企業(yè) 英特爾

半導(dǎo)體制程之爭(zhēng)烽煙再起，“中國(guó)芯”該如何反超？

汽車公社 2021-05-31 18:36

一直以來，業(yè)界普遍認(rèn)為3nm是摩爾定律的物理極限，也是芯片制程工藝領(lǐng)域的珠穆朗瑪峰。

為了突破芯片性能的天花板，并將摩爾定律延續(xù)下去，越來越多的芯片制造商不惜豪擲千金，持續(xù)加碼高精度芯片工藝，試圖在先進(jìn)工藝制程的研發(fā)上搶占新一輪的最高頂點(diǎn)。

或許，很多人還驚訝于臺(tái)積電在3nm工藝研發(fā)領(lǐng)域的巨額投資，或是對(duì)三星繞道過渡性的4nm、直接將5nm制程工藝上升至3nm而感到愕然。但是在最新的制程賽道上，許久沒冒泡的IBM卻向業(yè)界扔下一顆頗具殺傷力的“手榴彈”，炸得對(duì)手似乎有些措手不及。

最近幾年，臺(tái)積電和三星為了3nm工藝制程的量產(chǎn)明爭(zhēng)暗斗，緊鑼密鼓，沒想到卻被“韜光養(yǎng)晦”的IBM中途搶跑了。根據(jù)IBM的最新消息，該公司已在奧爾巴尼研究實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出業(yè)內(nèi)首個(gè)2nm制程芯片。雖然還停留在實(shí)驗(yàn)室階段，量產(chǎn)上市還需要幾年時(shí)間，但消息一出，迅速引爆輿論。

面對(duì)IBM的“挑釁”，臺(tái)積電哪里坐得住。

就在對(duì)手發(fā)布消息不到一周的時(shí)間里，臺(tái)積電就迫不及待地向全世界證實(shí)自己作為“老大哥”的硬實(shí)力。據(jù)悉，臺(tái)積電已突破1nm以下的工藝制程，宣布與臺(tái)大、MIT攜手研發(fā)出半導(dǎo)體新材料“鉍（Bi）”，能大幅降低電阻并提高傳輸電流。

在先進(jìn)制程的競(jìng)技賽里，搶跑的明星選手們被聚光燈照耀，可謂你追我趕，絲毫不敢懈怠。但是，巨頭之間的競(jìng)爭(zhēng)越是膠著，來自大陸的選手們似乎在制程賽道上有點(diǎn)跟不上了，“中國(guó)芯”的反超，依舊道阻且長(zhǎng)。

英特爾退，臺(tái)積電三星進(jìn)

去年7月的一次財(cái)報(bào)電話會(huì)議，時(shí)任英特爾首席執(zhí)行官的司睿博（Bob Swan）被咄咄逼人的分析師們搞得焦頭爛額。面對(duì)華爾街精英們一連串的犀利問題，他吞吞吐吐，不得不用冰冷低沉的聲音回答：

“我們的晶圓廠，可能趕不上了。公司正考慮使用承包商來制造7nm芯片，不排除這樣的情況，如果需要使用其他公司的工藝技術(shù)，我們將提前為此做好準(zhǔn)備?！?/p>

聽完這番話，幾乎每一位參會(huì)的業(yè)內(nèi)人士都在唏噓中發(fā)出同樣的感嘆：如今的英特爾，還是昔日睥睨一切的英特爾嗎？

那是英特爾的至暗時(shí)刻。

產(chǎn)品拖延，技術(shù)落后，就連公司內(nèi)部的工程師們，也很難確保這些困難只是暫時(shí)的。

作為美國(guó)制造業(yè)的一顆明珠、乃至二十世紀(jì)美國(guó)資本神話的關(guān)鍵組成部分，輝煌時(shí)期的英特爾一度只生產(chǎn)技術(shù)最復(fù)雜、利潤(rùn)最高的部件，但時(shí)至今日，司睿博傳遞的信息不僅與公司傳統(tǒng)背道而馳，還讓外界對(duì)美國(guó)在高端制造業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)地位產(chǎn)生了懷疑。

在英特爾內(nèi)部，司睿博更擅長(zhǎng)財(cái)務(wù)，在前任柯再奇（Brian Krzanich）引咎辭職以后，時(shí)任首席財(cái)務(wù)官的他臨危受命，填補(bǔ)了柯再奇留下的領(lǐng)袖空白。但就在司睿博掌舵的這三年，英特爾在產(chǎn)品和經(jīng)營(yíng)上接連遭受暴擊，特別是先進(jìn)制程多次延遲，設(shè)計(jì)和架構(gòu)方面問題頻出，被臺(tái)積電和三星等對(duì)手狠狠地甩在了后面。

半導(dǎo)體芯片主要有三類運(yùn)作模式。

第一類是IDM（Integrated Device Manufacture），可以集芯片設(shè)計(jì)、芯片制造、芯片封裝和測(cè)試等多個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)于一身，以三星、英特爾德國(guó)企業(yè)為代表；第二類是Fabless，只負(fù)責(zé)芯片的電路設(shè)計(jì)與銷售，將生產(chǎn)、測(cè)試、封裝等環(huán)節(jié)外包，以聯(lián)發(fā)科、博通為代表；第三類是Foundry（代工廠），只負(fù)責(zé)制造、封裝或測(cè)試的其中一個(gè)環(huán)節(jié)，最典型的是臺(tái)積電和聯(lián)華電子。

英特爾是IDM模式的擁躉，自成一體，擁有包括設(shè)計(jì)、制造、封裝以及銷售在內(nèi)的完整產(chǎn)業(yè)鏈，幾乎所有產(chǎn)業(yè)鏈的制造環(huán)節(jié)都能拽在手里自己干。英特爾叱咤江湖五十余載，IDM無疑是一把利劍，目前也僅有三星和德州儀器這樣的芯片巨頭能hold住全產(chǎn)業(yè)鏈的業(yè)務(wù)流程。

只是，成也蕭何，敗也蕭何。

IDM模式自有其弊端。

一是，那些采用IDM模式的公司往往需要兼顧整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈條，既要搞好芯片設(shè)計(jì)，又要為工藝研發(fā)頭疼，還要考慮產(chǎn)品制造等一堆事情，很難專注于研發(fā)制程，容易在制程方面“掉鏈子”。

就在去年，英特爾先是延期了7nm制程芯片的發(fā)布時(shí)間，把上市日期往后推延了足足半年，最早或于2022年面市，也有可能被延后至2023年。主要原因，正是7nm制程出現(xiàn)了缺陷，良率不及預(yù)期，實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)度要比公司內(nèi)部的路線圖落后了一年。

二是，以英特爾為代表的的IDM們，不得不扛下公司規(guī)模龐大、管理和運(yùn)營(yíng)成本高昂以及資本回報(bào)率低下等先天硬傷，而這些硬傷，又在英特爾這樣的領(lǐng)頭羊身上被放大，最終導(dǎo)致大象難轉(zhuǎn)身，大船難調(diào)頭。

三是，近幾年的芯片行業(yè)分工越來越細(xì)，代工模式日漸吃香，英特爾的市場(chǎng)也不斷被臺(tái)積電為首的代工廠慢慢蠶食。就在英特爾對(duì)外宣布7nm制程工藝按下“慢進(jìn)鍵”的同時(shí)，該公司也曾無奈地表示，作為緊急應(yīng)變方案，他們已準(zhǔn)備外包部分芯片制造的Plan B，使用其它企業(yè)的晶圓代工廠。

制程之爭(zhēng)，烽煙再起

早在一年前，三星就宣布其成功攻克了3nm工藝制程的關(guān)鍵技術(shù)GAAFET（環(huán)繞柵極晶體管），一直到今年3月的IEEE ISSCC國(guó)際固態(tài)電路大會(huì)，該公司才對(duì)外展示了一顆采用3nm工藝制造的最新芯片，并首次對(duì)外分享了在3nm GAE MBCEFET芯片研發(fā)方面的諸多細(xì)節(jié)。

目前，GAAFET技術(shù)可以分為兩種類型，一種是傳統(tǒng)的常規(guī)GAAFET，使用納米線作為晶體管的鰭片（fin），另一種是MBCFET（多橋溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管），使用的鰭片更厚更寬。

一直以來，三星在7nm、5nm先進(jìn)制程工藝上都落后于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手臺(tái)積電，所以該公司對(duì)于3nm制程工藝可謂寄予厚望，迫切希望能通過3nm制程實(shí)現(xiàn)對(duì)臺(tái)積電的技術(shù)反超。

當(dāng)然，對(duì)于三星來說，這顆3nm SRAM芯片也是意義非凡，它不僅代表了3nm制程工藝最新落地的里程碑，還采用了GAAFET的MBCFET技術(shù)，在晶體管結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了新的突破。根據(jù)三星電子副總裁Taejoong Song傳遞的信息，新的芯片具有“高速度、低功耗和小面積”的優(yōu)勢(shì)，容量為256Mb（32MB），面積為56平方毫米。

值得一提的是，臺(tái)積電和三星在7nm制程以前均采用FinFET技術(shù)（鰭式場(chǎng)效晶體管），但是從5nm制程開始，F(xiàn)inFET工藝極限的瓶頸就逐漸顯現(xiàn)出來。在3nm制程芯片的實(shí)現(xiàn)路徑上，三星決定用MBCFEF替代傳統(tǒng)的FinFET，預(yù)計(jì)于明年量產(chǎn)，但臺(tái)積電卻依舊堅(jiān)持FinFET技術(shù)，對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，暫定于今年下半年投入試產(chǎn)，計(jì)劃于明年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

臺(tái)積電和三星還在為3nm制程廝殺激烈，這幾年悶聲不吭的IBM卻在今年5月突然放了個(gè)大招，發(fā)布了2nm芯片制程技術(shù)。消息一出，業(yè)界嘩然，很多人至今似乎還無法相信，世界上首個(gè)2nm制程芯片，竟然是默默無聞的IBM最先發(fā)布的！

按照IBM的幾組數(shù)據(jù)指標(biāo)，其2nm制程工藝與當(dāng)下較為先進(jìn)的7nm相比，性能將提升45%，功耗降幅則高達(dá)75%。

最新技術(shù)能在指甲蓋大小（約150mm）的芯片上安裝500億個(gè)晶體管，高于2017年該公司官宣5nm時(shí)突破的300億，與此同時(shí)，也是臺(tái)積電5nm的兩倍。IBM甚至聲稱，這項(xiàng)最新的制程技術(shù)可將手機(jī)電池壽命支撐到現(xiàn)有的四倍，在未來，手機(jī)只需要一次充滿電，就可以使用整整四天的時(shí)間。

從晶體管峰值密度來說，IBM最新發(fā)布的3nm制程約為每平方毫米3.33億晶體管（MTr/mm2），而橫向?qū)Ρ?，目前臺(tái)積電3nm制程工藝的預(yù)估邏輯密度峰值也僅有每平方毫米2.92億晶體管。

如果一切順利，IBM的2nm制程工藝有望在2023年下半年開始風(fēng)險(xiǎn)性試產(chǎn)，最快將在2024年進(jìn)入量產(chǎn)階段。值得一提的是，2024年也是臺(tái)積電2nm工藝芯片預(yù)估量產(chǎn)的時(shí)間，該公司預(yù)計(jì)其2nm工藝芯片能在2023年達(dá)到90%的良率，如若一切順利，最快將于2024年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

可以看出，雖然臺(tái)積電目前已超越英特爾和三星，成為全球市值最大的半導(dǎo)體公司，并穩(wěn)坐全球最大芯片代工廠的寶座，但其對(duì)于先進(jìn)制程的焦慮卻始終存在。要知道，成立至今三十余年，臺(tái)積電在很長(zhǎng)一段時(shí)間里都保持著對(duì)先進(jìn)制程的絕對(duì)領(lǐng)先，而其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手也在大浪淘沙里逐漸分化，最大的敵人早已不是昔日的聯(lián)電，而是英特爾與三星。

面對(duì)IBM和三星的制程野心，臺(tái)積電終于還是坐不住了。IBM前腳才剛剛官宣2nm制程研發(fā)成功，臺(tái)積電后腳就在相關(guān)領(lǐng)域有了最新動(dòng)作，高調(diào)宣布與臺(tái)灣大學(xué)和麻省理工大學(xué)共同發(fā)表了研發(fā)成果，并反復(fù)強(qiáng)調(diào)自己能利用半金屬鉍（Bi）作為二維材料的接觸電極，在1nm以下制程方面取得了巨大突破。

中芯國(guó)際道阻且長(zhǎng)

雖然IBM已經(jīng)發(fā)布了2nm制程技術(shù)，臺(tái)積電也對(duì)外公布將用1nm先進(jìn)制程挑戰(zhàn)摩爾定律的物理極限，但這些并沒有經(jīng)過量產(chǎn)驗(yàn)證。從制程工藝上看，目前全球最先進(jìn)的芯片工藝是5nm，但只有臺(tái)積電和三星能生產(chǎn)制造。

在中國(guó)大陸的芯片制造商里，技術(shù)最先進(jìn)的廠商是中芯國(guó)際，該公司也是目前國(guó)內(nèi)首屈一指的晶圓代工龍頭，甚至被稱作大陸地區(qū)芯片界的“希望”。但值得一提的是，該公司現(xiàn)階段最先進(jìn)、最成熟的工藝制程也僅停留在14nm。

也是在最近，中芯國(guó)際發(fā)布了最新財(cái)季的財(cái)報(bào)結(jié)算。數(shù)據(jù)顯示，中芯國(guó)際第一季度的營(yíng)業(yè)收入為11億美元（折合人民幣約71億元），同比增長(zhǎng)22%，凈利潤(rùn)為1.589億美元（折合人民幣約10.25億元），相比去年同期上升幅度高達(dá)126%，遠(yuǎn)超市場(chǎng)預(yù)期。

但是，從從工藝制程來看，55/56mm依舊是中芯國(guó)際最主要的營(yíng)收來源，占比高達(dá)32.8%，緊隨其后的是0.15/0.18微米，占比30.3%。

橫向?qū)Ρ?，先進(jìn)制程工藝14/28納米并不是該公司的營(yíng)收主力，占比雖然和去年同期的5%有所增加，但也只有6.9%的貢獻(xiàn)比例而已。這也意味著，即使是在5nm制程已經(jīng)被大規(guī)模量產(chǎn)的當(dāng)下，作為我國(guó)的芯片制造大廠，中芯國(guó)際的制程依舊還是以成熟工藝為主，先進(jìn)工藝的營(yíng)收依舊占據(jù)極小的比例。

臺(tái)積電的情況則相反。

這幾年，臺(tái)積電依靠先進(jìn)制程賺得盆滿缽滿，僅看今年第一季度的營(yíng)業(yè)收入，5nm工藝制程的占比就有14%，7nm的占比更是高達(dá)35%?？傮w看來，臺(tái)積電在落后工藝方面的營(yíng)收占比并不高，其高端產(chǎn)品在市場(chǎng)上也被客戶廣泛認(rèn)可。

由此可見，無論是技術(shù)還是市場(chǎng)，營(yíng)收或是利潤(rùn)，中芯國(guó)際與臺(tái)積電等競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手依舊有不小的差距。要知道，臺(tái)積電等大廠依靠先進(jìn)工藝賺錢，利潤(rùn)率自然也更高。

中芯國(guó)際成立于2000年，在過去的二十年時(shí)間里，這家大陸的巨頭一直在制程賽道上追趕臺(tái)積電。但是，想要追趕，談何容易。直到現(xiàn)在，昔日的“老大哥”英特爾都沒能將原屬自己的霸主之位重新?lián)尰貋?，遑論后起之秀中芯?guó)際。

瓶頸究竟在哪？

除了技術(shù)，還有設(shè)備。

因?yàn)橹忻蕾Q(mào)易戰(zhàn)的持續(xù)發(fā)酵，美國(guó)方面切斷了中芯國(guó)際與荷蘭ASML頂級(jí)光刻機(jī)的商業(yè)來往，但是先進(jìn)制程的加工卻少不了光刻機(jī)。

值得一提的是，無論是技術(shù)深度還是設(shè)備精度，國(guó)產(chǎn)的光刻機(jī)都和海外對(duì)手有相當(dāng)大的差距，中芯國(guó)際首席執(zhí)行官趙海軍也曾坦言，國(guó)內(nèi)光刻機(jī)的整體水平要落后荷蘭約20年時(shí)間，這是一道很難在短期內(nèi)迎頭趕上的實(shí)力鴻溝。