分析Intel超越台積電的可能性

作者 : 黃燁鋒,EE Times China

「重回王座」的一個前置條件是:Intel曾經是王座上的人,而王座是指半導體尖端製程。130nm製程時期(2001年)甚至更早,穩步的兩年演進節奏是Intel得以確坐穩「王座」的基礎…

本文展望的是3nm之後的技術與競爭——基於現在的資訊,英特爾(Intel)不大可能在3nm製程競爭中取得優勢。不過Intel作為尖端製程製造的其中一股力量,探討其技術競爭的未來也是有必要的。 關於Intel「重回王座」的話題,《電子工程專輯》中國版(EE Times China)已經探討過好幾次了。「重回王座」的一個前置條件是:Intel曾經是王座之上的人,以及這裡所說的王座,具體是指半導體尖端製程。 130nm製程時期(2001年)甚至更早,穩步的兩年演進節奏是Intel得以確坐穩「王座」的基礎。90nm時代Intel是產業內首個針對應力加強導入嵌入矽鍺(eSiGe)的企業;2005年Intel首度採用HKMG (high-k metal gate,高介電常數金屬閘),比別家提前了5年以上;2011年Intel 22nm製程首次導入FinFET結構電晶體...。 所以當年的Intel是以比別家晶圓製造和晶圓代工廠領先幾年的技術水準。只是眼見14nm技術以後,Intel開始遇上瓶頸:10nm遲遲不見成熟,7nm變得遙遙無期。Intel的初代14nm處理器是2014年出貨。14nm一用就是6、7年,2021年11代Core桌上型電腦CPU都還在用14nm製程。2019年才算正式問世的10nm製程,事實上歷經3次演進才全面走向成熟。     從名義上來看,三星14nm和台積電16nm製程是在2013年首次流片。不過基於這兩家晶圓代工廠熱衷於製程數字的虛標,2014年的Intel 14nm在產業裡仍然是領先的。只是在隨後漫長的演進週期裡,台積電(TSMC)和三星(Samsung)對Intel實現了製程上的全面追趕及超越,尤其是台積電。 Intel作為半導體製造廠的技術水準被追趕的拐點,出現在2018年台積電N7 (7nm)製程問世之際。按照Intel早期的路線圖,Intel 10nm理應於2016年問世——普遍認知中,Intel 10nm ≈ TSMC 7nm。但很快由於技術問題,10nm大規模量產被推遲到2017年,後被推遲到2018年,再是被推遲到2019年。2019年9月,第10代Core筆電CPU才正式以10nm量產的姿態大規模上市。 2019年的10nm仍然算不上成熟,且遭遇了產量和良率問題。同期AMD Zen 2架構CPU開始採用台積電7nm製程,在最終出售的CPU產品上,首次實現對Intel處理器的部分超越。至此,在2019年這個時間點上,Intel正式無緣「王座」;保持了多年的技術領先地位不再。 現在和Intel 10nm (包括Intel 7)同場競爭的乃是台積電5nm。Intel 10nm的邏輯電路電晶體密度大約為100MTr/mm² (百萬電晶體/平方毫米),而台積電N5製程的該值為17 MTr/mm² (這個值後續似乎已調整為185MTr/mm²)。另外從SRAM單元大小、CPP、MMP間距等各個維度來看,台積電N5都有著全方位的優勢。 有關4年更新5代製程 拋開Intel IDM 2.0計畫,以及新任CEO對Intel文化、人才等佈局方面的革新不談,總的來說為了重現昔日榮光,在尖端製程方面,Intel的計畫是4年要推進5個主要製程節點。包括已經量產的Intel 7;將於今年下半年量產(或做好量產準備)的Intel 4;明年下半年量產(或做好量產準備) Intel 3;2024年上半年量產(或做好量產準備)的Intel 20A,以及2024年下半年量產(或做好量產準備)的Intel 18A。 前不久的Intel投資者會議上,Intel還將18A製程的量產時間進行了提前,最終造就4年演進5個製程節點的緊湊時間表,得以於2025年再度回到半導體尖端製程的王座之上。這張表看起來是有些誇張,不過也算是Intel吸取先前教訓的一個重要縮影。早年Intel每2年才進行一次製程演進,這種演進主要基於相對嚴格甚至過度地遵守「摩爾定律」,畢竟摩爾定律就是Intel的Gordan Moore所提出,在此期間,Intel是相當執著於(甚至迷信)電晶體密度這個值。     從2017年Intel公佈的這張邏輯電晶體密度進化方向來看,22nm→14nm,Intel達成了2.5倍電晶體密度提升;而14nm→10nm,Intel的目標是2.7倍的電晶體密度提升。Intel當年稱其為超級縮放(Hyper Scaling)。這些值放到今天來看還是比較驚悚,台積電N7→N5 1.9x密度提升,N5→N3 1.6x密度提升已算比較大的邁進幅度了。 很多分析師認為,Intel 10nm、7nm製程難產的關鍵,就在Intel對於電晶體密度的偏執上;也是這些製程節點無法依照計畫中的時間點完成的真正原因,畢竟它們造就了更大的技術障礙。三星和台積電的製程節點推進就完全沒有這方面的包袱——他們每代製程以更小的電晶體密度進行演進,中間還輔以過渡節點(如N7+、N6、N4等),過渡節點間有時也有電晶體密度的小幅提升(如N4相比N5可實現6%的die面積縮減)。 Intel去年的製程節點改名操作,以及4年更新5代節點,實則都是對過去動輒2.x倍電晶體密度提升這一傳統和偏執的拋棄,如原本Intel 4 (原7nm_計畫中要實現2.3x密度提升。從最新消息來看,這一激進操作似乎也將不復存在。IC Knowledge對於Intel新製程的預期為,Intel 4相比Intel 7電晶體密度提升1.8倍,Intel 20A會有1.6倍密度提升(雖然這組資料可靠性很值得懷疑)。  

IC Knowledge預期,2014~2025年三家尖端製程晶圓廠的邏輯電路電晶體密度變化(通常特指高密度或超高密度單元庫,計算方法見上圖小字);不過這張圖的參考價值可能並不大。

  而且這5個節點中,Intel 3、18A理論上都類似於半代製程節點(被Intel稱為TOCK節點),是對Intel 4、Intel 20A這種完整演進(TICK節點)的製程優化和更新。這回的半代製程節點應當也會有電晶體密度提升(這和先前14+/++時代就大不同了),如IC Knowledge預計Intel 3製程將有1.09倍密度提升,Intel 18A則會有1.06倍密度提升。 從技術難度、更新節奏等問題來看,加上「模組化方案」之類的操作方式,要在2025年以前達成Intel 18A量產的目標應當還是有較大操作空間。 尖端製程的「沒準」 一般這種「誰追趕超越誰」的操作,一方面是後來者要勇於做技術創新和突破,另一方面也可以寄希望於先行者跛腳和失誤。雖然這想法略微卑鄙,不過當下就已經看到了三星與台積電3nm製程的集體延後,而且一延後就是至少6個月。蘋果(Apple)的iPhone晶片用台積電5nm製程家族(包括N4製程)都已經3年了,況且台積電當年對Intel的趕超,不就是基於Intel的大失誤嗎? 實際上參與尖端製程製造的晶圓代工和晶圓製造廠普遍有發佈會放衛星的傳統,IBM、三星、Intel、台積電都堪稱個中翹楚。Intel 10nm最早要在2016年上市一說,一延後就是3年;三星早在2019年就放出3GAE製程的PDK 0.1了,並提到過2020年風險生產、2021年規模量產的,但其實去年6月才有了3nm測試晶片首次流片的消息;台積電過往更是放衛星不斷,還有20nm製程全面翻車這樣的黑歷史。 既然大家都有「拖延症」,且一般難以按期完成工作,那麼這種常態就令人無法輕易取信官方發佈的資訊。而且不光是時間上的不靠譜,台積電最早說自家3nm製程能實現邏輯電路電晶體密度1.8倍的提升,後來變成1.7倍,去年又改成1.6倍;公佈的性能與功耗表現提升資料也是反覆修改,似無定數。2019年三星最初提到3nm的時候說3GAE製程相比7nm至多實現45%晶片面積縮減、50%功耗降低和35%性能提升;去年這三個數字又改做25%、20%、10%;最新的數字似乎是25~30%功耗降低、10~15%性能提升。     所以沒準和變數,乃是尖端製程發展的特點,誰又會知道2nm時代要出多少花招。尤其轉向GAAFET電晶體以後,其中變數可能會更大。Intel當前面臨的問題是,首次在新製程上準備應用EUV極紫外光微影,以及後續也要導入GAAFET電晶體,還有PowerVia等具備相當技術挑戰的預期,則其發佈會提到的每瓦性能提升可能也會有變數。 在變數交織的大前提下,大概沒人能搞清楚,3年以後尖端製程製造誰領先,誰又將崛起。分析師們也不過基於廠商的預期和宣傳做出推測,Wikichip和IC Knowledge這類機構,每隔一陣就會對預期和過往資料做調整,即是這些變數的體現。 市場的更多變數 最近IC Knowledge的Scotten Jones寫了篇有關Intel能否在2025年追上台積電的分析文章,前面的10年來尖端製程電晶體密度提升柱狀圖即出自於此。這則分析最重要的一則結論是對不同製程節點的相對性能趨勢做了分析,結果如下圖:  

(來源:IC Knowledge)

  這張圖,是以三星14nm、台積電16nm達成相似性能為單位1;後面的性能評估則基於主要晶圓代工廠後續宣佈的性能提升數位,以及IC Knowledge的預估。中間參考值也包括了台積電7nm與Intel 10nm達成相似性能水準等。 基於晶圓代工與晶圓製造廠對自家製程提升表現數字的反覆修改,以及如果各位讀者有興趣也可以去看一看製程演進的性能提升數字究竟基於什麼(例如台積電宣稱3nm性能提升10~15%,說的是當大家都基於Cortex-A78這個IP做設計時,N3高性能單元庫預期可提升的性能),這其中的變數和對比方式之多變,也讓這張表呈現的數字僅可作為大略值參考。 最終結論是,預計到2025年台積電仍可在電晶體密度方面保持領先,而Intel將在性能方面取得領先,畢竟Intel發佈的節點邁進資料都很大程度基於「每瓦性能」提升。這似乎也符合Intel當前既有市場的特點,即PC、資料中心,以及更多HPC類應用。 不過,畢竟是多年計畫,4年更新5個節點更多是在提振市場信心。就像前面談到的,尖端製程變數甚多,連廠商自己都沒個準,更不必談未來分析,且這期間變數不僅在晶圓代工廠自己。只說現在面臨的產業大問題:晶片短缺潮將持續數年,就不單是COVID-19有所緩和的問題。 一個頗為關鍵的變數是,接下來恐怕很快就要面臨EUV微影機短缺的問題了。Intel目前有3個開發工廠可適配EUV微影,1家生產工廠可應用EUV微影,且Intel還在造更多需要EUV微影參與的晶圓製造。其他目前下單或需求下單EUV微影機的企業還包括美光(Micron)、SK海力士(SK Hynix)、三星、台積電。 台積電、三星和Intel都將是EUV微影機設備需求大戶。台積電目前擁有最多的EUV系統,而Intel將是最為受限的,畢竟其入局EUV微影技術的時間最晚。IC Knowledge預計,2022~2024年EUV微影工具需求還將逐年提升,依照ASML的產能來看,今年會短約約18台微影機設備,2024年會有20台微影機設備的短缺。Intel 4的產能如果要達到140k片晶圓/月(基於先前14nm與10nm製程數字),則Intel需要大約45台EUV微影機設備。先前Intel還宣佈了需求更多EUV微影機設備的擴展計畫。那麼這麼多微影機,要從哪裡買得到?類似這樣的現實問題,都是等著Intel在重返「王座」過程裡需著手解決的。 本文原刊登於EE Times China網站          

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