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领先的代工場商正為一場新的、高危害的付出和技能比赛做筹备，這将為全部半导體系體例造業款式可能呈現的调解奠基了根本。
本年三月，英特尔颁布發表从新進入代工营業，将本身定位于和处于前沿职位地方的三星、台积電，和浩繁在较老節點展開营業同样的代工場。英特尔规划在2021年制作两个新的晶圆廠，本钱付出预算定為200亿美元。
四月初，台积電做出回应，将本钱付出预算从先前展望的280亿美元增长到300亿美元。台积電规划在将来三年統共投入1000亿美元。台积電、三星等公司也在扶植新的晶圆廠。這讓人想起十多年前的情景，那時代工場開启了一轮本钱付出、制造和技能比赛，以得到领先职位地方。与曩昔同样，因為技能挑战和市場不肯定性，今朝尚不清晰所有供给商是不是都能兑現今朝的许诺。
代工市場是一个巨大但比力零星的行業，约莫有二十多家供给商在開展竞争。前沿市場特别活泼，代工場為客户制造世界上最先辈的芯片，如FPGA和处置器。
十年前，有六家领先的代工供给商。但跟着制造本钱和技能本钱的不竭上升，這一范畴履历了一次洗牌。現在，三星和台积電是唯一的两家可以或许在最先辈的逻辑節點（即7nm和5nm）上供给工藝的代工場商，3nm仍处于研發阶段。
一段時候以来，人们一向但愿市場上有更多的先辈工藝供给商，以具备竞争力的代价供给更多的选择。今天特别如斯，强劲的需求致使了產能欠缺。每一个節點的晶圆代价都在上涨。更糟的是，延续不竭的中美商業战加重了台灣的严重場面地步，而現在大部門领先的代工技能都在台灣。一旦间断都将對获得新的技能發生重大影响。
英特尔重返代工行業可能會弥补一个空缺，但它另有不少必要证实的处所。早在2010年，英特尔最初進入代工营業時，就未能如愿履行。八年後，它退出了市場。那時，英特尔的10nm工藝也遭受了几回延迟，致使其技能领先职位地方被台积電和三星公司夺走。
現在，在新的带领下，英特尔誓言将缩小本身芯片的技能差距，并成為一家更具竞争力的代工場商。但是，它面對着一場艰巨的战役。“我在不少方面都持猜疑立場。第一，他们後進于台积電。买卖的第一要務就是遇上台积電，這不是一件轻易的事，也不是一件有包管的事。或台积電失手讓英特尔遇上，或英特尔花一大笔钱，两种环境城市是很坚苦的，”半导體参谋公司总裁Robert Maire说。“咱们固然但愿有三家领先的代工供给商，英特尔有這个潜力。在将来的两三年里，情势不會有任何扭转。但将来的四五年就很难说了。”
明显，行業必要時刻@存%8H妹妹n%眷@市場。如下是一些最新的事務：
• 有阐發称，英特尔新的代工部分供给的工藝是22nm，也许14nm。英特尔可能會供给7nm，但要到2023年才能出货。 • 台积電继续在台灣創建新的晶圆廠。台积電還规划在美國創建一个新的先辈工場，它也有在那邊開辟一个更大的工場的规划斟酌。 • 三星和其他公司规划創建新的晶圆廠。 • 所有的代工場都在投資先辈封装技能，這类技能可以供给比纯真的微缩技能更好的功耗/機能改良。
代工震動
IBS首席履行官Handel Jones暗示，受人工智能、汽車、挪動装备、辦事器和其他產物需求的鞭策，全世界代工市場估计将从2020年的779亿美元增加到2021年的917亿美元。
多年来，代工場商為客户供给了摹拟、CMOS圖象传感器、化合物半导體、逻辑、MEMS、RF等多种分歧技能市場的第三方制造辦事。
對付每一个市場，代工場都在一家工場開辟一种工藝技能，该技能指的是在一家工場中“用于制造集成電路的一系列步调”。WikiChip的DavidSchor诠释说。
一些供给商，如GlobalFoundries、三星、中芯國际、台积電和UMC，在很多技能范畴供给代工辦事。大大都專攻一到几个范畴。
纯洁的代工玩家呈現在1987年建立的台积電（TSMC），那時仍是一家默默無闻的公司，為外部公司供给芯片制造辦事。接着，其他代工供给商也很快跟進。
那時，大大都IC廠商都是集成器件制造商（IDMs），并在本身的工場出產芯片。在那些日子里，很多IDMs都抛却了技能後進的出產线。
即便在當時，先辈的工藝技能市場也是竞争剧烈的。IDMs和成长迟钝的制造商试圖跟上摩尔定律的步调，即每18到24个月晶體管密度翻一番。每18到24个月的周期或節點必要一种晶體管密度更高的新工藝技能。
在每一个節點，芯片制造商将晶體管规格缩放0.7X，使该行業可以或许在功耗和面积削减50%的环境下实現40%的機能晋升。這反過来又使集成電路制造商可以或许在一个器件上集成更多的晶體管，从而使新的電子產物以更低的本钱实現更多的功效。
据IBS統计，2001年，有18家芯片制造商的晶圆廠可以加工130nm芯片，這是那時的先辈工藝。那時，一些代工場重要在成熟節點為其他客户代工出產芯片。代工場也為無晶圆廠的设计公司出產芯片。
到2010年，跟着制造和加工本钱上升，很多IDMs转向了“fab-lite”模式。他们在本身的工場出產一些芯片，同時将一些出產外包给代工場。很多IDMs继续在本身的工場出產器件，而另外一些IDMs转型fabless或退出了营業。
一个大的變革產生在20nm節點，传統的平面晶體管走到绝顶。平面晶體管仍在28nm/22nm及以上的芯片中利用，但業界必要一种新的解决方案。
這就是英特尔在2011年推出22nm finFETs的缘由。三年後，代工場采纳了16nm/14nm的finFETs。
finFETs比平面晶體管具备更好的機能，“与先前的平面晶體管比拟静态泄電更低，经由過程栅极在三个侧面接触的鳍供给了對在鳍内构成的沟道的更好的節制，”Lam Research大學勾當主任Nerissa Draeger说。
可是finFETs也很难在每一个節點上制造和缩放。正由于如斯，工藝研發本钱直线上升。以是，如今一个彻底缩放的節點的節拍已从18个月耽误到了30个月乃至更长。
虽然如斯，跟着finFETs的引入，英特尔在微处置器市場和处置技能方面的领先职位地瘦臉方法,方得以扩展。為了操纵這项技能進入新市場，英特尔在2010/2011年進入了代工行業。
公司取患了一些乐成。那時，英特尔基于其22纳米finFETs工藝，為多家廠商出產FPGA。厥後，英特尔為Altera出產14nm FPGA。直至2015年，英特尔收购了Altera。
台积電那時仍在代工市場盘踞主导职位地方。GlobalFoundries、三星、中芯國际、UMC等是另外一股气力。英特尔的代工份额微不足道，但因為其技能领先职位地方，它构成為了真实的威逼。
這一环境在2016年產生了變革，那時英特尔初次推出了10nm finFETs工藝。但英特尔在10nm处碰到了几回延迟，终极在2019年出货，比预期晚了两年多。
“英特尔设计其10nm制造工藝，同時斟酌（a）方针，试圖為IDM定制工藝，并使工藝通用化，以支撑更异构的產物线路圖和新兴的代工营業，” Cowen阐發师Matthew Ramsay在近来的一份陈述中说。“简言之，這帮忙制造了10纳米的紊乱。”
然後，在2018年，台积電推出了世界上第一个7nm finFETs工藝。厥後，三星推出了7nm。(英特尔的10nm至關于代工場的7nm。）
這一點很首要。代工場為英特尔的芯片竞争敌手供给7nm和如今的5nm工藝。是以，英特尔的竞争敌手忽然在工藝技能上领先了一大步。
2018年是關头的一年。芯片制造本钱继续上升，但回报率欠安。是以，GlobalFoundries和UMC在2018年遏制了各自的7nm尽力。二者连结在16nm/14nm市場上依然活泼。
一样在2018年先後，英特尔或多或少地退出了代工营業。“他们之以是失败，是由于他们没有成為一个代工場的心态，”半导體参谋公司的Maire说。“他们是一个IDM，或许他们有點狂妄。他们的方针不因此客户辦事為驱動。在代工行業，你必要一种分歧的心态。”
英特尔會怎样做？
与此同時，今天的代工市場布满了新的挑战。比方，从2021年起头，汽車芯片一向欠缺。汽車芯片欠缺重要触及在较老的200毫米和300毫米晶圆廠采纳成熟工藝出產的器件。
今朝，200妹妹晶圆廠產能严重。“总的来讲，200妹妹晶圆的欠缺拖得比预期要长很多，”Gartner阐發师Samuel Wang说。“代工場将自第三季度以来第三次提高晶圆代价。現在，fabless正在与代工場會商，以确保2022年的晶圆分派。”
在先辈工藝是一个夹杂的画面。“自2020年第三季度以来，7nm和5nm一向不缺。當時苹果将晶圆的利用从7纳米提高到5纳米。三星的8nm節點呈現了欠缺，這给Nvidia和高通公司带来了问题，”Wang说。
那末，在地缘政治方面，中美商業战没有和缓的迹象，亚太地域特别是台灣的場面地步美白針, 仍然严重。
這些身分和其他身分促使很多人从新审阅芯片供给链。据美國半导體工業协會（SIA）統计，台积電出產了全世界92%的尖端芯片，其所有先辈的晶圆廠都在台灣。
是以，SIA鞭策美國當局帮助在美國成长先辈的晶圆廠。“晶圆廠產能欠缺和對過分依靠亚洲的担心是美國扩展晶圆廠產能的两个關头驱動力，”IBS的Jones说。
台积電将把大部門晶圆廠留在台灣。IC Insights称，台积電于2020年在台灣台南開设了新工場的前两期。IC Insights称，新18号工場的1期和2期正在量產，3-6期的举措措施正在扶植中。台积電称，第1-3阶段的方针是5nm出產，而第4-6阶段的方针是3nm。
台积電近来颁布發表，规划在亚利桑那州新建一家中型5nm晶圆廠，规划于2024年投產。不外，有报导称，台积電可能會在亚利桑那州創建一个更大的工場，而不是創建一其中型工場。“有传言称，他们可能但愿制作一家giga-fab，一家可以或许供给大部門器件的全尺寸工場。”半导體参谋公司的Maire说。与此同時，三星還规划制作一家新的美國工場。
在這場動荡中，英特尔看到了一个機遇，促使它从新進入代工营業，新的自力代工部分已開業。為领會决供给链问题，英特尔将為欧洲和美國的工場供给代工能力。
“每一个行業的数字化都在加快全世界對半导體的需求。”英特尔新任首席履行官Pat Gelsinger在近来的一次勾當中暗示。“但一个關头的挑战是得到制造能力。英特尔是一个怪异的职位地方，它可以或许应答這一情势，知足日趋增加的需求，同時确顾全球半导體供给的可延续性和平安性。”
英特尔规划在内部出產大部門本身的芯片，并供给代工辦事。為此，英特尔将操纵現有的晶圆廠，规划在亚利桑那州制作两个治療高血脂中藥,新的晶圆廠，耗資200亿美元。
不外，英特尔的代工计谋很繁杂。跟着公司本身代工营業的成长，公司将继续将部門芯片出產外包给有竞争力的代工場，包含成熟和先辈工藝的芯片。
英特尔从新進入代工营業激發了台积電的岑寂回应，台积電是英特尔代工供给商之一，如今成為竞争敌手。”英特尔是一个首要的客户，咱们将在一些范畴開展互助，在其他范畴開展竞争，”台积電总裁兼首席履行官C.C.Wei在近来的德律风集會上暗示。
同時，在其新的代工营業，英特尔供给了一个老的22nm finFETs工藝，和先辈封装技能。除此以外，英特尔尚未流露其代工规划。Cowen的Ramsay在一份钻研陈述中猜测，英特尔将从新定位其現有的14nm工藝的代工市場。7nm也是一种可能性。
22nm是28nm的延长，這是十多年前引入的。虽然如斯，28nm平面節點依然是一个庞大的市場，有多种利用，包含AI、IoT/edge、RF和可穿着装备。
22nm比28nm供给更高的機能，但比14nm廉价。22nm也是一个拥堵的市場，几个代工場正在以分歧的技能竞争。台积電和UMC供给22nm體平面工藝。GlobalFoundries推出22纳米FD-SOI。英特尔正在与22nm finFETs竞争。
22nm和28nm是很多不异利用的方针，包含汽車。“咱们看到汽車電子產物有了很大的增加，涵盖了从0.35微米分立MOS器件到28nm/22nm ADAS產物和車身和底盘節制、信息文娱和WiFi等各类工藝技能，” UMC卖力营業成长的副总裁Walter Ng说。
除22nm外，英特尔可能會以其現有的14nm技能参加代工方。“英特尔的14nm可以说是其汗青上最成熟的工藝，使其具备极高的產量，”Cowen的Ramsay说。“英特尔最具政治吸引力的选择是渐渐成為一家范围化的代工企業，操纵現有的14nm產能，将本身的產物转移到7nm/5nm的EUV節點上。”
Cowen称，14nm工藝的潜伏客户是那些操纵代工場出產16nm至65nm產物的客户。按照Gartner的数据，总的来讲，16nm到65nm的代工收入有350亿美元的市場，占2020年月工总收入的46%。
前沿工藝之战
今朝尚不清晰英特尔是不是會供给14纳米。它可能會一头扎入先辈工藝的代工，它触及到7nm/5nm及如下。“在智妙手機和HPC（高機能计较）利用的鞭策下，N5的需求继续强劲，咱们估计2021年N5将占咱们晶圆收入的20%摆布，”台积電的Wei说。
對尖端芯片的需求是庞大的。“芯片行業呈現了不同，包含深度進修和其他利用在内的超等计较需求，正鞭策着對3nm、2nm及更高计较能力的需求不竭增加，”D2S首席履行官Aki Fujimura说。
不外，在7nm及如下，静态泄電又成為了问题，每一个節點的功耗和機能上风起头削弱。“在缩放方面也存在挑战，比方EPE利润、本钱和高妙宽比圖形，”TEL卖力集成解决方案计划的副总裁Kazuya Okubo在近来的一次演示中说。
另外一个问题是，代工場的客户在先辈節點没有更多选择，三星和台积電是唯一的两家供给商。
中芯國际，中國最大的代工供给商，正在開辟一种雷同7nm的工藝，和除此以外的其他節點。不外，近来美國當局将中芯國际列入实體名单，這象征着装备供给商必需得到特别允许证，才能在先辈節點向代工場供给商贩卖装备。是以，中芯國际的7nm尽力堕入僵局。
终极，英特尔有望在先辈節點代工营業上開展竞争。這取决于英特尔可否供给7nm及更先辈的工藝。(英特尔的7nm至關于代工場的5nm。）
但是改善便秘,，英特尔的7nm技能起步不稳。英特尔最初開辟7nm時，它限定了极紫外（EUV）光刻技能的利用，這是一种新一代技能，可以在13.5nm波长的芯片上圖形化细小特性尺寸。這类操纵传統的193nm光學光刻技能，在多圖形化中带来了诸多坚苦，比方圖形堆叠和缺點挑战。這反過来推延了英特尔的7nm過程。
EUV近来已成熟。是以，在7nm处，英特尔正在利用EUV建造更多的层，這简化了工藝，并使英特尔的技能回到正轨。如今，英特尔规划在2021年推出一款7nm產物，不外按照KeyBanc Capital Markets的数据，量產规划要到2023年上半年。
“批改這一线路圖其实不能包管，并且可能必要時候，由于英特尔多年来一向在尽力得到不乱的履行節拍。”Cowen的Ramsay说。
简略地说，英特尔依然後進。三星和台积電两三年前都在7nm处引入了EUV，他们已堆集了這项技能的履历。两家也都在推出各自的5nm finFETs工藝，3nm行将推出。
“台积電规划在2022年第三季度為苹果推出3nm finFETs，”IBS的Jones说。”三星正准期推出其第一代3nm环栅（GAA）晶體管，将于2022年第四時度投產。”
在其线路圖上，台积電规划将finFETs扩大到3nm，然後在2023/2024年转向下一代晶體管布局2nm的环栅。比拟之下，三星正在从5nm的finFETs转向3nm的环栅。
三星和台积電都在開辟一种称為纳米片FET的GAA布局。纳米片根基上是一个finFET，它的侧面有一个环抱着它的栅极。纳米片FETs供给了比finFETs更高的機能，但它们更难制造。
英特尔也在開辟纳米片FETs，可能用于其5nm節點。今朝還不清晰英特尔5nm将于什麼時候面世，不外很难说英特尔會很快弥补這一工藝空缺。“三星和台积電最少在将来三年每一年的总付出跨越500亿美元，任何公司都极难在前沿逻辑工藝技能上遇上這两家公司。”IC Insights总裁Bill McClean暗示。
先辈封装之战
不外，英特尔可以经由過程其他方法缩小差距。凡是，為了推動设计，工業界開辟了一种ASIC，它利用芯片缩放来将分歧的功效集成到单个芯片上。可是缩放在每一个節點上都變得愈来愈坚苦和昂贵，并且缩放带来的功耗/機能益处也在削减。
是以，客户正在寻觅替换品。開辟體系级设计的另外一个可行法子是在一个封装中组装复合的die，這容许更多定制的加快器、各类类型的处置元件和分歧的互连计谋。
集成電路供给商，代工場和OSATs都在以如许或那样的情势做先辈封装。比方，据Cowen称，英特尔正在為一款代号為Sapphire Rapids的新器件制订芯片组计谋。Sapphire Rapids的方针是2022年，它是一款基于加强10nm芯片和其他器件的辦事器处置器。
先辈封装是将来设计的可行选择。传統的芯片缩放也是如斯。没有一种技能可以知足所有的必要。是以，最少就今朝而言，该行業可能會接管所有這些辦法。■
（原文编译自：SEMICONDUCTOR ENGINEERING，BY: MARK LAPEDUS）
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發表於 2021-8-23 20:14:09
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