英特爾，比台積電還瘋狂
要奪回領導地位，英特爾來勢洶洶。英特爾的目標是在本世紀末成爲世界第二大晶圓代工廠。最近幾年來，英特爾的路线很激進，無論是‘四年五個制程節點’對先進工藝的追逐，還是在2030年實現在單個封裝中集成一萬億個晶體管，以及代工服務業務的开展。
台積電的擴產計劃
在2023年北美技術研討會上，台積電介紹了其未來的擴產計劃。從2017年到2019年，台積電平均每年建設兩期晶圓廠左右。而從2020年到2023年，平均值將顯着增加到5左右。近兩年，台積電共开工建設10期新廠，包括5期中國台灣晶圓廠、2期中國台灣先進封裝廠、3期海外晶圓廠。
具體地區上來看，台積電在台灣正在爲N2的生產建設新的晶圓廠，新竹的Fab 20和台中的新工廠。在美國，台積電計劃在亞利桑那州建設 2 座晶圓廠，N4首座晶圓廠已开始設備進場，2024年量產。第二座工廠正在建設中，計劃用於生產 N3。兩家晶圓廠的總產能將達到每年 60 萬片晶圓。
早在2021年，台積電就台積電攜手日本索尼在日本設立子公司JASM，並合作興建營運晶圓廠，初期採用22/28納米制程提供專業集成電路制造服務，以滿足全球市場對特殊技術的強勁需求。日本JASM晶圓廠預計2022年开始興建，2024年底前生產。建成後，月產能達4.5萬片12英寸晶圓。初期預估資本支出約70億美元，並獲日本政府承諾支持。
今年4月份，據消息人士透露，台積電將與博世以及其他兩家與汽車行業相關的歐洲公司合作，意欲在德國建設28nm晶圓廠，討論仍在進行中。這種成熟節點非常適合汽車芯片，而歐洲又是汽車重鎮。到2024年，28納米及以下工藝的海外產能將比2020年增長3倍。
但相比之下，台積電在國內的28nm擴產計劃就不那么美好。在上述消息傳出之前，台積電在高雄的28納米擴產計劃被取消。台積電2021年11月宣布在高雄投資設立7納米、28納米二座12英寸晶圓廠，7納米廠已在今年初宣布暫停，如今又傳出台積電原訂1月开標的高雄廠機電工程標案延後1年，相關無塵室、裝機作業延後、台積電高雄廠計劃採購的28納米機台清單也全數取消。
由於AI應用的火爆，台積電的先進封裝需求劇增。2023年6月份，台積電宣布新建一個先進封裝廠，爲Fab6，來擴展3D Fabric封裝技術。該晶圓廠於2020年开工建設，位於竹南科學園區，基地面積達14.3公頃，是台積電迄今爲止最大的先進後道晶圓廠，潔淨室面積大於台積電其他先進後道晶圓廠的總和。台積電估計，該晶圓廠將具備年產100萬片以上12英寸晶圓等效3DFabric制程技術的能力，以及每年超過1000萬小時的測試服務。台積電3DFabric包含多種先進的 3D 硅堆疊和先進的封裝技術，如SoIC、InFO、CoWoS和先進測試，可支持範圍廣泛的下一代產品。
英特爾來的更猛烈一些？
英特爾目前在全球有10個制造廠，在現有的基地中，包括五個晶圓廠和四個裝配和測試設施。過去幾年，英特爾不斷在這些基地的基礎上進行擴產建廠。而現在，英特爾正積極推進其制造業務的進一步擴張，以進一步拓展其制造版圖。
英特爾目前的整個制造版圖（圖源：英特爾）
英特爾在歐洲
作爲IDM 2.0的战略規劃的一部分，英特爾計劃在未來十年內沿着整個半導體價值鏈（從研發到制造和先進封裝）在歐盟投資多達 800億歐元。英特爾第一階段在整個歐洲計劃初始投資超過330億歐元，具體規劃藍圖是，在德國建設領先的半導體芯片制造工廠，在法國建立新的研發 (R&D) 和設計中心，並擴大研發能力、制造、代工服務和在愛爾蘭、意大利、波蘭和西班牙進行後端生產。英特爾此舉也將有助於歐洲實現到2030年拿下全球半導體20%的制造目標。
波蘭建設封測廠（新建）
2023年6月16日，英特爾計劃投資高達46億美元在波蘭弗羅茨瓦夫附近新建一個半導體組裝和測試工廠。波蘭總理Mateusz Morawiecki稱英特爾工廠是“波蘭歷史上最大的綠地投資”。該工廠將於2027年上线。英特爾表示這個工廠靠近其計劃在德國和愛爾蘭的工廠，結合起來，這些設施將有助於在整個歐洲創建一個端到端的領先半導體制造價值鏈。
英特爾在波蘭的布局始於1993年，彼時其在波蘭的首都華沙开設銷售辦事處；1999年英特爾通過位於格但斯克（Gdansk）的收購網絡設備廠商Olicom成立了研發中心；到2022年，格但斯克研發辦公室成爲英特爾在歐洲最大的研發中心。
德國建設巨型晶圓廠（新建）
早在2022年3月15日，英特爾在德國已經宣布投資170億歐元建立了一個半導體巨型晶圓廠，原本商定德國政府補貼68億歐元，但由於材料成本和勞動成本的大幅上漲，後來英特爾又擡高到99億歐元（108.3 億美元）的補貼價格，2023年6月19日，雙方籤署了修訂後的意向書。位於德國的這一新的晶圓廠預計將交付採用英特爾最先進的埃時代晶體管技術的芯片。
參加 2023 年 6 月 19 日儀式的代表包括（前排左起）英特爾首席全球運營官 Keyvan Esfarjani；經濟、金融和歐洲事務國務祕書 Jörg Kukies；和（後排左起）英特爾首席執行官 Pat Gelsinger；和德國總理奧拉夫·舒爾茨。圖片來源：Bundesregierung/Kugler
愛爾蘭（擴產）
2019年英特爾對其位於愛爾蘭的晶圓廠進行擴建，投資70億美元，新建一個Fab 34，將於2023年上线。該工廠將使英特爾愛爾蘭的制造空間擴大一倍，並爲lntel 4工藝技術的生產鋪平道路。
英特爾在以色列
6月份，據以色列時報報道，英特爾已與以色列政府籤署原則性協議，投資250億美元在Kiryat Gat建設芯片制造廠。“這是以色列國有史以來最大的投資，”內塔尼亞胡在周日的每周內閣會議上說。其實早在2019 年，英特爾已經就投資約100億美元建設 Kiryat Gat 芯片工廠進行了談判。Kiryat Gat工廠預計將於2027年开業。
以色列對於英特爾的貢獻頗大，大約50年前，一位在加利福尼亞州爲英特爾工作的以色列工程師Dov Frohman，他在1972年發明了EPROM，即紫外线可擦除只讀存儲芯片，最終導致了閃存的誕生。1974年英特爾在以色列开設了第一個以色列辦事處（英特爾希望找到更多Frohmans）。英特爾的第 7代和第8代英特爾酷睿處理器主要在以色列开發。
Dov Frohman發明了EPROM
英特爾在美國
俄勒岡州
2022年4月11日，英特爾對其位於俄勒岡州希爾斯伯勒的晶圓廠D1X擴建，該項目投資30億美元。並將這個佔地500畝的園區新命名爲Ronler Acres的Gordon Moore Park，以紀念英特爾聯合創始人戈登摩爾。英特爾在俄勒岡州的芯片工廠是全球最大的工廠。
俄亥俄州（新建）
2022年1月，英特爾已宣布計劃初始投資超過200億美元，在俄亥俄州利金縣建設兩家新的尖端晶圓廠。這是俄亥俄州歷史上最大的單一私營部門投資。2023年5月，該芯片廠已經开始澆築混凝土。
英特爾俄亥俄州的建設近況（圖源：英特爾）
亞利桑那州（新建）
2021年9月24日，英特爾投資200億美元在亞利桑那州錢德勒的Ocotillo校區的兩家新的晶圓廠破土動工，分別命名爲Fab 52和Fab 62。屆時英特爾Ocotillo園區將共有六個晶圓廠。這兩個晶圓廠將於2024年开始運營，新晶圓廠將制造英特爾最先進的工藝技術，包括採用全新RibbonFET和PowerVia技術的英特爾20A。
新墨西哥州（擴產投資）
2021年5月3日，英特爾宣布將向其新墨西哥州的業務投資35億美元，發展Foveros先進封裝技術。位於新墨西哥州的eRio Rancho 工廠目前开發和制造封裝技術、內存和連接技術。
晶圓廠建設的復雜性和成本
據英特爾的信息，一個設備齊全的新工廠耗資約100億美元，需要7000名建築工人大約三年才能完成。一個典型的英特爾晶圓廠包含大約1,200種先進工具，其中許多價值數百萬美元。晶圓廠的四個級別中有三個支持潔淨室級別，即實際芯片生產的地方。
來源：英特爾
- 最上層是插頁和風扇甲板，風機甲板上的系統可以保持潔淨室中的空氣無顆粒，並精確地保持適合生產的溫度和溼度。這一層被稱爲間隙層，是晶圓廠的最高層。
- 接下來是潔淨室，工作人員穿着兔子服，以防止絨毛、毛發和皮膚碎片離开硅片。有趣的是，潔淨室通常使用黃色燈光照明，這在光刻過程中是必要的，以防止光刻膠受到波長較短的光的影響。
- 再往下一級是潔淨車間，其中包含數千台泵、變壓器、電源櫃和其他支持潔淨室的系統。被稱爲“分支”的大型管道將氣體、液體、廢物和廢氣輸送到生產工具中。在這個層面上，工人不穿兔子服，但他們戴着安全帽、安全眼鏡、手套和鞋套。
- 最底層是實用層，支持工廠的電氣面板位於這裏，還有與清潔子工廠的側管相連的“主電源”-大公用管道和管道系統。此外，這裏還設有冷卻器和壓縮機系統。負責監控這一層設備的工作人員穿着便服，戴着安全帽和安全眼鏡。
在晶圓廠的建設過程中，物料更是大的驚人。最重的貨物是55噸的冷水機，相當於12頭平均體型的非洲象。此外，將挖掘超過200萬立方碼的土壤和巖石，並在現場進行再利用，這足以填滿俄亥俄州立大學的足球場。工程還需要澆築50萬立方米的混凝土，以及10萬噸的鋼筋，相當於世界最高建築迪拜哈利法塔（Burj Khalifa）的兩倍以上。此外，還將使用5.8萬噸的結構鋼，重量比埃菲爾鐵塔還要大8倍。預計將有7000名現場技工參與施工，總工時預計將超過1500萬小時，相當於超過1700年的工作時間。另外，還將安裝長達23米的電纜，這一長度相當於166個馬拉松的全程。
英特爾重回領導地位的幾大“法寶”技術
如此大的投資布局，英特爾要重奪領導地位的決心和來勢不容小覷。而關於英特爾能否重回領導地位，業界衆說紛紜。英特爾在10nm工藝節點上大約晚了5年，但是根據Wikichip Fuse的說法，英特爾可能會在今年晚些時候憑借其即將推出的Intel 4節點回到最前沿。在代工領域，根據TrendForce的數據，台積電在第三方芯片制造業務中的市場份額約爲59%，其次是三星的16%，英特爾的份額還相對很小。
要重回領導地位，僅靠建廠是不夠的，產能是很重要的一方面，但還需要在芯片微縮方面先進技術上的突破。目前，英特爾有兩大重要技術“法寶”。
其中一大法寶是RibbonFET，它是基於Gate All Around (GAA) 晶體管开發的。RibbonFET是英特爾自FinFET以後的首個全新晶體管架構。RibbonFET革新之處在於它堆疊了多個通道以實現與多個鰭片相同的驅動電流，但佔用空間更小（如下圖右）。對於給定的封裝，更高的驅動電流會導致更快的晶體管开關速度，並最終帶來更高的性能。
另外一大法寶是PowerVia背面供電：所謂的背面供電簡單而言就是通過將電源线移至晶圓背面。數十年來，晶體管架構中的電源线和信號线一直都在“搶佔”晶圓內的同一塊空間。通過在結構上將這兩者的布线分开，可以很好地提高芯片性能和能效。
在研發代號爲“Blue Sky Creek”的測試芯片上，英特爾已經證實了這項技術確實能顯著提高芯片的使用效率，單元利用率（cell utilization）超過90%，平台電壓（platform voltage）降低了30%，並實現了6%的頻率增益（frequency benefit）。PowerVia測試芯片也展示了良好的散熱特性，符合邏輯微縮預期將實現的更高功率密度。
研發代號爲“Blue Sky Creek”的測試芯片
背面供電對晶體管微縮而言至關重要，可使芯片設計公司在不犧牲資源的同時提高晶體管密度，進而顯著地提高功率和性能。英特爾的PowerVia將於2024年上半年在Intel 20A制程節點上推出。該技術將可以很好的支持英特爾代工服務（IFS）客戶在內的芯片設計公司。
目前在台積電、三星和英特爾這三大晶圓廠中，英特爾在背面供電技術領域是率先取得收獲的。早在2012年，英特爾引入FinFET技術，讓英特爾獨領風騷好多年。英特爾認爲PowerVia技術將是其新的FinFET時刻。如果英特爾能夠按照其承諾實現該技術，那么其預計在部署背面供電方面至少比台積電和三星領先兩年。
除此之外，英特爾也在2D材料等領域不斷探索，據悉英特爾和CEA-Leti將使用層轉移技術在300毫米晶圓上开發金屬二硫化物 (2D TMD)，例如基於鉬和鎢的TMD，目標是將摩爾定律擴展到2030年以後。這主要是因爲2D-FET提供了固有的亞1nm晶體管溝道厚度。
雖說還有各種各樣新技術、新材料、封裝和互聯技術等等的支撐，但英特爾折戟10nm制程之後，RibbonFET和PowerVia這兩大技術將成爲英特爾重回正軌的關鍵，再一次的成敗似乎在此一舉。或許我們將見證晶體管性能的又一次飛躍。
標題：英特爾，比台積電還瘋狂
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