重置工藝命名、研發(fā)創(chuàng)新技術(shù)、邁向代工市場(chǎng)　IDM 2.0時(shí)代英特爾的革新和開放

張平

今年3月份，英特爾提出了全新的代工計(jì)劃—IDM 2.0模式，計(jì)劃徹底開放自家制造技術(shù)為所有硬件廠商進(jìn)行代工制造。僅僅過去了4個(gè)月，英特爾又召開了一次被稱為“加速”的線上發(fā)布會(huì)，公布了未來(lái)數(shù)年英特爾在半導(dǎo)體制造方面的工藝路線圖、技術(shù)革新，還拿出一整套包括工藝節(jié)點(diǎn)、全新技術(shù)和產(chǎn)業(yè)合作方向的文件，并由英特爾CEO帕特·基辛格上臺(tái)親自進(jìn)行講解。英特爾這套包含了全新技術(shù)、全新命名以及代工業(yè)務(wù)的產(chǎn)業(yè)計(jì)劃書，究竟有哪些令人感興趣的內(nèi)容和重要技術(shù)？它又會(huì)對(duì)英特爾未來(lái)的發(fā)展帶來(lái)哪些影響呢？

重新定義制造工藝節(jié)點(diǎn)名稱

在發(fā)布會(huì)上，英特爾先是介紹了有關(guān)IDM 2.0的代工體系和進(jìn)展情況。英特爾計(jì)劃為IDM 2.0的亞利桑那州項(xiàng)目投資20 0億美元，為新墨西哥州的項(xiàng)目投資35億美元，這兩個(gè)項(xiàng)目主要是兩個(gè)全新的制造中心。接下來(lái)英特爾話鋒一轉(zhuǎn)，提到了有關(guān)半導(dǎo)體工藝制程命名的問題。在工藝制程上，英特爾和行業(yè)內(nèi)包括三星、臺(tái)積電在內(nèi)的廠商打過數(shù)次口水仗了。其核心原因是，臺(tái)積電、三星等廠商早都將工藝名稱和工藝技術(shù)徹底割裂開來(lái)。比如同為14nm / 16nm工藝，英特爾宣稱的晶體管密度最高可以達(dá)到45. 51MT/ mm²，相比之下，臺(tái)積電和三星的這個(gè)數(shù)值分別只有36.06和34.68，相比英特爾差了大約30%。更夸張的對(duì)比發(fā)生在了10nm時(shí)代，英特爾1 0nm工藝的密度最高可達(dá)106 .1MT/ mm²，臺(tái)積電僅為5 5 .10 M T/ mm²，三星僅為54. 55MT/ mm²。隨后的7nm工藝，英特爾、三星、臺(tái)積電三家廠商的數(shù)據(jù)分別是212.48、100.59、101. 85。再向后的5nm時(shí)代，英特爾沒有數(shù)據(jù)，但是三星和臺(tái)積電的密度數(shù)據(jù)分別是133.56、185.46。3nm時(shí)代，三星只能做到180.31，臺(tái)積電倒是能達(dá)到316 .65—這個(gè)數(shù)據(jù)也就只比理論上兩代前的英特爾7nm工藝提升了50%而已。從發(fā)展先進(jìn)工藝、不斷微縮晶體管和芯片尺寸的角度來(lái)說，半導(dǎo)體制造的先進(jìn)性，就是體現(xiàn)在單位面積可以容納多少個(gè)晶體管這個(gè)角度上。無(wú)論是現(xiàn)在的新型封裝技術(shù)也好，5nm、3nm技術(shù)也好，都是在盡可能多的面積內(nèi)塞入更多的晶體管來(lái)實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的性能和更多的功能。從這個(gè)角度來(lái)看，判斷晶體管工藝的

先進(jìn)程度，如果單純依靠傳統(tǒng)的制程節(jié)點(diǎn)命名，顯然是不夠的，單純依靠密度數(shù)據(jù)雖然也不夠客觀，但是比傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)命名還是好了不少。

發(fā)布會(huì)上，英 特 爾 引 用 了包括IEEES ectrum、SemiWiki和Semiconductor Engineering等媒體的評(píng)論，再次強(qiáng)調(diào)各大廠商的工藝節(jié)點(diǎn)名稱已經(jīng)基本和其技術(shù)水平脫節(jié)了。比如部分媒體認(rèn)為英特爾的10nmSF工藝和臺(tái)積電的7nm工藝相當(dāng)，臺(tái)積電的3nm工藝相當(dāng)于英特爾的7nm工藝，而臺(tái)積電的2nm工藝則和英特爾5nm工藝相當(dāng)?shù)?。另外，英特爾干脆引用了臺(tái)積電VP的言論，認(rèn)為目前的工藝節(jié)點(diǎn)名稱只是數(shù)字，用于指代一個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)而已，人們不應(yīng)該將名稱和實(shí)際的技術(shù)內(nèi)容混為一談。

當(dāng)然，消費(fèi)者可能根本不關(guān)心背后的技術(shù)是什么，消費(fèi)者就喜歡看名字。競(jìng)品宣稱自己采用了全新的7n m工藝的時(shí)候，英特爾拿出了10nm Super Fin，盡管在頻率、功耗、晶體管密度等多個(gè)關(guān)鍵性指標(biāo)上都不弱于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，但是這個(gè)名頭叫起來(lái)不好聽。在這種情況下，英特爾只能向市場(chǎng)妥協(xié)，通過宣布新的命名方式來(lái)徹底“重置”整個(gè)半導(dǎo)體工藝節(jié)點(diǎn)名稱。英特爾給出的方案是，在10nm SuperFin工藝之后的增強(qiáng)版本10nm Super Fin工藝名稱更新為Intel 7，之前提到的英特爾7nm工藝更新為Intel 4，英特爾7nm工藝的增強(qiáng)版本更新為Intel3，再往后的英特爾5 n m名稱更新為Intel 20A，最后則是英特爾5nm工藝的增強(qiáng)版本名稱更新為Intel18A。當(dāng)然，新的命名方式并非毫無(wú)依據(jù)，根據(jù)英特爾的調(diào)研，新的Intel 7和三星、臺(tái)積電的7nm工藝密度基本相當(dāng)，Intel 4略好于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的5nm工藝，Intel 3則應(yīng)該和競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的3nm工藝處于一個(gè)水平線上。

在這里，英特爾引入了A，也就是埃米這個(gè)尺度，1A等于0.1nm。當(dāng)納米這個(gè)單位接近“1”之后，英特爾選擇擴(kuò)大度量衡，并使用諸如20A、18A甚至未來(lái)可能存在的15A來(lái)命名產(chǎn)品。

英特爾還給出了每一代工藝相對(duì)前一代工藝的進(jìn)展情況。比如Intel 7相比現(xiàn)在的10nm SF，帶來(lái)每瓦特10%～15%的性能提升，擁有更快移動(dòng)的電子、更好的能量控制和更出色的功率輸出。Intel 7工藝將在Alder Lake和SapphireRapids首先使用，前者面向客戶端，后者面向數(shù)據(jù)中心。接下來(lái)的Intel 4，是首個(gè)采用EUV光刻的節(jié)點(diǎn)，原計(jì)劃2021年Q2推出，目前看起來(lái)是延期了。Intel 4將使用在Meteor Lake和Granite Rapids兩種處理器上，其密度可達(dá)每平方毫米2億到2.5億個(gè)晶體管之多。再接下來(lái)的Intel 3，晶體管的每瓦特性能又相比之前的Intel 4提升大約18%，帶來(lái)高性能庫(kù)、優(yōu)化的互聯(lián)金屬棧、增加的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)電流以及進(jìn)一步增加EUV的使用等特性。

Intel 20A和Intel 18A是目前英特爾路線圖中最遠(yuǎn)期的工藝了。其中，Intel 20A將引入全新的GAA技術(shù)（英特爾稱之為Ribbon FET）以及Power Via，前者是我們介紹過多次的環(huán)狀柵極技術(shù)，后者則是一種全新的在晶體管背面布置電路從而大幅度提升晶體管密度的新技術(shù)。英特爾已經(jīng)開始對(duì)這兩個(gè)技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，并展示了具體的成果。在英特爾展示中，Power Via技術(shù)目前已經(jīng)可以將電路轉(zhuǎn)移至晶元背面，節(jié)約寶貴的晶圓面積。在Ribbon FET的展示中，英特爾展示了4層納米的GAA工藝，并且同時(shí)展示了PMOS和NMOS的GAA實(shí)現(xiàn)，效果看起來(lái)都不錯(cuò)。至于更遠(yuǎn)一些的Intel 18A，現(xiàn)在就沒有太多消息了。

創(chuàng)新的工藝技術(shù)

在工藝節(jié)點(diǎn)重新命名之后，英特爾還帶來(lái)了大量工藝技術(shù)的更新。英特爾首先展示了現(xiàn)在的EMIB技術(shù)和傳統(tǒng)封裝技術(shù)的對(duì)比，EMIB技術(shù)帶來(lái)了2倍的帶寬和4倍的能耗比改善。新的下一代EMIB技術(shù)將改用更小的45微米的接觸點(diǎn)，再下一代則更進(jìn)一步縮減至40微米，更小的接觸點(diǎn)有助于布局更多的觸點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)更大的帶寬或者更多的功能。

接下來(lái)英特爾還帶來(lái)了3D封裝也就是Foveros的消息。Intel 4工藝制造的MeteroLake處理器將采用Foveros工藝堆疊封裝，其中計(jì)算核心、低功耗SoC核心和GPU核心將封裝在一起，其觸點(diǎn)尺寸會(huì)進(jìn)一步縮小至36微米，整個(gè)產(chǎn)品滿足5W到125W的功耗區(qū)間設(shè)計(jì)需求。英特爾首個(gè)并行計(jì)算GPU核心Ponte Vecchio也將采用EMIB和第二代Foveros進(jìn)行制造。

在更遠(yuǎn)的將來(lái)，英特爾還會(huì)推出Foveros Omni以及Foveros Direct。其中，前者的觸點(diǎn)縮小至大約25微米，可以實(shí)現(xiàn)不同類型芯片對(duì)芯片的直接接觸和封裝;后者則進(jìn)一步縮小觸點(diǎn)至10微米左右。英特爾展示了Foveros Omni技術(shù)的結(jié)構(gòu)圖，通過TSV、封裝銅柱等技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)芯片的多層互聯(lián)，帶來(lái)更好的性能功耗比，更寬的IO帶寬等。至于Foveros Direct，英特爾展示了兩個(gè)芯片銅觸點(diǎn)的直接連接，這種連接會(huì)使得每層的連接密度提升至每平方毫米1萬(wàn)個(gè)，并且能通過劃分功能區(qū)塊來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的等級(jí)。

擁抱客戶，進(jìn)入代工市場(chǎng)

實(shí)際上，目前全球半導(dǎo)體企業(yè)已經(jīng)形成很完善的分工合作，比如高通、英偉達(dá)、AMD等廠商就是專門做設(shè)計(jì)，臺(tái)積電、臺(tái)聯(lián)電、格羅方德、中芯國(guó)際等廠商就是專門做制造。在這種產(chǎn)業(yè)鏈中，企業(yè)需要考慮全局通盤合作才能完成產(chǎn)品的生產(chǎn)。但是，有2個(gè)企業(yè)的發(fā)展路徑有所不同，一個(gè)是三星，另一個(gè)就是英特爾。這兩家企業(yè)都擁有設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試封裝的全產(chǎn)業(yè)鏈，是整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)內(nèi)為數(shù)不多的垂直發(fā)展的企業(yè)。

從現(xiàn)在市場(chǎng)的情況來(lái)看，半導(dǎo)體制造行業(yè)逐漸呈現(xiàn)強(qiáng)者愈強(qiáng)的態(tài)勢(shì)。比如臺(tái)積電在高端芯片制造代工方面一騎絕塵，頂級(jí)、高利潤(rùn)的產(chǎn)品全部由臺(tái)積電代工完成，由于缺乏競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，臺(tái)積電在晶圓產(chǎn)能安排、代工報(bào)價(jià)方面均難以受到市場(chǎng)制約，因此相對(duì)應(yīng)其企業(yè)利潤(rùn)率非常高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，臺(tái)積電2021財(cái)年毛利潤(rùn)為50.5%～52.5%，凈利潤(rùn)也高達(dá)3 9. 5%～41.5%。相比之下，作為全球通訊霸主的高通，凈利潤(rùn)一般只有20 %左右;設(shè)計(jì)、生產(chǎn)一把抓的英特爾，毛利潤(rùn)也僅55%左右。

商業(yè)發(fā)展的普遍規(guī)律告訴我們，如果某個(gè)商業(yè)模式的利潤(rùn)高到令人眼紅的程度，那么一定會(huì)有別的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手想擠進(jìn)來(lái)，即便這個(gè)行業(yè)門檻特別高。在高端半導(dǎo)體代工方面，能邁過門檻的企業(yè)目前只有三星、臺(tái)積電和英特爾三家。三星目前相比臺(tái)積電在技術(shù)上有比較大的差距，因此難以從臺(tái)積電手中搶到太多的份額。在這種情況下，英特爾進(jìn)入代工市場(chǎng)，宣布IDM 2.0計(jì)劃，邏輯上并不存在問題。

此前，英特爾就曾展示自己進(jìn)軍半導(dǎo)體代工產(chǎn)業(yè)的決心。為了更好地為合作企業(yè)提供代工業(yè)務(wù)，英特爾這次還成立名為IFS（I ntel Foundry Services，英特爾代工服務(wù)）的部門。目前英特爾的代工服務(wù)可以滿足包括x86、ARM、RSIC-V等不同架構(gòu)的需求，支持行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)流程和工具，用戶使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)工藝開發(fā)套件完成設(shè)計(jì)后再交給英特爾代工等。據(jù)透露，英特爾將與高通在Intel 20A時(shí)代開始合作，亞馬遜則和英特爾簽約，使用其封裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)自己的需求。

IDM 2.0模式的三大阻礙

雖然英特爾目前有了亞馬遜和高通這樣的代工客戶，但是其宣布的內(nèi)容都不夠重量級(jí)。比如亞馬遜僅使用英特爾的封裝技術(shù)，高通要在2025年左右才開始合作。很顯然，英特爾已經(jīng)展示自己擁抱代工產(chǎn)業(yè)和開放迎接客人的心態(tài)，但市場(chǎng)暫時(shí)還持懷疑態(tài)度，主要顧慮集中在產(chǎn)能、產(chǎn)權(quán)和產(chǎn)業(yè)三個(gè)方面。

先來(lái)看產(chǎn)能。眾所周知，2021年整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)界產(chǎn)能都非常吃緊，即使是英特爾，也不得不考慮外包GPU等芯片的生產(chǎn)。在這種情況下，英特爾到哪里去找產(chǎn)能給客戶呢？英特爾的答案是新建兩個(gè)工廠，也就是前面提到的亞利桑那州和新墨西哥州的兩個(gè)項(xiàng)目，不過遠(yuǎn)水解不了近渴，短期內(nèi)英特爾的產(chǎn)能還難以突破。

其次就是產(chǎn)權(quán)了。英特爾在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈上可謂“又大又全”，從CPU到GPU，從ASIC到FPGA，少有英特爾不涉及的產(chǎn)業(yè)。在這種情況下，與其競(jìng)爭(zhēng)的對(duì)手企業(yè)是否能放心地將產(chǎn)品交給英特爾代工呢？強(qiáng)如英偉達(dá)，在GPU計(jì)算市場(chǎng)即將面臨英特爾強(qiáng)勢(shì)競(jìng)爭(zhēng)的情況下，是否會(huì)將下一代產(chǎn)品的各種詳細(xì)規(guī)劃、技術(shù)細(xì)節(jié)交給英特爾？現(xiàn)在的AMD恐怕更是絕對(duì)不會(huì)考慮英特爾代工的事情。

目前只有高通這樣和英特爾“糾纏”不多的企業(yè)，能夠簽下“戰(zhàn)略合作協(xié)議”。要從根本上解決這個(gè)問題，可能只有英特爾宣布剝離所有制造工廠成立新制造公司，新的制造公司和英特爾剩余的非制造部門以特殊的股權(quán)架構(gòu)形式在“大英特爾”的體系下共存，同時(shí)英特爾宣布成為Fabless企業(yè)之后，各大競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手廠商才有可能選擇英特爾進(jìn)行大規(guī)模代工。

第三則是產(chǎn)業(yè)。代工產(chǎn)業(yè)涉及很多方面，英特爾是否做好了準(zhǔn)備？簡(jiǎn)單來(lái)說，代工一款處理器，英特爾是否愿意提供足夠的知識(shí)產(chǎn)權(quán)給企業(yè)使用？一些和產(chǎn)品制造相關(guān)的后端工具、涉及英特爾處理器專利的特殊制造工藝，是否也能放開給代工企業(yè)使用？目前，英特爾并沒有就這些問題透露太多的內(nèi)容。

寫在最后：英特爾正在改變

從本次英特爾的發(fā)布會(huì)的情況來(lái)看，英特爾在技術(shù)上的確有突破，但最關(guān)鍵的還是英特爾呈現(xiàn)出自己革新和開放的態(tài)度。革新，是順應(yīng)市場(chǎng)的需求，不再和競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手在沒有意義的命名等方面進(jìn)行較勁，而是積極擁抱市場(chǎng)變化和客戶需求，消費(fèi)者想要什么，給什么就行，不然可能落得個(gè)贏了“口水仗”、輸了市場(chǎng)的結(jié)局。開放，是反映未來(lái)的變化。市場(chǎng)對(duì)芯片的需求正在不斷攀升，并且只會(huì)越來(lái)越多，在最基礎(chǔ)、最根本的芯片制造業(yè)上，英特爾技術(shù)的確獨(dú)步全球，但是只給自家用顯然無(wú)法發(fā)揮最大價(jià)值。英特爾想追回以往的優(yōu)勢(shì)，就需要更開放、更積極主動(dòng)。

自從新的CEO上任后，英特爾似乎不再那么重視短期的盈利目標(biāo)，無(wú)論是積極建工廠，還是擁抱代工模式，或者干脆改個(gè)名字，之前那個(gè)有點(diǎn)愛較勁的英特爾不見了。英特爾做得更務(wù)實(shí)、看得更長(zhǎng)遠(yuǎn)，更加革新和開放了。