四年五個(gè)節(jié)點(diǎn)，爆肝賽英特爾能否跑贏臺(tái)積電？

四年五個(gè)節(jié)點(diǎn)，到2025年重新奪回在晶圓制造上的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。在2023年英特爾中國(guó)戰(zhàn)略媒體溝通會(huì)上，英特爾中國(guó)區(qū)董事長(zhǎng)王銳和英特爾中國(guó)研究院院長(zhǎng)宋繼強(qiáng)在演講中，都重點(diǎn)提到了這一目標(biāo)。

從四年一個(gè)節(jié)點(diǎn)到四年五個(gè)節(jié)點(diǎn)

在14納米這個(gè)“超長(zhǎng)待機(jī)”節(jié)點(diǎn)之前，英特爾一直領(lǐng)跑晶圓制造工藝。作為當(dāng)時(shí)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的“一哥”，英特爾在工藝和架構(gòu)上均傲視群雄，尤其在FinFET工藝之前，相同節(jié)點(diǎn)工藝往往領(lǐng)先晶圓代工廠四五年，可以說(shuō)在視野范圍內(nèi)，拿著放大鏡都找不到挑戰(zhàn)者。

有十余年時(shí)間，英特爾根據(jù)“鐘擺策略”往前走，兩年升級(jí)一代制造工藝，穩(wěn)穩(wěn)地沿著摩爾定律指引的方向推進(jìn)工藝換代。即使在平面工藝遭遇瓶頸后，英特爾也第一個(gè)將FinFET技術(shù)工程化，早在2011年就推出22納米FinFET工藝，繼續(xù)在晶圓制造上保持領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。

但鐘擺策略在14納米節(jié)點(diǎn)上失效了。在2014年實(shí)現(xiàn)14納米工藝量產(chǎn)之后，直到到2018年，英特爾最先進(jìn)工藝還停留在14納米，只不過(guò)進(jìn)行了一些小版本的優(yōu)化升級(jí)，而在這期間，臺(tái)積電和三星則基本按照兩年一代工藝升級(jí)的節(jié)奏向前走。這種穩(wěn)定升級(jí)的節(jié)奏，讓這兩家逐漸把工藝差距追了上來(lái)，并最終反超。

作為純代工廠商的臺(tái)積電，只能靠制造工藝來(lái)賺錢，因而對(duì)于工藝升級(jí)換代的緊迫感就更強(qiáng)。為了趕超英特爾，臺(tái)積電于2014年祭出“夜鶯計(jì)劃”，讓先進(jìn)工藝研發(fā)人員像產(chǎn)線工人一樣實(shí)行輪班制，有人上白班，有人上夜班，通過(guò)分組輪班安排，以實(shí)現(xiàn)24小時(shí)不間斷研發(fā)。用臺(tái)積電工程師的原話來(lái)講，這一計(jì)劃極其“爆肝”，臺(tái)積電的下一代芯片都是“用肝做的”。

（圖源：ICKnowledge）

不過(guò)從后來(lái)的結(jié)果看，臺(tái)積電靠“爆肝”越過(guò)了三星和英特爾，成為行業(yè)里晶圓制造技術(shù)的領(lǐng)先者。

臺(tái)積電兩年一代工藝升級(jí)都要靠“爆肝”，那么英特爾四年搞五個(gè)節(jié)點(diǎn)，豈不是要把“爆肝賽”提升到一個(gè)新高度？

（圖源：ICKnowledge）

英特爾升級(jí)爆肝賽？

四年五個(gè)節(jié)點(diǎn)肯定對(duì)工藝研發(fā)和產(chǎn)線建設(shè)節(jié)奏有極高的要求，但應(yīng)該也不會(huì)比臺(tái)積電“夜鶯計(jì)劃”節(jié)奏還要夸張，畢竟從研發(fā)角度看，最多英特爾像臺(tái)積電一樣，通過(guò)不同時(shí)區(qū)研發(fā)人員的密切合作，可實(shí)現(xiàn)24小時(shí)不間斷研發(fā)，畢竟英特爾再厲害，也不可能去給工程師變出比“24小時(shí)”更多的時(shí)間。

從英特爾展示的工藝路線圖來(lái)看，Intel 7已經(jīng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，現(xiàn)在非常成熟，而Intel 4則進(jìn)入試量產(chǎn)階段，2023下半年將實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。其余3個(gè)節(jié)點(diǎn)，則發(fā)展進(jìn)度不一，Intel 3可能處在試量產(chǎn)準(zhǔn)備階段，進(jìn)度正在穩(wěn)步推進(jìn)，而Intel 20A和Intel 18A則均已經(jīng)實(shí)現(xiàn)測(cè)試芯片的流片。

即便將Intel 7和Intel 4視作已成熟工藝，四年推進(jìn)其余3個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入量產(chǎn)，面臨的挑戰(zhàn)也極其艱巨，那么英特爾打算怎么做呢？

埃米時(shí)代工藝路線

對(duì)于英特爾如何延續(xù)摩爾定律、重新奪回工藝優(yōu)勢(shì)，宋繼強(qiáng)做了詳細(xì)解讀。他表示，在Intel 7的時(shí)候，英特爾還是使用DUV光刻機(jī)，從Intel 4開(kāi)始使用EUV，Intel 3將全面使用EUV。

到了Intel 20A，就又有需要進(jìn)行技術(shù)突破。Intel 20A的技術(shù)主要依靠如下幾個(gè)技術(shù)路徑：

1.在光刻機(jī)方面，Intel 4和Intel 3采用的是0.33數(shù)值孔徑的EUV光刻機(jī)，到Intel 20A，英特爾將采用高數(shù)值孔徑EUV光刻機(jī)，例如數(shù)值孔徑達(dá)到0.55的EUV光刻機(jī)。采用高數(shù)值孔徑的EUV光刻機(jī)，由于分辨率提高，英特爾產(chǎn)線將可以刻畫更細(xì)的特征尺寸，因而可以減少工藝流程的復(fù)雜度，降低缺陷，制造更高性能的晶體管。

2. 在晶體管結(jié)構(gòu)層面，在Intel 20A會(huì)應(yīng)用RibbonFET。之前的Intel 7、Intel 4、Intel 3全都是FinFET鰭式晶體管，RibbonFET是GAA全環(huán)繞柵極晶體管的一種實(shí)現(xiàn)。英特爾在里面采用納米片結(jié)構(gòu)，在一個(gè)很小尺寸的晶體管堆疊里做進(jìn)去很多通道，同時(shí)在相同的驅(qū)動(dòng)電流下讓這些通道更快速地開(kāi)關(guān)，所以晶體管性能得到大幅度提升。

3. 改變供電結(jié)構(gòu)。在Intel 20A，英特爾還首次在晶體管結(jié)構(gòu)里采用了背部供電結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)可以把邏輯層和供電層分開(kāi)，從而降低繞線復(fù)雜度，背部供電幫英特爾在繞線方面節(jié)約大量成本。

宋繼強(qiáng)表示，有這三個(gè)新技術(shù)的加持，Intel 20A時(shí)肯定可以實(shí)現(xiàn)很好的晶體管性能，英特爾也將進(jìn)入“埃米時(shí)代”，英特爾工藝的晶體管性能可以和業(yè)界領(lǐng)先水平持平。他說(shuō)：“在Intel 18A時(shí)，英特爾會(huì)基于這些新技術(shù)繼續(xù)進(jìn)一步提高晶體管性能，所以在2025年，我們相信在Intel 18A的時(shí)代，英特爾能重新拿回制程、晶體管制造方面的領(lǐng)先地位?！?/p>

先進(jìn)封裝和材料技術(shù)

在晶圓制程進(jìn)入埃米時(shí)代后，晶體管微縮難度越來(lái)越大，雖然英特爾有既定的技術(shù)路線圖，但要延續(xù)摩爾定律也非常困難。所以業(yè)界一直在探索新的增加單位面積晶體管密度的方法，先進(jìn)封裝技術(shù)是其中最有效的方法之一。

傳統(tǒng)封裝技術(shù)是為了從基板給上面的裸片提供電和信號(hào)，但是先進(jìn)封裝增加了新功能，可以在裸片之間互相傳遞信號(hào)和數(shù)據(jù)，這樣就可以利用先進(jìn)封裝技術(shù)，在一個(gè)封裝好的設(shè)備里去構(gòu)建完整的計(jì)算系統(tǒng)，它們可以各司其職，靠高密度互連將其連在一起，這就讓更大規(guī)模的裸片復(fù)合體成為可能。

宋繼強(qiáng)重點(diǎn)介紹了英特爾圍繞先進(jìn)封裝和晶圓制造技術(shù)的一些進(jìn)展和研究：

1.2.5D先進(jìn)封裝技術(shù)EMIB。該技術(shù)已經(jīng)被用于很多英特爾產(chǎn)品，它在平面上，通過(guò)嵌入式多芯片連接橋把不同的芯片連接起來(lái)，EMIB可以讓連起來(lái)的芯片之間連接凸點(diǎn)的間距降到50微米以下，將來(lái)還有機(jī)會(huì)降到45微米、30微米層面。

2. 3D封裝技術(shù)。借助Foveros 3D封裝技術(shù)，打開(kāi)了芯片中晶體管密度增長(zhǎng)的新空間，開(kāi)發(fā)者不再局限于良率限制下的二維面積內(nèi)做文章，而是可以在“垂直層面上搭高樓”，而每一層還可以再做二維層面的連接，目前3D封裝技術(shù)可以把凸點(diǎn)間距減小到10微米級(jí)別。

后面到了Foveros Direct階段，又會(huì)引入混合鍵合技術(shù)，混合鍵合在封裝兩枚裸芯片的銅觸點(diǎn)時(shí)不用焊料，直接通過(guò)混合鍵合技術(shù)把它們封在一起，這樣可以進(jìn)一步減少凸點(diǎn)間距，增加電流傳輸?shù)男Ч?/p>

3. 無(wú)機(jī)基板材料。宋繼強(qiáng)表示，材料科學(xué)在先進(jìn)封裝中的重要性凸顯。傳統(tǒng)封裝基板多數(shù)都用到有機(jī)材料，先進(jìn)封裝加工時(shí)的溫度很高，有機(jī)材料很難承受。英特爾的研究發(fā)現(xiàn)，要真正將先進(jìn)封裝和晶圓制造界限模糊掉，必須把封裝基板材料全部替換為無(wú)機(jī)材料，只有做到這一點(diǎn)，才能保證未來(lái)整個(gè)流程的糅合，從而減少晶圓制造到封裝環(huán)節(jié)的很多預(yù)處理工作。

4. 無(wú)機(jī)材料填充硅互連過(guò)孔。3D封裝必須要做硅過(guò)孔（TSV），硅過(guò)孔在電性能上有不少局限性需要解決，例如IR-drop（電壓降）和電流信號(hào)完整性。在探索無(wú)機(jī)材料基板的同時(shí)，英特爾也正在通過(guò)絕緣的介質(zhì)層做過(guò)孔，這種過(guò)孔可以更好地去提高電流信號(hào)的完整性，增加IR-drop層面的性能。

5. RibbonFET中的先進(jìn)2D材料。RibbonFET的實(shí)現(xiàn)，是在一個(gè)晶體管堆疊結(jié)構(gòu)里面同時(shí)讓金屬柵極環(huán)繞多個(gè)納米片，如果納米片由現(xiàn)在的硅材料構(gòu)成，它必須要保持一定厚度，才能減少短溝道效應(yīng)對(duì)器件開(kāi)關(guān)和漏電的影響，所以微縮就比較難。而采用更先進(jìn)的2D材料，厚度只有3個(gè)原子連起來(lái)那么厚，且電流通過(guò)效應(yīng)好，抗短溝道效應(yīng)能力強(qiáng)，在同樣尺寸下可以放進(jìn)更多溝道，因而可以實(shí)現(xiàn)更高的晶體管性能。

6. 硅基氮化鎵。通過(guò)在硅基半導(dǎo)體上疊加氮化鎵材料，英特爾做出了性能非常好的高功率或高頻率器件。高功率器件在40伏時(shí)達(dá)到現(xiàn)在已有器件20倍的品質(zhì)因數(shù)；在頻率方面，在16伏供電下也達(dá)到680G赫茲的高頻。因此，未來(lái)在電動(dòng)汽車高功率和5G、6G高頻應(yīng)用領(lǐng)域都會(huì)有非常高的價(jià)值。

系統(tǒng)級(jí)代工

與臺(tái)積電只專注于晶圓制造代工不同，作為史上最成功的半導(dǎo)體公司，除了是當(dāng)前先進(jìn)晶圓制造工藝競(jìng)賽僅存的三選手之一，英特爾還具備實(shí)現(xiàn)一個(gè)電子產(chǎn)品的“全?！蹦芰?，從封裝、測(cè)試、板級(jí)開(kāi)發(fā)、底層軟件到應(yīng)用軟件，英特爾無(wú)一不能。所謂系統(tǒng)級(jí)代工，英特爾的解釋是綜合各方面能力，包括傳統(tǒng)代工的晶圓制造和封裝測(cè)試能力，以及新開(kāi)放的芯粒和軟件能力，可以為客戶提供一整套的服務(wù)解決方案。

筆者的理解，這是一個(gè)從概念定義到終端產(chǎn)品原型機(jī)的一攬子代工計(jì)劃，舉個(gè)例子，如果聯(lián)想這樣的終端廠商有一個(gè)新產(chǎn)品要開(kāi)發(fā)，把規(guī)格參數(shù)和市場(chǎng)需求告訴英特爾，英特爾就可以幫聯(lián)想實(shí)現(xiàn)從芯片到整機(jī)原型的“全?！遍_(kāi)發(fā)。對(duì)于終端廠商而言，可以從芯片級(jí)別定義自己的產(chǎn)品，又有經(jīng)驗(yàn)豐富的“老師傅”幫忙完成從板級(jí)到原型機(jī)的開(kāi)發(fā)服務(wù)，簡(jiǎn)直可以躺著賺錢了——前提是你對(duì)渠道和市場(chǎng)需求有極強(qiáng)的把控能力。

當(dāng)然，從實(shí)際可操作的角度來(lái)說(shuō)，英特爾的代工客戶也可以在這一整套代工服務(wù)解決方案中只選擇適合自己的環(huán)節(jié)，例如芯片設(shè)計(jì)公司可以把晶圓制造和封測(cè)部分委托給英特爾，終端公司可請(qǐng)英特爾代為開(kāi)發(fā)一顆完整的芯片，品牌公司可以委托英特爾從頭開(kāi)發(fā)一款原型機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)真正的“交鑰匙”方案。

能否真正做到“水利萬(wàn)物而不爭(zhēng)”？

不管是四年五個(gè)節(jié)點(diǎn)，還是系統(tǒng)級(jí)代工，英特爾想奪回晶圓制造優(yōu)勢(shì)的努力有目共睹。但在晶圓制造上能否戰(zhàn)勝臺(tái)積電，還要看三個(gè)方面：卷的程度、客戶基數(shù)和服務(wù)至上態(tài)度。

首先是拼“爆肝”。沒(méi)有人懷疑英特爾的技術(shù)實(shí)力，不過(guò)在先進(jìn)晶圓制造這個(gè)極度講求效率與協(xié)作的領(lǐng)域，似乎亞洲人的優(yōu)勢(shì)更容易發(fā)揮。當(dāng)然從全球化角度來(lái)看，美國(guó)公司也極其講究效率和努力，英特爾早就有多地研發(fā)布局，通過(guò)多地協(xié)作實(shí)現(xiàn)類似臺(tái)積電“夜鶯計(jì)劃”的連續(xù)研發(fā)效果應(yīng)該不難。

但不管是四年拼五個(gè)節(jié)點(diǎn)，還是要提供系統(tǒng)級(jí)代工，這些進(jìn)度或服務(wù)都需要有足夠多的人才來(lái)推動(dòng)。能否組織起類似臺(tái)積電或者三星的“爆肝部隊(duì)”，是對(duì)英特爾的第一個(gè)考驗(yàn)，隨著臺(tái)積電赴美建廠，或許可以為英特爾提供不少可資使用的人才。

其次是看客戶基數(shù)。從“真漢子應(yīng)該自建晶圓廠”，到絕大多數(shù)的數(shù)字邏輯芯片廠商先后放棄IDM模式，這其中轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵就在于投入產(chǎn)出比的權(quán)衡。在所面向的目標(biāo)市場(chǎng)規(guī)模不夠大的時(shí)候，隨著晶圓制造工藝開(kāi)發(fā)與建設(shè)成本日益高漲，廠商投資晶圓制造能收回成本的可能性大幅下降，而晶圓代工由于客戶基數(shù)不斷擴(kuò)大，能分?jǐn)偖a(chǎn)線建設(shè)成本的“人頭”持續(xù)增加，因而收回一代節(jié)點(diǎn)投資的基本盤就不斷擴(kuò)大，而代工模式讓部分成熟節(jié)點(diǎn)仍可以發(fā)揮余熱，綜合來(lái)看在投資回報(bào)比上就更勝過(guò)一般數(shù)字邏輯IDM廠商，哪怕像英特這樣的領(lǐng)先廠商，單獨(dú)由自己來(lái)消化晶圓制造工藝成本也逐漸變得越來(lái)越困難，因而通過(guò)代工來(lái)擴(kuò)大產(chǎn)線客戶基數(shù)，加速收回產(chǎn)能建設(shè)的資本支出是必然選擇。

但英特爾過(guò)去在晶圓代工業(yè)務(wù)上有反復(fù)，因而如何讓大客戶相信英特爾這次只真正要把代工業(yè)務(wù)做好做長(zhǎng)久，持續(xù)擴(kuò)大客戶基數(shù)，是一個(gè)關(guān)鍵。

第三，服務(wù)至上的態(tài)度。IDM中的晶圓制造只為自家服務(wù)，遇到什么問(wèn)題容易協(xié)調(diào)，也不會(huì)遭遇產(chǎn)能分配引發(fā)的爭(zhēng)執(zhí)，但晶圓代工則需要面對(duì)不同的客戶，對(duì)規(guī)模接近的客戶需要一視同仁，又要根據(jù)市場(chǎng)動(dòng)態(tài)及時(shí)調(diào)整產(chǎn)能分配，對(duì)大客戶而言，制造技術(shù)先進(jìn)固然重要，但服務(wù)有質(zhì)量，產(chǎn)能有保證，安全有底線，也必不可少。如果能事事從服務(wù)好代工客戶的角度出發(fā)做決策，那么英特爾晶圓代工也許就不是像之前一樣只是一個(gè)有象征意義的業(yè)務(wù)。

從無(wú)晶圓模式，到開(kāi)源運(yùn)動(dòng)，信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)主導(dǎo)趨勢(shì)就是利益共享、共同繁榮，每一個(gè)產(chǎn)業(yè)小生態(tài)中，主導(dǎo)廠商越是肯讓利，生態(tài)就越容易做起來(lái)。從IDM大行其道，到無(wú)晶圓模式為主，半導(dǎo)體的制造與設(shè)計(jì)的分工，不僅降低了芯片開(kāi)發(fā)的門檻，關(guān)鍵在于參與其中的芯片設(shè)計(jì)企業(yè)在無(wú)晶圓模式繁榮起來(lái)的過(guò)程中大為受益，而為芯片設(shè)計(jì)企業(yè)搭建舞臺(tái)的臺(tái)積電在初期雖然獲利不多，但是多年下來(lái)，當(dāng)其逐漸成為晶圓代工霸主的時(shí)候，最終卻是受益最多。

當(dāng)然，一個(gè)過(guò)于強(qiáng)大的臺(tái)積電，對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)來(lái)說(shuō)不一定是好事，美國(guó)敦促臺(tái)積電赴美建廠，顯然是察覺(jué)到了這種風(fēng)險(xiǎn)，如果英特爾在晶圓制造代工上能“支棱”起來(lái)，讓美國(guó)的設(shè)計(jì)公司降低對(duì)臺(tái)積電的依賴，顯然是美國(guó)政府愿意看到的。

對(duì)芯片設(shè)計(jì)企業(yè)，如果英特爾可以提供媲美臺(tái)積電的晶圓代工解決方案，總比只有一個(gè)臺(tái)積電選擇要好很多。對(duì)英特爾來(lái)說(shuō)，如果真能以“水利萬(wàn)物而不爭(zhēng)”的態(tài)度去構(gòu)建新型代工生態(tài)，真正讓利于合作伙伴，那么闖出一條不同于臺(tái)積電的晶圓代工模式，乃至在晶圓制程上超越臺(tái)積電重新引領(lǐng)半導(dǎo)體制造工藝路線，都是有可能的。