台積電反超英特爾,美國統治半導體的時代要結束了?

【為什麼我們挑選這篇文章】自英特爾 7 奈米製程延遲事件後,不僅讓英特爾股價大跌,也預示了英特爾的沒落。導致今日局面的原因和自主生產及代工製造的差異是否有關?英特爾的沒落會帶來什麼影響?讓我們來看看吧。(責任編輯:呂珈寧)

在晶片製造核心的技術上,曾經領先的英特爾如今失去了優勢。

2020 年 7 月 24 日,英特爾公佈了 2020 年第二季度財報。財報透露,由於 7 nm 製程良率不理想,英特爾的 7 nm CPU 產品較先前預期推遲了大約 6 個月。英特爾首席財務官喬治·戴維斯(George Davis)接受采訪時說,在 7 nm 晶片製造技術中發現一種「嚴重缺陷」,英特爾正在進行調整。

這是英特爾第二次推遲 7 nm 量產,較原先計劃一共延期一年。英特爾的 7 nm 晶片,預計不會早於 2022 年下半年推出。儘管英特爾 Q2 在數據中心和存儲業務板塊的收入大幅增長,但推遲 7 nm 量產消息仍讓其股價在 24 日收盤時下跌超過 16%。

自主生產和代工製造的差別在哪?優劣勢如何造就今日局面?

財報電話會議上,英特爾透露「可能會將主要零部件生產外包」。今年 3 月摩根士丹利一次會議上,喬治・戴維斯對投資者承認,公司已經落後於競爭對手台積電,要追趕上至少需要 2 年時間。

7 月 27 日,台灣《工商時報》報導,英特爾與台積電達成了協議,後者將在 2021 年為前者代工 18 萬片 6 nm 晶圓。晶圓是製作晶片所用的矽晶片,通常一片晶圓可以切出幾十個晶片。

事實上,英特爾找台積電代工的消息,此前早已多次傳出,並且集中在 6nm 的 GPU 上,並未涉及 CPU 產品。目前,英特爾和台積電都沒有證實代工 6nm 晶片的傳聞。

要知道,英特爾一直引以為傲的,就是其領先的晶片製造能力。 彭博社發表評論,英特爾考慮外包這一決定「預示著美國統治半導體行業時代的終結」,「此舉可能會在矽谷以外引起反響,影響全球貿易」。一些動作已經反映出這個現象:在美國商務部壓力下,今年 5 月台積電表明會在美國興建一個工廠,用以生產最先進的 5nm 製程晶片。

英特爾和台積電分別是晶片行業兩種分工模式的典型,前者代表了 IDM 模式,後者則是垂直分工模式一個重要環節。

IDM,全稱 Integrated Device Manufacturer(垂直整合製造),意指一家公司包辦晶片設計全流程,從設計、製造、封裝測試到最後銷售。除了英特爾,三星也採用了這種模式。

晶片製造流程

而垂直分工模式裡,有的積體電路公司只做晶片設計和銷售,沒有晶片製造工廠(Fabrication,簡稱 Fab)。這種公司通常稱之為 Fabless,高通、英偉達、AMD 和華為海思都是這種類型。

幫別人製造晶片、不設計晶片的廠商則叫 Foundry(晶圓代工廠),典型廠商的有台積電和中芯國際。事實上,這種模式的開創,正是得益於台積電這種純晶圓代工廠的設立。

很多曾經 IDM 模式的美國晶片公司,已經陸續關掉或出售其在美國國內的工廠,轉而讓亞洲的代工廠生產。只有英特爾一直堅持著 IDM 模式, 這家公司認為同時兼顧設計和製造,兩方面都能相互促進。

得益於這種模式, 在過去 30 多年裡,英特爾長時間處於技術領先地位。但從投入層面來看,IDM 模式需要大量資金 ,一條生產線動輒幾億美金,門檻非常高,對行業新進入者不友好。

而垂直分工模式把設計和製造分離,負責晶片設計的,把方案做出來,交給純代工的專業 Foundry 去製造,讓晶片行業的准入門檻一下子就降低了很多。AI 晶片領域有這麼多創業公司,正是得益於這種模式。

但垂直分工模式也有弊端,最先進製造技術的產能是有限的,只有蘋果、AMD、華為和高通這種訂單量大的晶片設計廠商,才能爭取到排期靠前的產能。另外,代工廠也會因為一些非商業因素,拒絕某家晶片設計廠商的訂單。一個最近的例子是,台積電迫於美國商務部製裁華為的壓力,已經暫時拒絕了華為的新訂單。

台積電不斷追求技術成長,在智慧手機時代追上了英特爾

在晶片製造行業,評價一家工廠水準高低的主要標準,是其製程技術,現在通常以「Xnm」的形式表示。

製程技術數字越小,意味著能在更小體積的晶片中塞進更多晶體管,並且運算性能更高、耗電量更小。比如,5 nm  比 7 nm 先進,7 nm 比 10 nm 先進。大名鼎鼎的「摩爾定律」,描述的就是製程技術之迭代:單位面積上晶體管數量,每兩年(也有說法是 18 個月)增加一倍。

1987 年,台積電剛成立時,製程技術遠不如英特爾,落後兩代之多。當時,台積電的技術是 3 µm(微米,1 微米= 1000 納米),而英特爾在 1979 年推出 8086 處理器時,就採用了 3 µm 技術。1985 年,英特爾已經把技術推進到了 1 µm。

但經過多年積累後,台積電在智慧手機時代追上了英特爾。

需要說一下的是,由於命名上的混亂,台積電和英特爾在製程技術節點上並不能劃等號。一位半導體從業者概括道:大致認為英特爾的 10 nm = 台積電的 7 nm,英特爾 7 nm = 台積電/三星 5 nm(台積電和三星是一樣的)。英特爾的技術不商用,不開放,所以不能直接套用商用節點分類。

2017 年,台積電開始量產 10 nm 工藝,此時英特爾是 14 nm。2018 年,台積電開始大規模量產 7 nm。一年後,英特爾實現 10 nm 晶片量產。這個階段兩家製造實力基本持平。

但這樣的局面很快就被打破。2020 年 4 月,台積電的 5 nm 製程技術進入量產階段。而英特爾與之相對應的 7 nm,內部目標是 2020 年中開始量產,卻一而再地推遲。據英特爾 2020 年第二季度財報,7 nm 晶片要到 2022 年下半年才能亮相。這樣一來,英特爾便實實在在地落後於台積電。

英特爾做出變革,將由製造部門負責人接班領導  10 nm 升級工作

面對這樣的形勢,英特爾已經開始做出改變。7 月 27 日週一,英特爾宣布首席工程師穆西·倫杜欽塔拉(Murthy Renduchintala)將離職,其領導的 TSCG(科技、系統架構和客戶事業群)將劃分為五個團隊,新領導直接向 CEO 鮑勃·斯旺(Bob Swan)匯報。

離職的穆西被認為是英特爾的二號人物,他曾負責調製解調器,但該業務最終以 10 億美元賣給了蘋果。在英特爾工作了 24 年的安・凱萊赫(Ann Kelleher)將領導 7 nm 和 5 nm 晶片開發。她之前是英特爾製造部門負責人,領導 10 nm 製程的升級工作。

(本文經合作夥伴 品玩 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈英特爾芯片工藝的“掉隊”究竟意味著什麼?〉。首圖來源:Unsplash)

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