拿下最强光刻机,英特尔能反超台积电吗?

2020年10月,三星太子李在镕专门去了一趟荷兰,目的非常明确:跟阿斯麦高层见面,敦促对方赶快交付三星订购的9台EUV光刻机,好让三星追赶台积电。三个月后,李在镕被起诉“亲信门”贿赂罪,当庭入狱。

李在镕入狱前还魂牵梦绕的EUV光刻机,是制造半导体的关键设备。一般来说,EUV光刻机占整条半导体产线设备投资的25%,能够用光“雕刻”出更先进的芯片。台积电制程冠绝全球,离不开它拥有全球数量最多、最先进的EUV光刻机。

放眼全世界,只有阿斯麦能提供光刻机。以至于阿斯麦曾说:“如果我们交不出光刻机,摩尔定律就会停止。”

不过,在追逐台积电这件事上最积极和激进的,还不是三星,当属昔日霸主英特尔

英特尔新CEO基辛格上任以来,宣布将在美国、欧洲投资超过1000亿美金兴建晶圆代工厂,又收购以色列高塔半导体。今年1月,英特尔甚至截胡台积电,成功抢购第一台阿斯麦最新NA 0.55光刻机。更重量级的消息,是英特尔将开放授权x86架构,抢夺采取ARM架构的台积电客户。

过去一年以来,英特尔动作频频,就是要把台积电挑下马,重夺半导体制造霸主地位。磨刀霍霍的英特尔这回打得动台积电吗?

霸主的陨落

要回答打不打得过,首先得知道英特尔是怎么从山峰掉到山腰的。

2014年,英特尔如日中天,生产出当时世界最先进的14nm制程芯片。随着晶圆代工行业利润越来越高,英特尔开始加大晶圆代工业务的投入,在各大场合自诩晶体密度世界第一[1]。但没风光多久,英特尔就被台积电+AMD联盟赶超。

英特尔衰落的一切根源,就在于其坚持多年的IDM模式。

所谓IDM,是指半导体生产的三大核心环节:设计、制造和封测,全产业链自己一手包办的模式。这种模式优势是生产能力强,能够全方位执行自身战略,劣势是企业生产战线长,投资成本大。

模式的劣势,在英特尔内部的滴答钟摆式策略(tick-tock)上显现了出来。这个规划按两年为周期,第一年tick是对CPU制程工艺的更新,第二年在新制程基础上进行tock架构升级。从公司部门来看,设计部门负责制程更新的设计与规划,技术与制造部门(TMG)负责让制程落地。

一直到14nm阶段,tick-tock的节奏都还算紧凑。但在此时,TMG开始执着于提升芯片晶体的密度而非制程,于是出现了14nm+、14nm++、14nm+++业界奇葩现象,10nm量产却遥遥无期。

好好的tick-tock-tick-tock节奏,硬生生被整成了tick-tock-tock-tock。

TMG的卡壳,也导致原本应过渡10nm的各大业务产能,被迫集体挤在14nm。甚至逼得核心CPU产品部门对外公开喊话:“如果遇到紧急情况,会准备好外包部分制造业务,使用别人的代工厂。”

结果就是,忙于处理14nm产能大堵车的TMG,再也无余力研发10nm和7nm的制程工艺,英特尔的制程工艺进度从此落后。

与此同时,台积电开创了晶圆代工模式,All in 半导体三大核心中的制造环节,制程工艺开始超越英特尔。

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晶圆分工模式还拯救了英特尔的老对手AMD。在整个CPU市场,原本AMD在2016年被英特尔打得只剩四分之一市场份额[9],眼看台积电制程日益先进,AMD果断放弃IDM模式,卖掉自家格芯晶圆厂,投入台积电7nm的怀抱。

最终,AMD凭借台积电先进制程和市场性价比,在2021年的CPU市场回升到四成左右的市场份额[9]

面对落后的局面,英特尔并没坐以待毙。2020年,英特尔时任CEO斯旺把技术部门分权改组,同时推动废除IDM模式,要把半导体制造环节交给台积电代工,但还没真正实施就被赶了下台。

一年后,英特尔新任CEO基辛格上台,又是扩建产能又是开放架构抢客户,矛头直指台积电。

逆袭的底气

账面上看,英特尔作为纵横半导体50多年的老牌巨头,既有技术积累,又不乏资源优势。

从制程工艺来说,大部分人印象中,制程纳米数越小,代表工艺越先进。殊不知,真正衡量芯片制程工艺的核心指标,其实应看“逻辑晶体密度”——只有密度越高,产品才越先进。

即便英特尔在14nm不断挤牙膏,拖到2019年才量产10nm,而彼时台积电已经进入7nm制程,但如果把两者的逻辑晶体密度(单位:MTr/mm²)对比:英特尔100.8,台积电100,就会知道,英特尔10nm的技术水平与台积电7nm相当。

换句话说,TMG当年做的也不完全是无用功。英特尔的技术水平在行业还是顶尖,完全有追赶台积电可能。

资源方面,文章开头提到的开放x86是一步狠招。按照英特尔新成立的代工服务事业部(IFS)工程副总裁Bob Brennan的说法,这是“英特尔史上第一次将x86软核和硬核授权给想要开发芯片的客户[3]。”

简单说,x86是如今PC市场绝对主流的芯片架构标准,相当于微软Windows系统在电脑的地位。全球只有英特尔、AMD和台湾威盛拥有x86架构的授权。英特尔凭借这一架构,在所有CPU市场处于龙头的位置。

如今英特尔开放这张入场门票当然是有条件的:客户想要获得授权,设计出芯片后,要找英特尔晶圆部门代工。消息一旦落地,势必会对使用ARM架构的台积电三星订单带来影响。

相比于内因,更利好英特尔逆袭的,还得是它的美国户口。这为英特尔带来双重特殊待遇:核心客户和关键设备。

核心客户方面,美国政府在相关政策支持会给它带来更多本土客户。

比如,去年3月英特尔重回晶圆代工业务后,在7月就获得高通和亚马逊两大核心客户订单,形成典型的美国同盟[8]。一个月后,政府直接把国防部“快速保障微电子原型商业计划”(RAMP-C)第一阶段晶圆代工订单,交给了英特尔为首的美国公司。

关键设备方面,全球任何一家晶圆代工厂,在半导体制造的关键设备上,都不可能绕过美国:EUV光刻机唯一供货商阿斯麦接受美国长臂管辖;刻蚀机则被美国拉姆、应用材料把控;就连离子注入机也是美国维利安半导体的天下。

以阿斯麦为例,美国政府当年因为担心尖端技术落入外国公司,极力反对日本尼康加入EUV技术联盟。而当时只是小厂商的荷兰阿斯麦,不仅答应在美国建厂,还许下光刻机的美国零部件占比55%以上的承诺,才得以加入联盟。在资本层面,阿斯麦前三大股东都来自美国。

从这个角度来看,英特尔能得到最强EUV光刻机的优先供货权,并不是一件令人意外的事情。

相比之下,无论是台积电还是三星,与美国的关系就疏远了许多。

台积电虽然是被美国扶持起来的盟友,但其1987年创办以来,台积电只在1996年到美国华盛顿州建设过180nm制程的晶圆代工厂。直到2020年,在懂王多次威逼利诱下,才拍板在亚利桑那州兴建5nm晶圆厂。

早在2014年,英特尔70%的处理器和芯片组晶圆就已经产自美国晶圆厂[10],至今在美国本土建有超过10座代工厂,这还没计算投资千亿美金的超级工厂。去年6月,英特尔CEO基辛格似有所指地在美国政治媒体《POLITICO》刊文喊话:美国应该重点扶植像英特尔一样的美国本土芯片厂商,而不是只在美国设厂的外国企业[4]

至于三星就更不用多言了。如果说英特尔是亲儿子,台积电是干儿子,那么三星是直接的竞争对手。

去年,美国要求台积电三星等半导体企业,交出自己的客户名单、销售、采购和库存等核心机密信息,美其名曰要让芯片供应链变得更透明,实际上,“谁不听话就等着被制裁”的意味明显。业界甚至认为,美国有可能把这些资料转交给英特尔。

然而在这些优势的加持下,英特尔的反超并不像看上去那样板上钉钉,因为它还存在没解决的隐忧。

英特尔的隐忧

英特尔新CEO基辛格上任,释放出各种进击信号的同时,却也做了一件“不吸取历史经验教训”的事情:把前任想摒弃的IDM模式又搬了回来。

这个IDM2.0计划虽然会把部分先进产能外包给第三方代工厂,但英特尔会加强技术和研发路线,继续在内部完成大部分产品的生产。这也意味着,英特尔会坚持从设计、制造到封测三大环节的IDM模式。

这样一来,英特尔面临了两大隐忧:一方面,过去IDM的制程迭代慢的问题依然存在,另一方面,这个模式让它在全球的环境里“四处为敌”。

制程迭代方面,IDM意味着当它需要升级制程时,必须同步升级电路图、晶圆制造厂和封测厂,依然可能出现过去部门之间合作不畅的问题。

另外,从工序和成本上来看,IDM的这种“我全都要”,势必要比台积电的“专攻制造”要高出很多。要知道半导体迭代制程越先进,工艺难度越大,需要的核心设备也越贵。

以半导制造的核心设备刻蚀机为例:20nm工艺的步骤约1000道,刻蚀占55道工序;一旦进入7nm工艺,全部工序提高到1500道,刻蚀也需要增加到150道[5]。据IBS数据,一条5万片/月产能的产线,在28nm节点的设备投资额约39.5亿美金,而同样产能的7nm产线,则要花114.5亿美金[5]

可以说,IDM的模式决定了,这些牵一发动全身的巨大成本,都需要英特尔自己全部承担。

对比之下,台积电只专注晶圆代工,不需要迭代设计和封测环节,资本优势巨大,能在制程领先的道路上更快狂奔。在2021年,台积电资本支出达到300亿美金,营收更高的英特尔只有179亿美金。

总结来说,台积电之所以强大,是因为形成了先进制程技术-具备产品议价权-把所有利润投入更先进制程工艺-继续保持制程领先的正循环。

而坚持IDM模式的英特尔,在资本和技术的劣势下很难打得动台积电。

另一方面,IDM既做代工,又做产品竞争的模式,让英特尔在行业四处为敌,别人很难放心把产品交给它。

如果拉出英特尔这条多业务竞争战线,你会发现一个恐怖故事,英特尔在芯片领域有太多大佬级别的敌人。

在PC领域,AMD与英特尔缠斗20年;在AI芯片,虽然英特尔做集显,英伟达做独显,但同样是竞争对手;自动驾驶方面,英特尔则直接收了Mobileye;FPGA领域有赛灵思(现已被AMD收购);晶圆代工有最强者台积电……

台积电则完全是不同光景,它专门做晶圆制造,跟AMD、英伟达、高通等十几家顶级半导体企业都是老朋友,利益不仅不冲突,还高度一致,台积电轻松地被这些全球顶级公司一起供养了起来。

总之,台积电没有敌人,所有半导体公司都是它的客户,英特尔却相反,几乎所有的公司都是对手。要在这样的情况下重回巅峰,恐怕比提升制程还要困难数倍。

尾声

整个半导体制造行业有一个独特的特点:严重依赖工程师人才。本质上,一家晶圆代工企业的制程工艺实力,就是靠工程师的know-how积累而成的。

美国现在半导体制造领域的人才情况如何?答案是不容乐观。

1990年代,美国半导体企业进入了全球化垂直分工进程,尤其在台积电开创了晶圆分工模式后,以德州仪器、AMD等一大批半导体巨头纷纷退出晶圆制造环节,半导体制造产业重心开始迁移到以韩国和中国台湾为代表的亚洲地区。

外包的结果是专业工程师人才空心化。

美国半导体制造空心化后,优秀的年轻人就业首选,不是选择进入华尔街指点江山,就是到硅谷创业叱咤风云。

一个经典例子是,台积电去年宣布在美兴建亚利桑那州5nm代工厂后,要空运300名工程师进驻才能开展工作。与此同时,台积电在美国招聘数百工程师后,还要分批送到中国台湾回炉再造。

从半导体制造人才断层这点来看,中国和美国区别可能并不大。改开以来,由于对芯片产业的认识和重视不足,人们把注意力更多集中在下海经商、房地产、金融炒股上,而互联网虽属科技范畴,但“重模式、轻技术”、“重应用,轻研发”的特点,始终没有把此前的课补上来,直到华为被制裁。

半导体晶圆制造是一个靠工程师“堆”出来的行业。但现实始终很骨感:美国的精英都在华尔街,中国的人才全在陆家嘴。

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