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半导体工程
2021 年 4 月 19 日
领先的晶圆代工供应商正在为一场新的、高风险的支出和技术竞赛做准备，这为整个半导体制造领域可能出现的大洗牌奠定了基础。
今年 3 月，英特尔重新进军代工业务，与处于领先地位的三星和台积电，以及众多在旧节点上工作的代工厂展开竞争。英特尔宣布计划新建两座晶圆厂，2021 年的资本支出预算将达到 200 亿美元。
本月早些时候，台积电提高了资本支出预算，从之前预测的 280 亿美元增加到 300 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设新的晶圆厂。这些公告让人想起十多年前的事件，当时晶圆代工厂为争夺领导地位，展开了资本支出、晶圆厂和技术竞赛。与过去一样，由于技术挑战和市场不确定性，目前还不清楚所有供应商是否都会兑现目前的承诺。
代工市场是一个庞大但分散的行业，约有二十多家供应商在多个技术领域展开竞争。尖端技术领域尤其活跃，代工厂为外部客户生产 FPGA 和处理器等世界最先进的芯片。
十年前，领先的晶圆代工供应商有六七家。但随着时间的推移，晶圆厂和技术成本不断攀升，这一领域经历了一次洗牌。如今，三星和台积电是仅有的两家有能力提供最先进逻辑节点工艺的代工厂商，即 7 纳米和 5 纳米，3 纳米正在研发中。
一段时间以来，人们一直希望市场上有更多的领先供应商，以具有竞争力的价格提供更多的选择。如今尤其如此，旺盛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，正在进行的中美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在台湾。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以填补空白，但它还有很多东西需要证明。早在2010年，英特尔最初进入代工业务时，就未能成功。八年后，它退出了这一市场。当时，英特尔的 10nm 工艺也遭遇了数次延误，导致其技术领先地位被台积电和三星所取代。
如今，在新领导层的带领下，英特尔发誓要缩小自身芯片的技术差距，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，他们落后于台积电。首要任务是赶上台积电，这并不容易，也不能保证。Semiconductor Advisors 总裁罗伯特-迈尔（Robert Maire）说："台积电几乎必须出点差错，英特尔才能赶上他们，或者英特尔必须多花一大笔钱，但无论哪种情况都很困难。Semiconductor Advisors 总裁 Robert Maire 说："你当然希望有三家（领先的代工厂商）。英特尔很有潜力。未来两三年内，市场格局不会发生任何变化。问题在于四五年后。很难说他们能否执行。这是一个非常艰巨的任务。
显然，业界需要密切关注市场动态。以下是一些最新事件：
- 分析师说，英特尔的新代工部门将提供 22 纳米工艺，也可能提供 14 纳米工艺。英特尔很可能会推出 7 纳米工艺，但要到 2023 年才能实现。
- 台积电继续在台湾建造新的晶圆厂。台积电还计划在美国建造一座新的尖端晶圆厂，但同时也在酝酿在美国建造一座更大的工厂。
- 三星等公司计划建造新的晶圆厂。
- 所有的代工厂都在投资先进的封装技术，这比单纯的扩展能大大提高功率/性能。
代工厂大洗牌
IBS 首席执行官 Handel Jones 表示，在人工智能、汽车、移动、服务器和其他产品需求的推动下，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，晶圆代工厂商一直为模拟、CMOS 图像传感器、化合物半导体、逻辑、微机电系统和射频等多个不同技术市场的客户提供第三方制造服务。
技术网站 WikiChip 的 David Schor 解释说，针对每个市场，代工厂都会开发一种工艺技术，这种工艺技术 "是指在晶圆厂中用于制造集成电路的一系列步骤"。
一些供应商，如 GlobalFoundries、三星、中芯国际、台积电和联电，在许多技术领域提供代工服务。它们大多专注于一到几个领域。
1987 年，当时名不见经传的台积电为外部公司提供芯片制造服务，纯粹的晶圆代工行业应运而生。随后，其他代工厂商也纷纷效仿。
当时，大多数集成电路供应商都是集成设备制造商（IDM），在自己的工厂生产芯片。当时，IDM 抛弃了技术落后的代工厂。
即使在当时，尖端工艺技术市场也竞争激烈。IDM 和落后的代工厂试图跟上摩尔定律的步伐，每 18 到 24 个月将晶体管密度提高一倍。由于芯片由众多晶体管组成，而晶体管在设备中起开关作用，因此 18-24 个月的周期或节点要求采用晶体管密度更大的新工艺技术。
在每个节点上，芯片制造商都会将晶体管规格放大 0.7 倍，从而使整个行业能够在相同功率下将性能提高 40%，面积缩小 50%。这反过来又使集成电路制造商能够在设备上安装更多的晶体管，从而以更低的成本生产出功能更多的新型电子产品。
据 IBS 称，2001 年，有 18 家芯片制造商的晶圆厂可以加工 130 纳米芯片，这是当时最先进的工艺。当时，有几家代工厂主要为其他工厂生产成熟节点的芯片。代工厂还为无晶圆厂设计公司生产芯片。
到 2010 年，晶圆厂和工艺成本不断攀升。由于无力承担成本，许多集成电路制造商转而采用 "轻晶圆厂 "模式。它们在自己的工厂生产部分芯片，同时将部分生产外包给代工厂。许多 IDM 继续在自己的晶圆厂生产设备，而一些 IDM 则采用无晶圆厂模式或退出业务。
下一个重大变化发生在 20nm 节点，此时传统的平面晶体管已经力不从心。28 纳米/22 纳米及以上的芯片仍在使用平面晶体管，但业界需要一种新的解决方案。
这就是为什么 Intel 在 2011 年推出了 22 纳米的 finFET。代工厂在三年后也推出了 16 纳米/14 纳米的 finFET。
鳍式场效应晶体管 比平面晶体管性能更好，静态漏电更低。" Lam Research 公司大学业务主管 Nerissa Draeger 说："与以前的平面晶体管相比，鳍片三面与栅极接触，能更好地控制鳍片内形成的沟道。
但是，在每个节点上制造和扩展 finFET 也很困难。因此，工艺研发成本急剧上升。因此，现在一个完全扩展节点的周期已从 18 个月延长到 30 个月或更长。
然而，随着 finFET 的推出，英特尔扩大了其在微处理器市场和工艺技术领域的领先优势。为了利用该技术开拓新的市场，英特尔于 2010/2011 年进军代工业务。
该公司取得了一些成功。当时，英特尔基于其 22nm finFET 工艺生产来自不同供应商的 FPGA。后来，英特尔生产了 Altera 的 14nm FPGA。(2015年，英特尔收购了Altera）。
当时，台积电仍主导着代工市场，GlobalFoundries、三星、中芯国际、联电和其他公司仍是一股力量。英特尔的代工份额虽然很小，但由于其技术领先地位，对英特尔构成了真正的威胁。
这种情况在 2016 年发生了变化，英特尔首次推出了 10 纳米 finFET 工艺。该公司在 10nm 工艺上遇到了数次延迟，最终于 2019 年出货了基于该技术的芯片--比预期晚了两年多。
"该公司试图在设计其 10 纳米制造工艺时考虑到（一个）目标，即试图同时为 IDM 定制工艺，并使该工艺成为通用工艺，以支持更加异构的产品路线图和刚刚起步的代工业务，"Cowen 公司的分析师马修-拉姆塞（Matthew Ramsay）在最近的一份报告中说。"简而言之，这造成了 10 纳米的混乱局面。
然后，在 2018 年，台积电推出了全球首款 7 纳米 finFET 工艺。后来，三星也推出了 7 纳米工艺。(英特尔的 10 纳米相当于代工厂的 7 纳米）。
这一点很重要，原因有几个。代工厂向英特尔的芯片竞争对手提供 7 纳米工艺，现在又提供 5 纳米工艺。因此，英特尔的竞争对手突然在工艺技术上占得先机。
由于其他原因，2018 年是关键的一年。芯片制造成本持续攀升，但回报却令人质疑。因此，GlobalFoundries 和联电在 2018 年停止了各自的 7 纳米努力。这两家公司仍活跃在 16nm/14nm 市场。
也是在 2018 年前后，英特尔或多或少退出了代工业务。"Semiconductor Advisors 的 Maire 说："他们失败的原因在于他们没有代工厂的思维模式。"他们是一家 IDM，也许有点傲慢。他们的目标不是以客户服务为导向。在代工业务中，你需要一种不同的心态。
英特尔会怎么做？
与此同时，如今的代工市场也充满了新的挑战。例如，从 2021 年开始，汽车芯片出现短缺。汽车芯片短缺主要涉及在老式 200mm 和 300mm 晶圆厂中以成熟工艺生产的设备。
目前，200 毫米晶圆厂产能紧张。"Gartner分析师Samuel Wang说："总体而言，200毫米晶圆短缺的持续时间远远超过预期。"晶圆代工厂将自 20 年第三季度以来第三次上调晶圆价格。如今，无晶圆厂公司正在与代工厂谈判，以确保其2022年的晶圆分配。"
前沿领域的情况喜忧参半。"自 20 年第三季度以来，7 纳米和 5 纳米工艺一直没有出现短缺。那是苹果公司将晶圆的使用从 7 纳米提前到 5 纳米的时候。三星的 8nm 节点出现了短缺，给 Nvidia 和高通造成了问题，"Wang 说。
然后，在地缘政治方面，中美贸易战没有减弱的迹象，亚太地区，尤其是台湾的局势依然紧张。
情况很复杂。台湾是一个自治实体，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，并希望有朝一日与台湾重新统一。外界对台湾政治事务的任何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。这些情况都是假设的。
这些及其他因素促使许多人重新审视芯片供应链。据美国半导体行业协会（SIA）称，台积电（TSMC）生产全球 92% 的尖端芯片，其所有先进的晶圆厂均位于台湾。
因此，SIA 正在敦促美国政府资助美国先进晶圆厂的发展。"晶圆厂产能的短缺和对过度依赖亚洲的担忧是推动美国扩大晶圆厂产能的两个关键因素，"IBS 的 Jones 说。
台积电将把大部分晶圆厂留在台湾。据 IC Insights 报道，2020 年，台积电位于台湾台南的新晶圆厂前两期开工。据 IC Insights 报道，新的 18 号厂房的第一期和第二期已投入量产，第三期至第六期的设施正在建设中。据台积电（TSMC）称，1-3期的目标是5纳米生产，而4-6期的目标是3纳米。
台积电最近宣布，计划在亚利桑那州新建一座中型 5 纳米晶圆厂，预计 2024 年投产。不过，有报道称，台积电可能会在亚利桑那州建造一座更大的晶圆厂，而不是建造一座中型晶圆厂。"Semiconductor Advisors 的 Maire 说："有传言说，他们可能想建造一座千兆级晶圆厂，一座可以供应大量零部件的全尺寸晶圆厂。与此同时，三星也计划在美国新建一座晶圆厂。
在这场动荡中，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代工部门，并开始营业。为了解决供应链问题，英特尔将通过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-盖尔辛格（Pat Gelsinger）在最近的一次活动中表示："各行各业的数字化正在加速全球对半导体的需求。英特尔新任首席执行官帕特-盖尔辛格（Pat Gelsinger）在最近的一次活动上说："但一个关键的挑战是获得制造能力。英特尔公司拥有得天独厚的优势，能够迎难而上，满足日益增长的需求，同时确保全球半导体供应的可持续性和安全性。
英特尔计划自己生产大部分芯片，并提供代工服务。为此，英特尔将利用现有的晶圆厂，并计划斥资 200 亿美元在亚利桑那州新建两座晶圆厂。
不过，英特尔的代工战略很复杂。在加强自身代工业务的同时，该公司将继续把部分芯片生产外包给有竞争力的代工厂，包括成熟和先进的设备。
英特尔重新涉足代工业务引起了台积电的冷淡回应，台积电是英特尔的代工供应商之一，现在也是英特尔的竞争对手。"台积电总裁兼首席执行官魏幸全在最近的一次电话会议上说："英特尔是我们的重要客户，我们将在某些领域进行合作，在其他领域展开竞争。
与此同时，在新的代工业务中，英特尔提供较早的 22nm finFET 工艺及其先进的封装技术。除此之外，英特尔还没有透露其代工计划。Cowen 的 Ramsay 在一份研究报告中猜测，英特尔将为代工市场重新定位其现有的 14 纳米工艺。7 纳米工艺也有可能。
22nm 是十多年前推出的 28nm 的延伸。尽管如此，28 纳米平面节点仍是一个很大的市场，有多种应用，包括人工智能、物联网/边缘、射频和可穿戴设备。
22 纳米的性能比 28 纳米更高，但成本却比 14 纳米更低。22 纳米也是一个拥挤的市场，多家晶圆代工厂商正以不同的技术展开竞争。台积电和联电提供 22nm 体平面工艺。GlobalFoundries 正在推出 22nm FD-SOI。英特尔（Intel）则在竞争 22 纳米 finFET。
22nm 和 28nm 针对许多相同的应用，包括汽车。" ，联电业务发展副总裁 Walter Ng 说："我们看到汽车电子领域的增长势头良好，这涵盖了从 0.35 微米分立 MOSFET 器件到 28 纳米/22 纳米 ADAS 产品等各种工艺技术，以及车身和底盘控制、信息娱乐和 WiFi 等所有领域。
除了 22 纳米制程外，英特尔也可能利用其现有的 14 纳米制程技术加入代工行列。"Cowen的Ramsay说："英特尔的14纳米工艺可以说是其历史上最成熟的工艺，因此收益极高。"英特尔在政治上最具吸引力的选择是逐步成为一家规模代工厂，利用其现有的 14nm 产能，将自己的产量转移到 7nm/5nm 的 EUV 节点上。"
据 Cowen 称，14 纳米工艺的潜在客户是那些利用代工厂生产 16 纳米至 65 纳米产品的客户。根据 Gartner 的数据，2020 年，16 纳米到 65 纳米代工厂的总收入将达到 350 亿美元，占代工厂总收入的 46%。
尖端战争
目前还不清楚英特尔是否会推出 14 纳米产品。英特尔很可能会加入前沿代工领域，包括7纳米/5纳米及更高制程。"台积电的 Wei 说："在智能手机和 HPC（高性能计算）应用的推动下，N5 需求持续强劲，我们预计 2021 年 N5 将占我们晶圆收入的 20% 左右。
对尖端芯片的需求巨大。" D2S 首席执行官 Aki Fujimura 说："芯片行业出现了分叉，包括深度学习和其他应用在内的超级计算需求正在推动对更多计算能力的永不满足的需求，而这种需求将来自 3 纳米、2 纳米以及更先进的技术。
不过，在 7 纳米及以下工艺中，静态漏电再次成为问题，每个节点的功耗和性能优势都开始减弱。" TEL 集成解决方案规划副总裁 Kazuya Okubo 在最近的一次演讲中说："扩展面临着挑战，例如 EPE 余量、成本和高宽比图案化。
另一个问题是，晶圆代工客户在前沿技术方面只有几个选择。三星和台积电是仅有的两家供应商。
中芯国际是中国最大的晶圆代工厂商，正在开发类似 7 纳米的工艺，以及 7 纳米以上的其他节点。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，才能向该代工厂商出售先进节点的工具。因此，中芯国际的 7 纳米努力停滞不前。
最终，英特尔有望参与尖端代工业务的竞争。这取决于英特尔能否提供 7 纳米及更先进的技术。(英特尔的 7 纳米相当于代工厂的 5 纳米）。
不过，英特尔的 7 纳米技术起步并不顺利。英特尔最初开发 7 纳米技术时，限制了极紫外光刻（EUV）技术的使用，而这种下一代技术可使用 13.5 纳米波长在芯片上绘制微小特征。这意味着，该公司试图使用传统的 193 纳米光学光刻技术和多重图案化技术来绘制许多难以实现的特征，从而带来了叠加和缺陷方面的挑战。这反过来又延误了英特尔的 7 纳米工艺。
最近，EUV 技术已经成熟。因此，在 7 纳米制程中，英特尔使用 EUV 对更多层进行图案化，从而简化了工艺流程，使英特尔的技术重回正轨。据 KeyBanc Capital Markets 称，英特尔计划在 2021 年推出 7 纳米产品，但量产要等到 2023 年上半年。
"Cowen的Ramsay说："修正这一路线图绝不是保证，这可能需要时间，因为英特尔多年来一直在努力获得稳定的执行节奏。
简而言之，英特尔仍然落后。三星和台积电早在两三年前就在 7 纳米工艺中采用了 EUV 技术，并已积累了丰富的经验。这两家厂商也都在推出各自的 5 纳米 finFET 工艺，3 纳米也指日可待。
"IBS的Jones说："台积电计划于2022年第三季度量产3纳米finFET。"三星的第一代 3 纳米 gate-all-around (GAA) 晶体管计划于 2022 年第四季度开始生产。
根据其路线图，台积电计划将鳍式场效应晶体管（finFET）扩展到 3 纳米，然后在 2023/2024 年转而采用称为 GAA 的下一代晶体管结构（2 纳米）。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 nanosheet FET 的 GAA 架构。纳米片场效应晶体管是鳍式场效应晶体管的进化版，基本上是将鳍式场效应晶体管的一侧包上栅极。与鳍式场效应晶体管相比，纳米片场效应晶体管的性能更高，但制造难度更大。
英特尔也在开发纳米片 FET，可能用于其 5 纳米节点。目前还不清楚英特尔的 5nm 何时问世，但该公司能否很快缩小工艺差距值得怀疑。"IC Insights 总裁 Bill McClean 说："至少在未来三年内，三星和台积电每年的总支出将超过 500 亿美元，任何公司都很难在尖端逻辑工艺技术方面赶上这两家公司。
先进封装大战
不过，英特尔可以通过其他方式缩小差距。通常情况下，为了推进设计，业界会利用芯片扩展技术开发 ASIC，以便在单个单片上实现不同的功能。但是，每个节点的扩展都变得更加困难和昂贵，而且扩展带来的功耗/性能优势也在缩小。
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在高级封装中组装复杂的芯片，这样就可以使用更多定制的加速器、各种类型的处理元件和不同的互连策略。
集成电路供应商、代工厂和 OSAT 都在以这样或那样的形式研究先进封装。例如，据 Cowen 称，英特尔正在为代号为 Sapphire Rapids 的新设备制定芯片战略。Sapphire Rapids将于2022年面世，是一款基于10纳米芯片和其他设备的服务器处理器。
先进封装是未来设计的可行选择。传统的芯片扩展也是如此。没有一种技术能满足所有需求。因此，至少在目前，业界可能会接受所有这些技术。