拜登親自站臺2納米！200億美元地球最大硅制造基地啟動(dòng)，英特爾要逆襲三星臺積電？
發(fā)布人：傳感器技術(shù)
時(shí)間：2022-09-13
來(lái)源：工程師
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在美國2800億美元的「芯片與科學(xué)法案」通過(guò)一個(gè)多月之后，英特爾計劃已久的俄亥俄州200億美元的芯片工廠(chǎng)終于正式破土動(dòng)工。
作為半導體產(chǎn)業(yè)回歸美國本土的標志性事件，總統拜登親臨工地現場(chǎng)出席動(dòng)工儀式，并表示祝賀。
此前，由于芯片法案推進(jìn)不順利，英特爾不久前宣布推遲計劃舉行的動(dòng)工奠基儀式，原計劃該儀式于7月底舉行。
英特爾稱(chēng)，本次奠基儀式啟動(dòng)了「地球上最大的硅制造基地」的建設。未來(lái)10年，英特爾計劃在俄亥俄州投資1000億美元。
該公司表示，建廠(chǎng)計劃需要7000多名工人，預計將容納兩個(gè)獨立的工廠(chǎng)，一旦完工，將雇用3000名工人。
英特爾之前推遲了該工廠(chǎng)7月的奠基儀式，因為其計劃主要依賴(lài)于「芯片法案」的資金，而國會(huì )尚未通過(guò)該法案。
但是，經(jīng)過(guò)一個(gè)夏天的談判，拜登在上個(gè)月簽署了2800億美元的「芯片與科學(xué)法案」，稱(chēng)其為「對美國一代人的投資」。
兩黨達成協(xié)議，以促進(jìn)美國的創(chuàng )新，希望在全球半導體短缺之后保護美國的經(jīng)濟和國家安全利益。
始于2020年的新冠大流行使全球芯片供應鏈斷裂，使設備制造商更難以為產(chǎn)品采購半導體。與此同時(shí)，由于辦公室關(guān)閉，人們開(kāi)始在家工作，對這些商品的需求激增。
拜登在開(kāi)工儀式現場(chǎng)表示：
「正如我們在大流行期間看到的那樣，當制造這些芯片的工廠(chǎng)關(guān)閉時(shí)，芯片就會(huì )停產(chǎn)。全球經(jīng)濟就會(huì )停滯不前，我們需要在美國本土制造這些芯片，以降低日常成本并創(chuàng )造良好的就業(yè)機會(huì )?！?/span>
英特爾CEO帕特·蓋爾辛格與拜登一起參加了這個(gè)儀式，他說(shuō)，這座工廠(chǎng)的動(dòng)工，標志著(zhù)「鐵銹帶」時(shí)代的結束和「硅心帶」的開(kāi)始。
鐵銹帶是對美國自上世紀80年代起傳統重工業(yè)衰退的一片地區的非正式稱(chēng)呼。這一地帶始于紐約州中部，向西橫穿賓夕法尼亞州、俄亥俄州、印第安納州，止于伊利諾伊州北部、艾奧瓦州東部和威斯康星州東南。
自20世紀中葉以來(lái)，由于多種經(jīng)濟因素，例如制造業(yè)向海外轉移、自動(dòng)化程度提高以及美國鋼鐵和煤炭工業(yè)衰退，這片曾被稱(chēng)為美國工業(yè)心臟地帶的地區內，工業(yè)比重一直在下降。
在該法案通過(guò)后，其他大型芯片制造商已經(jīng)宣布了在美國國內半導體制造廠(chǎng)的建設計劃。
本月早些時(shí)候，美國另一個(gè)主要芯片制造商美光公司表示，將投資150億美元在愛(ài)達荷州建立一個(gè)新工廠(chǎng)。
最近，電源芯片制造商Wolfspeed也宣布投資50億美元在北卡羅來(lái)納州建立一個(gè)新的半導體工廠(chǎng)，以生產(chǎn)用于為電動(dòng)汽車(chē)等設備提供動(dòng)力的芯片原材料，以應對需求激增的情況。
「今天，我們在一個(gè)每個(gè)俄亥俄人都可以感到自豪的未來(lái)破土動(dòng)工，這項數十億美元的投資是聯(lián)邦、州和私營(yíng)部門(mén)領(lǐng)導人之間前所未有的合作的高潮，它將改變俄亥俄州的經(jīng)濟，并為后代提供機會(huì )，在這里實(shí)現穩定的中產(chǎn)生活?！苟砗ザ碇輩⒆h員候選人Tim Ryan表示。
拜登總統周五在動(dòng)工儀式上表示，英特爾將在俄亥俄州這里建立未來(lái)的勞動(dòng)力。
「現在是埋葬「銹帶」標簽的時(shí)候了，俄亥俄制造和美國制造不再僅僅是一個(gè)口號。我們需要在美國本土生產(chǎn)這些芯片。芯片行業(yè)的未來(lái)將是美國制造?！拱莸钦f(shuō)。
拯救摩爾定律，要靠納米級芯片？按照摩爾定律，集成電路上可容納的晶體管數目，約每隔兩年便會(huì )增加一倍。然而近年來(lái)，一些業(yè)內人士認為，摩爾定律將不再適用了。
根據中國工程院院刊的資料，目前，普遍采用的晶體管結構，是鰭式場(chǎng)效應晶體管（FinFET）。這套工藝也是英特爾此前一直采用的。
雖然，FinFET工藝從22納米制程之后一直到5納米制程，一直是半導體的主流工藝架構。但在尺寸上已逼近物理極限，無(wú)法進(jìn)一步縮小。
在FinFET中，當晶體管尺寸變小時(shí)，FinFET柵極就無(wú)法完全關(guān)閉電流。即使晶體管處于「關(guān)閉」狀態(tài)，電子仍會(huì )繼續滲入通道，不但浪費電能，而且還會(huì )產(chǎn)生熱量。
而納米級芯片克服了這些障礙，使晶體管能進(jìn)一步縮小，并提高了晶體管的密度。
圖：納米級芯片晶體管示意圖納米級芯片還為設計提供了更大的靈活空間，讓芯片制造商能夠通過(guò)調整芯片的寬度來(lái)微調晶體管的性能和功耗。
而且，納米級芯片的制程越高，同樣面積所能容納的晶體管數量越多，芯片性能就越高。
比如，IBM的研究出的2納米制程的芯片，與7納米制程的芯片相比，其運算速度快45%，能效可提高75%。
據業(yè)內人士的分析，英特爾新建的兩家晶圓廠(chǎng)，在2025年投入生產(chǎn)時(shí)，工藝水平上可以量產(chǎn)20A及18A兩代工藝。
據英特爾方面說(shuō)，20A和18A是全球首個(gè)達到埃米級的芯片工藝，相當于其他芯片制造商的2納米、1.8納米工藝。
這也是為何英特爾躊躇滿(mǎn)志地預測，新工藝將會(huì )讓英特爾重新回到半導體領(lǐng)導者地位。
英特爾真能「彎道超車(chē)」嗎？通常來(lái)說(shuō)，納米級芯片的從研發(fā)到投入使用之間，會(huì )經(jīng)歷很長(cháng)的時(shí)間。就拿2納米芯片來(lái)說(shuō)，早在2014年，就有相關(guān)研究論文發(fā)表。到2016年，2納米的技術(shù)路線(xiàn)就開(kāi)始明確了。
2017年，IBM研究院展示了2納米技術(shù)的可行性。
2021年，IBM發(fā)布了全球首顆2納米制程的芯片。
而全球第一家宣布啟動(dòng)2納米工藝研發(fā)的代工廠(chǎng)——臺積電，預計于2025年才能實(shí)現2納米芯片的量產(chǎn)。
而且越是高制程芯片，研發(fā)越艱難，能參與的玩家就越少。
進(jìn)入10納米制程之后，全球半導體代工廠(chǎng)僅剩臺積電、三星和英特爾三家。
而在7納米制程之后，全球范圍內的競爭者就剩下臺積電和三星。
這是不是意味著(zhù)，英特爾掌握了1.8納米工藝，就可以重回行業(yè)老大的位置呢？這真不一定。
首先，各大廠(chǎng)商所說(shuō)的2納米、3納米的概念，其實(shí)是每個(gè)廠(chǎng)商根據自身的參數定義的制程概念。
以驍龍為例，三星用4納米工藝代工了驍龍8，結果功耗表現不盡如人意。
之后高通切換到了臺積電4納米工藝，驍龍8+的CPU及GPU能效提升了30%之多，差別很明顯。
所以，同樣是一個(gè)納米級別的芯片，性能可能差別很大。更何況，很多時(shí)候，先進(jìn)制程是芯片制造商的宣傳手段。
其次，目前半導電制造行業(yè)的老大，在先進(jìn)制程上跑得并不慢。
根據財經(jīng)十一人的資料，臺積電的研發(fā)投入基本在穩步上升，研發(fā)增速基本上每2到3年就會(huì )有一個(gè)高點(diǎn)，這與其進(jìn)入下一個(gè)制程的量產(chǎn)有關(guān)。
例如在2020年，臺積電的研發(fā)增速從2019年的8.91%一下子上升到27.59%，那一年臺積電計劃量產(chǎn)5納米工藝，并全面使用EUV。
最后，就算技術(shù)上領(lǐng)先了，率先量產(chǎn)了，不一定代表未來(lái)發(fā)展得好。在半導體行業(yè)，這一點(diǎn)尤為明顯。
因為先進(jìn)技術(shù)不是目的，用先進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)出可靠的產(chǎn)品才是目的。
正如很多半導體的業(yè)內人士所說(shuō)，「良率是關(guān)鍵」。
制程越先進(jìn)，光罩張數及工藝復雜度就越會(huì )顯著(zhù)升高，良率的提升就越難。
雖然技術(shù)、工藝、設備的革新，讓預測誰(shuí)能笑到最后，變成一件很難的事，但從產(chǎn)業(yè)的趨勢來(lái)看，擁有最長(cháng)代工歷史的臺積電，其優(yōu)勢沒(méi)那么容易被顛覆。
因為越往先進(jìn)制程走，就越不是一家或幾家企業(yè)能完成的，就需要更多全球產(chǎn)業(yè)鏈上下游的協(xié)作與配合才能實(shí)現。
目前，蘋(píng)果、AMD、NVIDIA及高通、聯(lián)發(fā)科等公司依然選擇臺積電工藝代工，那么，在未來(lái)相當長(cháng)的時(shí)間里，臺積電行業(yè)老大的位置，恐怕還能繼續坐下去。
參考資料：
https://www.theverge.com/2022/9/9/23344834/semiconductor-joe-biden-ohio-intel-gelsinger-chips-science-subsidies
https://www.cnbeta.com/articles/tech/1314921.htm
https://mp.weixin.qq.com/s/stmj2onYa-5PI81CkRHlgQ
http://www.engineering.org.cn/ch/10.1016/j.eng.2021.11.008
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