2025年Intel真有機會重回王座嗎？
2022-03-07
作者
黃燁鋒
自Intel默秒全時代結束之後，PC、資料中心CPU市場的競爭格局正發生變化。該公司十多年的技術霸權，在短短2年間就不見了…
自英特爾(Intel)默秒全(編按：指Intel Core i3處理器預設頻率秒殺AMD品牌下所有處理器產品)時代結束之後，PC、資料中心CPU市場的競爭格局正發生變化。很多人將其歸因於Intel製程從原先的稱霸全場，到如今儼然落後於台積電(TSMC)和三星(Samsung)。無論這個說法對不對，似乎從Intel被AMD蠶食市場，到蘋果(Apple) Mac棄用Intel處理器，以及10nm和7nm製程難產，逐漸跟不上台積電的腳步開始，就出現了這樣的說法。
Intel十多年的技術霸權，在短短2年間就不見了。雖說像Intel這種大公司，業務範圍、營收量級並非AMD這類企業可比；而且在市場大趨勢下，其營收表現也遠遠談不上岌岌可危；但前年在談到Intel的時候，筆者就提到其狀態是「struggling」；即便今年的第12代Core，以及Sapphire Rapids、Ponte Vecchio為Intel討回了不少顏面。
IDM 2.0計畫誕生，Pat Gelsinger接任CEO，並表示要帶Intel重回技術領導者地位。這條路一點都不好走，尖端製程的難度和成本投入都在加大，要追趕絕非一朝一夕可成。去年7月，Intel Accelerated活動宣佈製程改名，以及後續包括Intel 4、Intel 3、Intel 20A、Intel 18A在內的製程節點邁進計畫，可說此計畫表對Intel而言是巨大考驗，尤其要求Intel嚴格按照其中的時間規劃推進製程節點，本身就潛藏相當大的挑戰。
上個月Intel召開投資者會議，再度展望了未來計畫，也談到了如何奪回技術制霸地位的問題。這對理解Intel這家公司，以及尖端半導體製造製程未來的發展很有價值。
一份激進的計畫表
先來看看大部分人關心的製程問題。雖然去年的Accelerated活動已經談到了不少的未來規劃，也提到了2024年追上競爭對手，2025年重回領導者地位；但Intel這次又把時間提前了。其中Intel 18A (A是指埃，angstrom，1奈米= 10埃)原計劃於2025年問世，但這次Intel宣佈將其提前到了2024年下半年(應該是指量產，或準備好量產)。
而且Intel還表示當前已經給一家客戶提供了18A的測試晶片，並預計在今年會有2次18A製程的流片，明年上半年會有4顆測試晶片。這表示18A的規劃真的很早，Intel是鐵了心要在18A重回昔日領導者地位。投資者會議上，Gelsinger還展示了一張據說是18A SRAM測試晶圓。
如此一來，Intel的製程節點更新計畫表就顯得更激進了，4年要推進5個主要製程節點，雖然這其中還是有製程上的小改款。以下回顧接下來一段時間內Intel的製程推進計畫：
- Intel 7：原10nm Enhanced SuperFin製程，去年到今年已經大規模量產。Intel 7比10nm SuperFin有10%的每瓦性能提升。
- Intel 4：原7nm製程。很久以前Intel對於這代製程的預期是達成2倍的電晶體密度提升，但現在似乎不再提，可能是路線有變。Intel表示，Intel 4相比於Intel 7有20%的每瓦性能提升，也是Intel首個採用EUV微影技術的製程；今年下半年量產(或準備好量產)。
- Intel 3：從Intel的規劃來看，Intel 3屬於Intel 4的同代演進，也就是半代改款製程；預計會有密度更高的庫，最佳化過的金屬堆疊、更低的VIA電阻、應用更多的EUV微影層；實現18%的每瓦性能提升；計畫量產(或準備好量產)時間為2023年下半年。
- Intel 20A：Intel首個採用GAAFET電晶體結構的製程，Intel將這種電晶體稱作RibbonFET；另外會有一種名為PowerVia的Backside Power Delivery技術隨之而來。20A預計實現15%的每瓦性能提升，量產(或準備好量產)時間設定在2024年上半年。
- Intel 18A：與20A相比18A又算是個半代製程，實現大約10%的每瓦性能提升，預計2024年下半年量產(或準備好量產)。從這個時間來看，Intel 18A量產的時間將早於台積電和三星的2nm製程。
這張計畫表進度之快，基於現在的產業現狀，似乎是很難想像。畢竟在此之前的14nm和10nm已浪費Intel多少年的時間，尤其10nm走向成熟真可謂一路跌跌撞撞，坎坷不斷。
值得一提的是，要奪回領導者地位的18A製程節點，Intel很早之前就強調會率先用上ASML的高數值孔徑(High-NA) EUV微影機台，0.33NA。不過從Scotten Jones的消息來看，這台微影機固然能夠提供一定的競爭優勢，但台積電預計也能很快拿到(在Intel拿到的1個月之後)，那麼Intel在工具方面的優勢或許就沒那麼顯著了。
製程模組化方案來得及嗎？
在如何快速實現製程推進的問題上，Intel在投資者會議上也提供了一些資訊。除了人才回流及與供應商打好關係之外，Intel導入一種「模組化設計架構」，並稱之為Tick-Tock。這個Tick-Tock和早年Intel處理器的滴答更新計畫不一樣。
在此，主要的電晶體pitch scaling稱為tick節點，而tock則是指基於此的最佳化和更新。Intel 4、Intel 20A都屬於tick更新；而Intel 3和Intel 18A就是tock節點。
為了確保製程升級不受制於某些瓶頸，Intel對開發製程流程做了簡化，而且對創新、執行和可預測的一些變數做了反覆考量。也就是要讓製程開發的不同組成部分，實現更大程度的解耦或者獨立，讓某一部分的進度不至於影響到整個製程的更新。比如說訊號、供電、電晶體這幾個部分就可以由不同的團隊去做，實現製程的「模組化」。
舉個例子，PowerVia——也就是backside power delivery網路。簡單來說，現有絕大部分方案是把供電和訊號層放在同一個互連堆疊中，而PowerVia是將所有的供電部分放到了電晶體的後方，不僅可以讓訊號互連更密集，訊號傳輸效率、延遲表現也有了提升，供電互連的電阻也降低了，實現了性能、功耗、面積的最佳化。
Intel 3製程節點有個客製版本，可用於測試製程流程，包括電晶體層、訊號互連，以及打線到載體晶圓(carrier wafer)，並翻轉晶圓後，再去後方建構供電網路。那麼這個測試流程就能完全獨立於RibbonFET電晶體之外去進行；兩者的開發進度受到彼此的影響更小。
這類風險比較大的製程流程，也就會相對更少地影響到整個製程節點的更新。還有像20A、18A的開發就有不同的團隊在執行，應當都屬於加速製程更新的組成部分。
另外，Intel的IDM 2.0計畫中提到更積極地對外提供晶圓代工服務。在投資者會議上，Intel提到對外只提供tock節點，而tick節點是完全對內，確保晶片設計客戶拿到的是成熟版的製程。這其實某種程度上消除了客戶所需承受的製程風險；也讓最尖端的技術始終掌握在了自己手裡。
傳說中的代工業務如何？
作為IDM 2.0計畫的重要組成部分，Intel先前就宣佈晶圓代工廠會更積極地接外部訂單(也就是所謂的IFS服務)。這部分Intel談到了如何充分利用舊製程的製造設備，實現更高效的資源轉化和重複使用，以及儘早實現較高的產能輸出和工廠利用率。Intel表示，自己在這些領域都是有經驗和優勢的。
這對Intel的價值很重要的一點，在於讓現有資產的使用壽命更久，這對於提升Intel的毛利率有價值。2001前後，Intel和台積電都開始上線130nm製程，到現在為止，台積電也還在運作130nm、90nm、65nm、40nm製程產線，但Intel就全線轉向32nm和更新的製程節點。而更大程度給外部晶片設計企業提供晶圓代工服務，也就實現了資產更高、更長時間的複用，如上圖所示。
針對晶圓代工服務的開展，Intel也強調了會建更多的Fab廠；建廠資金部分來源於現有業務、借貸、政府補助和客戶的預付款；在建廠資金問題上有可能會和Brookfield Asset Management資產管理公司合作。
在晶圓代工計畫方面，2022年Intel可能更多將投資集中在技術開發上；今明兩年是大範圍地把廠(所謂的fab shell)蓋起來，雖然可能在真正需要擴充產能的時候才會全面啟用；這兩年當然同時也會購置生產工具和設備，但2025、2026年會是工具資金投入上的主要年份。
Intel長期計畫在CapEx資產成本投入大約是25%，其中2022、2023年會有35%，這在Intel歷史上應該都是前所未見的。
上面最左側的圖展示的是建一個Fab廠各個部分的時間和資金投入。先是把fab shell蓋起來——這在整體成本中是佔比相對較少的組成部分，但所需時間跨度比較久；然後往工廠裡填充設備(equipment)。這套方案其實在台積電就已經有了較長時間的實踐。
另外，CapEx投入會部分由政府補貼、客戶預付款之類的組成部分抵消。不過Intel強調如果這部分資金抵消有更多盈餘，則Intel還會持續做進一步的CapEx投資。
而對Tower的收購(以及先前傳言說Intel考慮收購GlobalFoundries)事實上都能為其晶圓代工業務提供不少助力。比如近期對Tower的收購就很好地填補了尖端製程之外的製程節點技術；與此同時，在PDK方面，Intel一直以來以IDM為主的營運模式，致其製程流程都是為其內部需要所設——Tower這方面的能力就能彌補Intel晶圓代工服務先天的不足；而且Tower本身涉足的領域涵蓋RF CMOS、鍺化矽功率IC、CMOS影像感測器、SOI等…
在收購Tower之後，Intel說現在全球只有兩家晶圓代工廠橫跨了微米級節點到<10nm製程節點。其一自然就是台積電；Intel顯然是將台積電作為自家晶圓代工服務的直接競爭對象了。據說去年Intel在晶圓代工服務上的營收達到8億美元，不知道這筆收益的具體構成情況如何。Intel晶圓代工服務現有的大客戶至少包括了思科(Cisco Silicon One)、亞馬遜(Amazon)、高通(Qualcomm)、美國政府機構等。
時代在變，文化在變
上個月SemiAnalysis的分析文章提及Intel的企業文化轉變，其中談到了很有意思的一點：2010年代中期，Intel的半導體製造製程仍然領先其他競爭對手好幾年。當時的Intel是相當不可一世的，對上游設備供應商都是愛理不理的態度。
眾所周知，10nm製程的一大特色在於導入了鈷材料。當時美國應用材料(Applied Materials)曾告誡Intel，具體的製程尚未完全準備就緒，Intel完全沒有理會。當然不能說後來10nm製程的難產一定與鈷材料的應用有關，但當年的Intel真是有著學霸的架勢。
不過現在的Intel情況就很不一樣了。現在Intel會去主動強調和上游企業之間的合作，例如Intel對外發聲很積極地提到與ASML之間的合作，ASML幫助Intel共同解決EUV微影製程的量產問題，還有反覆提及的Intel成為第一個獲得High-NA EUV微影機的企業。
Intel說：「我們不僅採用來自設備領域的專業知識，還有EDA領域，而且正轉向產業標準設計工具和PDK……這是個全新的Intel，比以前都更加開放、積極和主動。」
另一方面，近一年涉及Intel的人才回流報導相當普遍。近1年時間裡，Intel擴招超過17,000人，企業內部的變化確實在發生中。
以Intel的PC業務為縮影做觀察，在這一市場上，今年Intel應該會比前兩年好過不少，因為第12代Core Alder Lake處理器總算在性能表現上搶回些風頭。可說去年和前年Intel是被AMD和蘋果先後戲謔，只不過2025年之前，PC處理器市場恐怕會表現為不同參與者的差拍競爭，彼此各有看點，短時間內很難再有Intel「默秒全」的局面出現。
在這次投資者會議上，Intel就PC處理器產品已經展望到了第16代Core (Lunar Lake，Intel 18A)，給人以非常美好的展望和嚮往；被很多人形容「曾經的學霸終於發憤圖強」。筆者認為Intel公佈的路線圖更多的是給投資者以信心，規劃真的不可謂不激進。
未來幾年內的市場對Intel而言還有很大的不確定性和機會，比如說Intel準備大規模上市的GPU產品——無論是針對消費用戶，還是資料中心，這對Intel而言是全新的領域(而且還涉及到與台積電之間的合作)；究竟好不好也待市場檢驗。在伺服器CPU的市場競爭中，Intel在堆核大戰裡相較AMD暫時還處在弱勢。Intel在networking領域新開闢的IPU戰場又充滿機會…
Intel為自身和市場發展傳達了很積極的訊號：2025年重回王座的基礎，就是嚴格依照這份計畫表執行。這對Intel而言是有機會、卻也充滿挑戰的一條路。
本文原刊登於EE Times China網站
