重置工藝命名、研發創新技術、邁向代工市場　IDM 2.0時代英特爾的革新和開放

張平

今年3月份，英特爾提出了全新的代工計劃—IDM 2.0模式，計劃徹底開放自家制造技術為所有硬件廠商進行代工制造。僅僅過去了4個月，英特爾又召開了一次被稱為“加速”的線上發布會，公布了未來數年英特爾在半導體制造方面的工藝路線圖、技術革新，還拿出一整套包括工藝節點、全新技術和產業合作方向的文件，并由英特爾CEO帕特·基辛格上臺親自進行講解。英特爾這套包含了全新技術、全新命名以及代工業務的產業計劃書，究竟有哪些令人感興趣的內容和重要技術？它又會對英特爾未來的發展帶來哪些影響呢？

重新定義制造工藝節點名稱

在發布會上，英特爾先是介紹了有關IDM 2.0的代工體系和進展情況。英特爾計劃為IDM 2.0的亞利桑那州項目投資20 0億美元，為新墨西哥州的項目投資35億美元，這兩個項目主要是兩個全新的制造中心。接下來英特爾話鋒一轉，提到了有關半導體工藝制程命名的問題。在工藝制程上，英特爾和行業內包括三星、臺積電在內的廠商打過數次口水仗了。其核心原因是，臺積電、三星等廠商早都將工藝名稱和工藝技術徹底割裂開來。比如同為14nm / 16nm工藝，英特爾宣稱的晶體管密度最高可以達到45. 51MT/ mm²，相比之下，臺積電和三星的這個數值分別只有36.06和34.68，相比英特爾差了大約30%。更夸張的對比發生在了10nm時代，英特爾1 0nm工藝的密度最高可達106 .1MT/ mm²，臺積電僅為5 5 .10 M T/ mm²，三星僅為54. 55MT/ mm²。隨后的7nm工藝，英特爾、三星、臺積電三家廠商的數據分別是212.48、100.59、101. 85。再向后的5nm時代，英特爾沒有數據，但是三星和臺積電的密度數據分別是133.56、185.46。3nm時代，三星只能做到180.31，臺積電倒是能達到316 .65—這個數據也就只比理論上兩代前的英特爾7nm工藝提升了50%而已。從發展先進工藝、不斷微縮晶體管和芯片尺寸的角度來說，半導體制造的先進性，就是體現在單位面積可以容納多少個晶體管這個角度上。無論是現在的新型封裝技術也好，5nm、3nm技術也好，都是在盡可能多的面積內塞入更多的晶體管來實現更強的性能和更多的功能。從這個角度來看，判斷晶體管工藝的

先進程度，如果單純依靠傳統的制程節點命名，顯然是不夠的，單純依靠密度數據雖然也不夠客觀，但是比傳統節點命名還是好了不少。

發布會上，英 特 爾 引 用 了包括IEEES ectrum、SemiWiki和Semiconductor Engineering等媒體的評論，再次強調各大廠商的工藝節點名稱已經基本和其技術水平脫節了。比如部分媒體認為英特爾的10nmSF工藝和臺積電的7nm工藝相當，臺積電的3nm工藝相當于英特爾的7nm工藝，而臺積電的2nm工藝則和英特爾5nm工藝相當等。另外，英特爾干脆引用了臺積電VP的言論，認為目前的工藝節點名稱只是數字，用于指代一個技術節點而已，人們不應該將名稱和實際的技術內容混為一談。

當然，消費者可能根本不關心背后的技術是什么，消費者就喜歡看名字。競品宣稱自己采用了全新的7n m工藝的時候，英特爾拿出了10nm Super Fin，盡管在頻率、功耗、晶體管密度等多個關鍵性指標上都不弱于競爭對手，但是這個名頭叫起來不好聽。在這種情況下，英特爾只能向市場妥協，通過宣布新的命名方式來徹底“重置”整個半導體工藝節點名稱。英特爾給出的方案是，在10nm SuperFin工藝之后的增強版本10nm Super Fin工藝名稱更新為Intel 7，之前提到的英特爾7nm工藝更新為Intel 4，英特爾7nm工藝的增強版本更新為Intel3，再往后的英特爾5 n m名稱更新為Intel 20A，最后則是英特爾5nm工藝的增強版本名稱更新為Intel18A。當然，新的命名方式并非毫無依據，根據英特爾的調研，新的Intel 7和三星、臺積電的7nm工藝密度基本相當，Intel 4略好于競爭對手的5nm工藝，Intel 3則應該和競爭對手的3nm工藝處于一個水平線上。

在這里，英特爾引入了A，也就是埃米這個尺度，1A等于0.1nm。當納米這個單位接近“1”之后，英特爾選擇擴大度量衡，并使用諸如20A、18A甚至未來可能存在的15A來命名產品。

英特爾還給出了每一代工藝相對前一代工藝的進展情況。比如Intel 7相比現在的10nm SF，帶來每瓦特10%～15%的性能提升，擁有更快移動的電子、更好的能量控制和更出色的功率輸出。Intel 7工藝將在Alder Lake和SapphireRapids首先使用，前者面向客戶端，后者面向數據中心。接下來的Intel 4，是首個采用EUV光刻的節點，原計劃2021年Q2推出，目前看起來是延期了。Intel 4將使用在Meteor Lake和Granite Rapids兩種處理器上，其密度可達每平方毫米2億到2.5億個晶體管之多。再接下來的Intel 3，晶體管的每瓦特性能又相比之前的Intel 4提升大約18%，帶來高性能庫、優化的互聯金屬棧、增加的內在驅動電流以及進一步增加EUV的使用等特性。

Intel 20A和Intel 18A是目前英特爾路線圖中最遠期的工藝了。其中，Intel 20A將引入全新的GAA技術（英特爾稱之為Ribbon FET）以及Power Via，前者是我們介紹過多次的環狀柵極技術，后者則是一種全新的在晶體管背面布置電路從而大幅度提升晶體管密度的新技術。英特爾已經開始對這兩個技術進行試驗，并展示了具體的成果。在英特爾展示中，Power Via技術目前已經可以將電路轉移至晶元背面，節約寶貴的晶圓面積。在Ribbon FET的展示中，英特爾展示了4層納米的GAA工藝，并且同時展示了PMOS和NMOS的GAA實現，效果看起來都不錯。至于更遠一些的Intel 18A，現在就沒有太多消息了。

創新的工藝技術

在工藝節點重新命名之后，英特爾還帶來了大量工藝技術的更新。英特爾首先展示了現在的EMIB技術和傳統封裝技術的對比，EMIB技術帶來了2倍的帶寬和4倍的能耗比改善。新的下一代EMIB技術將改用更小的45微米的接觸點，再下一代則更進一步縮減至40微米，更小的接觸點有助于布局更多的觸點，實現更大的帶寬或者更多的功能。

接下來英特爾還帶來了3D封裝也就是Foveros的消息。Intel 4工藝制造的MeteroLake處理器將采用Foveros工藝堆疊封裝，其中計算核心、低功耗SoC核心和GPU核心將封裝在一起，其觸點尺寸會進一步縮小至36微米，整個產品滿足5W到125W的功耗區間設計需求。英特爾首個并行計算GPU核心Ponte Vecchio也將采用EMIB和第二代Foveros進行制造。

在更遠的將來，英特爾還會推出Foveros Omni以及Foveros Direct。其中，前者的觸點縮小至大約25微米，可以實現不同類型芯片對芯片的直接接觸和封裝;后者則進一步縮小觸點至10微米左右。英特爾展示了Foveros Omni技術的結構圖，通過TSV、封裝銅柱等技術可以實現芯片的多層互聯，帶來更好的性能功耗比，更寬的IO帶寬等。至于Foveros Direct，英特爾展示了兩個芯片銅觸點的直接連接，這種連接會使得每層的連接密度提升至每平方毫米1萬個，并且能通過劃分功能區塊來實現不同的等級。

擁抱客戶，進入代工市場

實際上，目前全球半導體企業已經形成很完善的分工合作，比如高通、英偉達、AMD等廠商就是專門做設計，臺積電、臺聯電、格羅方德、中芯國際等廠商就是專門做制造。在這種產業鏈中，企業需要考慮全局通盤合作才能完成產品的生產。但是，有2個企業的發展路徑有所不同，一個是三星，另一個就是英特爾。這兩家企業都擁有設計、制造、測試封裝的全產業鏈，是整個半導體行業內為數不多的垂直發展的企業。

從現在市場的情況來看，半導體制造行業逐漸呈現強者愈強的態勢。比如臺積電在高端芯片制造代工方面一騎絕塵，頂級、高利潤的產品全部由臺積電代工完成，由于缺乏競爭對手，臺積電在晶圓產能安排、代工報價方面均難以受到市場制約，因此相對應其企業利潤率非常高。據統計，臺積電2021財年毛利潤為50.5%～52.5%，凈利潤也高達3 9. 5%～41.5%。相比之下，作為全球通訊霸主的高通，凈利潤一般只有20 %左右;設計、生產一把抓的英特爾，毛利潤也僅55%左右。

商業發展的普遍規律告訴我們，如果某個商業模式的利潤高到令人眼紅的程度，那么一定會有別的競爭對手想擠進來，即便這個行業門檻特別高。在高端半導體代工方面，能邁過門檻的企業目前只有三星、臺積電和英特爾三家。三星目前相比臺積電在技術上有比較大的差距，因此難以從臺積電手中搶到太多的份額。在這種情況下，英特爾進入代工市場，宣布IDM 2.0計劃，邏輯上并不存在問題。

此前，英特爾就曾展示自己進軍半導體代工產業的決心。為了更好地為合作企業提供代工業務，英特爾這次還成立名為IFS（I ntel Foundry Services，英特爾代工服務）的部門。目前英特爾的代工服務可以滿足包括x86、ARM、RSIC-V等不同架構的需求，支持行業的標準流程和工具，用戶使用行業標準工藝開發套件完成設計后再交給英特爾代工等。據透露，英特爾將與高通在Intel 20A時代開始合作，亞馬遜則和英特爾簽約，使用其封裝技術實現自己的需求。

IDM 2.0模式的三大阻礙

雖然英特爾目前有了亞馬遜和高通這樣的代工客戶，但是其宣布的內容都不夠重量級。比如亞馬遜僅使用英特爾的封裝技術，高通要在2025年左右才開始合作。很顯然，英特爾已經展示自己擁抱代工產業和開放迎接客人的心態，但市場暫時還持懷疑態度，主要顧慮集中在產能、產權和產業三個方面。

先來看產能。眾所周知，2021年整個半導體產業界產能都非常吃緊，即使是英特爾，也不得不考慮外包GPU等芯片的生產。在這種情況下，英特爾到哪里去找產能給客戶呢？英特爾的答案是新建兩個工廠，也就是前面提到的亞利桑那州和新墨西哥州的兩個項目，不過遠水解不了近渴，短期內英特爾的產能還難以突破。

其次就是產權了。英特爾在半導體產業鏈上可謂“又大又全”，從CPU到GPU，從ASIC到FPGA，少有英特爾不涉及的產業。在這種情況下，與其競爭的對手企業是否能放心地將產品交給英特爾代工呢？強如英偉達，在GPU計算市場即將面臨英特爾強勢競爭的情況下，是否會將下一代產品的各種詳細規劃、技術細節交給英特爾？現在的AMD恐怕更是絕對不會考慮英特爾代工的事情。

目前只有高通這樣和英特爾“糾纏”不多的企業，能夠簽下“戰略合作協議”。要從根本上解決這個問題，可能只有英特爾宣布剝離所有制造工廠成立新制造公司，新的制造公司和英特爾剩余的非制造部門以特殊的股權架構形式在“大英特爾”的體系下共存，同時英特爾宣布成為Fabless企業之后，各大競爭對手廠商才有可能選擇英特爾進行大規模代工。

第三則是產業。代工產業涉及很多方面，英特爾是否做好了準備？簡單來說，代工一款處理器，英特爾是否愿意提供足夠的知識產權給企業使用？一些和產品制造相關的后端工具、涉及英特爾處理器專利的特殊制造工藝，是否也能放開給代工企業使用？目前，英特爾并沒有就這些問題透露太多的內容。

寫在最后：英特爾正在改變

從本次英特爾的發布會的情況來看，英特爾在技術上的確有突破，但最關鍵的還是英特爾呈現出自己革新和開放的態度。革新，是順應市場的需求，不再和競爭對手在沒有意義的命名等方面進行較勁，而是積極擁抱市場變化和客戶需求，消費者想要什么，給什么就行，不然可能落得個贏了“口水仗”、輸了市場的結局。開放，是反映未來的變化。市場對芯片的需求正在不斷攀升，并且只會越來越多，在最基礎、最根本的芯片制造業上，英特爾技術的確獨步全球，但是只給自家用顯然無法發揮最大價值。英特爾想追回以往的優勢，就需要更開放、更積極主動。

自從新的CEO上任后，英特爾似乎不再那么重視短期的盈利目標，無論是積極建工廠，還是擁抱代工模式，或者干脆改個名字，之前那個有點愛較勁的英特爾不見了。英特爾做得更務實、看得更長遠，更加革新和開放了。