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铸造战开始

英特尔重新进入市场,在设备和新晶圆厂方面投入巨资,使竞争进入了高速发展阶段。

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领先的代工厂商正在加紧准备一场新的、高风险的支出和技术竞赛,为整个半导体制造领域可能发生的变革做好准备。

今年3月,英特尔重新进入代工领域,与三星和台积电(TSMC)展开竞争,并与众多在旧节点工作的代工企业展开竞争。英特尔宣布计划在2021年新建两座晶圆厂,资本支出预算为200亿美元。

本月早些时候,台积电做出回应,加大赌注,将资本支出预算增至300亿美元,高于此前预计的280亿美元。台积电计划在未来三年总共投入1000亿美元。台积电、三星和其他公司也在建造新的晶圆厂。这些公告让人想起十多年前的一些事件,当时代工厂参与资本支出、晶圆厂和技术竞赛,以获得领先地位。和过去一样,由于技术挑战和市场不确定性,目前尚不清楚是否所有供应商都会兑现当前的承诺。

代工市场是一个庞大但分散的市场,大约有二十多家供应商在几个技术领域竞争。前沿领域尤其活跃,代工厂为外部客户生产世界上最先进的芯片,如fpga和处理器。

十年前,只有六家领先的代工供应商。但随着fab和技术成本的不断攀升,这一领域经历了一次洗牌。目前,三星和台积电是仅有的两家能够提供最先进逻辑节点工艺的代工厂商,即7nm和5nm,研发3nm。

一段时间以来,人们一直希望市场上有更多尖端供应商,以具有竞争力的价格提供更多选择。今天尤其如此,强劲的需求在某些情况下导致了产能短缺。每个节点的晶圆价格都在上涨。更糟糕的是,正在进行的美中贸易战加剧了台湾的紧张局势,而目前大多数领先的工艺技术都位于台湾。任何中断都会对技术的获取产生重大影响。

英特尔重新进入代工业务可能会填补一个空白,但它还有很多需要证明。回到2010年,当英特尔最初进入代工业务时,它未能执行。8年后,它退出了市场。当时,英特尔的10nm制程也遭遇了几次延迟,导致其技术领先地位输给了台积电和三星。

今天,在新领导层的领导下,英特尔承诺将缩小自己芯片的技术差距,并成为更具竞争力的代工供应商。然而,它面临着一场艰苦的战斗。“我在很多方面都持怀疑态度。首先,它们落后于台积电。首要任务是赶上台积电,这不是一件容易的事,也不是有保证的事。英特尔要想赶上他们,台积电几乎必须失手,否则英特尔就得花更多的钱,这两种情况都很困难," Semiconductor Advisors总裁Robert Maire表示。“你当然希望有三家(领先的代工供应商)。英特尔的潜力。在未来两三年内,这种情况不会发生任何改变。问题是四五年之后。 It’s hard to say if they can execute or not. It’s a very tall order.”

显然,行业需要密切关注市场。以下是最新的一些事件:

  • 分析师称,英特尔的新代工部门将提供22纳米制程,也可能提供14纳米制程。英特尔可能会提供7nm芯片,但要到2023年才会上市。
  • 台积电继续在台湾建造新的工厂。台积电也计划在美国建造一个新的前沿工厂,但它也是仔细考虑计划在那里开发更大的设施。
  • 三星和其他公司计划建造新的晶圆厂。
  • 所有铸造厂都在投资先进的包装,其可以提供比单独扩大的更好的功率/性能改进。


图1:代工收入和市场份额。来源:TrendForce

铸造洗牌
IBS首席执行官韩德尔·琼斯表示,受人工智能、汽车、移动设备、服务器和其他产品需求的推动,全球代工市场预计将从2020年的779亿美元增长到2021年的917亿美元。

多年来,代工厂商为模拟、CMOS图像传感器、复合半导体、逻辑、MEMS和RF等多个不同技术市场的客户提供了第三方制造服务。

对于每个市场,晶圆厂都开发一种工艺技术,在晶圆厂“指的是用于创建集成电路的一系列步骤”,技术网站“维基芯片”(WikiChip)的戴维·肖尔(David Schor)解释说。

GlobalFoundries、三星、中芯国际、台积电和联华电子等多家厂商在许多技术领域提供代工服务。大多数都专攻一到几个领域。

1987年,当台积电还是一家不知名的公司,为外部公司提供芯片制造服务时,纯代工行业应运而生。其他代工厂商也很快跟进。

当时,大多数IC供应商都是集成设备制造商(IDMs),并在自己的晶圆厂生产芯片。当时,IDMs解雇了技术落后的代工厂。

即使在当时,领先的工艺技术市场竞争激烈。idm和落后的代工厂试图跟上摩尔定律的步伐,每18到24个月将晶体管密度加倍。由于芯片由大量的晶体管组成,这些晶体管充当设备的开关,18到24个月的节奏或节点需要一种新的处理技术,具有更大的晶体管密度。

在每个节点上,芯片制造商将把晶体管规格放大0.7倍,使行业在同等功率的情况下实现40%的性能提升,并减少50%的面积。这反过来又使集成电路制造商能够在设备上封装更多的晶体管,以更低的成本生产出功能更多功能的新电子产品。

根据IBS的数据,2001年,有18家芯片制造商的晶圆厂可以加工130nm芯片,这是当时的领先工艺。当时,几家晶圆厂主要在晶圆厂的成熟节点为其他晶圆厂生产芯片。代工厂也为无晶圆厂设计公司制造芯片。

到2010年,工厂和工艺成本上升。由于负担不起成本,许多idm转向了“晶圆精简型”模式。他们在自己的晶圆厂生产一些芯片,同时将一些生产外包给代工厂。许多idm继续在自己的晶圆厂生产设备,而一些idm没有晶圆厂或退出该业务。

下一个大变化发生在20nm节点,当传统平面晶体管失去动力时。平面晶体管仍然用于28nm/22nm及以上的芯片中,但该行业需要一种新的解决方案。

这就是为什么英特尔在2011年介绍了22nm的Finfet.刚寿三年后,以16nm / 14nm的Finfets。


图2:FinFET与planar。来源:林的研究

FinFETs提供比平面晶体管更好的性能和更低的静电泄漏。“与以前的平面晶体管相比,鳍片的三面与栅极接触,提供了更好的控制鳍片内部形成的通道,”哈佛大学项目主管Nerissa Draeger说林的研究

但是finfet也很难在每个节点上制造和扩展。正因为如此,工艺研发成本飞涨。所以现在一个完全缩放的淋巴结的周期已经从18个月延长到30个月或更长。

尽管如此,随着finfet的引入,英特尔扩大了其在微处理器市场和工艺技术上的领先地位。为了利用这一技术进入新的市场,英特尔在2010/2011年进入了代工业务。

这家公司取得了一些成功。当时,英特尔基于其22nm finFET工艺从不同供应商那里生产fpga。后来,英特尔生产了Altera的14nm fpga。(2015年,英特尔收购了Altera。)

当时台积电仍然主导着代工市场,而GlobalFoundries、三星、中芯国际、联电和其他厂商仍然是一股强大的力量。英特尔的代工市场份额很小,但由于其技术领先地位,这对英特尔构成了真正的威胁。

2016年发生变化,英特尔首次推出其10nm FinFET过程。该公司遇到了10nm的几个延误,最后根据2019年的技术发货 - 超过两年后比预期的价格。

”该公司试图设计10纳米制造过程(a)目标,试图同时定制IDM的过程,使过程通用支持异构产品路线图和羽翼未丰的铸造业务,”马修·拉姆齐说,考恩的分析师在最近的一份报告中。“简而言之,这导致了10nm的混乱。”

然后,在2018年,台积电推出了世界上第一个7nm finFET工艺。后来,三星推出了7nm芯片。(英特尔的10nm芯片相当于代工厂生产的7nm芯片。)

这很重要,原因有几个。代工厂现在向英特尔的芯片竞争对手提供7nm和5nm制程。因此,英特尔的竞争对手突然在工艺技术上占了上风。

2018年是关键的一年还有其他原因。芯片制造成本继续上升,但回报值得怀疑。因此,GlobalFoundries和联华电子在2018年停止了各自的7纳米研发。这两家公司在16nm/14nm市场仍很活跃。

此外,2018年或Thereabouts左右,英特尔或多或少地退出了铸造业务。“他们失败的原因是因为他们没有成为铸造的心态,”半导体顾问的Maire说。“他们是一个idm,也许他们有点傲慢。他们没有瞄准客户服务驱动。你需要铸造业务的不同心态。“

英特尔会怎么做?
同时,铸造市场具有新的挑战。例如,从2021年开始,汽车芯片短缺。汽车芯片短缺主要涉及在较旧的200mm和300mm Fab的成熟过程中产生的装置。

目前,200mm fab产能紧张。高德纳(Gartner)分析师塞缪尔•王(Samuel Wang)表示:“总体而言,200毫米口径弹药短缺的时间比预期要长得多。”“晶圆代工厂将自20年第三季度以来第三次提高晶圆价格。今天,无晶圆厂公司正在与代工厂谈判,以确保2022年晶圆分配。”

这是一幅复杂的前沿图景。“自3Q20以来,7nm和5nm芯片一直没有短缺。那时,苹果将晶圆的使用从7纳米提升到5纳米。三星的8纳米节点出现了短缺,这给英伟达和高通带来了问题。”

然后,在地缘政治方面,美中贸易战没有显示出缓和的迹象,亚太地区的局势仍然紧张,尤其是在台湾。

情况很复杂。台湾是一个自治的实体,与中国没有政治联系。然而,中国声称台湾是其领土的一部分,并希望有一天与台湾重新统一。任何外部对台湾政治事务的干涉都被视为对北京的威胁。

最近,中国加强了在台湾周边的军事演习,尽管没有迹象表明即将发动攻击。如果发生这种情况,美国理应保卫台湾。这些都是假设。

这些因素以及其他一些因素促使许多人重新审视芯片供应链。据美国半导体工业协会(SIA)的数据,台积电生产的尖端芯片占全球的92%,其所有的先进晶圆厂都在台湾。

因此SIA敦促美国政府为在美国发展先进晶圆厂提供资金。IBS的Jones表示,"晶圆厂产能短缺和对过度依赖亚洲的担忧,是美国扩大晶圆厂产能的两大关键驱动力。"

台积电将保留大部分在台湾的晶圆厂。据IC Insights称,2020年,台积电在台湾台南开设了一家新厂的前两期。据IC Insights称,新Fab 18工厂的第一阶段和第二阶段已进入量产阶段,第三阶段的设施正在建设中。台积电表示,第1-3期为5nm制程,第4-6期为3nm制程。

在台湾以外的一个主要举措中,台积电最近宣布计划在亚利桑那州建造一个新的中型5nm工厂,该亚利桑那州于2024年被生产。但是,报告已经浮出水面,而不是建立中型的工厂.TSMC可能已经浮出水面在亚利桑那州建造一个较大的工厂。“已经有谣言,他们可能想要建造一个吉祥工厂,一个可以提供大量零件的全尺寸工厂,”半导体顾问的Maire说。与此同时,三星也计划建立一个新的美国工厂。

在一片混乱中,英特尔看到了机会,促使它重新进入代工业务,成立了一个新的独立的代工部门。为了解决供应链问题,英特尔将在欧洲和美国的晶圆厂提供代工能力

英特尔新任首席执行官帕特·格尔辛格在最近的一次活动上表示:“每个行业的数字化都在加速全球对半导体的需求。”“但一个关键挑战是获得制造能力。英特尔是一个独特的位置,以应对这种情况并满足日益增长的需求,同时确保世界半导体的可持续和安全供应。”

英特尔计划在公司内部生产大部分芯片,并提供代工服务。为此,英特尔将利用其现有的晶圆厂,计划耗资200亿美元在亚利桑那州新建两个晶圆厂。

不过,英特尔的代工战略很复杂。随着代工业务的发展,该公司将继续将部分芯片生产外包给竞争对手,包括成熟和先进的设备。

英特尔重新进入代工业务引发了台积电的冷淡反应,台积电是英特尔的代工供应商之一,现在是英特尔的竞争对手。“英特尔是一个重要的客户,我们将在一些领域合作,在其他领域竞争,”台积电总裁兼首席执行官魏建伟在最近的电话会议上表示。

与此同时,在新的铸造业务中,英特尔提供较旧的22nm FinFET过程,以及其先进的包装技术。除此之外,英特尔尚未披露其铸造厂计划。在一个研究票据中,Cowen的Ramsay推测英特尔将重新定位其现有的14nm工艺为铸造市场。7nm也是一种可能性。

22nm是28nm的延伸,这是十多年前的推出。尽管如此,28nm Planar节点是具有多种应用的大市场,包括AI,IoT / Edge,RF和可穿戴设备。

22nm提供比28nm更多的性能,但它比14nm便宜。22nm也是一个拥挤的市场,其中几个铸造厂竞争与不同的技术相互竞争。TSMC和UMC提供22nm散装平面过程。GlobalFoundries正在运送22nm fd-soi。英特尔正在竞争22nm finfets。

22nm和28nm针对许多相同的应用程序,包括汽车。“我们在汽车电子中看到了良好的增长,它涵盖了0.35微米离散MOSFET器件的过程技术的曲目,以28nm / 22nm ADAS产品,以及身体和底盘控制,信息娱乐和WiFi之间的一切,”商业发展副总裁Walter Ng联华电子

除22nm外,英特尔可能会以其现有的14nm技术加入代工方。"英特尔的14nm工艺可以说是其历史上最成熟的工艺,使其产量极高," Cowen的Ramsay称。“英特尔在政治上最具吸引力的选择是逐步成为一个规模化的代工厂,利用其现有的14nm产能,随着其自身的产量向7nm/5nm EUV节点转移。”

Cowen表示,14nm制程的潜在客户是那些利用代工厂生产16nm至65nm制程产品的客户。Gartner的数据显示,到2020年,16nm到65nm晶圆代工营收将达到350亿美元,占晶圆代工营收的46%。

尖端的战争
目前还不清楚英特尔是否会提供14nm芯片。它很可能会把它的帽子在领先的铸造圈,涉及7nm/5nm及以上。台积电的Wei表示:“受智能手机和高性能计算应用的推动,N5的需求继续强劲,我们预计到2021年,N5将贡献约20%的晶圆收入。”

对尖端芯片的需求是巨大的。该公司首席执行官Aki Fujimura表示:“芯片行业出现了分歧,包括深度学习和其他应用在内的超级计算需求,正在推动人们对3nm、2nm及更高计算能力的永无止境的需求。d2

然而,在7nm及以下时,静态泄漏再次成为问题,每个节点的功率和性能优势开始减弱。该公司集成解决方案规划副总裁Kazuya Okubo表示:“EPE的利润率、成本和高纵横比模式都面临着扩展挑战电话在最近的一次演讲中。

另一个问题是,铸造厂客户只有几个选择的领先优势。三星和台积电是仅有的两家供应商。

中芯国际(SMIC)是中国最大的代工供应商,目前正在研发类似于7nm的工艺,以及其他超越7nm的节点。但最近,美国政府将中芯国际列入实体名单,这意味着设备供应商必须获得特殊许可证才能向advanced nodes的代工供应商销售工具。结果,中芯国际的7nm技术研发陷入了停滞。

最终,英特尔有望在最前沿的代工业务上展开竞争。这取决于英特尔生产7nm及以上芯片的能力。(英特尔的7nm芯片在晶圆厂相当于5nm芯片。)

然而,英特尔的7nm技术开局不稳。当该公司最初开发7纳米时,它限制了极紫外(EUV)光刻技术的使用。极紫外(EUV)光刻技术是利用13.5纳米波长在芯片上刻划微小特征的下一代技术。这意味着,该公司正试图利用传统的193nm光学光刻技术来设计许多困难的特征,并具有多种图案,从而产生叠加和缺陷的挑战。这反过来又推迟了英特尔的7nm制程。

EUV最近已经成熟。因此,在7nm,英特尔正在使用EUV绘制更多的层,这简化了过程,并使英特尔的技术回到正轨。现在,根据KeyBanc Capital Markets的数据,英特尔计划在2021年推出7nm产品,但批量生产预计要到2023年上半年。

Cowen的Ramsay称,"修正这一路线图绝非保证,可能需要时间,因为英特尔多年来一直在努力实现稳定的执行节奏。"

简单地说,英特尔仍然落后。三星和台积电都将EUV均为7米到三年前,他们已经获得了技术的经验。两家供应商也运送各自的5nm FinFET过程,距离拐角处有3nm。

“台积电计划在2022年第三季度为苹果生产3nm finfet,”IBS的琼斯说。“三星将按计划推出第一代3nm芯片gate-all-around(GAA)晶体管的初始生产,2022年第4季度。”

在其路线图中,台积电计划将finfet扩展到3nm,然后在2023/2024年转向名为GAA的下一代2nm晶体管结构。相比之下,三星正在从5纳米的finfet转向3纳米的GAA。

三星和台积电都在开发一种名为a的GAA架构nanosheet场效应晶体管。从FinFET开始的进化步骤,纳米盖基本上是其侧面的FinFET,栅极环绕它。Nanosheet FET提供的性能比FinFET更多,但它们更加困难。


图3:平面晶体管、finfet、栅全能源:Lam研究

英特尔还在开发纳米片fet,可能用于5nm节点。目前还不清楚英特尔的5纳米技术何时会出现,尽管人们怀疑该公司是否会在短时间内缩小这一工艺差距。IC Insights总裁Bill McClean表示:“三星和台积电每年的总支出至少在未来三年超过500亿美元,任何公司要在前沿逻辑处理技术上赶上这两家公司都将是极其困难的。”

先进的包装战争
不过,英特尔可以通过其他方式缩小差距。通常,为了推进设计,业界会开发一种专用集成电路(ASIC),使用芯片扩展,将不同的功能安装到单个单片模具上。但在每个节点上,扩展变得越来越困难和昂贵,扩展带来的功率/性能优势也在减少。

因此,客户正在寻找替代方案。开发系统级设计的另一种可行方法是将复杂的模具组装在一个高级包中,这允许更多定制的加速器、各种类型的处理元素和不同的互连策略。

IC供应商、代工厂和sat都在研究各种形式的先进封装。考恩举例说,英特尔正在为一款代号为Sapphire Rapids的新设备制定芯片策略。Sapphire Rapids的目标是2022年,它是一款基于增强的10nm芯片和其他设备的服务器处理器。

先进的包装是未来设计的可行选择。传统的芯片扩展也是如此。没有一种技术可以满足所有的需求。因此,至少在目前,行业可能会接受所有这些。

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