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ファウンドリー戦争勃発

Semiconductor Engineering

2021年4月19日

最先端ファウンドリーベンダーは、新たな高額の出費と技術競争に向けて準備を進めており、半導体製造業界全体が揺れ動く可能性がある。

3月、Intelはファウンドリー事業に再参入し、最先端を行くSamsungやTSMCに対抗し、旧ノードで働く多数のファウンドリーに対抗する立場を確立した。Intelは、2021年に200億ドルの設備投資予算で2つの新ファブを建設する計画を発表した。

今月初め、TSMCはこれに応え、設備投資予算を前回の予想の280億ドルから300億ドルに増額した。TSMCは今後3年間で合計1,000億ドルの支出を計画している。TSMC、Samsung、その他の企業も新しい工場を建設している。これらの発表は、ファウンドリーが主導的地位を得るために設備投資、ファブ、技術競争に巻き込まれた10年以上前の出来事を思い起こさせる。過去と同様、技術的な課題や市場の不確実性により、すべてのベンダーが現在の約束を果たすかどうかは不透明だ。

ファウンドリ市場は規模は大きいが断片的なビジネスであり、約 20 社のベンダーがいくつかの技術分野で競争している。最先端分野は特にダイナミックで、ファウンドリはFPGAやプロセッサーなど世界最先端のチップを外部顧客向けに製造している。

10年前、最先端のファウンドリー ベンダーは6社あった。しかし、ファブや技術のコストが時間とともに上昇し、このセグメントは淘汰された。現在、最先端のロジック ノードである7nmと5nmのプロセスを提供できるファウンドリー ベンダーは、SamsungとTSMCの2社のみであり、3nmは研究開発段階にある。

しばらくの間、より多くの最先端ベンダーが市場に参入し、競争力のある価格でより多くの選択肢を提供することが望まれてきた。旺盛な需要が生産能力不足につながるケースもある今日、それは特に顕著である。ウエ―ハ価格は各ノードで上昇している。さらに悪いことに、現在進行中の米中貿易戦争は、現在主要なプロセス技術の大半が立地する台湾の緊張をさらに高めている。いかなる混乱も、技術へのアクセスに大きな影響を与えるだろう。

Intelのファウンドリー事業への再参入はギャップを埋める可能性があるが、証明すべきことは多い。2010年、Intelがファウンドリー事業に参入した当初は、その実行に失敗した。8年後、Intelは市場から撤退した。当時、Intelは10nmプロセスでもいくつかの遅れに見舞われ、TSMCとSamsungの両社に技術リーダーとしての地位を奪われた。

今日、新しい経営陣のもと、Intelは自社チップの技術格差を埋め、より競争力のあるファウンドリベンダーになることを誓っている。しかし、Intelは困難な戦いに直面している。「私はいくつかの面で懐疑的だ。第一に、彼らはTSMCに遅れをとっている。まずやるべきことはTSMCに追いつくことだが、それは容易なことではなく、保証されたことでもない。Intelが追いつくにはTSMCが失敗するか、Intelがさらに多額の資金を投入する必要があるが、どちらの場合も難しいだろう」とセミコンダクター アドバイザーズの社長、ロバート メア氏は語った。「確かに3社（最先端のファウンドリベンダー）は欲しいところだ。Intelには可能性がある。この状況は今後2、3年で変わることはないだろう。問題は4、5年後だ。彼らが実行できるかどうかはわからない。非常に難しい要求だ」

明らかに、業界は市場を注視する必要がある。最新の出来事をいくつか紹介しよう：

  • Intelの新しいファウンドリー部門は22nmプロセスと、おそらく14nmを提供するだろうとアナリストは述べている。Intelはおそらく7nmを提供するだろうが、それは2023年まで出荷されないだろう。
  • TSMCは台湾で新ファブの建設を続けている。TSMCはまた、米国に新たな最先端ファブを建設する計画だが、さらに大規模な施設を開発する計画も検討している。
  • Samsungなどは新たな工場建設を計画している。
  • どのファウンドリも先進的なパッケージングに投資しており、スケーリングだけよりも大幅に優れた消費電力と性能の向上を実現できる。

ファウンドリー淘汰
IBSのハンデル ジョーンズCEOによると、AI、自動車、モバイル、サーバーなどの需要に後押しされ、世界のファウンドリー市場は2020年の779億ドルから2021年には917億ドルに成長すると予想されている。

長年にわたり、ファウンドリ ベンダーは、アナログ、CMOSイメージ センサ、化合物半導体、ロジック、MEMS、RFなど、さまざまな技術市場の顧客にサードパーティ製造サービスを提供してきた。

各市場ごとに、ファウンドリはプロセス技術を開発する。プロセス技術とは、ファブで「集積回路を作るために使われる一連のステップを指す」と、技術サイトWikiChipのデビッド ショー氏は説明する。

GlobalFoundries、Samsung、SMIC、TSMC、UMCなど複数のベンダーが、多くの技術分野でファウンドリー サービスを提供している。大半は1つからいくつかの分野に特化している。

1987年、当時無名だったTSMCが外部企業にチップ製造サービスを提供したことで、純粋なファウンドリ産業が出現した。他のファウンドリー ベンダーもすぐに追随した。

当時、ICベンダーのほとんどは統合デバイス メーカー（IDM）で、自社のファブでチップを生産していた。当時、IDMは技術的に遅れていたファウンドリーを切り捨てた。

当時でさえ、最先端プロセス技術市場は競争的だった。IDMと遅れていたファウンドリは、18～24ヵ月ごとにトランジスタ密度を2倍にするというムーアの法則に追いつこうとした。チップは、デバイスのスイッチとして働く多数のトランジスタで構成されているため、18～24カ月のケイデンスまたはノードは、よりトランジスタ密度の高い新しいプロセス技術を必要とした。

各ノードにおいて、チップメーカーはトランジスタのスペックを0.7倍に拡大し、同じ消費電力で40％の性能向上と50％の面積縮小を実現した。その結果、ICメーカーはより多くのトランジスタをデバイスに搭載できるようになり、より多くの機能を備えた新しい電子製品を低コストで実現できるようになった。

IBSによれば、2001年当時、130nmチップを処理できるファブを持つチップメーカーは18社だった。当時、いくつかのファウンドリは、主に成熟したノードのファブで他社向けのチップを製造していた。ファウンドリはまた、ファブレス デザインハウス向けのチップも製造していた。

2010年までに、ファブやプロセスのコストは高騰した。コストに余裕のない多くのIDMは「ファブライト」モデルに移行した。一部のチップを自社ファブで生産し、一部の生産をファウンドリに委託した。多くのIDMは自社ファブでデバイスの生産を続けたが、一部のIDMはファブレスとなり、あるいは事業から撤退した。

次の大きな変化は、従来のプレーナ型トランジスタが息切れした20nmノードで起こった。プレーナ型トランジスタは、28nm/22nm以上のチップではまだ使われているが、業界は新しいソリューションを必要としていた。

これが、 Intel が2011年に22nmのfinFETを導入した理由だ。ファウンドリは3年後、16nm/14nmのfinFETを発表した。

FinFETは、プレーナ型トランジスタよりもスタティック リークが少なく、優れた性能を発揮する。「以前のプレーナ型トランジスタと比較して、フィンは3つの側面でゲートに接触しているため、フィン内に形成されるチャネルの制御がはるかに優れています」と、ラムリサーチ社の大学エンゲージメント担当ディレクター、ネリッサ ドレーガー氏は言う。

しかし、finFETは各ノードでの製造と規模拡大も難しい。そのため、プロセスの研究開発コストは急騰している。そのため、現在では、完全にスケールアップしたノードのケーデンスは、18カ月から30カ月以上に延びている。

それでも、finFETの導入により、Intelはマイクロプロセッサー市場とプロセス技術におけるリードを拡大した。この技術を新たな市場に活用しようと、Intelは2010年から2011年にかけてファウンドリー事業に参入した。

同社は一定の成功を収めた。当時、Intelは22nm finFETプロセスをベースに、さまざまなベンダーのFPGAを製造していた。その後、Intelはアルテラの14nm FPGAを製造した。(2015年、Intelはアルテラを買収した）

当時はまだTSMCがファウンドリ市場を支配しており、GlobalFoundries、Samsung、SMIC、UMCなどが勢力を保っていた。Intelのファウンドリーシェアはごくわずかだったが、その技術的リーダーシップにより真の脅威となった。

それが2016年、Intelが初めて10nm finFETプロセスを導入したことで変わった。同社は10nmで何度か遅れに遭遇し、最終的にこの技術に基づくチップを予定より2年以上遅れて2019年に出荷した。

コーウェンのアナリスト、マシュー ラムジー氏は最近のレポートの中で、「同社は10nm製造プロセスを（ある）目標を念頭に置いて設計しようとし、IDM向けにプロセスをカスタマイズすると同時に、より異質な製品ロードマップと発展途上のファウンドリビジネスをサポートするためにプロセスを汎用化しようとした」「要するに、これが10nmの混乱を生み出したのだ」と述べている。

そして2018年、TSMCは世界初の7nm finFETプロセスを出荷した。その後、Samsungが7nmを出荷した。(Intelの10nmはファウンドリの7nmに相当する）

これはいくつかの理由で重要だ。ファウンドリーは、Intelの競合他社に7nm、そして現在は5nmのプロセスを提供している。そのため、Intelの競合他社は突然、プロセス技術で優位に立つことになる。

2018年は他の理由でも極めて重要な年となった。チップ製造コストはエスカレートし続けたが、その見返りには疑問符がついた。そのため、2018年のGlobalFoundriesとUMCは、それぞれの7nmへの取り組みを停止した。両社とも16nm/14nm市場ではまだ積極的だ。

また2018年前後、Intelは多かれ少なかれファウンドリ事業から撤退した。「彼らが失敗した理由は、ファウンドリーとしてのマインドセットを持っていなかったからだ」とSemiconductor AdvisorsのMaire氏は言う。「彼らはIDMであり、少し傲慢だったかもしれない。彼らは顧客サービス主導型を目指していなかった。ファウンドリ・ビジネスには、異なるメンタリティが必要なのです」

Intelはどうする？
一方現在、ファウンドリー市場は新たな挑戦に溢れている。例えば、2021年から車載用チップが不足するようになった。車載用チップの不足は、主に古い200mmや300mmのファブで成熟したプロセスで生産されるデバイスに関係している。

現在、200mmファブの生産能力は逼迫している。ガートナーのアナリスト、サミュエル ワン氏は、「全体として、200mmの供給不足は予想以上に長引いている」「ファウンダリは2020年第3四半期以来3度目のウェーハ価格引き上げを行うだろう。今日、ファブレス企業は2022年のウェーハ割り当てを確保するためにファウンドリーと交渉している」と述べている。

最先端は混とんとしている。「2020年第3四半期以降、7nmと5nmに不足はない。Appleがウェーハの使用を7nmから5nmに進めた時だ。Samsungの8nmノードでは不足が発生しており、NvidiaとQualcommに問題を引き起こしている」とWang氏は述べた。

そして地政学的な面では、米中貿易戦争は収まる気配がなく、アジア太平洋、特に台湾では緊迫した状況が続いている。

複雑な状況だ。台湾は中国とは政治的なつながりのない自治団体である。しかし、中国は台湾を自国の領土だと主張し、いつの日か台湾との再統一を望んでいる。そして、台湾の政治問題に対する外部からの干渉は、北京にとって脅威とみなされる。

最近、中国は台湾周辺での軍事演習を強化しているが、差し迫った攻撃の兆候はない。万が一そのような事態が発生した場合、米国は台湾を防衛することになっている。これらのシナリオは仮定の話である。

これらやその他の要因によって、多くの人々がチップのサプライチェーンを再検討するよう促されている。米国半導体工業会（SIA）によれば、世界の最先端チップの92％を生産するTSMCは、その先端ファブをすべて台湾に置いている。

そこでSIAは、米国政府に対し、米国における先進的な工場の開発に資金を提供するよう要請している。IBSのジョーンズ氏は、「ウェハーファブの生産能力不足と、アジアへの過度の依存に対する懸念の組み合わせが、米国内のファブ生産能力を拡大する2つの重要な原動力となっている」と述べた。

TSMCはファブの大半を台湾に残す。IC Insightsによると、TSMCは2020年、台湾の台南に新しいファブ コンプレックスの最初の2段階を開設した。IC Insightsによると、新Fab 18複合施設のフェーズ1と2は量産中で、フェーズ3～6の施設は建設中である。TSMCによると、フェーズ1～3は5nm生産向けで、フェーズ4～6は3nm向けである。

台湾以外での大きな動きとして、TSMCは最近、アリゾナに新しい中規模5nmファブを建設する計画を発表した。しかし、TSMCは中規模のファブを建設する代わりに、アリゾナに大規模なファブを建設する可能性があるとの報告も浮上している。「ギガファブ、つまり相当量の部品を供給できるフルサイズのファブを建設したいのではないかという噂がある」とSemiconductor AdvisorsのMaire氏は述べた。一方、Samsungも新たな米国工場の建設を計画している。

この混乱の中、Intelはビジネスチャンスを見出し、新たに独立したファウンドリー部門を立ち上げ、ファウンドリー事業に再参入することになった。サプライチェーンの問題に対処するため、Intelは欧州と米国のファブでファウンドリー能力を提供する。

Intelの新CEO、パット ゲルシンガー氏は最近のイベントで、「あらゆる産業のデジタル化によって、半導体の世界的需要は猛烈な勢いで加速している」「しかし、重要な課題は製造能力へのアクセスです。Intelは、世界のために半導体の持続可能で安全な供給を確保しながら、この機会に立ち上がり、この増大する需要に応えるユニークな立場にある」と語った。

Intelは、ほとんどの自社製チップを社内で製造し、ファウンドリーサービスも提供する計画だ。このためにIntelは既存の工場を活用し、200億ドルをかけてアリゾナに2つの工場を新設する計画だ。

しかし、Intelのファウンドリー戦略は複雑だ。自社のファウンドリー事業を強化する一方で、同社は成熟したデバイスと先進的なデバイスの両方を含め、チップ生産の一部を競争力のあるファウンドリーに委託し続けるだろう。

Intelがファウンドリ事業に再参入したことで、Intelのファウンドリ ベンダーの1社であり、現在は競合関係にあるTSMCは冷静な反応を示した。「Intelは重要な顧客であり、我々はある分野では協力し、他の分野では競争する」とTSMCの社長兼CEOのC.C.Wei氏は最近の電話会議で述べた。

一方、新しいファウンドリー事業では、Intelは先進のパッケージング技術とともに、旧来の22nm finFETプロセスを提供する。それ以上のファウンドリー計画については、Intelは明らかにしていない。CowenのRamsay氏はリサーチノートの中で、Intelは既存の14nmプロセスをファウンドリー市場向けに再度位置づけるだろうと推測している。7nmの可能性もある。

22nmは、10年以上前に導入された28nmの延長線上にある。それでも、28nmプレーナーノードは、AI、IoT/エッジ、RF、ウェアラブルなど、いくつかのアプリケーションを持つ大きな市場である。

22nmは28nmよりも性能が高いが、14nmよりも安価である。22nmは混雑した市場でもあり、複数のファウンドリー ベンダーが異なる技術で競合している。TSMCとUMCは22nmのバルク プレーナー プロセスを提供している。GlobalFoundriesは22nm FD-SOIを出荷している。Intelは22nm finFETで競合している。

22nm と 28nm は、自動車を含む多くの同じアプリケーションを対象としている。「0.35ミクロンのディスクリートMOSFETデバイスから28nm/22nmのADAS製品、そしてボディやシャーシの制御、インフォテインメント、WiFiなど、その中間に位置するものまで、あらゆるプロセス技術をカバーしています」と、 UMCの事業開発担当副社長であるウォルター ン氏は語った。

22nmの他に、Intelは既存の14nm技術でファウンドリ パーティーに参加するかもしれない。「Intelの14nmは、間違いなくその歴史の中で最も成熟したプロセスであり、非常に高収益である」「Intelの最も政治的に魅力的な選択肢は、自社の生産量が7nm/5nmのEUVノードに移行するにつれて、既存の14nmの生産能力を活用し、徐々に規模を拡大するファウンドリーになることである」とカウエンのラムゼイ氏はそう語った。

Cowenによると、14nmプロセスの潜在的な顧客は、16nmから65nmの製品のファウンドリを利用している企業である。Gartnerによると、16nmから65nmのファウンドリーの総売上は350億ドルに達し、2020年のファウンドリー総売上の46%を占めるという。

最先端戦争
Intelが14nmを提供するかどうかはまだ不明だ。Intelは、7nm/5nm以降の最先端ファウンドリーの土俵に上がる可能性が高い。「N5の需要は、スマートフォンとHPC（ハイパフォーマンス・コンピューティング）アプリケーションに牽引され、引き続き堅調であり、2021年にはN5がウェハ収益の約20%に寄与すると予想している」とTSMCのWei氏は述べた。

最先端チップへの需要は莫大「ディープラーニングやその他のアプリケーションを含むスーパーコンピューティングのニーズが、3nm、2nm、そしてさらにその先のコンピューティングパワーへの飽くなき需要を牽引しているのです」と、 D2Sの藤村晶CEOは語る。

しかし、7nm以下では、スタティック リークが再び問題となり、各ノードで電力と性能の利点が減少し始めている。「スケーリングには、EPEマージン、コスト、高アスペクト比パターニングなどの課題があります」と、TELの統合ソリューション企画担当副社長である大久保和也氏は最近のプレゼンテーションで述べている。

もう1つの問題は、ファウンドリーの顧客が最先端で2、3の選択肢しか持っていないことだ。SamsungとTSMCの2社だけだ。

中国最大のファウンドリー ベンダーであるSMICは、7nmのようなプロセスに取り組んでおり、さらにその先のノードにも取り組んでいる。しかし最近、米国政府はSMICを企業リストに掲載した。つまり、装置サプライヤーは、先端ノードのファウンドリー ベンダーにツールを販売するための特別なライセンスを取得しなければならなくなった。その結果、SMICの7nmへの取り組みは停滞している。

最終的には、Intelは最先端のファウンドリー事業で競争することになると予想される。これは、Intelが7nmとそれ以降を提供できるかどうかにかかっている。(Intelの7nmは、ファウンドリでは5nmに相当する）

しかし、Intelの7nm技術は不安定なスタートを切った。同社が当初7nmを開発した際、13.5nmの波長を使ってチップ上に微小な特徴をパターニングする次世代技術である極端紫外線（EUV）リソグラフィーの使用を制限した。つまり、従来の193nmの光リソグラフィーを使って、多くの困難な機能をマルチパターニングでパターニングしようとしたため、オーバーレイや欠陥の問題が発生した。その結果、Intelの7nmプロセスが遅れることになった。

EUVは最近成熟してきた。そのため7nmでは、IntelはEUVを使ってより多くのレイヤーをパターニングしており、これによりプロセスが簡素化され、Intelの技術が軌道に乗った。KeyBanc Capital Marketsによると、Intelは2021年に7nm製品を出荷する予定だが、量産は2023年前半になる予定だという。

「このロードマップを修正することは、決して保証されたものではなく、Intelが何年にもわたって着実な実行を試みてきたように、おそらく時間がかかるだろう」とコーウェンのラムジー氏は述べた。

簡単に言えば、Intelは遅れをとっている。SamsungもTSMCも2～3年前に7nmでEUVを導入しており、すでにこの技術で経験を積んでいる。また、両社はそれぞれ5nm finFETプロセスを出荷しており、3nmも目前に迫っている。

「TSMCによる3nm finFETの量産開始は、2022年第3四半期にApple向けに予定されている」「Samsungは、第一世代の3nmゲート オールアラウンド(GAA)トランジスタを2022年第4四半期に初回生産する予定である」とジョネス氏は述べた。

TSMCのロードマップでは、finFETを3nmまで延ばし、2023/2024年に2nmでGAAと呼ばれる次世代トランジスタ構造に移行する計画である。一方、Samsungは5nmのfinFETから3nmのGAAに移行する。

SamsungとTSMCの両社は、ナノシートFETと呼ばれる1種類のGAAアーキテクチャを開発している。フィンFETから進化したナノシートは、基本的にフィンFETを横にしてゲートを巻き付けたものである。ナノシートFETはフィンFETよりも高性能だが、製造が難しい。

IntelもナノシートFETを開発しており、おそらく5nmノード向けだろう。Intelの5nmがいつ登場するかは不明だが、同社がすぐにプロセス ギャップを埋めるかどうかは疑わしい。「少なくとも今後3年間は、SamsungとTSMCの合計投資額が毎年500億ドルを超えるため、最先端のロジック プロセス技術でこの2社に追いつくのは極めて難しいだろう」とIC Insightsのビル マクリーン社長は述べた。

アドバンスド パッケージング戦争
しかし、Intelは他の方法でその差を縮めることができる。通常、設計を進歩させるために、業界はチップ スケーリングを使ってASICを開発し、異なる機能を単一のモノリシック ダイに収める。しかし、各ノードでスケーリングはより困難かつ高価になっており、スケーリングによる電力/性能のメリットは縮小している。

そのため、顧客は代替案を検討している。システムレベルの設計を開発するもう一つの実行可能な方法は、複雑なダイを高度なパッケージで組み立てることである。これにより、よりカスタマイズされたアクセラレータ、さまざまなタイプのプロセッシング エレメント、さまざまな相互接続戦略が可能になる。

ICベンダー、ファウンドリー、OSATは、何らかの形で先進的なパッケージングに取り組んでいる。例えば、Intelはコードネーム「Sapphire Rapids」と呼ばれる新デバイスのチップレット戦略に取り組んでいるとCowenは述べている。2022年をターゲットとするSapphire Rapidsは、パワーアップした10nmチップやその他のデバイスをベースにしたサーバー プロセッサーである。

アドバンスド パッケージングは、将来の設計にとって実行可能な選択肢である。従来のチップ スケーリングも同様だ。1つの技術ですべてのニーズを満たすことはできません。そのため、少なくとも現時点では、業界はこれらすべてを受け入れる可能性が高い。