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半导体

7nm工艺“卡壳”,英特尔“尚能饭否”?

超出预期的营收往往能增强资本市场的信心,带动股价市值的双重增长,可刚刚公布第二季度财报的英特尔却成了一个例外。明明手握营收同比增长19.53%、净利润同比增长22.16%的好成绩,股价却不升反降,在财报公布当天重挫16%。

这一反常现象的原因,是英特尔在制程工艺上的再度“卡壳”。英特尔CEO Bob Swan在投资者电话会议中透露,其7nm技术进度已经落后内部计划一年,面向消费市场的7nm CPU将推迟到2022年末或者2023年初上市。

Swan同时表示,在制程研发上将更加务实,考虑使用自家代工,第三方代工厂代工,或者两者皆有的方式来生产芯片。作为公众视野中最为活跃的IDM,英特尔考虑使用第三方代工的消息也“一石惊起千层浪”。英特尔制程“卡壳”可能是哪些因素造成的?英特尔会失去在代工和计算领域的优势地位吗?

技术指标过于激进

越来越小的数字,是代工厂商制程迭代最直观的变化。虽然英特尔、三星、台积电都以“14,10,7”等数字来命名制程节点,可相应数字对应的指标却大不相同。

业界知名专家莫大康向《中国电子报》记者指出,英特尔从10nm开始制程进展缓慢,可能与其制程缩小过快以及采用钴材料有关。

所谓制程缩小过快,是指英特尔对晶体管密度的提升力度相对激进。按照摩尔定律,IC上可容纳的晶体管数目约每隔18个月便会增加一倍。可目前来看,最贴近每一代工艺提升一倍晶体管密度的厂商,是英特尔。其10nm晶体管密度是14nm的2.7倍。根据韩国媒体曝光的英特尔2019年投资者会议资料,英特尔7nm晶体管设计密度较10nm翻了一番。而台积电、三星并没有死守摩尔定律。根据市调公司IC Knowledge公布的数据测算,台积电10nm晶体管密度是14nm的1.8倍,7nm(N7FF)的晶体管密度是10nm的1.8倍。三星10nm晶体管密度是14nm的1.6倍,7nm晶体管密度(7LPE)是10nm的1.8倍。

因此,虽然台积电、三星已经实现了7nm的量产,但两家厂商的7nm晶体管密度略低于英特尔的10nm工艺。这也意味着,英特尔的7nm比台积电和三星的7nm更难实现。

为了推动摩尔定律在10nm以下继续发展,英特尔将目光转向了材料。在10 纳米以下制程,以“铜”作为导线材料开始暴露导电速率不足等缺点,而钴的填满能力、抗阻力、可靠度正好能突破铜材料的瓶颈。资料显示,英特尔将在 10 纳米工艺节点的部分互连层上导入钴材料。

曾经,三星为了率先在7nm节点导入EUV技术,导致量产时间落后于台积电。如果说EUV的导入是“hard”模式,那材料的转变就是“hell”模式。不仅难以突破,还需要材料、设备、制造厂商的共同转变,可谓难上加难。

“如今英特尔正处于将连线金属材料由铜转向钴的阶段,遇到困难也很正常,因为材料变革总是很难的,责任也与设备供应商有关。”莫大康表示。

但是,作为首个在代工业务中采用HKMG和FinFet的厂商,英特尔对于半导体制程的贡献有目共睹。如果英特尔率先在钴材料取得突破,加上每一代产品都在晶体管密度、鳍片间距、栅极间距有着更优的指标,依然存在反败为胜的机会。只是,距离铜取代铝作为导线材料已经二十多年,英特尔何时能啃下这块“硬骨头”,还难以预料。

IDM模式有利有弊

半导体制造主要有两个模式,一是纯做代工的Foundry(晶圆厂),二是自有设计、代工、封测的IDM。台积电是当前市占率最高的Foundry,而英特尔作为2019年营收最高的半导体厂商,也是当之无愧的IDM代表。

但是,10nm的反复拖延与7nm的再度延迟,也引发了业界对于Foundry和IDM模式的探讨,有观点认为,IDM已经跌下神坛,不再适合精尖制程的发展模式。

复旦大学微电子学院副院长周鹏向《中国电子报》表示,IDM模式有利有弊。英特尔坚持的IDM模式优势在于从芯片设计、制造到最终销售全部自成一体,无需依赖其他半导体企业,但也存在显著的劣势。尤其是对于半导体先进工艺制程研发的高精尖领域,制程节点的提升推进,动辄需要几十亿甚至上百亿美元的研发投入,并对回报周期给予耐心,这与看重财报的企业管理层显然是矛盾的。这可能是英特尔近年来在制程进展缓慢,工艺竞争上略显疲态的重要原因。

“相对Foundry,IDM公司将承担更高的投资风险,市场风向的改变或者芯片产业流程任何环节的延迟都将影响公司整体的资本回流与营收,因此IDM对于公司的规模、资本运营以及管理成本提出了更高的要求。”周鹏指出。

但是,英特尔的失利,并不意味着IDM模式的失效。周鹏表示,IDM公司具备更加明显的品牌优势,以英特尔、三星为例,在足够的运营资本和市场规模条件下,具备率先实验推行先进的FinFET、GAA半导体工艺技术,将芯片的设计与制造等多个环节进行协同优化,最大化地完成芯片性能的提升。相较而言,Fabless厂商缺少实现芯片产品化的关键步骤,其芯片设计离不开Foundry产商的合作参与。

莫大康表示,把英特尔的7纳米受阻与IDM模式联系起来是不客观的。

“英特尔开始寻求第三方的代工是个信号,表示英特尔工艺受阻,或产能不足。但它的代工仅是部分产品,英特尔自身的产能并没有停止生产。”莫大康表示,“全球IDM模式仍然兴旺,中国半导体许多企业也开始迈向IDM,这是市场、产品、技术共同作用的结果。”

与AMD的竞争更加焦灼

与英特尔受到资本市场质疑的境况相反,AMD在英特尔公布财报当天,股价飙涨了16%。2019年,AMD推出采用台积电7nm制程的锐龙3000系列CPU及Radeon系列显卡,而5nm的Zen4系列正在按照计划研发。AMD路线图显示,Zen4架构的EPYC处理器代号“Genoa”,预计在2022年以前推出。

即便英特尔的10nm能够和台积电的7nm对标,一旦AMD率先迈入5nm,依然会在制程上领先英特尔的处理器产品。周鹏表示,尽管英特尔已实现量产的10nm芯片在逻辑晶体管密度上相当于台积电与三星的7nm芯片,但前两者正逐步量产5nm芯片,早前台积电更是宣布2nm工艺取得重大技术进展,三星也积极开展3nm制程研发,反观英特尔迟滞于7nm制程,同时因良率问题而不得不延期,让其在先进半导体工艺制程上明显掉队,离台积电和三星至少4-5年的距离。

更先进的工艺节点能带给AMD两个利好。一是有利于提升CPU主频。周鹏表示,CPU主频受限于工艺参数与组成结构的设计,更先进的节点技术对应的晶体管延时更低,器件单元的响应速度也将更快;二是同样的晶圆上,工艺制程越小,切出的芯片越多,有利于控制成本。这让原本就以“性价比”著称的AMD在价格上更具优势。

但是,制程并不是唯一决定CPU性能的因素。周鹏告诉记者,对于CPU主频,指令集并行流水线设计的引入,同样可以降低电路延时,提升系统的时钟频率。其次,系统架构的优化使得CPU在单位时间执行的指令数目更多,数据处理性能也得以提升。随着单核CPU的性能提升逐渐接近瓶颈,多核CPU协同运作的时代应运而生,核心数量也对CPU性能产生影响。因此,即便Zen4架构在2021年推出,AMD的CPU能否超越英特尔的10nm CPU,也要综合指令集、架构、核心数等多重因素考量。

目前,在服务器和消费市场,AMD可谓高歌猛进,在性能和市场份额上有了进一步的提升。不过,英特尔也在积极备战,在7月27日调整了公司的技术部门和高管团队,原硬件负责人Murthy Renduchintala将在8月3日离开英特尔,原技术、系统架构和客户端事业部一拆为五,在制程技术执行中加强专注力和责任制。未来,是AMD进一步突围英特尔在服务器市场的软硬件生态和C端市场的消费惯性,还是背水一战的英特尔继续维持优势,令人拭目以待。唯一可以确定的是,两者的拉锯会刺激CPU设计、制造技术、成本控制的进一步演进,为消费者带来利好。

责任编辑:赵强


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