芯耀
2995
四年五個節(jié)點，到2025年重新奪回在晶圓制造上的領先優(yōu)勢。在2023年英特爾中國戰(zhàn)略媒體溝通會上，英特爾中國區(qū)董事長王銳和英特爾中國研究院院長宋繼強在演講中，都重點提到了這一目標。
從四年一個節(jié)點到四年五個節(jié)點
在14納米這個“超長待機”節(jié)點之前，英特爾一直領跑晶圓制造工藝。作為當時半導體產業(yè)的“一哥”，英特爾在工藝和架構上均傲視群雄，尤其在FinFET工藝之前，相同節(jié)點工藝往往領先晶圓代工廠四五年，可以說在視野范圍內，拿著放大鏡都找不到挑戰(zhàn)者。
有十余年時間，英特爾根據(jù)“鐘擺策略”往前走，兩年升級一代制造工藝，穩(wěn)穩(wěn)地沿著摩爾定律指引的方向推進工藝換代。即使在平面工藝遭遇瓶頸后，英特爾也第一個將FinFET技術工程化，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先優(yōu)勢。
但鐘擺策略在14納米節(jié)點上失效了。在2014年實現(xiàn)14納米工藝量產之后，直到到2018年，英特爾最先進工藝還停留在14納米，只不過進行了一些小版本的優(yōu)化升級，而在這期間，臺積電和三星則基本按照兩年一代工藝升級的節(jié)奏向前走。這種穩(wěn)定升級的節(jié)奏，讓這兩家逐漸把工藝差距追了上來，并最終反超。
作為純代工廠商的臺積電，只能靠制造工藝來賺錢，因而對于工藝升級換代的緊迫感就更強。為了趕超英特爾，臺積電于2014年祭出“夜鶯計劃”，讓先進工藝研發(fā)人員像產線工人一樣實行輪班制，有人上白班，有人上夜班，通過分組輪班安排，以實現(xiàn)24小時不間斷研發(fā)。用臺積電工程師的原話來講，這一計劃極其“爆肝”，臺積電的下一代芯片都是“用肝做的”。
（圖源：ICKnowledge）
不過從后來的結果看，臺積電靠“爆肝”越過了三星和英特爾，成為行業(yè)里晶圓制造技術的領先者。
臺積電兩年一代工藝升級都要靠“爆肝”，那么英特爾四年搞五個節(jié)點，豈不是要把“爆肝賽”提升到一個新高度？
（圖源：ICKnowledge）
英特爾升級爆肝賽？
四年五個節(jié)點肯定對工藝研發(fā)和產線建設節(jié)奏有極高的要求，但應該也不會比臺積電“夜鶯計劃”節(jié)奏還要夸張，畢竟從研發(fā)角度看，最多英特爾像臺積電一樣，通過不同時區(qū)研發(fā)人員的密切合作，可實現(xiàn)24小時不間斷研發(fā)，畢竟英特爾再厲害，也不可能去給工程師變出比“24小時”更多的時間。
從英特爾展示的工藝路線圖來看，Intel 7已經實現(xiàn)大規(guī)模量產，現(xiàn)在非常成熟，而Intel 4則進入試量產階段，2023下半年將實現(xiàn)量產。其余3個節(jié)點，則發(fā)展進度不一，Intel 3可能處在試量產準備階段，進度正在穩(wěn)步推進，而Intel 20A和Intel 18A則均已經實現(xiàn)測試芯片的流片。
即便將Intel 7和Intel 4視作已成熟工藝，四年推進其余3個節(jié)點進入量產，面臨的挑戰(zhàn)也極其艱巨，那么英特爾打算怎么做呢？
埃米時代工藝路線
對于英特爾如何延續(xù)摩爾定律、重新奪回工藝優(yōu)勢，宋繼強做了詳細解讀。他表示，在Intel 7的時候，英特爾還是使用DUV光刻機，從Intel 4開始使用EUV，Intel 3將全面使用EUV。
到了Intel 20A，就又有需要進行技術突破。Intel 20A的技術主要依靠如下幾個技術路徑：
1.在光刻機方面，Intel 4和Intel 3采用的是0.33數(shù)值孔徑的EUV光刻機，到Intel 20A，英特爾將采用高數(shù)值孔徑EUV光刻機，例如數(shù)值孔徑達到0.55的EUV光刻機。采用高數(shù)值孔徑的EUV光刻機，由于分辨率提高，英特爾產線將可以刻畫更細的特征尺寸，因而可以減少工藝流程的復雜度，降低缺陷，制造更高性能的晶體管。
2. 在晶體管結構層面，在Intel 20A會應用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現(xiàn)。英特爾在里面采用納米片結構，在一個很小尺寸的晶體管堆疊里做進去很多通道，同時在相同的驅動電流下讓這些通道更快速地開關，所以晶體管性能得到大幅度提升。
3. 改變供電結構。在Intel 20A，英特爾還首次在晶體管結構里采用了背部供電結構，這樣的結構可以把邏輯層和供電層分開，從而降低繞線復雜度，背部供電幫英特爾在繞線方面節(jié)約大量成本。
宋繼強表示，有這三個新技術的加持，Intel 20A時肯定可以實現(xiàn)很好的晶體管性能，英特爾也將進入“埃米時代”，英特爾工藝的晶體管性能可以和業(yè)界領先水平持平。他說：“在Intel 18A時，英特爾會基于這些新技術繼續(xù)進一步提高晶體管性能，所以在2025年，我們相信在Intel 18A的時代，英特爾能重新拿回制程、晶體管制造方面的領先地位?！?/p>
先進封裝和材料技術
在晶圓制程進入埃米時代后，晶體管微縮難度越來越大，雖然英特爾有既定的技術路線圖，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，先進封裝技術是其中最有效的方法之一。
傳統(tǒng)封裝技術是為了從基板給上面的裸片提供電和信號，但是先進封裝增加了新功能，可以在裸片之間互相傳遞信號和數(shù)據(jù)，這樣就可以利用先進封裝技術，在一個封裝好的設備里去構建完整的計算系統(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)模的裸片復合體成為可能。
宋繼強重點介紹了英特爾圍繞先進封裝和晶圓制造技術的一些進展和研究：
1.2.5D先進封裝技術EMIB。該技術已經被用于很多英特爾產品，它在平面上，通過嵌入式多芯片連接橋把不同的芯片連接起來，EMIB可以讓連起來的芯片之間連接凸點的間距降到50微米以下，將來還有機會降到45微米、30微米層面。
2. 3D封裝技術。借助Foveros 3D封裝技術，打開了芯片中晶體管密度增長的新空間，開發(fā)者不再局限于良率限制下的二維面積內做文章，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封裝技術可以把凸點間距減小到10微米級別。
后面到了Foveros Direct階段，又會引入混合鍵合技術，混合鍵合在封裝兩枚裸芯片的銅觸點時不用焊料，直接通過混合鍵合技術把它們封在一起，這樣可以進一步減少凸點間距，增加電流傳輸?shù)男Ч?/p>
3. 無機基板材料。宋繼強表示，材料科學在先進封裝中的重要性凸顯。傳統(tǒng)封裝基板多數(shù)都用到有機材料，先進封裝加工時的溫度很高，有機材料很難承受。英特爾的研究發(fā)現(xiàn)，要真正將先進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機材料，只有做到這一點，才能保證未來整個流程的糅合，從而減少晶圓制造到封裝環(huán)節(jié)的很多預處理工作。
4. 無機材料填充硅互連過孔。3D封裝必須要做硅過孔（TSV），硅過孔在電性能上有不少局限性需要解決，例如IR-drop（電壓降）和電流信號完整性。在探索無機材料基板的同時，英特爾也正在通過絕緣的介質層做過孔，這種過孔可以更好地去提高電流信號的完整性，增加IR-drop層面的性能。
5. RibbonFET中的先進2D材料。RibbonFET的實現(xiàn)，是在一個晶體管堆疊結構里面同時讓金屬柵極環(huán)繞多個納米片，如果納米片由現(xiàn)在的硅材料構成，它必須要保持一定厚度，才能減少短溝道效應對器件開關和漏電的影響，所以微縮就比較難。而采用更先進的2D材料，厚度只有3個原子連起來那么厚，且電流通過效應好，抗短溝道效應能力強，在同樣尺寸下可以放進更多溝道，因而可以實現(xiàn)更高的晶體管性能。
6. 硅基氮化鎵。通過在硅基半導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伏時達到現(xiàn)在已有器件20倍的品質因數(shù)；在頻率方面，在16伏供電下也達到680G赫茲的高頻。因此，未來在電動汽車高功率和5G、6G高頻應用領域都會有非常高的價值。
系統(tǒng)級代工
與臺積電只專注于晶圓制造代工不同，作為史上最成功的半導體公司，除了是當前先進晶圓制造工藝競賽僅存的三選手之一，英特爾還具備實現(xiàn)一個電子產品的“全?！蹦芰?，從封裝、測試、板級開發(fā)、底層軟件到應用軟件，英特爾無一不能。所謂系統(tǒng)級代工，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試能力，以及新開放的芯粒和軟件能力，可以為客戶提供一整套的服務解決方案。
筆者的理解，這是一個從概念定義到終端產品原型機的一攬子代工計劃，舉個例子，如果聯(lián)想這樣的終端廠商有一個新產品要開發(fā)，把規(guī)格參數(shù)和市場需求告訴英特爾，英特爾就可以幫聯(lián)想實現(xiàn)從芯片到整機原型的“全?！遍_發(fā)。對于終端廠商而言，可以從芯片級別定義自己的產品，又有經驗豐富的“老師傅”幫忙完成從板級到原型機的開發(fā)服務，簡直可以躺著賺錢了——前提是你對渠道和市場需求有極強的把控能力。
當然，從實際可操作的角度來說，英特爾的代工客戶也可以在這一整套代工服務解決方案中只選擇適合自己的環(huán)節(jié)，例如芯片設計公司可以把晶圓制造和封測部分委托給英特爾，終端公司可請英特爾代為開發(fā)一顆完整的芯片，品牌公司可以委托英特爾從頭開發(fā)一款原型機，從而實現(xiàn)真正的“交鑰匙”方案。
能否真正做到“水利萬物而不爭”？
不管是四年五個節(jié)點，還是系統(tǒng)級代工，英特爾想奪回晶圓制造優(yōu)勢的努力有目共睹。但在晶圓制造上能否戰(zhàn)勝臺積電，還要看三個方面：卷的程度、客戶基數(shù)和服務至上態(tài)度。
首先是拼“爆肝”。沒有人懷疑英特爾的技術實力，不過在先進晶圓制造這個極度講求效率與協(xié)作的領域，似乎亞洲人的優(yōu)勢更容易發(fā)揮。當然從全球化角度來看，美國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，通過多地協(xié)作實現(xiàn)類似臺積電“夜鶯計劃”的連續(xù)研發(fā)效果應該不難。
但不管是四年拼五個節(jié)點，還是要提供系統(tǒng)級代工，這些進度或服務都需要有足夠多的人才來推動。能否組織起類似臺積電或者三星的“爆肝部隊”，是對英特爾的第一個考驗，隨著臺積電赴美建廠，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，這其中轉變的關鍵就在于投入產出比的權衡。在所面向的目標市場規(guī)模不夠大的時候，隨著晶圓制造工藝開發(fā)與建設成本日益高漲，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)不斷擴大，能分攤產線建設成本的“人頭”持續(xù)增加，因而收回一代節(jié)點投資的基本盤就不斷擴大，而代工模式讓部分成熟節(jié)點仍可以發(fā)揮余熱，綜合來看在投資回報比上就更勝過一般數(shù)字邏輯IDM廠商，哪怕像英特這樣的領先廠商，單獨由自己來消化晶圓制造工藝成本也逐漸變得越來越困難，因而通過代工來擴大產線客戶基數(shù)，加速收回產能建設的資本支出是必然選擇。
但英特爾過去在晶圓代工業(yè)務上有反復，因而如何讓大客戶相信英特爾這次只真正要把代工業(yè)務做好做長久，持續(xù)擴大客戶基數(shù)，是一個關鍵。
第三，服務至上的態(tài)度。IDM中的晶圓制造只為自家服務，遇到什么問題容易協(xié)調，也不會遭遇產能分配引發(fā)的爭執(zhí)，但晶圓代工則需要面對不同的客戶，對規(guī)模接近的客戶需要一視同仁，又要根據(jù)市場動態(tài)及時調整產能分配，對大客戶而言，制造技術先進固然重要，但服務有質量，產能有保證，安全有底線，也必不可少。如果能事事從服務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有象征意義的業(yè)務。
從無晶圓模式，到開源運動，信息技術產業(yè)發(fā)展的一個主導趨勢就是利益共享、共同繁榮，每一個產業(yè)小生態(tài)中，主導廠商越是肯讓利，生態(tài)就越容易做起來。從IDM大行其道，到無晶圓模式為主，半導體的制造與設計的分工，不僅降低了芯片開發(fā)的門檻，關鍵在于參與其中的芯片設計企業(yè)在無晶圓模式繁榮起來的過程中大為受益，而為芯片設計企業(yè)搭建舞臺的臺積電在初期雖然獲利不多，但是多年下來，當其逐漸成為晶圓代工霸主的時候，最終卻是受益最多。
當然，一個過于強大的臺積電，對產業(yè)鏈生態(tài)來說不一定是好事，美國敦促臺積電赴美建廠，顯然是察覺到了這種風險，如果英特爾在晶圓制造代工上能“支棱”起來，讓美國的設計公司降低對臺積電的依賴，顯然是美國政府愿意看到的。
對芯片設計企業(yè)，如果英特爾可以提供媲美臺積電的晶圓代工解決方案，總比只有一個臺積電選擇要好很多。對英特爾來說，如果真能以“水利萬物而不爭”的態(tài)度去構建新型代工生態(tài)，真正讓利于合作伙伴，那么闖出一條不同于臺積電的晶圓代工模式，乃至在晶圓制程上超越臺積電重新引領半導體制造工藝路線，都是有可能的。
