愛伊米

英特爾晶片王朝崩盤,臺積電成為晶片一哥?

按照臺積電公開資訊推演,至少在接下來的五年內,英特爾趕上或超越臺積電的可能性幾乎為零。悲觀一點地說,甚至可能永遠追趕不上。

月落烏堤 |

7月24日,英特爾(Intel)釋出Q2財報,與營業額及淨利潤均同比超20%的漂亮相比,7nm製程工藝的一再跳票和推遲,則顯得格格不入。

由於7nm製程工藝中仍存在“缺陷”,導致了英特爾生產進度落後於其內部產品路線圖一年時間。此前英特爾原計劃採用7nm製程的晶片將在2021年底上市,現在看來,這一進度將至少會推遲到2022年的年中。

英特爾7nm製程再一次放了市場的“大鴿子”。

英特爾晶片王朝崩盤,臺積電成為晶片一哥?

兩天後,《華爾街日報》報道,英特爾考慮將其部分製造業務外包,使用其他企業的生產力,不必所有程式都親力親為。

本週一上午,中國臺灣《工商時報》稱,英特爾已與臺積電達成協議,明年將開始採用臺積電6nm製程量產18萬片處理器或繪圖晶片。受這一訊息影響,臺積電股票在開盤後迅速拉昇,到當地時間10點33分,已經上漲超過9%。

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臺積電一向不評論單一客戶接單及業務發展,英特爾亦表示不評論該市場傳言。但是,這並不能阻礙市場的熱情。

一路“奔騰”的江湖地位

1993年3月22日,英特爾正式對外發布了奔騰(Pentium)處理器,這是英特爾在品牌和命名上的第一次突破。這打破了此前英特爾釋出的四代微處理器均以純數字如386/486命名的方式,開始真正地建立起屬於英特爾的晶片王朝,也是從這一年開始,英特爾成為全球最大的半導體公司,並持續近數十年。

從市值上看,英特爾只被三星短暫地超越過,就很快又重新回到了全球第一的寶座。雖然在今天,英特爾已經被臺積電完全超越,在這場處理器製程的戰爭中,英特爾事實上已經被臺積電斬於馬下。但在過去幾十年中的大部分時間內,英特爾一直是全球最大的晶片製造商。

內部代號為P5的第一代奔騰(第五代x86)微處理器,採用了管線化(Pipe-Lined)的循序(In-Order)超純量(Superscalar)技術,並以0。8um製程製造;接著推出的是P54,是把P5縮小到0。6um製程;P54之後接著是P54C,使用0。35um製程,這一製程工藝,是全球第一款採用純粹的CMOS (互補式金氧半導體)技術的微處理器,相對於之前兩代奔騰處理器使用的Bipolar CMOS(雙極性電晶體和互補式金氧半導體)製程,P54C的整合程度更高、面積更小、電晶體數量更多,而且主頻更高,意味著其效能更為強大。

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初代奔騰系列微處理器

在P54C上,英特爾規劃了筆記本專用版,至此,英特爾初步在“奔騰”上,完成了桌上型電腦及筆記本的全面覆蓋佈局,在90年代初期,依靠這一戰略規劃,一舉奠定了英特爾的江湖地位。

那麼,為什麼採用0。8um製程、CMOS技術的P5核心,衍生的處理器成為當時最為優異的微處理器呢,併為英特爾的江山立下汗馬功勞,這我們就要回到“摩爾定律(Moore’s Law)”下的製程之爭。

製程戰爭推上桌面

半導體產業是誕生於美國的原創性技術,以IBM在1958年12月推出並量產的全電晶體式 RCA 501 微型計算機為代表,美國獨家掌握全球最領先的半導體工藝與智慧財產權長達六十年之久,產業鏈上下游都遵循 IBM(及其盟友)的研發節奏,推出新制程、新工藝的半導體產品,如微處理器等。

1965年4月19日,快捷半導體創始人之一、工程師摩爾在《電子學》雜誌(Electronics Magazine)發表了題為《讓積體電路填滿更多的元件》的論文,在文中,摩爾預測:

半導體晶片上整合的電晶體和電阻數量將每年增加一倍。

1968年7月16日,摩爾從快捷半導體辭職,以整合電子 (Integrated Electronics)之名,建立英特爾。三年後,推出了第一款名為i4004的產品,這顆處理器的問世,成為了推動“摩爾定律”前進的開端,即便他僅僅集成了2250個電晶體,採用的是4位、10um製程、每秒僅可處理92000條指令。

雖然其頻率只有108kHz,但是i4004的出現,代表了英特爾在產品技術上踐行創始人摩爾對技術的認識的步伐。

另一方面,英特爾在i4004的設計上,將積體電路劃分為RAM、ROM和CPU。i4004微處理器成為了全球第一顆真正意義的CPU,也就是說,他能用於通用計算機。同時,以RAM/ROM為代表的儲存器晶片,也成為了英特爾的另一塊重要業務,英特爾將半導體產業,分成了儲存器與處理器。

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另一個半導體巨頭TI(Texas Instruments,德州儀器)在1970年3月推出了第一個單晶片上完整的4位 ALU(算術邏輯單元) —— SN74181積體電路,這是TI在晶片上製造計算機的第一步。1971年7月,TI推出 TMS-0100微控制器,這是世界上第一個MCU(單晶片微控制器)。

這種晶片確實是一種“晶片上的計算機”,因為它在一塊矽上包含了計算機的所有功能。

不過,他們接下來的專案,和英特爾一樣,走向了微處理器的研發。在i4004樣品面世的三個月後,TI也推出了一款叫TMX 1795的微處理器,這是全球第一款8位的處理器,當他們將樣品交到客戶CTC(後改名為Datapoint)手上,以滿足他們需要針對設想的產品——可程式設計桌面終端來開發的8位 MOS 晶片,最終,TMX 1795被拒絕,TI隨後放棄了這顆微處理器,也就是說,TMX 1795從來沒有進行過商業銷售,

TI眼睜睜的將一個引領世界的機會,拱手讓給了英特爾。

同年11月,創造歷史的i4004正式銷售,半年後,英特爾的第一顆8位微處理器i8008推出,不過,i8008還是10um,但是整合的電晶體上升到了3500個,最高頻率提升到800kHz。

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1975年12月,摩爾在IEEE國際電子元件大會上,根據當時的實際情況對摩爾定律進行了修正,把“每年增加一倍”改為“每兩年增加一倍”,後來,摩爾定律更為讓人熟知的,是“每十八個月增加一倍”的說法。但1997年9月,摩爾在接受一次採訪時表示,他從來沒有說過“每18個月增加一倍”,而且SEMATECH路線圖跟隨24個月的週期。

也就是說,摩爾定律的定義歸納起來,主要有以下三各方面:

一、積體電路上可容納的電晶體數目,約每隔18個月便增加一倍;

二、微處理器的效能每隔18個月提高一倍,或價格下降一半;

三、相同價格所買的電腦,效能每隔18個月增加一倍。

由於電晶體的排列擺放可以近似於放在正方形之上,要使這個正方形面積縮小一半,電晶體的整合密度要成倍增長,就一定需要考慮到電晶體尺寸和麵積的關係,而密度和麵積是呈倒數的,電晶體尺寸變為1/sqrt(2)=1/1。414(根號二分之一),這樣計算面積平方相乘正好就是二分之一的面積,而根號二分之一≈0。7,≈0。7便成了“摩爾定律”中的一個比較神奇的數字。根據摩爾定律,製程節點將以≈0。7倍遞減逼近物理極限,從0。8 μ m、0。5 μ m、0。35 μ m、0。25 μ m、0 。18 μ m、0。13 μ m、90nm、65nm、45nm、32nm、22nm、16nm、10nm、7nm,一直髮展到未來的5nm、3nm都是如此。在正常演進節點中間,還出現一些最為常用的半節點製程,如28nm、20nm、14nm。

事實上從0。13um製程演進到90nm製程節點出現了一些針對製程節點定義的爭議。在此之前特徵尺寸基本上對應制程進展的物理長度,自65nm開始各廠商節點名稱的定義越來越模糊,已不能完全對應器件的物理尺寸。

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我們可以這麼理解:摩爾定律的核心,是處理器的製程、整合度和價格。

i8008釋出後兩年,i8080釋出,這顆採用6um製程的微處理器,和上代相比,進步了約10um的0。7倍。

之後的i8085、i80186、i80286、i80386,基本上都遵循了這個定律。

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奔騰的出現,將製程戰爭,真正的推到了桌面,而他最初的競爭對手,除了TI和IBM外,便是1987年成立的臺積電。可以說,臺積電與英特爾製程之戰,從臺積電的成立,就已經開始,這是IDM廠商與晶圓代工廠兩種形態的競爭。

“碾壓”中成長的臺積電與“群山計劃”

1987年,《美日半導體協定》生效一年,美國對日本電子產品如電腦徵收100%關稅,美日貿易戰打到頂峰。為承接美國主導下的半導體產業分工轉移,臺積電在中國臺灣工研院的投資下成立,除中國臺灣工研院之外,各大半導體巨頭中,只有飛利浦(Philips)一家向臺積電投資。

之後,藉助中國臺灣工研院投資1000萬美元的“RCA計劃(美國無線電公司(RCA)技術移轉授權計劃)”引入的技術、飛利浦的資金與臺積電創始人張忠謀的個人資源,臺積電用了一年的時間,從美國、日本及歐洲,買來了裝置,搭建了產線。

飛利浦的半導體部門,自然而然成為了臺積電最先的客戶。

後來,飛利浦半導體部門剝離出來,獨立成了兩家巨頭,一家就是專供光刻機裝置的ASML,另一家就是NXP (NXP Semiconductors,恩智浦)。

但飛利浦的訂單,怎麼能滿足臺積電的產能呢?雖然“晶圓代工廠”模式在當時的日本和美國都有公司在做,但是這些公司並沒有專門只做代工,而是將代工作為業務板塊之一,並沒有特別重視。包括臺積電一直的代工競爭對手聯電,也是在1995年前後才轉型為“晶圓代工廠”。

轉機,來自於美國當時“扶臺抑日”的政策,在半導體產業上游的設計、裝置、原料無法與日本、美國競爭的情況下,臺積電選擇了半導體產業鏈末端的製造。而美國所給予的支援,初期主要便是由英特爾提供,只不過英特爾沒有想到的是,自己在30年後,會被臺積電在製程上超越。

產線建立後的臺積電,製程只有3um和 2。5um兩種生產工藝,全年產能不到 7000 片、6吋晶圓,良率也不高,基本接不到大公司的晶圓訂單,整個臺積電在以虧損的狀態執行。

1988年,年輕的格魯夫接替摩爾成為了英特爾的CEO,張忠謀憑藉與格魯夫的私交,將格魯夫邀請到了臺積電,想讓英特爾救救虧損中的臺積電。

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此時的英特爾,正在進行斷臂求生的自救。在東芝(Toshiba)、尼康(Nikon)、日立(HITACHI)等日本半導體公司的競爭下,格魯夫對英特爾進行了大手術,砍掉了儲存器業務,向電腦處理器(CPU)業務轉型,集中力量“要做地表最強CPU”。

格魯夫在參觀完臺積電工廠後,發現臺積電的製程工藝比當時英特爾的落後兩代半,但格魯夫最終還是決定將一部分落後製程的生產任務給了臺積電,前提是要透過英特爾的認證。

格魯夫是個真正的朋友,英特爾是個嚴格的師傅,他們給臺積電制定了魔鬼檢測。在當時半導體制程工藝還僅有二百多道環節的情況下,格魯夫要求英特爾的工程師們至少要在臺積電的產線上,找出二百個問題。對於這種命令,英特爾的工程師們對每道工序要帶著“放大鏡”一個細節一個細節的去摳,而臺積電的工程師們,則面臨著前一個問題剛剛解決,下一個問題接踵而至。

最終,臺積電通過了英特爾的生產認證,這使得臺積電終於獲得了主流廠商的認可。

不過,此後的十餘年中,臺積電依舊是在英特爾主導的技術程序下生存。

1990年,臺積電突破6吋、1um製程,而英特爾的0.8um,在1985年的i80386上已經量產。

1993年,對於臺積電來說,是個製程急劇進步的一年,這一年,在英特爾的幫助下,臺積電實現了0。8um製程的量產,並逐步解決了0。6um的一些問題,突破了0。6um的重要技術,依附於英特爾技術支援的臺積電,不僅通過了英特爾關於ISO 9001的質量體系認證,依靠張忠謀的資源,獲得了TI的訂單。

1991年成立的博通(Broadcom)和1993年成立的英偉達(NVIDIA),成為了第一代無廠半導體公司的代表,他們藉助臺積電的工廠,開始生產不同於英特爾CPU的產品,並迅速成長為行業巨頭。1994年,臺積電獲得了剛剛在美股上市的ST(ST Microelectronics,意法半導體)的訂單,也是從這個時候開始,臺積電真正的成為無廠半導體公司們的“虛擬工廠”。

這一時期,無論是臺積電,還是三星,其發展的製程工藝技術,都是委身和依附於以IBM/英特爾為代表的美國公司之下,他們一方面要依靠美國公司的技術支援,另一方面,在半導體產業合併浪潮和2000年網際網路泡沫之前,半導體公司大多還在堅持IDM模式來進行發展,臺積電的製程,一定程度上會落後於IBM/英特爾,畢竟最新的技術,肯定是要自己優先使用。

1995年11月1日,奔騰Pro釋出,與奔騰Pro前後釋出的Windows95,與之構建了Win-Tel軟硬體聯盟,成為了個人電腦時代,最為強大的壁壘。

1997年1月8日,奔騰MMX釋出,這顆處理器,成為了奔騰I的絕唱,也是英特爾新制程的試驗品,他同時採用了0。6um與0。35um製程,最高頻率也飆升到了200MHz,整合的電晶體數量,達到了450萬個。

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1997年5月7日,英特爾推出基於全新核心架構“Klamath”的奔騰II,奔騰II的釋出,延續了英特爾在製程上的持續領先,全系0。35um製程,並開始匯入0。23um製程。

1998年是英特爾全面開花的一年。

首先,英特爾在1月19日釋出了基於“Deschutes”核心架構的奔騰II,啟用新系列命名,是為了完全的與上一年採用0。35um製程的“Klamath”區分開來,這一系列,全部採用0。25um製程,在131mm 的面積上,集成了750萬個電晶體。

其次,在6月29日,英特爾推出了全新的至強(Xeon)品牌,以替代之前的奔騰Pro,其目的是用於服務站,至強的推出,是英特爾進入專業伺服器處理器的前奏,在之後的日子裡,至強進過數代的迭代,成為了使用最為廣泛的伺服器處理器。直到今天,在全球主要的超級計算機中,除了中國的之外,幾乎都採用了至強的處理器。

8月15日,英特爾推出全新的、面向低端使用者的處理器品牌賽揚(Celeron),

至此,英特爾圍繞處理器,搭建了覆蓋低端市場、中高階市場、伺服器市場的產品佈局,藉助這一佈局,英特爾進一步擴大了自己的優勢。

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隨著Windows 98的釋出,Win-Tel聯盟的優勢進一步擴大,而英特爾在製程上對臺積電的優勢,隨著個人電腦的普及,形成了全面的碾壓。

受到碾壓的,除了臺積電,還有臺積電的兄弟們,比如英偉達。在這一年的3月,英偉達與臺積電達成全面戰略合作協議,英偉達將所有的圖形加速顯示介面卡交給臺積電生產,這一局面,直到2003年英偉達以IBM簽訂長期代工合約,才被打破。

這一年,臺積電終於實現了0。25um的量產,並將之用到英偉達推出的全新顯示卡RIVA TNT上。

為了擴大對晶圓代工廠的優勢,和縮小與IDM(尤其是與IBM及英特爾)的差距,臺積電在1998年開始實施醞釀了長達五年時間、名為“群山計劃”的戰略:

臺積電給5家使用先進製程的IDM廠商制定專屬的技術支撐計劃,來適應每家企業不同需求。

這一戰略實施的本質就是“先做技術服務、輔助技術升級、更新裝置產能,然後獲取訂單”。這五家IDM廠商包含了TI、ST、摩托羅拉、NXP等,都是當時並延續到現在的半導體巨頭公司。臺積電透過與他們的合作,打磨技術、降低成本、提高良率,讓自己成為IDM廠商的備用生產車間。而對於無廠半導體公司來說,臺積電本身就是他們的“虛擬工廠”。

這一戰略從1998年開始實施後,成為了後期臺積電獨立體系的基礎。

1999年2月26日,英特爾釋出奔騰III系列處理器,在最初的四款產品中,英特爾保守的選擇了0。25um製程。從奔騰III 500E開始,英特爾匯入了0。18um製程。

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同一時期,臺積電量產0。18um,這一製程最先用在了英偉達8月推出的GeForce 256,這是全球第一款真正意義上的GPU(Graphics Processing Unit,圖形處理器)。

0。18um製程的量產,是臺積電第一次與IDM廠商在製程數字上實現同步,不過其產能和良品率一直受到影響。而且,其技術仍舊是來自於IBM/英特爾主導的技術聯盟,

從一定程度上來說,現階段的臺積電依舊是作為IDM廠商技術的延伸,還不足以成為自身“製程之戰”的武器。

不過,這一情況很快會被改變,因為,臺積電打造的武器,正在形成。

英特爾不疾不徐,臺積電加速

1997年,IBM率先切入0。13um製程的研發,隨後,英特爾、TI也選擇進入新制程的競爭中去,如何在新制程的研發中獲得先機,成為了擺在臺積電面前最大的挑戰。

此時,被半導體業暱稱“蔣爸”的蔣尚義入職臺積電,這位半導體技術大牛,成為了臺積電0。13um突破的最重要的領導者。

1998年時,張忠謀表示:

“摩爾定律在過去30年相當有效,未來10到15年應依然適用。”

2000年,IBM率先將0。13um銅製程推向市場,IBM找到臺積電,試圖將該技術賣給臺積電,使臺積電繼續成為自己技術聯盟中的一員,繼續依附於自己的技術體系之中。

在透過一段時間的溝通後,臺積電以IBM的0。13um製程不成熟而婉拒,轉而進行自主研發0。13um製程。

0.13um製程之所以重要,是因為這一製程是第一個溝道長度小於用於光刻的波長的製程,而且也是摩爾定律演進的重要的跨度製程,從大於光刻光波長到小余光刻光波長。

恰恰在這個時候,網際網路泡沫破裂,無數網際網路公司破產倒閉。半導體產業也受到極大的波及,臺積電營收在這一年首次出現了下滑。不過,臺積電的“群山計劃”開始取得成效,此時的IDM廠商,搭建一條12吋、0。13um的產線需要25~30億美元,處在危機之中的IDM廠商們,切實感受到自建廠房的壓力,張忠謀的“群山計劃”,在幾年的持續操作下,得到了收穫,臺積電開始收穫IDM廠商的訂單。

另一方面,臺積電將3D電晶體技術(FinFET(Fin Field-Effect Transistor,鰭式場效應電晶體)和FD-SOI(Fully Depleted Silicon-on-Insular,全耗盡型絕緣上覆矽))的主要發明人胡正明聘任為CTO。這項技術,簡單說來就是把電晶體排布方式從原來的平鋪改為立體堆疊,使得單位面積內能容納的電晶體數量更高。

蔣尚義帶領的團隊,依靠胡正明的帶來的技術,迅速找到了0。13um製程的突破口。同時,以餘振華為核心的研發團隊在新制程的研發中,還引入了Low-K Dielectric(低介電質絕緣)技術,全新的0。13um系統單晶片(System-on-a-Chip,SoC)銅/低介電係數(Cu/Low-K Dielectric)製程技術在臺積電誕生。

這一技術,成為了臺積電發展史上最為重要契機,他使得臺積電第一次以IDM廠商在製程上並駕齊驅,而且重新將晶圓製造技術,定義為IBM/英特爾體系與臺積電體系。

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已升任臺積電COO的蔣尚義力排眾議,決定跳過0。15um製程,直接量產0。13um製程。

此後,在胡正明任CTO的三年多時間裡,臺積電形成了以胡正明為主導、蔣尚義為核心、餘振華為執行人的技術團隊,他們加速消化胡正明帶來的新技術,並不斷的在實驗室和量產過程中進行嘗試,以尋找更新的製程。

在摩爾定律的推動下,處理器在經歷了0。18um製程後,在2001年直接進入了0。13um製程時代。公開資料顯示,與0。18um製程相比,0。13um製程的氧化層可減少30%以上,工作電壓可達到更低,芯片面積更小,每塊晶片的成本變得更低,處理器/顯示晶片的競爭進入到最為激烈的時候。0。13um取代0。18um成為大勢所趨,而銅/低介電係數技術的引入,成為了晶片製造界歷史上一次重大的變革。

與臺積電取得的成就相比,英特爾的步驟,依舊走得不疾不徐。依靠前三代奔騰系列的熱賣,和賽揚、至強的佈局,以及好基友微軟的給力,英特爾世界第一的位置,根本無法撼動,即使在臺積電0。13um取得長足進步的時候,英特爾依舊按照自己的節奏,更新著奔騰系列。

奔騰IV系列,這顆英特爾歷史上,生命週期最長、產品序列最多、銷量最大的處理器誕生,自2000年11月20日推出,2001年1月3日發售,到2006年1月16日最後一個產品序列Pentium 4 HT 661推出並停止更新。

奔騰IV前後延續了至少5年,釋出了至少110顆不同型號的處理器,其製程橫跨了0。18um到65nm。既是英特爾在PC市場攻城拔寨的利器,也是英特爾在製程戰爭中持續領先的砝碼,同時也是英特爾新制程的試驗田。奔騰IV系列,是英特爾處理器發展史上的重要一環,是英特爾承上啟下快速發展的中堅力量。

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與Pentium 4 HT 661在2006年1月16日一同出現在釋出會上的,是英特爾全新架構的全新品牌:酷睿(Core),這個品牌名,本身就是“核心”的意思。

帶著65nm製程到來的酷睿,拉開了小余波長光製程新的戰爭。

2000年與蔣尚義同時來到臺積電的,還有一位真正的科學家,林本堅。

2002年全球晶片產業進入發展瓶頸期,摩爾定律也因此止步不前,如何從65nm製程,跨入到45nm,成為了阻擋在所有半導體廠商門口的攔路虎。

這一年7月,受比利時微電子中心(IMEC)負責人阿諾德(Bill Arnold)邀請,林本堅出席在比利時布魯塞爾(Brussels)舉行的157nm微影技術的研討會,林本堅在介紹“浸潤原理”的專題演講時,說了句“不得了,我找到了134nm波長的光波”,當大家聽到134nm波長的時候,157nm技術研討會,讓林本堅成為了主角。

此時的ASML依舊投入7億美元用來研發157nm光刻機,而英特爾的投入,超過了10億美元,加上尼康、佳能的投入,各大廠商在“卡殼”的157nm波長、45nm製程上,投入巨資仍不見成績。

林本堅回到中國臺灣後,在張忠謀及蔣尚義的支援下,開始了“浸潤原理”商業化的研究。尼康第一家宣佈加入193nm、透過浸潤原理,利用水1。44的折射率,實現193nm÷1。44≈134nm波長的“浸潤式光刻機(Immersion Lithography)專案”,隨後,ASML宣佈放棄157nm的研發,也加入到193nm浸潤式光刻機的行列。

2004年12月,日本半導體展(SEMICON Japan)開幕,臺積電正式推出已順利使用浸潤式光刻機生產的90nm晶片、並通過了相關的功能驗證。這臺浸潤式光刻機,便是臺積電與ASML聯合研發,由ASML生產的。

浸潤式光刻機技術的使用,是臺積電第一次在製程上實現領先。如果說,張忠謀奠定了臺積電前二十年的基礎,那麼,林本堅的浸潤原理,則使臺積電在接下來的二十年中保持領先。

FinFET技術與193nm浸潤式光刻機在臺積電的技術組合,使得“摩爾定律”得以續命,也使得製程得以繼續推進,“浸潤原理”得到了英特爾等半導體龍頭、裝置商採用,並順利跨入了45nm製程節點,這一解決方案,也成為了國際半導體藍圖架構成為主流。

英特爾晶片王朝崩盤,臺積電成為晶片一哥?

在臺積電的官網上,這麼介紹90nm製程:

“浸潤式曝光技術改寫了全球半導體產業的光刻機規格。此項創新不僅進一步強化臺積公司的技術領導地位,更協助全球半導體業突破摩爾定律的挑戰,得以繼續推進更先進的製程技術。”

一飛沖天的“夜鷹”

之後的故事就簡單多了。

臺積電在蔣尚義的主持下,在2005年實現了65nm製程的量產、2008年實現了45nm量產、2009年實現了40nm量產。

英特爾方面,也同樣不甘人後,並駕齊驅,臺積電的成就,並沒有掩蓋英特爾的光芒,英特爾世界第一的江湖地位,臺積電還不足以撼動。

而與臺積電、英特爾同時期的,三星、聯電及格芯的差距,在這一時期並沒有拉開。

在2009年臺積電量產40nm製程的時候,英特爾的32nm已經量產,在製程上,雖然使用的是同樣的技術,但是,英特爾無疑是領先臺積電一個代次的。

英特爾晶片王朝崩盤,臺積電成為晶片一哥?

真正的轉折點,是16nm/14nm製程,2011年英特爾選擇了發展14nm製程,而臺積電則選擇了16nm製程作為這一代次的演進技術。

最終,經歷三年的研發,英特爾在2014年實現了14nm製程量產,一年後,臺積電的16nm製程到來。

2014年,成為整個半導體行業的分水嶺。

一方面,英特爾進入到了發展的瓶頸期。

這一瓶頸的源頭,可以追溯到2007年實施的“Tick-Tock”戰略,即“工藝年-構架年”模式。

“Tick”代表製程工藝提升,而“Tock”代表工藝不變,晶片核心架構升級。一個“Tick-Tock”代表完整的晶片發展週期,耗時兩年。

按照Tick-tock節奏,英特爾可以跟上摩爾定律的演進,大約每24個月可以讓電晶體數量翻一倍。

這個節奏,在2014年的時候,隨著14nm製程的量產,遭遇到了最大的阻礙。隨後,英特爾調整這一戰略,宣佈實施“架構、製程、最佳化” (APO,Architecture Process Optimization)的三步走戰略,也就是說,英特爾的一個更新週期變成“一年作為架構升級、一年作為製程升級、一年作為最佳化升級”。這意味著英特爾新制程的推進,變成了每36個月,電晶體數量才會翻一倍。

英特爾晶片王朝崩盤,臺積電成為晶片一哥?

自2015年開始,英特爾在14nm製程節點上,已經停留超過4年時間,從Skylake核心(14nm)、Kaby Lake核心(14nm+)、CoffeeLake核心(14nm++),一直在更新14nm製程。原本其原計劃於2016年推出的10nm製程,經歷了多次推遲後,直到2019年年底才實現量產。

英特爾晶片王朝崩盤,臺積電成為晶片一哥?

另一方面,同樣在2014年,臺積電在張忠謀迴歸後,啟動了“夜鷹計劃”,其目的是為了在突破16nm製程後迅速進入10nm製程。為此,臺積電召集了近 400 位研發人員,輔以豐厚的報酬和優渥的條件,讓這些工程師按照24小時三班倒的工作節奏,進行新制程研發工作,最終,他們勝利了,臺積電解決了所遇到的技術挑戰,並在2017年實現10nm製程的量產,這一製程,最先應用到了iPhone 8上搭載的A11 Bionic晶片上。

臺積電終於實現了對英特爾在製程上的全面超越,而且,與新老對手三星、聯電也拉開了一定的差距。

2018年,臺積電率先推出7nm製程,可見臺積電會繼續按照摩爾定律,推進晶圓製造的製程升級。

2019年將極紫外光刻 (EUV) 技術的7nm+製程量產,2020年5nm量產。接下來還有3nm和2nm也宣佈取得突破。

而英特爾,則一再推遲新制程的釋出。

舊時代終結,新王誕生

2014年8月,一本名為《製造繁榮:美國為什麼需要製造業復興》的書籍出版,作者在書中問到,美國重振製造業背後的真實意圖是什麼?製造業對於美國經濟發展具有何種戰略意義?產業公地到底是什麼?美國到底應該以哪種方式支援製造業發展?這些問題,成為了對奧巴馬政府的“靈魂拷問”。

作者堅稱:“當一個國家失去製造能力,就意味著喪失了創新能力。”

在臺積電之前,大部分半導體公司都是自己設計晶片、自己建廠生產晶片的,這種就是所謂的IDM廠商,AMD、英特爾都是如此。不過,AMD在2009年剝離了CPU生產業務,成立了格芯(Global Founderies,GF),AMD變成了無廠半導體公司,主要靠格芯和臺積電代工 。

放眼到全球的半導體產業中,英特爾幾乎是唯一的自產自銷的半導體巨頭了,並且在22nm製程節點,就量產了3D FinFET電晶體技術,領先臺積電2年、1。5個代次的時間。

英特爾晶片王朝崩盤,臺積電成為晶片一哥?

但是IDM的模式代價也很大,那就是一旦工藝出問題,就會影響到一系列產品路線圖。

更重要的是IDM模式的成本越來越高,現在建造一座10萬晶圓月產能的10nm製程以下晶圓廠,投資是百億美元級別的。

英特爾投得起麼?投得起。

據統計,過去15年中英特爾在研發上一共花了1300多億美元,約合9118億人民幣。而在2020年,計劃投資是150億美元,除了7nm研發、生產之外,其中大頭還是投向了10nm製程。即便如此,英特爾在2020年,預計也只能量產10nm+製程,距離7nm製程,還有很遠。

有意思的是,在英特爾陷入製程困境的時候,臺積電已經在大規模的擴建工廠和進行先進製程的佈局,2020年量產5nm製程,產能已經被蘋果、海思等吃掉。2021年上半年,臺積電將進行3nm製程試產,2022年量產3nm製程,而且,其投資依舊維持在150億美元以上的高位,預計2021年更多。

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但是相比英特爾全流程的投資,150億對150億是不對等的,研發、建廠是臺積電的核心,英特爾則還要兼顧設計、封裝等流程。

2017年10月23日,臺積電舉行了成立30週年的盛大慶典,光刻機制造商ASML、IP授權商ARM、GPU巨頭英偉達、手機晶片巨頭高通、模擬晶片巨頭亞德諾、無線裝置晶片巨頭博通及蘋果的高層悉數到場,在各大半導體巨頭中,唯獨缺少了英特爾。

英特爾晶片王朝崩盤,臺積電成為晶片一哥?

圍繞臺積電“晶圓代工廠”為核心,集合了上游的裝置商、授權商以及下游的客戶,組成的聯盟,其牢固程度,似乎已經超過了Win-Tel聯盟,在移動網際網路時代及智慧手機時代到來後,英特爾似乎開始力不從心。

經過數十年的演變,半導體制造業從最初的“一覽包乾”的IDM模式,在1987年開始分割,其分割的標誌就是臺積電的建立,他重新定義了半導體產業,也開闢了基於“晶圓代工廠”的製造產業,和“無廠半導體公司”的設計產業。

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整合,分工,成為了這個行業最為顯著的特徵之一,從出席臺積電三十週年慶典的高層來看,這些龍頭公司們各自在自己細分領域內,依託自身的實力,將自身資源全部投入到最為核心的研發中去,然後相互配合、相互最佳化、相互信任,在數十年的演變中,不斷洗牌、更新和發展,形成了今天牢不可破的龐大產業。

當然,我們用不著為英特爾現在的落寞感到惋惜,即便在製程上落後,但是英特爾依舊是當今全球最強大的半導體公司,依舊是美國半導體的象徵,依舊在傳統電腦、伺服器等領域獨領風騷,而且在進入的安全領域、企業級業務中同樣領先於全世界大多數的公司。

不過,隨著美國政府“重振製造業”及“美國優先”的政策下,英特爾6nm製程、18萬片晶圓、近2000萬片處理器的訂單,有可能成為一個“孤單”。從英特爾一向的作風來看,雖不能說英特爾輸掉了這場起始於英特爾的製程戰爭,但是,英特爾又拿什麼來翻盤呢?

要知道,給臺積電站臺的大佬中,可能隨便一位的江湖地位都比英特爾差不了多少,更何況是7位。

英特爾晶片王朝崩盤,臺積電成為晶片一哥?

用彭博社的話來說,

英特爾先進製程委託給臺積電這一行為,預示著“一個由英特爾公司和美國主導世界半導體行業的時代的終結”。

而且,臺積電的其他客戶與英特爾有競爭關係,可能反對臺積電優先處理英特爾的訂單。如果英特爾未來繼續在自己生產晶片,那麼臺積電會不會為英特爾的訂單,進行擴大投資以滿足當下英特爾的訂單產能呢,我們不得而知。

按照摩爾定律,晶片製程的最小可以演進到0。1nm的物理極限,那麼,多年以後,晶片製程世界,還會翻天麼?

按照臺積電公開資訊推演,至少在接下來的五年內,英特爾趕上或超越臺積電的可能性幾乎為零。悲觀一點地說,甚至可能永遠追趕不上。

參考資料:

1、姚劍波,楊朝瓊,曾羽,龍奮傑 等著。《大資料叢書系列:大資料安全與隱私》。 成都:電子科技大學出版社, 2017。07。

2、韋亞一.《超大規模積體電路先進光刻理論與應用》.北京:科學出版社,2016。 06。

3、謝志峰,陳大明。《一本書看懂晶片產業:給未來科技人的入門指南》。中國臺北:早安財經,2019。09。