牙膏厂变天！英特尔10nm落后，7nm难产，「蓝色巨人」要靠「代工」谋生？

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  新智元报道  

来源：网络

编辑：小咸鱼 好困

【新智元导读】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。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，甚至可能永远追赶不上。

2025年，诸神之战。

 

2021年7月，已经落后许久的Intel公布了未来直到 2025 年的详细发展路线：10nm之后是Intel 7，接着是 Intel 4，Intel 3，Intel 20A， Intel 18A，直至Intel在 2025 年重登王座，夺回领先的制程地位。  

 

 

2021年10月，三星在其晶圆代工论坛2021上，宣布自己的芯片制程远景规划，将在2022 年上半年推出全新的3nm GAA（Gate-All-Around）工艺，在2025年，基于全新的GAA纳米片结构进化出的MBCFET（Multi-Bridge-Channel FET，多桥-通道场效应管）让2nm工艺量产。

 

 

同年十月，台积电在2021年第三季度的法说会上，透露了其技术目标。虽然没有公开具体的3nm及以下工艺的详细进展，但信心十足：「不评论竞争对手的技术蓝图，不过相信台积电持续拥有最具竞争力的技术乃至2纳米技术，可以相信至2025年，该技术的密度与效能将居领先」，「竞争对手」一词直指另外两家公司。

 

 

从45nm制程节点的14家企业，28nm淘汰三分之一，16nm（14nm）再降一半，如今，仍然还在10nm制程以下艰难攻关的，只剩Intel，三星，台积电这三家了。

 

但时至今日，三星，台积电双雄争霸，Intel每年依旧推出新晋的x86芯片，但似乎它芯片制造的声量越来越小了。

 

2014年是一个关键的节点，Intel率先迈入14nm节点，却没料到那是Intel最后的辉煌。

 

之后5年，Intel在14nm节点停滞不前，过了好几年，也只搞出14nm+，14nm++，10nm久攻不下，落下了一个「牙膏厂」的外号。

 

 

这个「蓝色巨人」曾经的辉煌是如何铸就的？为什么能第一个拿下14nm这一关键节点之争？

 

而它又是怎么样在短短几年从领先到落后的？

 

无人看好的代工业务

故事的开始，需要倒退回20世纪中叶。

 

1965年，仙童半导体创始人之一摩尔发表论文，文中预测：半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量将每年增加一倍，这是之后半导体工艺之争参照的依据。

 

 

1968年，摩尔从仙童半导体辞职后创建Intel。三年后，全球第一颗真正意义的CPU：i4004微处理器问世，集成2250个晶体管，采用10um制程。

 

1975年，摩尔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」。但后来，更为让人熟知的，是「每十八个月增加一倍」这个版本。

 

「每十八个月增加一倍」具体是什么意思呢？主要有以下三方面：

• 集成电路上容纳的晶体管数目，每隔18个月增加一倍；
• 相同处理器的性能每隔18个月价格下降一半；
• 相同价格所买的电脑，性能每隔18个月增加一倍。

 

 

根据摩尔定律，制程节点将以大约0.7倍递减，从0.8μm、0.5μm、0.35μm、0.25μm、0.18μm、0.13μm、90nm、65nm、45nm、32nm、22nm、16nm、10nm、7nm，一直发展到现在的5nm，未来的3nm都是如此。在正常「全」节点中间，还出现一些「半」节点制程，如28nm、20nm、14nm。

 

20世纪70年代，在加州理工学院担任教授的Carver Mead希望由一部分人来设计芯片，并让另一部分人去处理其余的事情，他认为这个想法可能有一个可行的业务。

 

 

Mead表示，自己曾经找到了包括Intel等各家公司的CEO，向他们解释为什么这是一笔好生意。然而，所有人都拒绝了。

 

原因很简单，这些公司想拥有这些芯片的设计。

 

不过，当他被邀请到台湾的工业技术研究所时，命运发生了转变。

 

Mead回忆说：「他们对此非常兴奋。那是在20世纪80年代初，台湾的目标是使其经济现代化。工业技术研究院的任务是支持制造业。台湾在设计、营销或销售先进的芯片方面没有太多的专业知识，但它在制造芯片方面越来越出色。」

 

当地政府请来了德州仪器的前高管Morris Chang，共同创办了一家专门生产其他公司芯片的代工厂。

 

于是，台积电在1987年成立了，资金来自政府和荷兰的飞利浦公司。

 

 

多年来，台积电吸引到了各种客户，甚至Intel也开始用台积电生产其一些不太知名的芯片。

 

台积电与Intel制程之争，从台积电的成立就已经开始，这是IDM（包括架构、硅技术、产品设计、软件、封装/组装/测试、制造的全部领域技术细节）厂商与晶圆代工厂两种形态的竞争。  

扭亏为盈

成立之初的台积电，制程只有3um和2.5um两种生产工艺，产能低，良率也不高，接不到大公司的订单，整个台积电处于亏损状态。

 

1988年，年轻的Intel的CEO格鲁夫造访台积电，最终台积电通过了Intel的生产认证，这使得台积电终于获得了主流厂商的认可。

 

1999年，从奔腾III 500E开始，Intel导入了0.18um制程。

 

 

而同一时期，台积电为全球第一款真正意义上的GPU（Graphics Processing Unit，图形处理器），英伟达的GeForce 256代工时，成功量产0.18um。0.18um制程的量产，是台积电第一次追上了Intel的制程。

 

 

新星诞生

21世纪初，台积电将3D晶体管技术FinFET（Fin Field-Effect Transistor，鳍式场效应晶体管）和Low-K Dielectric（低介电质绝缘）技术引入0.13um制程的攻关，成功开发出全新的0.13um系统单芯片（System-on-a-Chip，SoC）。

 

 

这一技术，成为了台积电发展史上最为重要契机，使得台积电第一次重新定义晶圆制造技术，并有了自己的台积电体系。

 

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，是所有半导体厂商面临的棘手问题。

 

林本坚回到中国台湾后，在张忠谋及蒋尚义的支持下，开始摸索「浸润原理」商用的研究。

 

最终，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，2005年，台积电实现65nm，2008年实现45nm，2009年实现了40nm。

 

 

台积电不仅仅在技术上突飞猛进，整个2000年代，台积电迅速崛起，收入也不断增加，使他们能够投资于更大、更先进的工厂。

 

台积电证明了代工业务不仅是可行的，而且是非常有利可图的。

 

很快，台积电开始追求苹果，此举最终将使这家台湾公司跃居领先地位。

 

苹果对台积电的芯片进行了几年的测试，然后在2015年的iPhone 6s中与三星的芯片进行对比。

 

 

在名义上三星是有优势的，相比于台积电的16nm制程，三星的14nm晶体管更小，理论上会比台积电的更有效率。

 

但在大多数情况下，事实并非如此。于是到了iPhone 7推出的时候，苹果就只采用台积电代工的芯片了。

 

台积电（左）和三星（右）在iPhone 6s Plus上的Geekbench电池测试

 

对于台积电在掌握低功耗处理器的技术方面的成功，其中部分原因是它在数百个不同的客户中完善了其技术。

 

加州大学伯克利分校教授、台积电前首席技术官Chenming Hu说：「当你有大量的代工客户时，这些客户的产品周期并不都是同步的。几乎任何时候你有一项新技术，你都会有一些客户愿意为它买单。」

 

那么，Intel呢？

 

曾经Intel也是取得过成功的，在大部分历史上反映了摩尔定律，远超竞争对手。在零几年左右，Intel世界第一的位置，台积电仍然不足以撼动。

 

然而，到了2014年，转折点出现了。此时，Intel实现了14nm制程量产，而台积电也在一年之后完成了16nm的制造。

 

 

自此之后，Intel便进入到了发展的瓶颈期。

 

由于无法再遵循2007年制定的「tick-tok」策略，Intel不得不宣布实施「架构、制程、优化」(APO，Architecture Process Optimization)的战略。

 

这也就意味着，Intel新制程的更新周期变成了，每36个月晶体管数量才会翻一倍。

 

2015年后，Intel在14nm制程节点上停留了超过4年时间，从Skylake（14nm）到Kaby Lake（14nm+）再到CoffeeLake（14nm++），一直在「缝缝补补」14nm制程。

 

 

另一方面，同样在2014年，台积电在张忠谋回归后，解决了所有的技术挑战，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。

 

 

自此，台积电终于实现了对Intel在制程上的全面超越，而且，与对手三星、联电也拉开了一定的差距。

 

近几年，各家公司也纷纷效仿苹果，开始设计自己的芯片，而不是购买Intel这样现成的产品。

 

随着台积电的领先，更多的公司将他们的设计送到台积电，这给了这家台湾公司更多的机会来完善其工艺。

 

今天，大约90%的顶级芯片是由台积电制造的，其余的由三星制造。

 

反观Intel，自2015年开始，就一再推迟新制程的发布，直到2019年年底才实现10nm的量产。

 

Intel这个曾经的行业巨头已经不再能与竞争对手持平，而是远远地落在了后面。

 

「开发新一代技术是非常困难的，」Chenming Hu说。「Intel在非常领先的技术方面落后于台积电和三星，或许可以追溯到Intel没有参与代工这件事上。」

 

不得不转型代工厂？

而Intel面临的真正的问题是，即便进入到代工业务之中，自己还能不能重新回到第一梯队？

 

对于半导体行业来说，能否取得成功在很大程度上依赖于规模。更多的销售意味着有更多的机会来完善你的工艺，而完善你的工艺有助于让你进入下一个节点。而这就是台积电的情况。

 

对于Intel和美国来说，拥抱代工模式代表了一个重大的转变。

 

历史上，美国的公司要么是作为设计和制造芯片的IDM公司，要么是作为将生产外包给另一家公司的无工厂设计者。其中一部分原因是计算机芯片的大部分利润来自于设计和销售，而不是制造它们。

 

加州州立大学蒙特雷湾分校创新和研究副主任Jennifer Kuan表示，台积电作为一个纯粹的晶圆厂的成功「在历史上几乎是反常的」。不仅如此，「台积电已经表明它是一项有利可图的业务，大多数人都没有想到会是这样。」

 

 

现在，Intel似乎正大张旗鼓地追逐代工业务，到目前为止，Intel经有了高通和AWS两个客户。

 

负责代工战略和规划的副总裁Klaus Schuegraf说，还有100家公司表示了兴趣。「这是一个很长的订单，他们来自各行各业。」 就目前而言，Intel似乎专注于高性能市场。「我们看到未来5年、10年的业务增长主要来自于前沿领域。」

 

不过，代工市场的真正挑战不是争取客户，甚至不是开发更好的技术，而是确保每个客户的需求得到满足。

 

乔治城大学的研究员Hunt说，台积电与众不同的一点是它「有能力满足广泛的客户需求」，特别是芯片设计公司的需求。而这一点Intel就没什么经验了。

 

而且，作为一个纯粹的代工厂，台积电的客户不必担心他们独特的设计元素会以某种方式泄漏到制造商自己的芯片上。

 

「当你与台积电交谈时，其中一个基本原则是客户的信任，」斯坦福大学教授H.-S. Philip Wong说，他曾经在2018-2020年期间领导台积电的研发工作。「这对他们来说和制造能力一样重要。」

 

在2013年的时候，Intel曾经试图建立自己的代工晶圆厂，然而五年之后还是宣告失败了。

 

不过似乎与上次不同，新的Intel代工服务是一个独立的业务部门，直接向Gelsinger报告，而客户也不用再担心他们的「秘方」会出现在其他芯片中。

 

今年早些时候，有传言说Intel正在与GlobalFoundries进行谈判，但到目前为止还没有任何实质进展。Maire说：「Intel之前的代工尝试的主要失败在于没有以客户为中心，也没有专注于为大量不同的客户制造这种大量的零件，而GlobalFoundries已经做到了这一点。」

 

Schuegraf承认，适应广泛的客户要求可能对Intel来说会是一个考验，因为Intel在历史上依赖于内部设计师和制造部门之间的紧密合作。

 

不过，至少Intel认为，自己是可以克服这些挑战的。

参考资料：

https://arstechnica.com/tech-policy/2021/10/intel-slipped-and-its-future-now-depends-on-making-everyone-elses-chips/

特别鸣谢「财经无忌」，本文在多处进行了引用：

https://zhuanlan.zhihu.com/p/165658828