在2005年實現了65nm製程的量產、2008年實現了45nm量產、2009年實現了40nm量產。
英特爾方面,也同樣不甘人後,並駕齊驅,台積電的成就,並沒有掩蓋英特爾的光芒,英特爾世界第一的江湖地位,台積電還不足以撼動。
而與台積電、英特爾同時期的,三星、聯電及格芯的差距,在這一時期並沒有拉開。
在2009年台積電量產40nm製程的時候,英特爾的32nm已經量產,在製程上,雖然使用的是同樣的技術,但是,英特爾無疑是領先台積電一個代次的。
真正的轉折點,是16nm/14nm製程,2011年英特爾選擇了發展14nm製程,而台積電則選擇了16nm製程作為這一代次的演進技術。
最終,經歷三年的研發,英特爾在2014年實現了14nm製程量產,一年後,台積電的16nm製程到來。
2014年,成為整個半導體行業的分水嶺。
一方面,英特爾進入到了發展的瓶頸期。
這一瓶頸的源頭,可以追溯到2007年實施的“Tick-Tock”戰略,即“工藝年-構架年”模式。
“Tick”代表製程工藝提升,而“Tock”代表工藝不變,芯片核心架構升級。一個“Tick-Tock”代表完整的芯片發展週期,耗時兩年。
按照Tick-tock節奏,英特爾可以跟上摩爾定律的演進,大約每24個月可以讓晶體管數量翻一倍。
這個節奏,在2014年的時候,隨着14nm製程的量產,遭遇到了最大的阻礙。隨後,英特爾調整這一戰略,宣佈實施“架構、製程、優化” (APO,Architecture Process Optimization)的三步走戰略,也就是説,英特爾的一個更新週期變成“一年作為架構升級、一年作為製程升級、一年作為優化升級”。這意味着英特爾新制程的推進,變成了每36個月,晶體管數量才會翻一倍。
自2015年開始,英特爾在14nm製程節點上,已經停留超過4年時間,從Skylake內核(14nm)、Kaby Lake內核(14nm+)、CoffeeLake內核(14nm++),一直在更新14nm製程。原本其原計劃於2016年推出的10nm製程,經歷了多次推遲後,直到2019年年底才實現量產。
另一方面,同樣在2014年,台積電在張忠謀迴歸後,啓動了“夜鷹計劃”,其目的是為了在突破16nm製程後迅速進入10nm製程。為此,台積電召集了近 400 位研發人員,輔以豐厚的報酬和優渥的條件,讓這些工程師按照24小時三班倒的工作節奏,進行新制程研發工作,最終,他們勝利了,台積電解決了所遇到的技術挑戰,並在2017年實現10nm製程的量產,這一製程,最先應用到了iPhone 8上搭載的A11 Bionic芯片上。
台積電終於實現了對英特爾在製程上的全面超越,而且,與新老對手三星、聯電也拉開了一定的差距。
2018年,台積電率先推出7nm製程,可見台積電會繼續按照摩爾定律,推進晶圓製造的製程升級。
2019年將極紫外光刻 (EUV) 技術的7nm+製程量產,2020年5nm量產。接下來還有3nm和2nm也宣佈取得突破。
而英特爾,則一再推遲新制程的發佈。
**舊時代終結,**新王誕生
2014年8月,一本名為《製造繁榮:美國為什麼需要製造業復興》的書籍出版,作者在書中問到,美國重振製造業背後的真實意圖是什麼?製造業對於美國經濟發展具有何種戰略意義?產業公地到底是什麼?美國到底應該以哪種方式支持製造業發展?這些問題,成為了對奧巴馬政府的“靈魂拷問”。
作者堅稱:“當一個國家失去製造能力,就意味着喪失了創新能力。”
在台積電之前,大部分半導體公司都是自己設計芯片、自己建廠生產芯片的,這種就是所謂的IDM廠商,AMD、英特爾都是如此。不過,AMD在2009年剝離了CPU生產業務,成立了格芯(Global Founderies,GF),AMD變成了無廠半導體公司,主要靠格芯和台積電代工 。
放眼到全球的半導體產業中,英特爾幾乎是唯一的自產自銷的半導體巨頭了,並且在22nm製程節點,就量產了3D FinFET晶體管技術,領先台積電2年、1.5個代次的時間。
**但是IDM的模式代價也很大,那就是一旦工藝出問題,就會影響到一系列產品路線圖。**更重要的是IDM模式的成本越來越高,現在建造一座10萬晶圓月產能的10nm製程以下晶圓廠,投資是百億美元級別的。
英特爾投得起麼?投得起。
據統計,過去15年中英特爾在研發上一共花了1300多億美元,約合9118億人民幣。而在2020年,計劃投資是150億美元,除了7nm研發、生產之外,其中大頭還是投向了10nm製程。即便如此,英特爾在2020年,預計也只能量產10nm+製程,距離7nm製程,還有很遠。
有意思的是,在英特爾陷入製程困境的時候,台積電已經在大規模的擴建工廠和進行先進製程的佈局,2020年量產5nm製程,產能已經被蘋果、海思等吃掉。2021年上半年,台積電將進行3nm製程試產,2022年量產3nm製程,而且,其投資依舊維持在150億美元以上的高位,預計2021年更多。
但是相比英特爾全流程的投資,150億對150億是不對等的,研發、建廠是台積電的核心,英特爾則還要兼顧設計、封裝等流程。
2017年10月23日,台積電舉行了成立30週年的盛大慶典,光刻機製造商ASML、IP授權商ARM、GPU巨頭英偉達、手機芯片巨頭高通、模擬芯片巨頭亞德諾、無線設備芯片巨頭博通及蘋果的高層悉數到場,在各大半導體巨頭中,唯獨缺少了英特爾。
圍繞台積電“晶圓代工廠”為核心,集合了上游的設備商、授權商以及下游的客户,組成的聯盟,其牢固程度,似乎已經超過了Win-Tel聯盟,在移動互聯網時代及智能手機時代到來後,英特爾似乎開始力不從心。
經過數十年的演變,半導體製造業從最初的“一覽包乾”的IDM模式,在1987年開始分割,其分割的標誌就是台積電的建立,他重新定義了半導體產業,也開闢了基於“晶圓代工廠”的製造產業,和“無廠半導體公司”的設計產業。
整合,分工,成為了這個行業最為顯著的特徵之一,從出席台積電三十週年慶典的高層來看,這些龍頭公司們各自在自己細分領域內,依託自身的實力,將自身資源全部投入到最為核心的研發中去,然後相互配合、相互優化、相互信任,在數十年的演變中,不斷洗牌、更新和發展,形成了今天牢不可破的龐大產業。
當然,我們用不着為英特爾現在的落寞感到惋惜,即便在製程上落後,但是英特爾依舊是當今全球最強大的半導體公司,依舊是美國半導體的象徵,依舊在傳統電腦、服務器等領域獨領風騷,而且在進入的安全領域、企業級業務中同樣領先於全世界大多數的公司。
不過,隨着美國政府“重振製造業”及“美國優先”的政策下,英特爾6nm製程、18萬片晶圓、近2000萬片處理器的訂單,有可能成為一個“孤單”。從英特爾一向的作風來看,雖不能説英特爾輸掉了這場起始於英特爾的製程戰爭,但是,英特爾又拿什麼來翻盤呢?
要知道,給台積電站台的大佬中,可能隨便一位的江湖地位都比英特爾差不了多少,更何況是7位。
用彭博社的話來説,英特爾先進製程委託給台積電這一行為,預示着“一個由英特爾公司和美國主導世界半導體行業的時代的終結”。
而且,台積電的其他客户與英特爾有競爭關係,可能反對台積電優先處理英特爾的訂單。如果英特爾未來繼續在自己生產芯片,那麼台積電會不會為英特爾的訂單,進行擴大投資以滿足當下英特爾的訂單產能呢,我們不得而知。
按照摩爾定律,芯片製程的最小可以演進到0.1nm的物理極限,那麼,多年以後,芯片製程世界,還會翻天麼?
按照台積電公開信息推演,至少在接下來的五年內,英特爾趕上或超越台積電的可能性幾乎為零。悲觀一點地説,甚至可能永遠追趕不上。
參考資料:
1、姚劍波,楊朝瓊,曾羽,龍奮傑 等著.《大數據叢書系列:大數據安全與隱私》. 成都:電子科技大學出版社, 2017.07.
2、韋亞一.《超大規模集成電路先進光刻理論與應用》.北京:科學出版社,2016. 06.
3、謝志峯,陳大明.《一本書看懂晶片產業:給未來科技人的入門指南》.中國台北:早安財經,2019.09.