2024真的會(huì )是英特爾奪回半導體工藝技術(shù)領(lǐng)先地位的一年嗎？

英特爾宣布計劃在2024年或2025年追趕并超過(guò)當前公認的半導體工藝領(lǐng)導者TSMC。這絕對是一個(gè)艱巨的目標，因為英特爾在推出其10納米SuperFin（現在稱(chēng)為Intel 7）和7納米（現在稱(chēng)為Intel 4）工藝節點(diǎn)時(shí)推遲了計劃進(jìn)度。首先，我們將關(guān)注計劃中的半導體工藝節點(diǎn)以及它們將何時(shí)出現。然后我們將關(guān)注地點(diǎn)：英特爾正在投資新的晶圓廠(chǎng)和晶圓廠(chǎng)升級的地點(diǎn)。接下來(lái)，我們將討論誰(shuí)，因為英特爾宣布了一些有趣的晶圓廠(chǎng)合作伙伴。最后，我們將關(guān)注為什么。為了預示結論：英特爾將工藝節點(diǎn)領(lǐng)導地位視為其業(yè)務(wù)的生死攸關(guān)的方面。

英特爾打賭其10納米SuperFin節點(diǎn)不需要EUV光刻。這是一場(chǎng)保守的賭博，但并沒(méi)有取得成功。該10納米節點(diǎn)的推出被推遲，英特爾在摩爾定律曲線(xiàn)上失去了競爭優(yōu)勢。作為額外的后果，由于英特爾的工藝工程師需要學(xué)習EUV，因此進(jìn)入7納米節點(diǎn)時(shí)也推遲了。這兩個(gè)工藝節點(diǎn)現在分別稱(chēng)為Intel 7和Intel 4，已經(jīng)投入生產(chǎn)。

在Pat Gelsinger于2021年初接任英特爾首席執行官不久之后，他宣布了截至2025年的工藝節點(diǎn)計劃。這些計劃要求在四年內穿越五個(gè)工藝節點(diǎn)，包括新命名的Intel 7和Intel 4節點(diǎn)。英特爾于2023年中宣布，Intel 3工藝節點(diǎn)，公司的最終FinFET工藝節點(diǎn)，已經(jīng)達到了產(chǎn)量和性能目標，并將準備好在2024年量產(chǎn)Granite Rapids和Sierra Forest CPU。

下一個(gè)工藝節點(diǎn)是Intel 20A（“A”表示埃米），引入了公司工藝技術(shù)的兩個(gè)主要變化。首先，FinFET被淘汰，RibbonFET取而代之。 RibbonFET是英特爾對環(huán)繞FET通道以改進(jìn)對通道電流控制的門(mén)的門(mén)體所有區域（GAA）FET的稱(chēng)呼，從而提高性能。許多公司都在開(kāi)發(fā)GAA FET工藝。在2023年中，三星宣布已經(jīng)開(kāi)始制造其基于該公司的Multi-Bridge-Channel FET（MBCFET）的3納米工藝技術(shù)。這是三星版本的GAA FET。

Intel 20A還將PowerVia，英特爾的背面電源技術(shù)，引入到制造工藝節點(diǎn)。 PowerVia技術(shù)將許多新的工藝步驟引入IC制造中，因為它將整個(gè)電源傳遞系統從芯片頂部移動(dòng)到芯片的背面，這是自1959年Fairchild Semiconductor的Jean Hoerni為IC制造專(zhuān)利制定平面工藝以來(lái)的情況。將電源從芯片的背面傳遞到芯片正面上的晶體管需要通過(guò)薄化的硅晶片鉆孔，然后填充這些孔以通過(guò)從背面電源傳遞系統到晶體管的金屬連接。

背面供電有很多優(yōu)勢，但其中兩個(gè)最重要的優(yōu)勢是增加用于將電源傳遞到芯片晶體管的金屬，從而減少芯片上電源供應的下降和噪聲，并且將電源分布布線(xiàn)從芯片的正面移除，從而釋放芯片頂部金屬層的空間，從而使信號路由變得不受限制。

RibbonFET和PowerVia技術(shù)都存在風(fēng)險。通常，工藝開(kāi)發(fā)團隊每次只會(huì )引入一個(gè)重大變化。然而，Gelsinger很不耐煩，他正在推動(dòng)這個(gè)工藝節點(diǎn)的迅速推進(jìn)，因此這兩種技術(shù)將同時(shí)出現在Intel 20A工藝中。為了緩解一些風(fēng)險，英特爾工藝工程師創(chuàng )建了一個(gè)僅供內部使用的工藝節點(diǎn)，將PowerVia背面電源傳遞系統添加到Intel 4工藝節點(diǎn)中。在2023年中，英特爾報告稱(chēng)，這一改變單獨帶來(lái)了6%的性能提升。英特爾聲稱(chēng)，Intel 20A工藝將在今年上半年準備好投產(chǎn)。在2023年底，首席執行官Gelsinger宣布，后續工藝節點(diǎn)Intel 18A將在2024年底之前投產(chǎn)。 TSMC表示，其相當的工藝節點(diǎn)N2將在2025年下半年投產(chǎn)，因此看起來(lái)英特爾可能確實(shí)在今年年底之前處于領(lǐng)先地位，前提是一切按計劃進(jìn)行。

開(kāi)發(fā)新的工藝節點(diǎn)是一回事。在生產(chǎn)規模上使用新工藝節點(diǎn)制造芯片則完全是另一回事，因此英特爾還啟動(dòng)了大規模的資本密集型項目，對其現有晶圓廠(chǎng)進(jìn)行升級，并建設全新的晶圓廠(chǎng)。這個(gè)建設熱潮需要英特爾的財政和相關(guān)政府投入數百億美元。英特爾升級了愛(ài)爾蘭Leixlip的一家制造晶圓廠(chǎng)，并最近在該地點(diǎn)啟動(dòng)了Intel 4工藝。英特爾正在亞利桑那州錢(qián)德勒建造兩家新晶圓廠(chǎng)，以運行Intel 20A工藝。該公司在俄亥俄州利金縣建立了一個(gè)新的制造工地，并正在建設一個(gè)Intel 18A工藝的晶圓廠(chǎng)。英特爾還最近宣布計劃在德國Magdeburg建造一家新的晶圓廠(chǎng)，以使用Intel 18A工藝節點(diǎn)制造芯片。該公司還在以色列Kiryat Gat建造晶圓廠(chǎng)，以使用其較舊的FinFET工藝節點(diǎn)制造芯片，并計劃在馬來(lái)西亞和波蘭建造新的封裝設施。

有一句關(guān)于半導體行業(yè)的老話(huà)適用：“填滿(mǎn)晶圓廠(chǎng)?！边@是控制制造成本的唯一方法。一個(gè)空置的晶圓廠(chǎng)會(huì )浪費很多錢(qián)。英特爾幸運地一直擁有備受歡迎的產(chǎn)品，可以填滿(mǎn)其晶圓廠(chǎng)，但Gelsinger是半導體行業(yè)的老手，知道保持晶圓廠(chǎng)充實(shí)需要各種各樣的芯片。這就是他創(chuàng )辦英特爾晶圓廠(chǎng)服務(wù)（IFS）的原因之一。因此，英特爾一直與客戶(hù)達成晶圓廠(chǎng)交易，以幫助保持其晶圓廠(chǎng)充實(shí)。

除了直接的晶圓廠(chǎng)客戶(hù)之外，英特爾還與其他半導體晶圓廠(chǎng)達成交易。當中國在2023年8月擱置了英特爾對Tower Semiconductor的收購時(shí)，兩家公司在隨后的一個(gè)月宣布了一個(gè)晶圓廠(chǎng)交易。英特爾將在其新墨西哥州里奧蘭喬的晶圓廠(chǎng)為T(mén)ower提供晶圓廠(chǎng)服務(wù)和300毫米制造能力。就交易而言，Tower將為新墨西哥州工廠(chǎng)購買(mǎi)高達3億美元的制造設備，以運行其專(zhuān)有的半導體工藝。 Tower的半導體工藝雖然不處于光刻的前沿，但對于電源管理、射頻信號處理和低功耗操作等應用來(lái)說(shuō)，它們是領(lǐng)先的工藝。這個(gè)月，英特爾和聯(lián)電宣布了一項類(lèi)似的合作協(xié)議，共同開(kāi)發(fā)12納米FinFET工藝節點(diǎn)，在亞利桑那州錢(qián)德勒的Intel Ocotillo Technology制造工地的Fabs 12、22和32中進(jìn)行制造。

羅伯特·諾伊斯和戈登·摩爾于1968年創(chuàng )辦了英特爾。到1971年，該公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出第一款商用DRAM，從而創(chuàng )造了DRAM市場(chǎng)，第一款商用微處理器，從而創(chuàng )造了微處理器市場(chǎng)，以及第一款EPROM，從而創(chuàng )造了非易失性半導體存儲器市場(chǎng)。英特爾一直在半導體制造商中保持著(zhù)前十名的地位。該公司在1992年成為半導體銷(xiāo)售冠軍，并一直保持這一位置，直到2018年，三星因DRAM價(jià)格上漲而成為頂級半導體銷(xiāo)售商。然而，DRAM價(jià)格下跌，英特爾再次奪回了冠軍地位。

當市場(chǎng)上某些產(chǎn)品失去高盈利性時(shí)，英特爾會(huì )退出整個(gè)市場(chǎng)。為了防止日本DRAM供應商侵蝕英特爾的市場(chǎng)份額，該公司于1985年退出DRAM市場(chǎng)，以拯救公司免于消失。英特爾曾一度涉足非易失性半導體存儲器，并且目前不在該市場(chǎng)上，因為它于2020年出售了其Flash存儲業(yè)務(wù)。此外，英特爾目前正在分拆2015年收購的Altera時(shí)從中獲得的FPGA業(yè)務(wù)，但這沒(méi)關(guān)系，因為分拆后的FPGA公司將立即成為IFS的大客戶(hù)。 （新FPGA公司的大揭幕計劃于2月29日舉行。）

然而，英特爾不能放棄其微處理器業(yè)務(wù)中的核心產(chǎn)品線(xiàn)，否則就會(huì )滅絕，因為它沒(méi)有其他大型業(yè)務(wù)可以退而求其次。為了保持這一業(yè)務(wù)，英特爾必須抵擋其長(cháng)期競爭對手AMD，后者已經(jīng)在PC和服務(wù)器CPU業(yè)務(wù)中取得了一些進(jìn)展，部分原因是英特爾失去了工藝領(lǐng)導地位。因此，這對英特爾來(lái)說(shuō)是一個(gè)生死攸關(guān)的問(wèn)題。由于TSMC制造AMD的處理器，英特爾在領(lǐng)先微處理器領(lǐng)域的戰略必須包括在每個(gè)新的半導體工藝節點(diǎn)上超過(guò)TSMC，同時(shí)為每個(gè)新的工藝節點(diǎn)設計先進(jìn)的處理器。輸掉這場(chǎng)比賽意味著(zhù)英特爾最終將消失。

Gelsinger在四年內穿越五個(gè)工藝節點(diǎn)的計劃是贏(yíng)得這場(chǎng)比賽戰略的一部分，我認為Gelsinger的IFS及其擬議的作為主要半導體晶圓廠(chǎng)的角色是他確保英特爾技術(shù)開(kāi)發(fā)和制造團隊始終專(zhuān)注于積極的工藝開(kāi)發(fā)和晶圓廠(chǎng)建設的方式之一。這并不是說(shuō)Gelsinger的戰略中沒(méi)有其他無(wú)數元素。相信Gelsinger和英特爾所說(shuō)的，以及TSMC所說(shuō)的，英特爾今年確實(shí)有可能從TSMC奪回半導體工藝領(lǐng)導地位。如果Gelsinger和英特爾成功，這將是這家公司在過(guò)去半個(gè)世紀為半導體行業(yè)取得的又一場(chǎng)艱苦的勝利。