拿下最強(qiáng)光刻機(jī) 英特爾能反超臺積電嗎

　　2020年10月，三星太子李在镕專門去了一趟荷蘭，目的非常明確：跟阿斯麥高層見面，敦促對方趕快交付三星訂購的9臺EUV光刻機(jī)，好讓三星追趕臺積電。三個月后，李在镕被起訴“親信門”賄賂罪，當(dāng)庭入獄。

　　李在镕入獄前還魂?duì)繅衾@的EUV光刻機(jī)，是制造半導(dǎo)體的關(guān)鍵設(shè)備。一般來說，EUV光刻機(jī)占整條半導(dǎo)體產(chǎn)線設(shè)備投資的25%，能夠用光“雕刻”出更先進(jìn)的芯片。臺積電制程冠絕全球，離不開它擁有全球數(shù)量最多、最先進(jìn)的EUV光刻機(jī)。

　　放眼全世界，只有阿斯麥能提供光刻機(jī)。以至于阿斯麥曾說：“如果我們交不出光刻機(jī)，摩爾定律就會停止。”

　　不過，在追逐臺積電這件事上最積極和激進(jìn)的，還不是三星，當(dāng)屬昔日霸主英特爾。

　　英特爾新CEO基辛格上任以來，宣布將在美國、歐洲投資超過1000億美金興建晶圓代工廠，又收購以色列高塔半導(dǎo)體。今年1月，英特爾甚至截胡臺積電，成功搶購第一臺阿斯麥最新NA 0.55光刻機(jī)。更重量級的消息，是英特爾將開放授權(quán)x86架構(gòu)，搶奪采取ARM架構(gòu)的臺積電客戶。

　　過去一年以來，英特爾動作頻頻，就是要把臺積電挑下馬，重奪半導(dǎo)體制造霸主地位。磨刀霍霍的英特爾這回打得動臺積電嗎?

　　01

　　霸主的隕落

　　要回答打不打得過，首先得知道英特爾是怎么從山峰掉到山腰的。

　　2014年，英特爾如日中天，生產(chǎn)出當(dāng)時世界最先進(jìn)的14nm制程芯片。隨著晶圓代工行業(yè)利潤越來越高，英特爾開始加大晶圓代工業(yè)務(wù)的投入，在各大場合自詡晶體密度世界第一[1]。但沒風(fēng)光多久，英特爾就被臺積電+AMD聯(lián)盟趕超。

　　英特爾衰落的一切根源，就在于其堅(jiān)持多年的IDM模式。

　　所謂IDM，是指半導(dǎo)體生產(chǎn)的三大核心環(huán)節(jié)：設(shè)計(jì)、制造和封測，全產(chǎn)業(yè)鏈自己一手包辦的模式。這種模式優(yōu)勢是生產(chǎn)能力強(qiáng)，能夠全方位執(zhí)行自身戰(zhàn)略，劣勢是企業(yè)生產(chǎn)戰(zhàn)線長，投資成本大。

　　模式的劣勢，在英特爾內(nèi)部的滴答鐘擺式策略(tick-tock)上顯現(xiàn)了出來。這個規(guī)劃按兩年為周期，第一年tick是對CPU制程工藝的更新，第二年在新制程基礎(chǔ)上進(jìn)行tock架構(gòu)升級。從公司部門來看，設(shè)計(jì)部門負(fù)責(zé)制程更新的設(shè)計(jì)與規(guī)劃，技術(shù)與制造部門(TMG)負(fù)責(zé)讓制程落地。

　　一直到14nm階段，tick-tock的節(jié)奏都還算緊湊。但在此時，TMG開始執(zhí)著于提升芯片晶體的密度而非制程，于是出現(xiàn)了14nm+、14nm++、14nm+++業(yè)界奇葩現(xiàn)象，10nm量產(chǎn)卻遙遙無期。

　　好好的tick-tock-tick-tock節(jié)奏，硬生生被整成了tick-tock-tock-tock。

　　TMG的卡殼，也導(dǎo)致原本應(yīng)過渡10nm的各大業(yè)務(wù)產(chǎn)能，被迫集體擠在14nm。甚至逼得核心CPU產(chǎn)品部門對外公開喊話：“如果遇到緊急情況，會準(zhǔn)備好外包部分制造業(yè)務(wù)，使用別人的代工廠。”

　　結(jié)果就是，忙于處理14nm產(chǎn)能大堵車的TMG，再也無余力研發(fā)10nm和7nm的制程工藝，英特爾的制程工藝進(jìn)度從此落后。

　　與此同時，臺積電開創(chuàng)了晶圓代工模式，All in 半導(dǎo)體三大核心中的制造環(huán)節(jié)，制程工藝開始超越英特爾。

　　晶圓分工模式還拯救了英特爾的老對手AMD。在整個CPU市場，原本AMD在2016年被英特爾打得只剩四分之一市場份額[9]，眼看臺積電制程日益先進(jìn)，AMD果斷放棄IDM模式，賣掉自家格芯晶圓廠，投入臺積電7nm的懷抱。

　　最終，AMD憑借臺積電先進(jìn)制程和市場性價比，在2021年的CPU市場回升到四成左右的市場份額[9]。

　　面對落后的局面，英特爾并沒坐以待斃。2020年，英特爾時任CEO斯旺把技術(shù)部門分權(quán)改組，同時推動廢除IDM模式，要把半導(dǎo)體制造環(huán)節(jié)交給臺積電代工，但還沒真正實(shí)施就被趕了下臺。

　　一年后，英特爾新任CEO基辛格上臺，又是擴(kuò)建產(chǎn)能又是開放架構(gòu)搶客戶，矛頭直指臺積電。

　　02

　　逆襲的底氣

　　賬面上看，英特爾作為縱橫半導(dǎo)體50多年的老牌巨頭，既有技術(shù)積累，又不乏資源優(yōu)勢。

　　從制程工藝來說，大部分人印象中，制程納米數(shù)越小，代表工藝越先進(jìn)。殊不知，真正衡量芯片制程工藝的核心指標(biāo)，其實(shí)應(yīng)看“邏輯晶體密度”——只有密度越高，產(chǎn)品才越先進(jìn)。

　　即便英特爾在14nm不斷擠牙膏，拖到2019年才量產(chǎn)10nm，而彼時臺積電已經(jīng)進(jìn)入7nm制程，但如果把兩者的邏輯晶體密度(單位：MTr/mm)對比：英特爾100.8，臺積電100，就會知道，英特爾10nm的技術(shù)水平與臺積電7nm相當(dāng)。

　　換句話說，TMG當(dāng)年做的也不完全是無用功。英特爾的技術(shù)水平在行業(yè)還是頂尖，完全有追趕臺積電可能。

　　資源方面，文章開頭提到的開放x86是一步狠招。按照英特爾新成立的代工服務(wù)事業(yè)部(IFS)工程副總裁Bob Brennan的說法，這是“英特爾史上第一次將x86軟核和硬核授權(quán)給想要開發(fā)芯片的客戶[3]。”

　　簡單說，x86是如今PC市場絕對主流的芯片架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，相當(dāng)于微軟Windows系統(tǒng)在電腦的地位。全球只有英特爾、AMD和臺灣威盛擁有x86架構(gòu)的授權(quán)。英特爾憑借這一架構(gòu)，在所有CPU市場處于龍頭的位置。

　　如今英特爾開放這張入場門票當(dāng)然是有條件的：客戶想要獲得授權(quán)，設(shè)計(jì)出芯片后，要找英特爾晶圓部門代工。消息一旦落地，勢必會對使用ARM架構(gòu)的臺積電三星訂單帶來影響。

　　相比于內(nèi)因，更利好英特爾逆襲的，還得是它的美國戶口。這為英特爾帶來雙重特殊待遇：核心客戶和關(guān)鍵設(shè)備。

　　核心客戶方面，美國政府在相關(guān)政策支持會給它帶來更多本土客戶。

　　比如，去年3月英特爾重回晶圓代工業(yè)務(wù)后，在7月就獲得高通和亞馬遜兩大核心客戶訂單，形成典型的美國同盟[8]。一個月后，政府直接把國防部“快速保障微電子原型商業(yè)計(jì)劃”(RAMP-C)第一階段晶圓代工訂單，交給了英特爾為首的美國公司。

　　關(guān)鍵設(shè)備方面，全球任何一家晶圓代工廠，在半導(dǎo)體制造的關(guān)鍵設(shè)備上，都不可能繞過美國：EUV光刻機(jī)唯一供貨商阿斯麥接受美國長臂管轄;刻蝕機(jī)則被美國拉姆、應(yīng)用材料把控;就連離子注入機(jī)也是美國維利安半導(dǎo)體的天下。

　　以阿斯麥為例，美國政府當(dāng)年因?yàn)閾?dān)心尖端技術(shù)落入外國公司，極力反對日本尼康加入EUV技術(shù)聯(lián)盟。而當(dāng)時只是小廠商的荷蘭阿斯麥，不僅答應(yīng)在美國建廠，還許下光刻機(jī)的美國零部件占比55%以上的承諾，才得以加入聯(lián)盟。在資本層面，阿斯麥前三大股東都來自美國。

　　從這個角度來看，英特爾能得到最強(qiáng)EUV光刻機(jī)的優(yōu)先供貨權(quán)并不是一件令人意外的事情。

　　相比之下，無論是臺積電還是三星，與美國的關(guān)系就疏遠(yuǎn)了許多。

　　臺積電雖然是被美國扶持起來的盟友，但其1987年創(chuàng)辦以來，臺積電只在1996年到美國華盛頓州建設(shè)過180nm制程的晶圓代工廠。直到2020年，在懂王多次威逼利誘下，才拍板在亞利桑那州興建5nm晶圓廠。

　　早在2014年，英特爾70%的處理器和芯片組晶圓就已經(jīng)產(chǎn)自美國晶圓廠[10]，至今在美國本土建有超過10座代工廠，這還沒計(jì)算投資千億美金的超級工廠。去年6月，英特爾CEO基辛格似有所指地在美國政治媒體《POLITICO》刊文喊話：美國應(yīng)該重點(diǎn)扶植像英特爾一樣的美國本土芯片廠商，而不是只在美國設(shè)廠的外國企業(yè)[4]。

　　至于三星就更不用多言了。如果說英特爾是親兒子，臺積電是干兒子，那么三星是直接的競爭對手。

　　去年，美國要求臺積電三星等半導(dǎo)體企業(yè)，交出自己的客戶名單、銷售、采購和庫存等核心機(jī)密信息，美其名曰要讓芯片供應(yīng)鏈變得更透明，實(shí)際上，“誰不聽話就等著被制裁”的意味明顯。業(yè)界甚至認(rèn)為，美國有可能把這些資料轉(zhuǎn)交給英特爾。

　　然而在這些優(yōu)勢的加持下，英特爾的反超并不像看上去那樣板上釘釘，因?yàn)樗�還存在沒解決的隱憂。

　　03

　　英特爾的隱憂

　　英特爾新CEO基辛格上任，釋放出各種進(jìn)擊信號的同時，卻也做了一件“不吸取歷史經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)”的事情：把前任想摒棄的IDM模式又搬了回來。

　　這個IDM2.0計(jì)劃雖然會把部分先進(jìn)產(chǎn)能外包給第三方代工廠，但英特爾會加強(qiáng)技術(shù)和研發(fā)路線，繼續(xù)在內(nèi)部完成大部分產(chǎn)品的生產(chǎn)。這也意味著，英特爾會堅(jiān)持從設(shè)計(jì)、制造到封測三大環(huán)節(jié)的IDM模式。

　　這樣一來，英特爾面臨了兩大隱憂：一方面，過去IDM的制程迭代慢的問題依然存在，另一方面，這個模式讓它在全球的環(huán)境里“四處為敵”。

　　制程迭代方面，IDM意味著當(dāng)它需要升級制程時，必須同步升級電路圖、晶圓制造廠和封測廠，依然可能出現(xiàn)過去部門之間合作不暢的問題。

　　另外，從工序和成本上來看，IDM的這種“我全都要”，勢必要比臺積電的“專攻制造”要高出很多。要知道半導(dǎo)體迭代制程越先進(jìn)，工藝難度越大，需要的核心設(shè)備也越貴。

　　以半導(dǎo)制造的核心設(shè)備刻蝕機(jī)為例：20nm工藝的步驟約1000道，刻蝕占55道工序;一旦進(jìn)入7nm工藝，全部工序提高到1500道，刻蝕也需要增加到150道[5]。據(jù)IBS數(shù)據(jù)，一條5萬片/月產(chǎn)能的產(chǎn)線，在28nm節(jié)點(diǎn)的設(shè)備投資額約39.5億美金，而同樣產(chǎn)能的7nm產(chǎn)線，則要花114.5億美金[5]。

　　可以說，IDM的模式?jīng)Q定了，這些牽一發(fā)動全身的巨大成本，都需要英特爾自己全部承擔(dān)。

　　對比之下，臺積電只專注晶圓代工，不需要迭代設(shè)計(jì)和封測環(huán)節(jié)，資本優(yōu)勢巨大，能在制程領(lǐng)先的道路上更快狂奔。在2021年，臺積電資本支出達(dá)到300億美金，營收更高的英特爾只有179億美金。

　　總結(jié)來說，臺積電之所以強(qiáng)大，是因?yàn)樾纬闪讼冗M(jìn)制程技術(shù)-具備產(chǎn)品議價權(quán)-把所有利潤投入更先進(jìn)制程工藝-繼續(xù)保持制程領(lǐng)先的正循環(huán)。

　　而堅(jiān)持IDM模式的英特爾，在資本和技術(shù)的劣勢下很難打得動臺積電。

　　另一方面，IDM既做代工，又做產(chǎn)品競爭的模式，讓英特爾在行業(yè)四處為敵，別人很難放心把產(chǎn)品交給它。

　　如果拉出英特爾這條多業(yè)務(wù)競爭戰(zhàn)線，你會發(fā)現(xiàn)一個恐怖故事，英特爾在芯片領(lǐng)域有太多大佬級別的敵人。

　　在PC領(lǐng)域，AMD與英特爾纏斗20年;在AI芯片，雖然英特爾做集顯，英偉達(dá)做獨(dú)顯，但同樣是競爭對手;自動駕駛方面，英特爾則直接收了mobileye;FPGA領(lǐng)域有賽靈思(現(xiàn)已被AMD收購);晶圓代工有最強(qiáng)者臺積電......

　　臺積電則完全是不同光景，它專門做晶圓制造，跟AMD、英偉達(dá)、高通等十幾家頂級半導(dǎo)體企業(yè)都是老朋友，利益不僅不沖突，還高度一致，臺積電輕松地被這些全球頂級公司一起供養(yǎng)了起來。

　　總之，臺積電沒有敵人，所有半導(dǎo)體公司都是它的客戶，英特爾卻相反，幾乎所有的公司都是對手。要在這樣的情況下重回巔峰，恐怕比提升制程還要困難數(shù)倍。

　　04

　　尾聲

　　整個半導(dǎo)體制造行業(yè)有一個獨(dú)特的特點(diǎn)：嚴(yán)重依賴工程師人才。本質(zhì)上，一家晶圓代工企業(yè)的制程工藝實(shí)力，就是靠工程師的know-how積累而成的。

　　美國現(xiàn)在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域的人才情況如何?答案是不容樂觀。

　　1990年代，美國半導(dǎo)體企業(yè)進(jìn)入了全球化垂直分工進(jìn)程，尤其在臺積電開創(chuàng)了晶圓分工模式后，以德州儀器、AMD等一大批半導(dǎo)體巨頭紛紛退出晶圓制造環(huán)節(jié)，半導(dǎo)體制造產(chǎn)業(yè)重心開始遷移到以韓國和臺灣為代表的亞洲地區(qū)。

　　外包的結(jié)果是專業(yè)工程師人才空心化。

　　美國半導(dǎo)體制造空心化后，優(yōu)秀的年輕人就業(yè)首選，不是選擇進(jìn)入華爾街指點(diǎn)江山，就是到硅谷創(chuàng)業(yè)叱咤風(fēng)云。

　　一個經(jīng)典例子是，臺積電去年宣布在美興建亞利桑那州5nm代工廠后，要空運(yùn)300名工程師進(jìn)駐才能開展工作。與此同時，臺積電在美國招聘數(shù)百工程師后，還要分批送到臺灣回爐再造。

　　從半導(dǎo)體制造人才斷層這點(diǎn)來看，大陸和美國區(qū)別可能并不大。改開以來，由于對芯片產(chǎn)業(yè)的認(rèn)識和重視不足，人們把注意力更多集中在下海經(jīng)商、房地產(chǎn)、金融炒股上，而互聯(lián)網(wǎng)雖屬科技范疇，但“重模式、輕技術(shù)”、“重應(yīng)用，輕研發(fā)”的特點(diǎn)，始終沒有把此前的課補(bǔ)上來，直到華為被制裁。

　　半導(dǎo)體晶圓制造是一個靠工程師“堆”出來的行業(yè)。但現(xiàn)實(shí)始終很骨感：美國的精英都在華爾街，大陸的人才全在陸家嘴。