“难产”的英特尔和落败的芯片制程战争

财经无忌

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· 8月1日

旧时代终结,新王诞生。

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“难产”的英特尔和落败的芯片制程战争

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图片来源@视觉中国

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文丨财经无忌,作者丨月落乌堤

7月24日,英特尔(Intel)发布Q2财报,与营业额及净利润均同比超20%的漂亮相比,7nm制程工艺的一再跳票和推迟,则显得格格不入。

由于7nm制程工艺中仍存在“缺陷”,导致了英特尔生产进度落后于其内部产品路线图一年时间。此前英特尔原计划采用7nm制程的芯片将在2021年底上市,现在看来,这一进度将至少会推迟到2022年的年中。

英特尔7nm制程再一次放了市场的“大鸽子”。

两天后,《华尔街日报》报道,英特尔考虑将其部分制造业务外包,使用其他企业的生产力,不必所有程序都亲历亲为。

本周一上午,中国台湾《工商时报》称,英特尔已与台积电达成协议,明年将开始采用台积电6nm制程量产18万片处理器或绘图芯片。受这一消息影响,台积电股票在开盘后迅速拉升,到当地时间10点33分,已经上涨超过9%。

台积电一向不评论单一客户接单及业务发展,英特尔亦表示不评论该市场传言。但是,这并不能阻碍市场的热情。

一路“奔腾”的江湖地位

1993年3月22日,英特尔正式对外发布了奔腾(Pentium)处理器,这是英特尔在品牌和命名上的第一次突破。这打破了此前英特尔发布的四代微处理器均以纯数字如386/486命名的方式,开始真正地建立起属于英特尔的芯片王朝,也是从这一年开始,英特尔成为全球最大的半导体公司,并持续近数十年。

从市值上看,英特尔只被三星短暂地超越过,就很快又重新回到了全球第一的宝座。虽然在今天,英特尔已经被台积电完全超越,在这场处理器制程的战争中,英特尔事实上已经被台积电斩于马下。但在过去几十年中的大部分时间内,英特尔一直是全球最大的芯片制造商。

内部代号为P5的第一代奔腾(第五代x86)微处理器,采用了管线化(Pipe-Lined)的循序(In-Order)超纯量(Superscalar)技术,并以0.8um制程制造;接着推出的是P54,是把P5缩小到0.6um制程;P54之后接著是P54C,使用0.35um制程,这一制程工艺,是全球第一款采用纯粹的CMOS (互补式金属氧化物半导体)技术的微处理器,相对于之前两代奔腾处理器使用的Bipolar CMOS(双极性晶体管和互补式金属氧化物半导体)制程,P54C的集成程度更高、面积更小、晶体管数量更多,而且主频更高,意味着其性能更为强大。
初代奔腾系列微处理器

初代奔腾系列微处理器

在P54C上,英特尔规划了笔记本专用版,至此,英特尔初步在“奔腾”上,完成了台式机及笔记本的全面覆盖布局,在90年代初期,依靠这一战略规划,一举奠定了英特尔的江湖地位。

那么,为什么采用0.8um制程、CMOS技术的P5内核,衍生的处理器成为当时最为优异的微处理器呢,并为英特尔的江山立下汗马功劳,这我们就要回到“摩尔定律(Moore’s Law)”下的制程之争。

制程战争推上桌面

半导体产业是诞生于美国的原创性技术,以IBM在1958年12月推出并量产的全晶体管式 RCA 501 微型计算机为代表,美国独家掌握全球最领先的半导体工艺与知识产权长达六十年之久,产业链上下游都遵循 IBM(及其盟友)的研发节奏,推出新制程、新工艺的半导体产品,如微处理器等。

1965年4月19日,仙童半导体创始人之一、工程师摩尔在《电子学》杂志(Electronics Magazine)发表了题为《让集成电路填满更多的组件》的论文,在文中,摩尔预测:半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量将每年增加一倍。

1968年7月16日,摩尔从仙童半导体辞职,以集成电子 (Integrated Electronics)之名,创建英特尔。三年后,推出了第一款名为i4004的产品,这颗处理器的问世,成为了推动“摩尔定律”前进的开端,即便他仅仅集成了2250个晶体管,采用的是4位、10um制程、每秒仅可处理92000条指令。虽然其频率只有108kHz,但是i4004的出现,代表了英特尔在产品技术上践行创始人摩尔对技术的认识的步伐。

另一方面,英特尔在i4004的设计上,将集成电路划分为RAM、ROM和CPU。i4004微处理器成为了全球第一颗真正意义的CPU,也就是说,他能用于通用计算机。同时,以RAM/ROM为代表的储存器芯片,也成为了英特尔的另一块重要业务,英特尔将半导体产业,分成了储存器与处理器。

另一个半导体巨头TI(Texas Instruments,德州仪器)在1970年3月推出了第一个单芯片上完整的4位 ALU(算术逻辑单元) —— SN74181集成电路,这是TI在芯片上制造计算机的第一步。1971年7月,TI推出 TMS-0100微控制器,这是世界上第一个MCU(单芯片微控制器)。这种芯片确实是一种“芯片上的计算机”,因为它在一块硅上包含了计算机的所有功能。

不过,他们接下来的项目,和英特尔一样,走向了微处理器的研发。在i4004样品面世的三个月后,TI也推出了一款叫TMX 1795的微处理器,这是全球第一款8位的处理器,当他们将样品交到客户CTC(后改名为Datapoint)手上,以满足他们需要针对设想的产品——可编程桌面终端来开发的8位 MOS 芯片,最终,TMX 1795被拒绝,TI随后放弃了这颗微处理器,也就是说,TMX 1795从来没有进行过商业销售,TI眼睁睁的将一个引领世界的机会,拱手让给了英特尔。

同年11月,创造历史的i4004正式销售,半年后,英特尔的第一颗8位微处理器i8008推出,不过,i8008还是10um,但是集成的晶体管上升到了3500个,最高频率提升到800kHz。

1975年12月,摩尔在IEEE国际电子组件大会上,根据当时的实际情况对摩尔定律进行了修正,把“每年增加一倍”改为“每两年增加一倍”,后来,摩尔定律更为让人熟知的,是“每十八个月增加一倍”的说法。但1997年9月,摩尔在接受一次采访时表示,他从来没有说过“每18个月增加一倍”,而且SEMATECH路线图跟随24个月的周期。

也就是说,摩尔定律的定义归纳起来,主要有以下三各方面:

一、集成电路上可容纳的晶体管数目,约每隔18个月便增加一倍;

二、微处理器的性能每隔18个月提高一倍,或价格下降一半;

三、相同价格所买的电脑,性能每隔18个月增加一倍。

由于晶体管的排列摆放可以近似于放在正方形之上,要使这个正方形面积缩小一半,晶体管的集成密度要成倍增长,就一定需要考虑到晶体管尺寸和面积的关系,而密度和面积是呈倒数的,晶体管尺寸变为1/sqrt(2)=1/1.414(根号二分之一),这样计算面积平方相乘正好就是二分之一的面积,而根号二分之一≈0.7,≈0.7便成了“摩尔定律”中的一个比较神奇的数字。根据摩尔定律,制程节点将以≈0.7倍递减逼近物理极限,从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,一直发展到未来的5nm、3nm都是如此。在正常演进节点中间,还出现一些最为常用的半节点制程,如28nm、20nm、14nm。

事实上从0.13um制程演进到90nm制程节点出现了一些针对制程节点定义的争议。在此之前特征尺寸基本上对应制程进展的物理长度,自65nm开始各厂商节点名称的定义越来越模糊,已不能完全对应器件的物理尺寸。

我们可以这么理解:摩尔定律的核心,是处理器的制程、集成度和价格。

i8008发布后两年,i8080发布,这颗采用6um制程的微处理器,和上代相比,进步了约10um的0.7倍。

之后的i8085、i80186、i80286、i80386,基本上都遵循了这个定律。

奔腾的出现,将制程战争,真正的推到了桌面,而他最初的竞争对手,除了TI和IBM外,便是1987年成立的台积电。可以说,台积电与英特尔制程之战,从台积电的成立,就已经开始,这是IDM厂商与晶圆代工厂两种形态的竞争。

“碾压”中成长的台积电与“群山计划”

1987年,《美日半导体协定》生效一年,美国对日本电子产品如电脑征收100%关税,美日贸易战打到顶峰。为承接美国主导下的半导体产业分工转移,台积电在中国台湾工研院的投资下成立,除中国台湾工研院之外,各大半导体巨头中,只有飞利浦(Philips)一家向台积电投资。

之后,借助中国台湾工研院投资1000万美元的“RCA计划(美国无线电公司(RCA)技术移转授权计划)”引入的技术、飞利浦的资金与台积电创始人张忠谋的个人资源,台积电用了一年的时间,从美国、日本及欧洲,买来了设备,搭建了产线。

飞利浦的半导体部门,自然而然成为了台积电最先的客户。

后来,飞利浦半导体部门剥离出来,独立成了两家巨头,一家就是专供光刻机设备的ASML,另一家就是NXP (NXP Semiconductors,恩智浦)。

但飞利浦的订单,怎么能满足台积电的产能呢?虽然“晶圆代工厂”模式在当时的日本和美国都有公司在做,但是这些公司并没有专门只做代工,而是将代工作为业务板块之一,并没有特别重视。包括台积电一直的代工竞争对手联电,也是在1995年前后才转型为“晶圆代工厂”。

转机,来自于美国当时“扶台抑日”的政策,在半导体产业上游的设计、设备、原料无法与日本、美国竞争的情况下,台积电选择了半导体产业链末端的制造。而美国所给予的支持,初期主要便是由英特尔提供,只不过英特尔没有想到的是,自己在30年后,会被台积电在制程上超越。

产线建立后的台积电,制程只有3um和 2.5um两种生产工艺,全年产能不到 7000 片、6吋晶圆,良率也不高,基本接不到大公司的晶圆订单,整个台积电在以亏损的状态运行。

1988年,年轻的格鲁夫接替摩尔成为了英特尔的CEO,张忠谋凭借与格鲁夫的私交,将格鲁夫邀请到了台积电,想让英特尔救救亏损中的台积电。

此时的英特尔,正在进行断臂求生的自救。在东芝(Toshiba)、尼康(Nikon)、日立(HITACHI)等日本半导体公司的竞争下,格鲁夫对英特尔进行了大手术,砍掉了储存器业务,向电脑处理器(CPU)业务转型,集中力量“要做地表最强CPU”。

格鲁夫在参观完台积电工厂后,发现台积电的制程工艺比当时英特尔的落后两代半,但格鲁夫最终还是决定将一部分落后制程的生产任务给了台积电,前提是要通过英特尔的认证。

格鲁夫是个真正的朋友,英特尔是个严格的师傅,他们给台积电制定了魔鬼检测。在当时半导体制程工艺还仅有二百多道环节的情况下,格鲁夫要求英特尔的工程师们至少要在台积电的产线上,找出二百个问题。对于这种命令,英特尔的工程师们对每道工序要带着“放大镜”一个细节一个细节的去抠,而台积电的工程师们,则面临着前一个问题刚刚解决,下一个问题接踵而至。

最终,台积电通过了英特尔的生产认证,这使得台积电终于获得了主流厂商的认可。不过,此后的十余年中,台积电依旧是在英特尔主导的技术进程下生存。

1990年,台积电突破6吋、1um制程,而英特尔的0.8um,在1985年的i80386上已经量产。

1993年,对于台积电来说,是个制程急剧进步的一年,这一年,在英特尔的帮助下,台积电实现了0.8um制程的量产,并逐步解决了0.6um的一些问题,突破了0.6um的重要技术,依附于英特尔技术支持的台积电,不仅通过了英特尔关于ISO 9001的质量体系认证,依靠张忠谋的资源,获得了TI的订单。

1991年成立的博通(Broadcom)和1993年成立的英伟达(NVIDIA),成为了第一代无厂半导体公司的代表,他们借助台积电的工厂,开始生产不同于英特尔CPU的产品,并迅速成长为行业巨头。1994年,台积电获得了刚刚在美股上市的ST(ST Microelectronics,意法半导体)的订单,也是从这个时候开始,台积电真正的成为无厂半导体公司们的“虚拟工厂”。

这一时期,无论是台积电,还是三星,其发展的制程工艺技术,都是委身和依附于以IBM/英特尔为代表的美国公司之下,他们一方面要依靠美国公司的技术支持,另一方面,在半导体产业合并浪潮和2000年互联网泡沫之前,半导体公司大多还在坚持IDM模式来进行发展,台积电的制程,一定程度上会落后于IBM/英特尔,毕竟最新的技术,肯定是要自己优先使用。

1995年11月1日,奔腾Pro发布,与奔腾Pro前后发布的Windows95,与之构建了Win-Tel软硬件联盟,成为了个人电脑时代,最为强大的壁垒。

1997年1月8日,奔腾MMX发布,这颗处理器,成为了奔腾I的绝唱,也是英特尔新制程的试验品,他同时采用了0.6um与0.35um制程,最高频率也飙升到了200MHz,集成的晶体管数量,达到了450万个。

1997年5月7日,英特尔推出基于全新核心架构“Klamath”的奔腾II,奔腾II的发布,延续了英特尔在制程上的持续领先,全系0.35um制程,并开始导入0.23um制程。

1998年是英特尔全面开花的一年。

首先,英特尔在1月19日发布了基于“Deschutes”核心架构的奔腾II,启用新系列命名,是为了完全的与上一年采用0.35um制程的“Klamath”区分开来,这一系列,全部采用0.25um制程,在131mm²的面积上,集成了750万个晶体管。

其次,在6月29日,英特尔推出了全新的至强(Xeon)品牌,以替代之前的奔腾Pro,其目的是用于服务站,至强的推出,是英特尔进入专业服务器处理器的前奏,在之后的日子里,至强进过数代的迭代,成为了使用最为广泛的服务器处理器。直到今天,在全球主要的超级计算机中,除了中国的之外,几乎都采用了至强的处理器。

8月15日,英特尔推出全新的、面向低端用户的处理器品牌赛扬(Celeron),至此,英特尔围绕处理器,搭建了覆盖低端市场、中高端市场、服务器市场的产品布局,借助这一布局,英特尔进一步扩大了自己的优势。

随着Windows 98的发布,Win-Tel联盟的优势进一步扩大,而英特尔在制程上对台积电的优势,随着个人电脑的普及,形成了全面的碾压。

受到碾压的,除了台积电,还有台积电的兄弟们,比如英伟达。在这一年的3月,英伟达与台积电达成全面战略合作协议,英伟达将所有的图形加速显示适配器交给台积电生产,这一局面,直到2003年英伟达以IBM签订长期代工合约,才被打破。

这一年,台积电终于实现了0.25um的量产,并将之用到英伟达推出的全新显卡RIVA TNT上。

为了扩大对晶圆代工厂的优势,和缩小与IDM(尤其是与IBM及英特尔)的差距,台积电在1998年开始实施酝酿了长达五年时间、名为“群山计划”的战略:

台积电给5家使用先进制程的IDM厂商制定专属的技术支撑计划,来适应每家企业不同需求。

这一战略实施的本质就是“先做技术服务、辅助技术升级、更新设备产能,然后获取订单”。这五家IDM厂商包含了TI、ST、摩托罗拉、NXP等,都是当时并延续到现在的半导体巨头公司。台积电通过与他们的合作,打磨技术、降低成本、提高良率,让自己成为IDM厂商的备用生产车间。而对于无厂半导体公司来说,台积电本身就是他们的“虚拟工厂”。

这一战略从1998年开始实施后,成为了后期台积电独立体系的基础。

1999年2月26日,英特尔发布奔腾III系列处理器,在最初的四款产品中,英特尔保守的选择了0.25um制程。从奔腾III 500E开始,英特尔导入了0.18um制程。

同一时期,台积电量产0.18um,这一制程最先用在了英伟达8月推出的GeForce 256,这是全球第一款真正意义上的GPU(Graphics Processing Unit,图形处理器)。

0.18um制程的量产,是台积电第一次与IDM厂商在制程数字上实现同步,不过其产能和良品率一直受到影响。而且,其技术仍旧是来自于IBM/英特尔主导的技术联盟,从一定程度上来说,现阶段的台积电依旧是作为IDM厂商技术的延伸,还不足以成为自身“制程之战”的武器。

不过,这一情况很快会被改变,因为,台积电打造的武器,正在形成。

英特尔不疾不徐,台积电加速

1997年,IBM率先切入0.13um制程的研发,随后,英特尔、TI也选择进入新制程的竞争中去,如何在新制程的研发中获得先机,成为了摆在台积电面前最大的挑战。

此时,被半导体业昵称“蒋爸”的蒋尚义入职台积电,这位半导体技术大牛,成为了台积电0.13um突破的最重要的领导者。

1998年时,张忠谋表示:“摩尔定律在过去30年相当有效,未来10到15年应依然适用。”

2000年,IBM率先将0.13um铜制程推向市场,IBM找到台积电,试图将该技术卖给台积电,使台积电继续成为自己技术联盟中的一员,继续依附于自己的技术体系之中。

在通过一段时间的沟通后,台积电以IBM的0.13um制程不成熟而婉拒,转而进行自主研发0.13um制程。

0.13um制程之所以重要,是因为这一制程是第一个沟道长度小于用于光刻的波长的制程,而且也是摩尔定律演进的重要的跨度制程,从大于光刻光波长到小余光刻光波长。

恰恰在这个时候,互联网泡沫破裂,无数互联网公司破产倒闭。半导体产业也受到极大的波及,台积电营收在这一年首次出现了下滑。不过,台积电的“群山计划”开始取得成效,此时的IDM厂商,搭建一条12吋、0.13um的产线需要25~30亿美元,处在危机之中的IDM厂商们,切实感受到自建厂房的压力,张忠谋的“群山计划”,在几年的持续操作下,得到了收获,台积电开始收获IDM厂商的订单。

另一方面,台积电将3D晶体管技术(FinFET(Fin Field-Effect Transistor,鳍式场效应晶体管)和FD-SOI(Fully Depleted Silicon-on-Insular,全耗尽型绝缘上覆矽))的主要发明人胡正明聘任为CTO。这项技术,简单说来就是把晶体管排布方式从原来的平铺改为立体堆栈,使得单位面积内能容纳的晶体管数量更高。

蒋尚义带领的团队,依靠胡正明的带来的技术,迅速找到了0.13um制程的突破口。同时,以余振华为核心的研发团队在新制程的研发中,还引入了Low-K Dielectric(低介电质绝缘)技术,全新的0.13um系统单芯片(System-on-a-Chip,SoC)铜/低介电系数(Cu/Low-K Dielectric)制程技术在台积电诞生。

这一技术,成为了台积电发展史上最为重要契机,他使得台积电第一次以IDM厂商在制程上并驾齐驱,而且重新将晶圆制造技术,定义为IBM/英特尔体系与台积电体系。

已升任台积电COO的蒋尚义力排众议,决定跳过0.15um制程,直接量产0.13um制程。

此后,在胡正明任CTO的三年多时间里,台积电形成了以胡正明为主导、蒋尚义为核心、余振华为执行人的技术团队,他们加速消化胡正明带来的新技术,并不断的在实验室和量产过程中进行尝试,以寻找更新的制程。

在摩尔定律的推动下,处理器在经历了0.18um制程后,在2001年直接进入了0.13um制程时代。公开数据显示,与0.18um制程相比,0.13um制程的氧化层可减少30%以上,工作电压可达到更低,芯片面积更小,每块芯片的成本变得更低,处理器/显示芯片的竞争进入到最为激烈的时候。0.13um取代0.18um成为大势所趋,而铜/低介电系数技术的引入,成为了芯片制造界历史上一次重大的变革。

与台积电取得的成就相比,英特尔的步骤,依旧走得不疾不徐。依靠前三代奔腾系列的热卖,和赛扬、至强的布局,以及好基友微软的给力,英特尔世界第一的位置,根本无法撼动,即使在台积电0.13um取得长足进步的时候,英特尔依旧按照自己的节奏,更新着奔腾系列。

奔腾IV系列,这颗英特尔历史上,生命周期最长、产品序列最多、销量最大的处理器诞生,自2000年11月20日推出,2001年1月3日发售,到2006年1月16日最后一个产品序列Pentium 4 HT 661推出并停止更新。

奔腾IV前后延续了至少5年,发布了至少110颗不同型号的处理器,其制程横跨了0.18um到65nm。既是英特尔在PC市场攻城拔寨的利器,也是英特尔在制程战争中持续领先的砝码,同时也是英特尔新制程的试验田。奔腾IV系列,是英特尔处理器发展史上的重要一环,是英特尔承上启下快速发展的中坚力量。

与Pentium 4 HT 661在2006年1月16日一同出现在发布会上的,是英特尔全新架构的全新品牌:酷睿(Core),这个品牌名,本身就是“核心”的意思。

带着65nm制程到来的酷睿,拉开了小余波长光制程新的战争。

2000年与蒋尚义同时来到台积电的,还有一位真正的科学家,林本坚。

2002年全球芯片产业进入发展瓶颈期,摩尔定律也因此止步不前,如何从65nm制程,跨入到45nm,成为了阻挡在所有半导体厂商门口的拦路虎。

这一年7月,受比利时微电子中心(IMEC)负责人阿诺德(Bill Arnold)邀请,林本坚出席在比利时布鲁塞尔(Brussels)举行的157nm微影技术的研讨会,林本坚在介绍“浸润原理”的专题演讲时,说了句“不得了,我找到了134nm波长的光波”,当大家听到134nm波长的时候,157nm技术研讨会,让林本坚成为了主角。

此时的ASML依旧投入7亿美元用来研发157nm光刻机,而英特尔的投入,超过了10亿美元,加上尼康、佳能的投入,各大厂商在“卡壳”的157nm波长、45nm制程上,投入巨资仍不见成绩。

林本坚回到中国台湾后,在张忠谋及蒋尚义的支持下,开始了“浸润原理”商业化的研究。尼康第一家宣布加入193nm、通过浸润原理,利用水1.44的折射率,实现193nm÷1.44≈134nm波长的“浸润式光刻机(Immersion Lithography)项目”,随后,ASML宣布放弃157nm的研发,也加入到193nm浸润式光刻机的行列。

2004年12月,日本半导体展(SEMICON Japan)开幕,台积电正式推出已顺利使用浸润式光刻机生产的90nm芯片、并通过了相关的功能验证。这台浸润式光刻机,便是台积电与ASML联合研发,由ASML生产的。

浸润式光刻机技术的使用,是台积电第一次在制程上实现领先。如果说,张忠谋奠定了台积电前二十年的基础,那么,林本坚的浸润原理,则使台积电在接下来的二十年中保持领先。

FinFET技术与193nm浸润式光刻机在台积电的技术组合,使得“摩尔定律”得以续命,也使得制程得以继续推进,“浸润原理”得到了英特尔等半导体龙头、设备商采用,并顺利跨入了45nm制程节点,这一解决方案,也成为了国际半导体蓝图架构成为主流。

在台积电的官网上,这么介绍90nm制程:

“浸润式曝光技术改写了全球半导体产业的光刻机规格。此项创新不仅进一步强化台积公司的技术领导地位,更协助全球半导体业突破摩尔定律的挑战,得以继续推进更先进的制程技术。”          

一飞冲天的“夜鹰”

之后的故事就简单多了。

台积电在蒋尚义的主持下,在2005年实现了65nm制程的量产、2008年实现了45nm量产、2009年实现了40nm量产。

英特尔方面,也同样不甘人后,并驾齐驱,台积电的成就,并没有掩盖英特尔的光芒,英特尔世界第一的江湖地位,台积电还不足以撼动。

而与台积电、英特尔同时期的,三星、联电及格芯的差距,在这一时期并没有拉开。

在2009年台积电量产40nm制程的时候,英特尔的32nm已经量产,在制程上,虽然使用的是同样的技术,但是,英特尔无疑是领先台积电一个代次的。

真正的转折点,是16nm/14nm制程,2011年英特尔选择了发展14nm制程,而台积电则选择了16nm制程作为这一代次的演进技术。

最终,经历三年的研发,英特尔在2014年实现了14nm制程量产,一年后,台积电的16nm制程到来。

2014年,成为整个半导体行业的分水岭。

一方面,英特尔进入到了发展的瓶颈期。

这一瓶颈的源头,可以追溯到2007年实施的“Tick-Tock”战略,即“工艺年-构架年”模式。

“Tick”代表制程工艺提升,而“Tock”代表工艺不变,芯片核心架构升级。一个“Tick-Tock”代表完整的芯片发展周期,耗时两年。

按照Tick-tock节奏,英特尔可以跟上摩尔定律的演进,大约每24个月可以让晶体管数量翻一倍。

这个节奏,在2014年的时候,随着14nm制程的量产,遭遇到了最大的阻碍。随后,英特尔调整这一战略,宣布实施“架构、制程、优化” (APO,Architecture Process Optimization)的三步走战略,也就是说,英特尔的一个更新周期变成“一年作为架构升级、一年作为制程升级、一年作为优化升级”。这意味着英特尔新制程的推进,变成了每36个月,晶体管数量才会翻一倍。

自2015年开始,英特尔在14nm制程节点上,已经停留超过4年时间,从Skylake内核(14nm)、Kaby Lake内核(14nm+)、CoffeeLake内核(14nm++),一直在更新14nm制程。原本其原计划于2016年推出的10nm制程,经历了多次推迟后,直到2019年年底才实现量产。

另一方面,同样在2014年,台积电在张忠谋回归后,启动了“夜鹰计划”,其目的是为了在突破16nm制程后迅速进入10nm制程。为此,台积电召集了近 400 位研发人员,辅以丰厚的报酬和优渥的条件,让这些工程师按照24小时三班倒的工作节奏,进行新制程研发工作,最终,他们胜利了,台积电解决了所遇到的技术挑战,并在2017年实现10nm制程的量产,这一制程,最先应用到了iPhone 8上搭载的A11 Bionic芯片上。

台积电终于实现了对英特尔在制程上的全面超越,而且,与新老对手三星、联电也拉开了一定的差距。

2018年,台积电率先推出7nm制程,可见台积电会继续按照摩尔定律,推进晶圆制造的制程升级。

2019年将极紫外光刻 (EUV) 技术的7nm+制程量产,2020年5nm量产。接下来还有3nm和2nm也宣布取得突破。

而英特尔,则一再推迟新制程的发布。

​旧时代终结,新王诞生

2014年8月,一本名为《制造繁荣:美国为什么需要制造业复兴》的书籍出版,作者在书中问到,美国重振制造业背后的真实意图是什么?制造业对于美国经济发展具有何种战略意义?产业公地到底是什么?美国到底应该以哪种方式支持制造业发展?这些问题,成为了对奥巴马政府的“灵魂拷问”。

作者坚称:“当一个国家失去制造能力,就意味着丧失了创新能力。”

在台积电之前,大部分半导体公司都是自己设计芯片、自己建厂生产芯片的,这种就是所谓的IDM厂商,AMD、英特尔都是如此。不过,AMD在2009年剥离了CPU生产业务,成立了格芯(Global Founderies,GF),AMD变成了无厂半导体公司,主要靠格芯和台积电代工 。

放眼到全球的半导体产业中,英特尔几乎是唯一的自产自销的半导体巨头了,并且在22nm制程节点,就量产了3D FinFET晶体管技术,领先台积电2年、1.5个代次的时间。

但是IDM的模式代价也很大,那就是一旦工艺出问题,就会影响到一系列产品路线图。更重要的是IDM模式的成本越来越高,现在建造一座10万晶圆月产能的10nm制程以下晶圆厂,投资是百亿美元级别的。

英特尔投得起么?投得起。

据统计,过去15年中英特尔在研发上一共花了1300多亿美元,约合9118亿人民币。而在2020年,计划投资是150亿美元,除了7nm研发、生产之外,其中大头还是投向了10nm制程。即便如此,英特尔在2020年,预计也只能量产10nm+制程,距离7nm制程,还有很远。

有意思的是,在英特尔陷入制程困境的时候,台积电已经在大规模的扩建工厂和进行先进制程的布局,2020年量产5nm制程,产能已经被苹果、海思等吃掉。2021年上半年,台积电将进行3nm制程试产,2022年量产3nm制程,而且,其投资依旧维持在150亿美元以上的高位,预计2021年更多。

但是相比英特尔全流程的投资,150亿对150亿是不对等的,研发、建厂是台积电的核心,英特尔则还要兼顾设计、封装等流程。

2017年10月23日,台积电举行了成立30周年的盛大庆典,光刻机制造商ASML、IP授权商ARM、GPU巨头英伟达、手机芯片巨头高通、模拟芯片巨头亚德诺、无线设备芯片巨头博通及苹果的高层悉数到场,在各大半导体巨头中,唯独缺少了英特尔。

围绕台积电“晶圆代工厂”为核心,集合了上游的设备商、授权商以及下游的客户,组成的联盟,其牢固程度,似乎已经超过了Win-Tel联盟,在移动互联网时代及智能手机时代到来后,英特尔似乎开始力不从心。

经过数十年的演变,半导体制造业从最初的“一览包干”的IDM模式,在1987年开始分割,其分割的标志就是台积电的建立,他重新定义了半导体产业,也开辟了基于“晶圆代工厂”的制造产业,和“无厂半导体公司”的设计产业。

整合,分工,成为了这个行业最为显著的特征之一,从出席台积电三十周年庆典的高层来看,这些龙头公司们各自在自己细分领域内,依托自身的实力,将自身资源全部投入到最为核心的研发中去,然后相互配合、相互优化、相互信任,在数十年的演变中,不断洗牌、更新和发展,形成了今天牢不可破的庞大产业。

当然,我们用不着为英特尔现在的落寞感到惋惜,即便在制程上落后,但是英特尔依旧是当今全球最强大的半导体公司,依旧是美国半导体的象征,依旧在传统电脑、服务器等领域独领风骚,而且在进入的安全领域、企业级业务中同样领先于全世界大多数的公司。

不过,随着美国政府“重振制造业”及“美国优先”的政策下,英特尔6nm制程、18万片晶圆、近2000万片处理器的订单,有可能成为一个“孤单”。从英特尔一向的作风来看,虽不能说英特尔输掉了这场起始于英特尔的制程战争,但是,英特尔又拿什么来翻盘呢?

要知道,给台积电站台的大佬中,可能随便一位的江湖地位都比英特尔差不了多少,更何况是7位。

用彭博社的话来说,英特尔先进制程委托给台积电这一行为,预示着“一个由英特尔公司和美国主导世界半导体行业的时代的终结”。

而且,台积电的其他客户与英特尔有竞争关系,可能反对台积电优先处理英特尔的订单。如果英特尔未来继续在自己生产芯片,那么台积电会不会为英特尔的订单,进行扩大投资以满足当下英特尔的订单产能呢,我们不得而知。

按照摩尔定律,芯片制程的最小可以演进到0.1nm的物理极限,那么,多年以后,芯片制程世界,还会翻天么?

按照台积电公开信息推演,至少在接下来的五年内,英特尔赶上或超越台积电的可能性几乎为零。悲观一点地说,甚至可能永远追赶不上。

参考资料:

1、姚剑波,杨朝琼,曾羽,龙奋杰 等著.《大数据丛书系列:大数据安全与隐私》. 成都:电子科技大学出版社, 2017.07.

2、韦亚一.《超大规模集成电路先进光刻理论与应用》.北京:科学出版社,2016. 06.

3、謝志峰,陳大明.《一本書看懂晶片產業:給未來科技人的入門指南》.中国台北:早安財經,2019.09.

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