三年前帕特·基辛格成為英特爾CEO不久，就組建了英特爾代工服務（IFS）事業部，隨后英特爾代工快速發展。

“在相當短的時間內，英特爾代工的預期交易價值從40億美元提升到了100億美元，如今又上漲到150億美元，我對此感到滿意。”基辛格在近期舉辦的Intel Foundry Direct Connect上充滿信心，“現在我們的目標是，英特爾代工（Intel Foundry）在2030年成為全球第二大代工廠。”

稍作計算就可以知道，2030年英特爾代工的預期交易價值將高達1000億美元。

芯片代工市場的競爭非常激勵，先進制程領域有強大的臺積電和三星，英特爾真的能讓這一極具挑戰的目標成為現實嗎？

“我們是一家正在轉變為晶圓廠的系統級公司，而不是反過來。我認為我們的模式在代工行業中獨一無二。”英特爾代工高級副總裁Stu Pann直言。

這種獨一無二只有獲得客戶的認可，才能稱其為優勢。英特爾長久以來的合作伙伴微軟力挺英特爾代工。

微軟首席執行官Satya Nadella表示，微軟設計的一款芯片計劃采用Intel 18A制程節點生產。

更具說服力的是，和英特爾存在競爭關系的Arm，也為英特爾代工站臺。

Arm CEO Rene Haas打趣，英特爾代工和Arm的組合有點奇怪，好比當沃爾特·莫斯伯格（美國知名科技專欄作家）和史蒂夫·喬布斯（蘋果公司聯合創始人）看到iTunes在Windows上運行的感覺。

“英特爾的技術是行業領先、變革的，Arm需要成為其中的一部分。”Rene Haas表示了認可。

芯片代工廠要服務好客戶，要解決的不是單純的設備、材料或IP的問題，是一個系統問題。所以英特爾代工的成功，一定會是英特爾代工生態的繁榮。

這也是Intel Foundry Direct Connect上，必須有Synopsys、Cadence、Siemens和Ansys等生態合作伙伴的出席，IP和EDA公司合作伙伴幾乎都是CEO級別的人物出席，對英特爾代工是非常積極的信號。

英特爾代工最終的成敗，還取決于英特爾的執行力和對待客戶的態度。

信息隔離墻和全新路線圖，給客戶兩顆定心丸

2021年英特爾代工服務首次出現，2022年升級為英特爾IDM2.0戰略，2023年英特爾宣布制造部門的損益單獨核算，英特爾各產品業務部門能夠自主選擇與第三方代工廠合作。

英特爾代工在過去三年間不斷演進，有了2024年2月的英特爾代工全新品牌。

“英特爾代工不僅是一個全新的品牌，也是全新的組織架構，將技術、制造、供應鏈和代工服務融為一體，是一個同時服務內部客戶和外部客戶的代工廠。”英特爾代工市場營銷副總裁Craig Org解釋。

對于英特爾代工所有的潛在客戶來說，安全性，也就是保證英特爾代工和英特爾產品間的“信息隔離墻”是首要關心的問題。

基辛格明確，“英特爾（外部）代工和英特爾（內部）產品團隊之間有一條清晰的界線。今年，我們將開始發布英特爾代工的獨立財務數據。英特爾代工的目標是讓我們的半導體工廠產能滿載，向全球最廣泛的客戶交付產能。微軟已經是英特爾代工的客戶，我們希望能夠服務于英偉達、高通、谷歌，甚至是AMD等。”

英特爾首席全球運營官Keyvan Esfarjani指出，英特爾的運營模式正在發生巨大變化，不再是在一個混合的運營模式中生產英特爾制造的產品，將擁有英特爾代工運營模式，英特爾產品部門和其它外部客戶一樣。

Stu Pann也說，“英特爾產品和英特爾代工有兩個獨立的銷售隊伍，我們也正在構建兩個獨立的企業資源計劃（ERP）系統。基辛格將我們的員工會議作為兩個獨立的員工會議來管理，英特爾代工直接向CEO匯報，是英特爾IDM2.0轉型戰略的支柱之一。英特爾代工和英特爾產品的員工不進行交叉交流，在個人層面也有非常嚴格的保密協議。我們時刻保持警惕，‘信息隔離墻’得到了嚴格執行，迄今為止效果相當顯著。”

劃清英特爾代工和英特爾產品團隊之間的界線只是給潛在客戶的一顆定心丸，對于代工這種需要長期且金額巨大的合作，還需要路線圖這顆定心丸，這也是參與代工市場競爭的前提。

在談及未來幾年的路線圖之前，基辛格先證實了其“四年五個制程節點”路線圖仍在穩步推進，并將在業內率先提供背面供電解決方案。

這是證明英特爾執行力非常重要的信息，也是英特爾重回制程領先性的關鍵所在。

英特爾預計將于2025年通過Intel 18A制程節點重獲制程領先性。

不過臺積電在2023年Q4的法說會上回答分析師對于Intel 18A的領先性的問題時表示，2025年Intel 18A量產時，與Intel 18A相當的臺積電N3P已經量產三年。

“我們得到的反饋是Intel 18A制程節點的每瓦特性能很棒。正如Arm首席執行官Rene Hass發言時所說，我們的客戶一直告訴我們，他們相信Intel 18A是一項領先技術。我們我們相信他們說的話。”Craig Orr對雷峰網表示。

Intel 18A之后的全新制程路線圖包括了Intel 3、Intel 18A和Intel 14A技術的演化版本，如Intel 3-T就通過硅通孔技術針對3D先進封裝設計進行了優化，很快將生產準備就緒。

英特爾全新的制程路線圖會有節點的不同演化版本，有些節點會進行功能拓展（E版），例如Intel 3-E，是針對特定應用的更多功能升級。有些節點會增加3D堆疊的硅通孔優化（T版），例如Intel 3-T。還有些節點會進行性能提升（P版），例如Intel 18 A-P，較原始版本約有10%的性能提升。

“我們每兩年會有一個新的、大的節點發布，然后每隔一年左右就會有一個演進版本，演進版本的研發工作量要小于大的節點。漸進式演進和大變革同時進行，當我們把它們加起來看的時候，成本相對可控。”Craig Orr解釋。

雷峰網了解到，英特爾的大的制程節點間的性能提升至少有20%，比如從Intel7到Intel4。某個節點的演進版本，至少會有5%的功耗或性能改進，比如某個節點的P版或E版。

AI系統級代工，獨一無二的優勢

信任是長期合作的基礎，要達成合作還需要有獨特優勢。系統級代工是英特爾拿出的獨家本領。

所謂的系統級代工，是在其它代工廠節點和封裝的服務之外，還有基板、散熱、存儲、互聯、網絡等系統級服務。

“英特爾探索的是全棧式系統，通過改變連接的方式，在使用相同技術的前提下將性能提高2倍甚至更多，這是走向未來的關鍵所在。”Craig Orr進一步表示，“要獲得與工作負載的增加相匹配的算力指數級提升，必須優化系統的每個層面，包括存儲、網絡、軟件。包含了如何放置存儲，存儲、帶寬、網絡等配置，以及如何將其映射到更高層次的軟件、芯片架構和系統架構中，使其與軟件，數據的移動方式相匹配。”

英特爾作為系統級公司轉變為芯片代工廠的獨特優勢還有更多體現。

“英特爾內部擁有豐富的系統專業知識，我們正在發揮我們在芯片系統領域的優勢，將這些專業知識提供給我們的客戶。”Stu Pann說，“我們通過系統級代工與競爭對手競爭，首先，作為代工廠，必須具備有競爭力的PPAC，即性能、功耗、面積和成本，沒有這些，其他一切都不重要。合作伙伴給我們的反饋是我們確實具備PPAC的競爭力。另外英特爾代工還有封裝能力，這是我們已經做了很長時間也有差異化優勢。”

英特爾已宣布將FCBGA 2D+ 納入英特爾代工先進系統封裝及測試（Intel Foundry ASAT）技術組合之中，這一組合將包括FCBGA 2D、FCBGA 2D+、EMIB、Foveros和Foveros Direct技術。

理解了英特爾的系統級代工，再來談談AI系統級代工。

“系統是最重要的部分，能夠幫助客戶優化整個解決方案，從而制造出最好的AI系統。”Craig Orr坦言，“AI只是一個很好的例子，同樣的系統能力也可以有其他應用。目前來說，AI可能是最重要的問題，這就是我們強調AI的原因。英特爾的系統級代工能夠很好地助力客戶在AI領域取得成功。”

在大語言模型上進行一次AI訓練所需的算力每10個月就會翻一番。隨著AI的更多先進應用，所需算力的增長速度只會越來越快。這也意味著AI芯片必須以更快的速度迭代才能滿足生成式AI時代的需求。

對于強項不是設計芯片的公司，英特爾的AI系統級代工有著獨特的吸引力，比如微軟。

微軟和Arm雙重認可，英特爾代工有AI和Arm兩大市場 

微軟Satya Nadella說：“我們正處在一個非常激動人心的平臺轉換過程中，這將從根本上改變每個企業和整個行業的生產力。為了實現這一愿景，我們需要先進、高性能和高質量半導體的可靠供應。這就是為什么微軟對和英特爾代工合作感到興奮，計劃采用Intel 18A制程節點生產一款我們設計的芯片。”

微軟是典型的軟件公司，像微軟一樣想要設計AI芯片的軟件和AI公司越來越多，對于這些公司，自主設計的芯片最重要的目的是提升其主營業務的競爭力，理想情況是以最低成本設計出最適合的芯片，英特爾的系統級代工能夠降低這些公司設計芯片的門檻。

基辛格也說，“我們希望承接一些芯片設計業務，這意義重大，因為很多客戶在向我們承諾下單較大產能之前，會先讓我們幫助做芯片設計，這些相對合同金額較小的芯片設計業務，將帶來更大的代工業務承諾。”

英特爾的產品也會成為英特爾代工客戶的參考。比如英特爾至強團隊使用EMIB和混合鍵合（Foveros Direct）技術解決了Clearwater Forest的發熱問題，如果有客戶想要使用這一技術，英特爾將會為客戶提供定制的產品和服務。

“在發展英特爾代工業務的過程中，由大型AI芯片推動，先進封裝成為了我們快速入局競爭的路徑。我們在與行業內的各家企業合作，其中許多已經簽約。英特爾在先進封裝領域的獨特優勢，現在成為了我們整個代工業務的巨大助推器。”基辛格表示。

AI芯片的增長量是英特爾代工的未來，當然，由于出貨量巨大，Arm芯片也是英特爾代工必須爭取的客戶群體。

英特爾為此推出了“新興企業支持計劃”（Emerging Business Initiative），這一計劃將與Arm合作，為基于Arm架構的系統級芯片（SoCs）提供先進的代工服務，支持初創企業開發基于Arm架構的技術，并提供必要IP、制造支持和資金援助，為Arm和英特爾提供了促進創新和發展的重要機會。

目前，英特爾代工在各代制程節點（包括Intel 18A、Intel 16和Intel 3）及Intel Foundry ASAT（包括先進封裝）上均已擁有大量客戶設計案例。在晶圓制造和先進封裝領域，英特爾代工的預期交易價值（lifetime deal value)超過150億美元。

需要注意的是，即使在2030年，英特爾代工的大部分晶圓產能仍然將用于英特爾的產品。

“我們可以用英特爾自己大量的收入和產品，承諾推動Intel 18A和Intel 14A以及接下來的制程節點的質量，這將減輕所有后續客戶的投產風險。”基辛格稱，“Panther Lake和Clearwater Forest已經計劃使用Intel 18A，這將占據未來英特爾客戶端和服務器收入的很大一部分，對此我已經做出了承諾。”

對于英特爾代工的客戶來說，能夠獲得先進封裝、優質的晶圓以及優惠的價格，意味著一個有韌性、可持續、值得信賴的供應鏈。

英特爾代工和客戶可以實現雙贏。 

英特爾代工的成功一定是生態的繁榮

英特爾代工追求的是多贏的局面，也就是與整個生態系統的合作共贏，因為制造是一個生態系統。

這里的生態系統包含IP（知識產權）和EDA（電子設計自動化）合作伙伴Synopsys、Cadence、Siemens、Ansys、Lorentz和Keysight，也包含材料、設備、封裝和測試的供應商。

好消息是，英特爾代工的IP和EDA合作伙伴均表示，工具和IP已準備就緒，可幫助代工客戶加速基于業界首推背面供電方案的Intel 18A制程節點的先進芯片設計。并且其EDA和IP已經在英特爾各制程節點上啟用。

針對英特爾EMIB 2.5D封裝技術，幾家供應商還宣布計劃合作開發組裝技術和設計流程。這些EDA解決方案將確保英特爾能夠更快地為客戶開發、交付先進封裝解決方案。

英特爾在制造方面擁有豐富的經驗，如今在新的戰略下擴大與制造領域生態合作伙伴的合作，對于所有合作伙伴而言都是好消息。

在競爭異常激烈的成熟制程節點上，英特爾與其它代工廠充分合作，今年1月份宣布與UMC聯合開發的全新12納米節點。不斷提升英特爾代工的競爭力。

只有生態的不斷繁榮，并且保持技術的領先性，英特爾才能在2030年實現全球第二大代工廠的目標。

可持續性也很關鍵。Intel Foundry Direct Connect大會上，英特爾重申了其承諾，即在2030年達成100%使用可再生電力，水資源正效益和零垃圾填埋。此外，英特爾還再次強調了其在2040年實現范圍1和范圍2溫室氣體（GHG）凈零排放，2050年實現范圍3溫室氣體凈零上游排放的承諾。

該項目已經推進了近一年時間。上揚軟件為該項目成立了研發中心，并投入了上百人。

新浪科技報道稱目前承接該項目的上百名上揚軟件工作人員已經離開中芯國際位于北京的辦公地點，多位負責該項目研發的高級技術人員已經開始找新工作。

8月8日下午，上揚科技回應稱中芯國際北京項目并未暫停，上揚團隊仍在為其進行軟件開發。相關人員辦公地點調整是由于疫情反復而進行的調整。上揚科技還表示，目前項目負責人及團隊穩定，相關項目人員并未出現離職現象，依然在堅守崗位。

一位接近上揚軟件的業內人士告訴雷峰網，中芯國際北京項目只是延期，沒有暫停，團隊遠程辦公，內部開發沒有解散。

截止發稿，中芯國際尚未就此事作出回應。

本次“項目停擺”事件的具體情形依然撲朔，這不禁讓人好奇處于本次事件旋渦中芯的CIM軟件，是何方神圣？

和EDA軟件一樣，CIM軟件也是是芯片生產過程中不可缺少的一環。EDA軟件在芯片設計過程中發揮作用，CIM軟件則是在晶圓制造的過程中發揮作用。

具體來講，CIM軟件指的是計算機集成制造系統，包含了晶圓制造中多個領域，被稱為半導體晶圓制造及先進封測工廠內部的“生命級”軟件系統。其中，制造執行系統（MES）是最重要的一環，它在晶圓制造的過程中，扮演了“指揮官”的角色，完成晶圓在不同設備間的調度。

如果MES軟件停擺，整個晶圓制造廠都會陷入癱瘓。

此前，上揚科技曾經與中芯國際在8英寸芯片生產線CIM系統開發上有過成功的合作案例，而這次想實現12英寸晶圓的國產化，則是為了強化更先進制程工藝的技術自主。

更大的晶圓片代表著更高的制造效率，也能夠滿足更先進制程芯片的制造要求：一塊8英寸晶圓能夠產出88塊芯片，而一塊12英寸晶圓則能夠產出232塊芯片，且每塊芯片成本更低。目前生產存儲、GPU\CPU等高端邏輯芯片的工藝也以12英寸為主。

而晶圓尺寸越大，自動化程度就越高，對CIM軟件的需求就越高。4-6英寸的晶圓主要靠人力來實現設備之間流轉，8英寸則是人力與自動化相結合，而12英寸則要求全自動化。

同EDA軟件一樣，國產芯片產業在先進CIM軟件的市場也幾乎被國外巨頭所壟斷，深受“卡脖子”之害。

這次被網傳暫停的上揚軟件和中芯國際合作的12英寸晶圓廠CIM國產化項目，就是為了打破這種壟斷而設立。

作為中國大陸地區最大的晶圓廠，中芯國際是先進工藝的積極探索者。

2021年，中芯國際猛砸千億，計劃建設3座12英寸晶圓廠。隨著中芯國際在先進工藝上不斷探索，更大尺寸晶圓的CIM軟件系統也成為必不可少的一環。而由于美國政府的打壓，中芯國際使用國外的設備和軟件處處受限，處于技術可控的考慮，開啟了對CIM軟件本土化的研究。

有業內人士指出，國內的工業軟件剛剛起步，發展確實艱難，但國產軟件依然未來可期。

此前美國已經禁止在沒有許可證的情況下向中芯國際出售大多數可以制造10nm以下先進制程芯片的設備。

美國芯片制造設備供應商泛林半導體首席執行官Tim Archer告訴分析師，他們已經收到美國商務部通知，出口中國禁令覆蓋的制程范圍已由最大10nm擴大到了最大14nm。

Archer補充道，據他所知，新要求中的限制不包括存儲芯片。目前泛林半導體已經在第三季度的業績展望中考慮這一新限制可能造成的影響。

而同為美國半導體設備供應商的科磊也收到了商務部的通知。科磊首席執行官Rick Wallace周四證實，他們也收到了政府關于對向中國出口設備許可相關變化的通知，同時他表示，這對KLA的業務沒有重大影響。

據知情人士透露，在過去兩周左右的時間里，所有美國設備制造商都收到了來自商務部的信函，要求他們不要向中國供應可用于14nm以下先進制程芯片制造的設備。

但制造商們表示，這些信件從某種程度上來說是在展示拜登政府的強硬態度，而對實際交易情況影響不大。因為此前美國商務部已經拒絕了許多14nm設備出口許可證的申請。

值得注意的是，此次美國宣布斷供的范圍也從中芯國際擴大到在中國運營的芯片制造商，包括臺積電在大陸地區的制造廠。

據分析，雖然新的限制僅涵蓋制造先進芯片的設備，但成熟制程芯片的制造也可能受到影響。因為九成以上的設備都是向下兼容的，目前成熟制程芯片的制造中可能使用了這些被列入出口禁令的設備。

目前中芯國際的最先進產能為14nm，臺積電在中國大陸地區的最先進產能為16nm，新的出口限制可能會對他們的產能造成影響。

有分析指出，此舉可能是為了配合近期即將由美國總統拜登簽署的“芯片與科學法案”。

美國的參、眾兩院近日投票通過了該法案。該法案一經推出就爭議不斷，經過共和、民主兩黨長達三年的拉扯終于在近日通過，目前尚待美國總統拜登簽署。如果該法案通過，美國政府將提供520億美元的補貼來激勵美國本土半導體的制造和研究。

但由于美國總統拜登近日新冠病毒檢測又呈陽性，再次進入隔離狀態，該法案的簽署時間可能延期。

在對自己本土的企業祭出“胡蘿卜加大棒”的組合拳之外，美國政府還在積極游說其他國家，希望他們跟隨美國腳步，禁止對中國出口芯片制造相關設備。

據彭博社此前報道，美國正在勸說日本、荷蘭等國家禁止ASML、尼康等相關企業向中國出售芯片制造相關的主流技術。

其中最為關鍵的是荷蘭ASML公司生產的光刻機。此前美國政府已經設法禁止ASML公司向中國出售用于當前先進制程的EUV光刻機，目前美國則想更進一步，使中國無法獲得ASML公司生產的DUV光刻機。

但目前美國的游說沒有獲得實質性的進展。對于美國每次將向中國提供芯片制造設備的限制從10nm提高到14nm的通知，ASML公司表示并未收到消息，尼康則表示該規定對其中國業務沒有影響。

聯發科是2021年全球第四大芯片設計廠商，每年生產超過20億芯片，臺積電承擔了其大部分芯片代工訂單。

英特爾代工業務由英特爾現任CEO帕特.基辛格于2021年3月推出。帕特表示，該業務旨在重振英特爾市場地位，并提升英特爾在全球芯片制造領域的影響力。

在2022年的英特爾投資大會上，帕特雄心勃勃的提出在未來的四年中英特爾將跨過五個制程節點，并為已經逐漸式微的摩爾定律“續命”的藍圖。

根據規劃，英特爾將在2022年下半年投產使用EUV技術制造的Intel4工藝芯片，在2023年的下半年投產更為先進的Intel3工藝芯片，并在2024年全面進入“埃米時代”，推出基于全新晶體管架構RibbonFET的Intel10A和Intel18A工藝芯片。

雖然有著宏偉的藍圖，但迄今為止，英特爾的代工之路走的并不算順利。

為了發展IFS業務，目前英特爾已經投入了超過200億美元，但英特爾代工業務今年第一季度僅帶來了2.83億美元的營收，業務還處于擴展期，與芯片代工業務同行臺積電、三星在規模上尚有差距。

如果該筆來自聯發科的訂單成功落地，將是英特爾IFS業務開展以來所取得的最大突破之一。

英特爾代工服務總裁 Randhir Thakur 稱：“聯發科作為世界領先的芯片設計公司之一，將幫助英特爾代工服務進入下一個快速增長階段。同時，英特爾代工服務的先進工藝和大量產能，將幫助聯發科產出更多芯片”。

聯發科平臺技術與制造運營部企業高級副總裁NS Tsai表示，聯發科將與英特爾建立長期合作關系，利用英特爾代工服務提升供應鏈的多元性。

據悉，聯發科產品將使用“Intel 16”技術節點。Intel 16工藝是英特爾2018年開始出貨的22FFL工藝的改進版本。在Intel 16工藝中，英特爾對22FFL技術進一步改造，并增加了對第三方芯片設計工具的支持。

英特爾表示該批訂單將在未來18個月至24個月內出貨，但目前為止還不知道英特爾將承擔多少來自聯發科的訂單，也尚不清楚英特爾將在哪里制造這些芯片。

在接受外媒采訪時，英特爾表示：“我們無法透露客戶產品中的細節，但IFS用戶都可以通過俄勒岡州、亞利桑那州、愛爾蘭、以色列以及未來將在俄亥俄州和德國建立的工廠組成的全球產能網絡生產芯片。”

而基辛格出任CEO后一直力推代工業務的英特爾，也于近日宣布了其“埃米級”18A制程芯片將在2024年提前落地的消息。

在各芯片制造廠商向著更先進制程工藝前進的同時，制造的良率卻成了廠商們的一塊心病。曾經在2021年拿下了高通公司新SoC驍龍8G1訂單的三星，在今年2月底就被爆出試產階段芯片良率造假丑聞，部分5nm以下制程的芯片良率甚至只有35%左右。

高通翻車，三星“接鍋”

高通近年來在手機SoC業務上陷入了停滯不前的窘境，一方面是因為采用了超大核架構的驍龍888、驍龍8Gen1兩代芯片功耗“爆炸”，發熱量居高不下導致用戶體驗不好。

另一方面則是由于產品良率過低導致成本上漲。根據外媒估算，一顆驍龍888芯片的成本已經超過了100美元，而驍龍8gGen1則成本更高。此前采用7nm工藝的驍龍865成本僅為81美元。

在丑聞爆出后，三星電子管理部門就5nm芯片工藝是否屬實一事開啟對DS部門的檢查。比起名譽上的損失，更令三星“肉疼”的是失去了高通這個大客戶。

據報道，因為三星電子的代工良率過低，高通公司已經決定將驍龍8Gen1的后續訂單轉交給臺積電。并且在之后將3nm制程的新一代SoC的代工業務全部交給臺積電。

事實上，良率對于芯片制造廠商來說幾乎與先進制程同樣重要。此前半導體材料廠商Entegris（應特格）執行副總裁及首席運營官Todd Edlund曾在接受媒體采訪時表示，對于3D NAND晶圓廠而言，1%的良率提高可能意味著每年1.1億美元的凈利潤；而對于尖端的邏輯晶圓廠而言，1%的良率提升意味著1.5億美元的凈利潤。

而在摩爾定律即將被“榨干”的今天，先進制程的良率對于芯片制造廠商而言，正在變得越來越重要。

過孔缺失和隨機缺陷：EUV的大麻煩

荷蘭ASML公司的光刻機是先進制程芯片制造過程中不可或缺的一環。主流的光刻機技術分為DUV和EUV，只有EUV技術能夠滿足10nm以下的制程工藝。

使用EUV光刻機進行圓晶刻蝕的過程中，可能會出現隨機缺陷，處理隨機缺陷已經成為了廠商們提高先進制程良率的核心挑戰。

總的來說，隨機缺陷被分為四類：線邊緣和線寬粗糙；CD均勻性誤差；疊加錯誤以及邊緣短路或開路。

“這些因素都會影響設備的性能、良率和可靠性” Fractilia 的 Mack 說。

在缺陷檢查中，光學檢測工具與掃描電子顯微鏡（SEM）往往共同工作，以在線檢查可能存在的缺陷并將其分類。但SEM成像結果包含了實際粗糙度的同時也包含了由于SEM噪聲引起的粗糙度。傳統圖像處理過濾器會顯示平均粗糙度而不是實際粗糙度。

Mack解釋道：“舉例來講，在圓晶上可能會測到4.3nm的粗糙度，但還需要減去計量噪聲，最后會得到1.3nm的實際粗糙度。”

 Fractilia開發了在頻域中運行的檢測工具，使用功率譜密度來查看粗糙度。借助這一工具，檢測者可以通過測得的粗糙度對晶圓模型進行反向建模，然后通過分析查找每一處隨機缺陷。并且該工具還為工程師提供了一種優化SEM使用的方法，使來自不同供應商的工具得以匹配。

在高級邏輯芯片上，從幾百萬個到幾十億個過孔中準確找到丟失的過孔或觸點對良率工程師來說也是一項重大挑戰。近年來，光學檢測工具的供應商大幅更新了他們的工具和軟件，以檢測越來越多且越來越小的缺陷。

并且隨著人工智能加入到軟件中，這些缺陷得以被更好的標識出來。

對于這樣龐雜的電路中可能出現的缺陷，最麻煩的就是工程師無法確定哪些區域需要關注。目前對于重點區域的確定，有兩種方法：第一種是通過吸收歷史經驗，將此前高頻出現缺陷的為止標記為重點區域。第二種方法則是從IC設計文件中找到可能的薄弱位置，然后軟件將會獲取所有區域并自動生成重點關注區域。

例如，KLA和IBM Reserch的工程師最近開發了一種基于充分陣列的分箱技術。該技術通過缺陷檢測將缺陷與晶圓位置相關聯。通過這一技術，工程師發現了此前的工具沒有標記的通孔，并通過追溯晶圓上的特定區域，找到了RIE步驟存在的問題。

在這項研究中，IBM和KLA的工程師合作開發了一種用于捕獲BEOL邏輯器件中缺失過孔的方法。工程師們使用KLA的檢測方法在RIE的通孔鏈圖案上的每個通孔周圍定義需要關注的區域，以提高對丟失通孔缺陷的捕獲靈敏度。

然后使用寬帶等離子（BBP）光學工具檢查這些關注區域，最后在SEM審查工具上對缺陷進行表征。該工具會按照類型對缺陷進行分類。

根據結果顯示，通路鏈左側在頂部出現缺失，但右側缺失的通路則與底側相關。該團隊因此懷疑缺失通孔缺陷是由于先前的通孔蝕刻圖案未對準而被阻塞造成的。

不過，采用傳統檢測方法并沒有發現這一存在于底部的缺陷，這意味著該策略可以更有效地檢測生產中缺失過孔的缺陷。

“BPP系統的檢查結果包括了分箱信息，這為工藝工程師提供了更多可操作數據，以便他們做出最佳的決策。”Kurada總結到。

AFM或將成為救星

雖然在過去在光學檢測系統和SEM的配合下芯片制造的良率得到了較好的控制，但是在芯片先進制程工藝越來越接近摩爾定律極限的背景下，需要更先進的技術來滿足良率控制的要求。

布魯克運營總監 Igor Schmidt 表示在當芯片制程達到20nm以下后隨機缺陷將會變得越來越難以分類。而在檢測CMP后的凹陷和腐蝕等需要拓撲數據的地方，AFM變得尤其重要。

Igor Schmidt指出，雖然AFM（原子力顯微鏡）吞吐量比較低，但每小時仍然可以監控高達340個為止，以進行光刻、蝕刻或CMP工藝的工藝控制。

原子力顯微鏡（AFM）審查工具可以利用機器視覺坐標，將從光學系統中獲取的圓晶圖數據指向可能出現缺陷的位置并對周圍區域進行成像。

成像的結果會顯示該區域包括高度信息和粘性在內的3D尺寸。

粘性數據將能夠更好地幫助檢測人員對缺陷進行分類。就如同亂石堆和口香糖的表面都不平整，但代表的實際情況不同一樣。在芯片制造的缺陷檢測中，不同粘性的情況下的粗糙度可能指向不同的結果。

如果缺陷具有較大的高度差異和較大的粘性，表明是有機顆粒或聚合物掉落在了圓晶上。但如果在高度差異較大的情況下粘性較小，則說明掉落在圓晶上的可能是硅顆粒或者碎片；如果出現了孔隙卻沒有粘性，則表明可能是堆疊或者結晶缺陷；如果沒有發現顆粒卻具有粘性，則表明某處機器或者油存在問題。

“因此，對于缺陷分類來說，這是一種強大的技術。” Igor Schmidt說。基于這一技術，廠商將能夠在先進制程上對芯片制造中的缺陷進行更詳細、準確的分類，從而提高產品的良率。

雷峰網

參考鏈接：https://semiengineering.com/strategies-for-faster-yield-ramps-on-5nm-chips/

在此之前，有消息稱，三星半導體代工服務最大的客戶高通預計將明年即將推出的3nm制程的SoC代工訂單交由臺積電獨家完成 ，更早時，三星已經在和臺積電的競爭中失敗，失去了英偉達7nm制程GPU的訂單。

而英偉達和高通是三星最大的兩個代工客戶，失去了兩家最大客戶的青睞標志著三星在和臺積電的競爭中已經處于全面劣勢。

芯片良率被傳造假，三星對代工部門開啟調查

三星近期已經啟動對原本計劃擴大產能和保證良率的大量資金下落的調查。該調查啟動的原因是三星電子懷疑之前有關三星半導體代工廠的產量和良率報告存在造假行為。

據報道，三星電子DS部門正在接受管理部門就5nm芯片工藝的良率報告是否屬實的檢查。管理部門下一步還將對4nm和3nm制程工藝的芯片良率報告做檢查。

目前三星和臺積電在先進制程上的競爭正處于白熱化的階段。在去年三星拿下了高通器件處理器驍龍8 Gen1的獨家訂單，還計劃在2022年先于臺積電實現3nm制程芯片的量產。但如今，三星可能即將失去高通這個大客戶。

高通除了將明年的訂單全部交由三星以外，還宣布將今年已經委托三星生產的4nm制程芯片驍龍8Gen1的一部分后續訂單交給臺積電生產。高通表示，這樣做的原因是因為目前三星的工藝良率難以達到高通的要求。

據業內人士消息，三星生產的驍龍4nm制程芯片良率僅為35%。并且三星自研的4nm制程SoC獵戶座2200的良率更低。這意味著三星生產的芯片有近七成都是廢片，這不僅使得芯片成本居高不下。其工藝上的缺陷還導致了驍龍的芯片在功耗和性能上出現了問題。

高通與三星的十年“相愛相殺”

2020年，高通宣布將5nm處理器的訂單全部委托三星代工。當時的高通正處于“一覽眾山小”的時期，是手機終端市場非蘋果陣營中無可爭議的“老大哥”。2020年聯發科推出的高端產品天璣1000系列市場表現遇冷，對比之下，高通當年的旗艦芯片驍龍865卻備受追捧。

實際上，在此之前高通和臺積電、三星再次之前都有過合作關系。高通公司推出的旗艦處理器中驍龍820、驍龍821、驍龍835、驍龍845等處理器都是由三星代工生產，而驍龍855和驍龍865系列則是由臺積電代工生產。在這兩家代工廠生產的芯片中都有在當年口碑銷量雙豐收的爆款，也時有不盡人意的情況。而高通之所以在2020年宣布將下一代芯片全部交由三星生產，其中給一個重要原因就是高通對臺積電“蘋果優先”政策的不滿。

臺積電的代工業務的最大客戶是蘋果，早在2016年，臺積電就成為了蘋果A系列芯片的代工廠商。自那之后，臺積電和蘋果一直保持著“共生”的狀態：臺積電為蘋果提供穩定的芯片產能和良率，蘋果則為臺積電提供源源不斷的訂單。

而由于給蘋果代工的業務不論是在利潤上還是在公司戰略上都對臺積電更為重要，臺積電多年來一直奉行“蘋果優先”的產能分配方案。但近年來受新冠疫情影響，全球供應鏈受阻引發缺芯浪潮。而臺積電在繼續奉行“蘋果優先”政策的同時，還在集中力量解決蘋果自研的Arm架構芯片M1的代工問題，這使得本就不充裕的產能更加捉襟見肘。

最終這導致了驍龍芯片產能長時間的不足，引起了高通的不滿。

彼時的高通認為三星能夠提供價格更低，優先級更高的代工服務，于是高通和三星站到了一起。但接下來發生的事情也許超過了高通的預料。

由三星代工的驍龍888芯片的市場表現并未達到預期使得高通的2021年過的并不順利，三星的工藝缺陷帶來的功耗問題甚至一度成為熱門話題，驍龍888芯片也由于其糟糕的發熱表現被戲稱為“火龍芯片”。

在驍龍888“翻車”后，驍龍沒有立刻拋棄三星，而是選擇相信三星工藝進步的能力。高通推出的新一代器件SoC驍龍8 Gen1的生產中仍然使用了來自三星的代工服務。

但三星的表現又一次讓高通失望：驍龍8 Gen1仍然沒有解決在前代工藝上飽受質疑的功耗問題，并且由于三星代工較低的良率，據業內人士估算，一塊驍龍8 Gen1芯片的成本價格已經接近一千人民幣。

同時，高通公司的老對手聯發科在今年頗有向高通發起總攻之意，聯發科在高通今年發布了驍龍8 Gen1處理器后，高調發布了旗艦處理器天璣9000，并宣布將會使用臺積電4nm工藝代工。由于對消費者對三星代工引發的發熱問題不滿已久，加之天璣9000與前代相比的巨大提升，不少曾經是高通忠實信徒的消費者已經在持幣觀望聯發科在今年的表現。這使得高通面臨著巨大的壓力和挑戰，最終做出了拋棄三星，轉投臺積電懷抱的決定。

英特爾“加速沖刺”，三星能否能夠突破合圍

近年來，芯片代工產業中的競爭有愈演愈烈之勢。不僅是三星和臺積電這對從2010年爭奪蘋果A系列處理器代工權的老對手的“戰爭”到了決戰階段，越來越多的“新人”也選擇在這條賽道上踩下一腳油門。

英特爾自新任CEO Pat上任以來，圍繞著其IDM2.0藍圖，大力發展代工業務IFS。在2月18日的英特爾投資人大會上，Pat信心滿滿的向英特爾的投資人介紹了公司未來在代工產業上的發展藍圖。根據規劃，英特爾將在未來四年時間內走過五個制程節點，最早在2022年實現Intel4制程，并最早在2024年量產埃米級芯片。如果這一藍圖成真將標志著英特爾在未來幾年中徹底擺脫臺積電的擎肘，并在先進制程的代工業務上和臺積電全面開戰。

同時，國內的芯片代工產業也在這兩年蓬勃發展。國內芯片代工龍頭企業中芯國際日前發布的2021年財報顯示，中芯國際在銷售額、營收等方面數據均創歷史新高。同時，中芯國際已經擁有生產14nm芯片的能力，并向著更先進制程邁進。雖然國內的芯片代工廠商目前還沒有在先進制程工藝上和三星、臺積電這些老牌廠商較量的能力，但作為后期之秀，在未來是否有可能給這一市場格局帶來改變也猶未可知。

現代研究院（Hyundai Research Institute）顧問崔陽歐表示，“臺積電正在努力確保4nm/3nm半導體制造工藝的良率。三星電子正處于激烈的競爭中，不確定性很高。”

在過去十年中，三星已經接連丟掉了蘋果、英偉達、高通這些在芯片行業舉足輕重的大客戶的青睞。面對著行業越來越“卷”的現狀，三星腹背受敵，如今更是陷入“造假”丑聞。三星需要更快的做出改變，否則這個市場留給三星的時間和信任都要不多了。雷峰網

知情人士透露，如果談判一切順利，該收購案可能最早在本周通過。目前高塔半導體的市值約為36億美元，英特爾的收購價格遠遠超出該公司的市值，這使得該交易包括了巨額溢價。在華爾街日報披露了該交易后，高塔半導體股票周一在盤后交易中上漲了49%。在15日晚英特爾確認收購后，高塔半導體總企業價值約為54億美元。

本次將被英特爾收購的高塔半導體是一家在美國納斯達克上市的以色列公司。該公司涉足汽車、消費級電子產品、醫療和工業設備等領域，以色列，日本和美國擁有加工廠，其業務范圍與曾經英特爾想收購的格芯高度相似。如果該交易通過，將有利于英特爾加強其芯片代工產業的產能。

自英特爾新任CEO Pat Gelsinger于2021年公布了英特爾IDM2.0發展規劃以來，確定英特爾未來仍然會在芯片制造產業持續發力以來，英特爾一直努力加強自身芯片代工能力以和臺積電等代工廠商競爭。

去年7月曾一度傳出英特爾將收購格芯的消息。如果該交易通過，英特爾將得到格芯專有技術和更成熟的產能。雖然最終該交易沒有達成，但英特爾的決心和野心可見一斑。

而后在2022年一月英特爾披露了在俄亥俄州投資至少200億美元建立工廠增加公司圓晶制造能力的計劃，根據規劃該地未來十年會建立包括八家工廠的的生產基地，支出可能達到1000億美元左右，可以看出英特爾對自身芯片代工產業相當重視。雷峰網雷峰網雷峰網

據中芯國際介紹，銷售額與利潤率的增加主要歸功于2021年第四季度其產品組合變動和芯片市場持續向好。

從中芯國際營收來看，其主營業務圓晶代工帶來的收入占總收入的89.5%，該業務主要收入來自亞洲。技術上，中芯國際的高端代工業務所占比例穩中有升。其運用了FinFET工藝的28納米代工業務在其總業務中占比18.6%，與2020年第四季度占比5%相比較有較大提升。

基于這樣的情況，中芯國際對未來比較樂觀，提出了在2022年第一季度環比增長15~17%，利潤率達到36%~38%的目標。

中芯國際管理層對2021年的成績評價道：“2021年是中芯發展歷程中極不平凡的一年。”對于未來規劃，中芯國際管理層提出，未來中芯國際會持續推進產能擴大，推進現有老廠的擴建和三個新廠項目的落地。預計20222年的產能增量會高于今年。

在過去的一年里，缺芯在全球蔓延。中芯國際抓住了機遇搶占市場缺口，在疫情和實體清單的雙重限制下仍然取得了傲人的增長。在全球前四大純晶圓代工廠中，中芯國際是近年來成長的最快的一個。

從中芯國際2021年第四季度的財報可以看出，中芯國際的發展情況良好，在全球缺芯的情況下，成功搶占了中低端線客戶，獲得了快速發展的機會。同時也在高端產品上發力，具有高技術門檻的28nm產品線在營業額中所占比例越來越大，在14nm等更高級產品線上，中芯國際也在加速追趕。

在未來，中芯國際仍然要面臨嚴峻的挑戰。全球新冠疫情持續肆虐，使供應鏈受到影響。美國實體清單限制使得中芯國際的貿易環境變得艱難。但挑戰中也蘊藏著機遇，在未來，中芯國際是否能夠在全球持續缺芯浪潮中找到機遇，實現逆襲，讓我們拭目以待。雷峰網雷峰網雷峰網

“數字化轉型為半導體行業開辟了一個充滿機遇的新世界，我們的全球技術研討會強調了我們增強和擴展技術組合的許多方法，以釋放客戶的創新，”臺積電CEO魏哲家在大會上說道。

5nm家族添新成員，解決汽車計算需求

臺積電將其領先的工藝節點分為三個產品家族：7nm、5nm和即將推出的3nn工藝節點，正如許多人在過去幾年中注意到的那樣，臺積電自2018年推出7nm節點并實現大規模量產后，在芯片制造領域超越競爭對手取得領先地位，到今天也還是如此。

迄今為止，臺積電7nm芯片出貨已超過10億顆，已經被納入越來越成熟的工藝。且隨著許多客戶遷移到更先進的工藝節點，7nm產能增速放緩，預計2021年產能僅增加14%，與曾經16nm工藝系列產能進展類似。與之對應的，目前代工廠主要專注于5nm和即將推出的3nm芯片產品。臺積電5nm工藝節點自2020年開始量產，為數以億計的SoC提供動力，一方面越來越多的公司設計更多5nm產品，另一方面臺積電擁有全球大約50%的EUV半導體設備，因此臺積電5nm進展十分順利，更是在此次技術研討會上又添新成員——N5A。

臺積電官方介紹，N5A工藝旨在應對當今對計算能力需求不斷增加的汽車應用，例如支持AI輔助駕駛和座艙數字化，N5A將當今超級計算機中所使用的技術引入汽車，在滿足AEC-Q100 2 級以及其他汽車安全和質量標準的可靠性要求的同時，滿足N5的性能、功率和邏輯密度。

由于有臺積電汽車設計平臺的支持，N5A計劃于2022年第三季度上市。

3nm明年量產，5G射頻將升級到6nm

臺積電也透露了其4nm和3nm的最新進展。采用與N5幾乎近相同設計法則的4nm加強版在性能、功耗和集體管密度上均進一步提升，通過邏輯的光學微縮、標準單元庫的改進和設計規則的推動，N4的晶體管密度較N5提升6%。臺積電還聲稱，N4自2020年技術研討會上宣布以來進展順利，預計2021年第三季度風險量產。

3nm方面，依靠業經驗證的FinFET晶體管架構，得以實現最佳性能、功耗和成本效益，與N5相比，臺積電N3性能提升15%、功耗降低30%、邏輯密度增加70%，有望在2022年下半年開始量產，同時成為世界上最先進的芯片制造技術。

擁有龐大市場的手機SoC制程的更新換代已不足為奇，如今5nm已經成為旗艦手機的標配，隨著臺積電3nm開始量產，可以預測各家手機廠商的旗艦手機SoC也將更新至3nm。不過射頻芯片沒有像手機SoC制程一樣頻繁升級，依然使用16nm左右制程，但這一局面可能會在未來有所改變。

與4G相比，5G智能手機需要更大的芯片面積、消耗更多的電量才能提供更高的無線傳輸速率，支持5G的芯片集成很多功能和組件，尺寸變大且與電池競爭空間。因此，本次研討會上，臺積電首次推出N6RF工藝，將其先進的邏輯工藝的功耗、性能和面積優勢帶到5G射頻（RF）和WiFi 6、WiFi 6E解決方案中，預計N6RF晶體管性能將比上一代16nm射頻技術高出16%以上。

此外，臺積電還稱，N6RF支持低于6GHz和毫米波頻段的5G射頻收發器，降低功耗和面積，且不會影響為消費者提供的性能、功能和電池壽命臺積電N6RF還將增強WiFi 6/6E的性能和電源效率。

持續擴展3DFabric先進封裝

臺積電還公布了其在先進封裝方面的最新進展。

在高性能計算應用領域，臺積電將在2021年為其InFO_oS 和 CoWoS封裝解決方案提供更大的光罩尺寸，從而為小芯片和高帶寬內存集成提供更大的二維平面。此外，臺積電的SoIC-CoW預計今年完成N7對N7的驗證，并將于2022年在全新的全自動化晶圓廠中開始生產。

在移動應用領域，臺積電推出InFO_B解決方案，制造將強大的移動處理器集成在薄而緊湊的封裝中，性能增強、電源效率變高，并支持移動設備制造商在鳳裝飾的DEAM堆疊。

值得注意的是，在同期舉行的Computex大會上，AMD展示了其3D小芯片的首個應用，并稱通過與臺積電的密切合作，其3D小芯片技術比當前的3D封裝解決方案耗能更少，堆疊更靈活。AMD同時表示，有望在2021年底之前開始生產具有3D小芯片的高端計算產品。

z注，文中圖片源自臺積電

本文參考連接：雷鋒網雷鋒網雷鋒網

https://www.anandtech.com/show/16732/tsmc-manufacturing-update

https://pr.tsmc.com/english/news/2831

巨頭之間的競爭提出新的問題，這些新節點投入量產究竟需要多長時間，為什么需要這些新的節點工藝。

遷移到下一個節點確實可以提升性能并減少功耗和面積（PPA），但這已不再是實現PPA的唯一方法。實際上，縮小特性對PPA的好處可能不如最小化系統間的數據移動多。由于設備是為特定應用而設計的，因此需要考慮的因素有許多，例如不同類型的高級封裝、硬件和軟件更緊密集成以及處理不同數據類型和功能的混合處理元件。

隨著越來越多的設備連接在一起，越來越多可用程序的出現，我們看到數據呈指數級增長，還看到了完全不同的工作負載，隨著數據和不同使用模型的不斷發展，可以預計未來的工作負載會有更多變化。英特爾副總裁設計支持部總經理加里·巴頓（Gary Patton）在SEMI最近召開的先進半導體制造大會的一次主題演講中表示：“這種數據演進正在推動硬件革命，對計算的需要也與以往不同。技術節點向前演進是絕對的，但這還不夠，我們還需要解決系統級的異構集成，工藝技術設計的協同優化、軟硬件之間的優化，更重要地，需要持續推動人工智能和新的計算技術。”

因此，盡管晶體管水平性能仍然是一個重要因素，但在從前沿來看，它只是眾多因素中的一個，不過至少在可預見的未來里，這依然是最大的芯片制造商不愿意放棄或讓步的競爭。三星最近披露了關于其即將推出3nm工藝的更多細節，該工藝基于下一代晶體管類型，稱為全柵極（GAA）FET。本月，IBM開發了一種基于GAA-FET的2nm芯片。另外，臺積電正在開發3nm和2nm，英特爾也在開發更先進的工藝，所有這些公司都在開發一種稱之為納米片FET的GAA FET，其性能優于當今的FinFET晶體管，但也更難制造、更加昂貴。

圖1：平面晶體管與FinFET以及GAA FET，來源：Lam Research

預計3nm的生產將于2022年中開始，2nm的生產將在2023年或2024年之前完成，因此業界需要為這些技術做好準備。不過目前的情況令人疑惑，關于新節點和新功能的官方公告并不完全像它們看起來的那樣。一方面，行業繼續在不同的節點上使用傳統的編號方案，但術語并沒有真正反映出哪家公司領先，另一方面，芯片制造商在所謂的3nm節點上朝著不同的方向發展，并不是所有3nm技術都一樣。

這樣做的好處是每個新節點都是特定應用。在過去的幾個工藝節點中，晶體管密度提升正在放緩，且性價比在不斷下降，而且很少有公司能夠負擔得起僅基于最新節點的產品設計和制造能力。另一方面，開發這些工藝的成本飛漲，配備先進晶圓廠的成本也在飛速增長。如今，三星和臺積電是僅有的兩家能夠制造7nm和5nm芯片的供應商。

此后，晶體管結構開始發生變化。三星和臺積電正基于當今的FinFET生產7nm和5nm的芯片，三星將轉向3nm的納米片FET，英特爾也在開發GAA技術，臺積電計劃將FinFET擴展到3nm，然后在2024年左右遷移到2nm納米片FET。

IBM也正在開發使用納米片的芯片，但是該公司已經幾年沒有生產自己的芯片了，目前將其生產外包給三星。

逐漸混淆的工藝節點命名規則

近十年來集成電路行業一直試圖跟上摩爾定律，力爭每18到24個月芯片中的晶體管密度翻一番。晶體管就像芯片中的開關一樣，由源極、漏極和柵極組成。在具體功能實現中，電子從源極流向漏極，并由柵極控制。有些芯片在同一個設備中有數十億個晶體管。

盡管非常艱難，芯片制造商還是以18到24個月的周期推出了一種晶體管密度更高的新工藝技術，從而降低每個晶體管的成本。以這種節點節奏，芯片制造商將晶體管的規格擴展了0.7倍，從而使該行業在同等功率的情況下提供40%的性能提升和50%的面積縮減，這個公式催生了快而新且功能更豐富的芯片。

每一個節點都有一個數字標識。幾年前，節點的命名基于一個關鍵晶體管指標，即柵極長度。“例如，基于0.5微米技術節點生產的晶體管，柵極長度就是0.5微米”，Lam Research大學項目負責人Nerissa Draeger解釋說。

隨著時間的推進，柵極長度縮放速度變慢，并在某些時候，它與相應的節點名稱并不匹配。Draeger說：“多年來，技術節點的定義不斷發展，現在被認為更像是一個世代的名字，而不是任何關鍵維度的衡量標準”，Draeger說。

一段時間以來，節點名稱已經成為純粹的營銷名稱。例如，5nm是當今最先進的工藝，但5nm的規格還沒有達成一致，3nm、2nm等也是如此，當供應商對節點使用不同的定義時，就更讓人困惑了。英特爾正以10nm工藝生產芯片，這大致相當于臺積電和三星的7nm工藝。

多年來，供應商或多或少地遵循國際半導體技術路線圖（ITRS）定義晶體管微縮規格。2015年，ITRS的工作被叫停，業界只能自己定義規格。取而代之的是，IEEE實施了設備和系統的國際路線圖（IRDS），該路線圖的重點是延續摩爾定律（More Moore）和超越摩爾定律（More Than Moore）。

Draeger說：“不變的是，我們期望節點擴展能夠帶來更好設備性能，更高的電源效率和更少的制造成本。”

這并非易事，多年來，供應商一直使用傳統的平面晶體管來開發芯片，但這一結構在10年前的20nm處就已經觸礁。平面晶體管仍用于28nm / 22nm及以上的芯片制造，但業界需要一種新的解決方案，這也就是為什么英特爾在2011年推出了22nm的FinFET，晶圓制造廠緊隨其后推出了16nm / 14nm的FinFET。在FinFET中，電流的控制是通過在Fin的三個邊的每個邊上實現一個柵極來完成的。

FinFET使業界能夠繼續進行芯片微縮，但它們也更復雜、功能更小，導致設計成本不斷攀升。根據IBS首席執行官漢德爾·瓊斯（Handel Jones）的說法，設計一款“主流” 7nm芯片的成本為2.17億美元，而設計一款28nm芯片的成本為4000萬美元。在這種情況下，成本是在一項技術投產后的兩年或兩年以上后確定的。

7nm及以下，靜態泄漏再次成為問題，功率和性能效益也開始減少。現在，性能提升在15％到20％的范圍內。

在制造方面，FinFET需要更復雜的工藝、新材料和不同的設備。這反過來又會提高制造成本。”如果你把45nm和5nm進行比較，今天我們會看到晶圓成本增加了5倍。這是由于所需處理步驟增加所致”，TEL America副總裁兼副總經理本·拉特薩克（Ben Rathsack）說。

隨著時間的推移，擁有生產尖端芯片資源或能夠看到其價值的公司越來越少。如今，GlobalFoundries、三星、中芯國際、臺積電、UMC和英特爾正在生產16nm/14nm的芯片(英特爾稱之為22nm）。但只有三星和臺積電有能力制造7nm和5nm的芯片。英特爾仍在開發7nm及更高版本，中芯國際也在開發7nm。

從FinFET轉向納米片

在3nm及以下時，微縮變得更加困難。開發可靠且符合規范的低功耗芯片面臨一些挑戰。此外，IBS的數據顯示，開發主流3nm芯片設計的成本高達5.9億美元，而5nm器件的成本為4.16億美元。

在制造方面，代工廠的客戶可以在3nm走兩條不同的路，但同樣要面臨艱難的選擇和各種權衡。

臺積電計劃通過縮小5nm FinFET的尺寸來將FinFET擴展到3nm，盡可能實現無縫過渡。IBS的瓊斯說：“ TSMC計劃在2022年第三季度為蘋果公司提供3nm FinFET的量產，計劃在2023年實現高性能計算。”

不過，這是一項短期策略。當鰭片寬度達到5nm（等于3nm節點）時，FinFET將接近實際極限。根據新的IDRS文件，3nm節點相當于16nm至18nm的柵極長度，45nm的柵極間距和30nm的金屬間距。相比之下，5nm節點相當于18nm至20nm的柵極長度，48nm的柵極間距和32nm的金屬間距。

一旦FinFET碰壁，芯片制造商將遷移到納米片FET。三星從一開始就采用3nm的納米片FET，根據IBS的數據，該產品定于2022年第四季度實現生產。

IBS還稱，臺積電計劃在2024年推出2nm的納米片FET。英特爾也在開發GAA。多家無晶圓廠設計公司正在研究3nm和2nm器件，蘋果等公司計劃將該技術用于下一代器件。

納米片FET是從FinFET進化而來的。在納米片中，來自FinFET的鰭被放在其側面，然后被分成單獨的水平片。片與片之間形成通道。第一納米片FET將可能具有3個左右的片，用一扇門包裹著所有的薄片或通道。

納米片在結構的四個側面上實現了柵極，比FinFET能夠更好地控制電流。Leti的高級集成工程師Sylvain Barraud說：“除了具有更好的柵極控制能力（與FinFET相比）以外，GAA堆疊的納米片FET還具有更高的有效溝道寬度，從而提供了更高的DC性能。”

相對于FinFET，納米片FET還具有其他優勢。在FinFET中，器件的帶寬被量化，這影響了設計的靈活性。在納米片中，IC供應商有能力改變晶體管中片的寬度。例如，具有更寬薄片的納米片提供了更多的驅動電流和性能。窄的納米片具有較小的驅動電流，但占用的面積較小。

“寬范圍的可變納米片寬度提供了更大的設計靈活性，對于FinFET來說由于鰭片數量不連續，更加靈活的設計性是不可能的。最后，由于使用不同的功函數金屬，GAA技術還提出了多種閾值電壓特性”， Barraud說。

首批3nm器件開始以早期測試芯片的形式出現，在最近的一次活動中，三星披露了基于3nm納米片技術的6T SRAM的開發。這個設備解決了一個主要問題，SRAM微縮了器件的面積，但同時也增加了位線（BL）電阻。作為響應，三星將自適應雙BL和電池供電輔助電路集成到SRAM中。

三星研究員Taejoong Song在論文中說：“提出了一種全能的SRAM設計技術，該技術可以在功耗、性能和面積之外，更自由地提高SRAM容限。此外，提出了SRAM輔助方案來克服金屬電阻，從而最大限度地提高了GAA器件的優勢。”

同時，IBM最近展示了一種處于測試階段的2nm芯片。該器件基于納米片FET，可以集成多達500億個晶體管，每個晶體管由三個納米片組成，每個納米片的寬度為14nm，高度為5nm。總的來說，該晶體管具有44nm的接觸多晶硅間距和12nm的柵極長度。

IBM仍在研發中，目標是在2024年推出該芯片。但在任何節點上，納米片器件在投入生產之前都面臨若干挑戰。IBM混合云研究副總裁Mukesh Khare說：“挑戰的數量沒有限制。我想說最大的挑戰包括泄漏。如何降低功率？當薄板厚度為5nm且通道長度為12nm時，如何提高小尺寸的性能？如何在2nm內獲得合理的RC效益？最后，芯片必須優于先前的節點。”

制造納米片FET是困難的。“在全能門納米片/納米線中，我們必須在看不見的結構下進行處理，而在該結構下進行測量更具挑戰性。這將是一個更加困難的過渡，” Lam Research計算產品副總裁David Fried說。

在工藝流程中，納米片FET首先在襯底上形成超晶格結構，外延工具在襯底上沉積硅鍺（SiGe）和硅（Si）的交替層。

這需要極端的過程控制。“對每一對Si / SiGe的厚度和成分進行在線監測至關重要，這些參數是器件性能和量產良率的關鍵。” Bruker產品營銷總監Lior Levin說。“

下一步是在超晶格結構中開發微小的垂直鰭片。然后，形成內墊片，形成源極/漏極，接著進行溝道釋放工藝。柵極被開發出來，形成納米片FET。

圖2：堆疊納米片FET的工藝流程。資料來源：Leti/半導體工程

晶體管微縮競爭之外，異構集成競爭同樣激烈

晶體管微縮只是方程式的一部分。伴隨晶體管未做競爭的持續，異構集成方面的競爭也同樣激烈，許多最先進的架構不僅包含在單個制程節點上開發單片芯片，還包含許多處理元件，包括一些高度專用的元件和不同類型的存儲器。

英特爾的巴頓說：“分布式計算正在推動另一個趨勢，即越來越多特定領域的體系結構。我們看到的另一個趨勢是從整體上分解出特定領域的體系結構，主要由人工智能驅動，并且為提高效率而量身定制。”

將復雜模塊集成到一個封裝中的先進封裝方式正在發揮作用。“現在，封裝創新開始在提高產品性能方面發揮更大的作用。”巴頓說。

“從一個節點到另一個節點的性能、功率和面積肯定涉及到更多因素，” Arm公司技術副總裁兼專家Peter Greenhalgh說：“如果世界僅依靠晶圓廠來獲得全部收益，您將非常失望。Arm提供了一種LEGO設計。該樂高積木被添加到其他樂高積木中，以構建一個非常有趣的芯片。有許多昂貴的方法可以做到這一點，但也將在一定程度上實現商品化和協調化。”

向異構架構過渡的同時，還擴展了邊緣范圍，涵蓋了從物聯網設備到各種級別的服務器基礎架構的所有方面，以及Google、阿里巴巴、AWS和Apple等系統公司將設計自己的硬件，以優化龐大數據中心內部特定數據流。這掀起了狂熱的芯片設計活動，將定制和非定制硬件，非標準程序包以及各種方法（例如內存和近內存處理）結合在一起，這些方法過去從未獲得過廣泛的關注。它還著重于如何對處理進行分區，哪些組件和流程需要在微體系結構中確定優先級，以及基于特定異構設計的各種組件的最佳工藝節點是什么。

Greenhalgh說：“視頻加速就是一個很好的例子。如果您是一家云服務器公司，并且要進行大量的視頻解碼和編碼，那么您就不想在CPU上這樣做。您要在其中放置視頻加速器。這是一個范式轉變。”

因此，存有更多不同種類的處理器元件，還有一些擴展是現有處理器核心的開發。

Synopsys的高級市場營銷經理Rich Collins表示：“我們一直有能力通過添加自定義指令或連接自定義加速器擴展架構（用于ARC處理器）。現在的不同之處在于，越來越多的客戶正在利用這一優勢。人工智能是一個時髦的詞，它意味著很多不同的東西，在這個術語后面，我們看到了很多變化，越來越多的公司在標準處理器上添加了神經網絡引擎。”

這些變化不僅僅是技術上的，也需要芯片公司內部做成一些改變。從各種工程師團隊的組成到公司本身的結構。

英飛凌汽車高級副總裁Shawn Slusser表示：“過去，你會發明一堆產品，將它們放在一堆數據手冊中，然后人們會嘗試找到它們。由于設備的復雜性和使用壽命，這種方法不再見效。現在，我們正在研究一種更像是半導體超級市場的模型。如果你想將現實世界與數字世界聯系起來，那么一切都可以在同一個地方得到，包括產品、人員和專業知識。”

較大的公司一直在內部發展這種專業模式，這在蘋果的M1芯片中很明顯。M1是使用臺積電的5nm工藝開發的，它集成了Arm V8內核、GPU、自定義微體系結構、神經引擎和圖像信號處理器，所有這些都集成在一個系統級封裝中。盡管該設計的性能可能不如使用標準行業基準的其他芯片那樣出色，但運行Apple應用程序的性能和功耗方面的改進顯而易見。

根據行業估計，截至今天已有約200家公司正在開發或已經開發出加速器芯片，其中有多少能存活還不得而知，最終走向解體是不可避免的。在邊緣，汽車、安全系統、機器人、AR / VR甚至智能手機生成的數據太多，無法將所有數據發送到云端進行處理。它花費的時間太長，并且需要太多的功耗、內存和帶寬。很多數據都需要進行預處理，硬件處理這些數據的優化程度越高，電池壽命就越長、功耗也就越低。

這就是為什么風險投資在過去幾年中一直向硬件初創公司投入資金的原因。在接下來的12到24個月內，預計該領域投資將顯著減少。

Flex Logix首席執行官Geoff Tate表示：“合理推斷，隨著公司進入市場并與客戶互動，這一窗口將開始關閉。在接下來的12個月中，投資者將開始獲得真正的數據，看看哪種架構真正獲勝。在過去的幾年里，誰擁有最好的PPT是關鍵。客戶將加速視為運行神經網絡模型的必要條件，對于模型來說，它將運行多快，需要多少功率以及要花費多少成本？ 他們將依據這些條件選出最適合自己比賽或符合條件的模型。”

設計也在云端發生變化。在云計算中，更快的處理以及準確確定處理地點的能力可能會對能效以及數據中心的容量產生重大影響。例如，不只是將DRAM連接到一顆芯片上，DRAM還可以在許多服務器之間共享，從而使工作負載可以分布在更多計算機上。這不僅為負載平衡提供了更高的粒度，而且還提供了散熱的方式，從而減少了對冷卻的需求，并有助于延長服務器的使用壽命。

Rambus資深研究員、發明家史蒂文·伍（Steven Woo）說：“其中一些數據中心中有成千上萬臺服務器，全球有數以萬計的數據中心。現在，你得想辦法將它們捆綁在一起。有一些新技術即將問世。一種是DDR5，它具有更高的電源效率，更遙遠一點的是Compute Express Link（CXL）。長期以來，能夠放入服務器的內存量是有限的，但現在由于能夠在云中執行更多工作并租用虛擬機，工作負載的范圍要大得多。CXL使你能夠在系統中擁有基本配置，還可以擴展可用的內存帶寬和容量。因此，現在你可以突然支持比以前更大范圍的工作負載。”

結論

爭奪更加先進的幾個制程節點的競爭仍在繼續。剩下的問題是，當公司可以通過其他方式獲得足夠的收益時，哪些公司愿意花時間和金錢在這些節點上開發芯片。

不同市場的經濟和動態正在迫使芯片制造商評估如何以最大的投資回報率來最好地應對市場機會，在某些情況下，這可能遠遠超出開發先進芯片的成本。實現不同目標有很多選擇，到達同一目標的方法通常也不止一種。

雷鋒網編譯，原文作者Mark LaPedus and Ed Sperling雷鋒網雷鋒網

原文鏈接https://semiengineering.com/the-increasingly-uneven-race-to-3nm-2nm/

其中，韓國政府將通過減稅，降低利率、放寬法規和加強基礎設施減等措施來激勵韓國的半導體企業。同時確保在未來十年為目標地區提供對芯片晶圓廠必不可少的水電供應。 

韓國希望通過此次計劃，在2022年至2031年間幫助培養36000名芯片專家，為芯片研究和開發貢獻13億美元，并幫助半導體行業立法。

報道稱，三星電子和SK海力士作為153家推動這項長達十年計劃的公司成員之二，將根據韓國總統文在寅及政府制定的國家藍圖，在截止到2030年的未來十年內，在半導體研發和生產方面引領近4500億美元的投資。

本周四，三星的芯片高管發布了關于這一計劃的相關信息。三星首席執行長樸正浩表示，到2030年，三星將把其支出增加30%，海力士則承諾斥資970億美元擴建現有設施，并計劃在龍仁建設四個新工廠，投資1060億美元。

三星和SK海力士是全球重要的存儲芯片制造商，制造了全球大部分存儲芯片，幾乎遍及所有可以用來存儲的設備。但在先進的邏輯芯片制造生產上，例如能夠運行AI和數據處理等復雜的計算任務的芯片，韓國卻比較滯后。反觀中國臺灣半導體制造商臺積電，則擁有較強的邏輯芯片制造實力。

因此，三星一直將發展邏輯芯片作為自己與臺積電競爭的目標，以確保能夠在英偉達的GPU業務以及高通的移動處理器業務上爭取到更大的份額。與此同時，海力士也宣布其進軍邏輯芯片的計劃。

事實上，早在2019年，三星電子就承諾到2030年，在邏輯業務上投入133萬億韓元（約合1178億美元），這次是在原來的基礎上再增加38萬億韓元（約合336億美元），以加速先進的研究并擴大生產。

“通過增加更多的投資，Foundry的擴產將有助于推動AI、5G和自動駕駛等下一代技術為基礎的整個新興產業。”三星電子表示。

另外，三星還宣布已經在其位于韓國平澤市的工廠建設一條新的生產線P3，使用EUV光刻技術制造14nm DRAM和5nm邏輯芯片，這條被命名為P3的生產線將于2022年下半年竣工。

“整個半導體行業正面臨一個分水嶺，現在是制定長期戰略和投資計劃的時候了。”三星副董事長兼芯片業務負責人金基南表示。

 雷鋒網雷鋒網雷鋒網

2020年5月，該工廠最初宣布在亞利桑那州建立一座價值120億美元的芯片工廠，該工廠顯然是特朗普政府計劃讓全球技術供應鏈以及芯片制造業重新回到美國的步驟之一。目前看來，這可能不是臺積電計劃在美國建造的唯一項目。 

一位消息人士稱，計劃增加更多工廠是對美國政府要求的回應，消息人士說：“臺積電內部計劃建立多達六個晶圓廠”，此外未透露更多細節。

今年4月，臺積電曾與其他芯片廠商的高管共同參加了白宮虛擬峰會，旨在共同尋找緩解全球芯片短缺的方法，計劃花費數百億美元來提高美國國內芯片生產水平，臺積電也可能獲得在美國制造更多芯片的資格。

另一消息人員表示，其設施的位置可能與當前項目非常接近，臺積電表示已經確保有足夠的土地用于擴展新的項目。至于修建新的晶圓廠需要花費多長時間，第三位消息人員表示，臺積電已經告知供應商，該計劃是在未來三年內建造這六個工廠。

臺積電首席執行官魏哲家在4月的財報電話上評論了正在建設的工廠，并表示該工廠可能在2024年開始生產5nm芯片，每月量產2萬塊晶圓。

在電話會議中，有人提到該公司已經收購亞利桑那州的一大片土地以保證建廠的靈活性，魏哲家表示，“進一步擴展是可能的，但必須首先進行第一階段，然后根據運營效率和成本經濟以及客戶的需求，來決定下一步要做什么。”

“一旦有任何官方決定，我們將相應地予以披露。”

雷鋒網編譯，原文鏈接：https://appleinsider.com/articles/21/05/04/five-more-tsmc-chip-plants-planned-in-us-expansion

雷鋒網雷鋒網

最早是今年3月18日，中芯國際發布公告稱公司與深圳市簽訂合作框架協議，中芯深圳將重點生產28nm及以上的集成電路和提供技術服務，最終實現每月約4萬片12吋晶圓產能，預計項目投資金額23.5億美元（折合152.75億元人民幣）。

4月份，臺積電宣布斥資28.87億美元（折合187.19億元人民幣）擴充南京臺積電28nm產能，預計達到美元4萬片的生產規模。緊接著，聯電也召開線上會議，宣布投資約135.3億元人民幣擴充在臺南科學園區的12吋廠Fab12的28nm產能。

這幾家宣布擴產的代工廠，都預計將在2022年開始正常生產。十多年前開發出的28nm工藝制程，在5nm先進制程被廣泛用在智能手機上的今天，依然熱度不減，甚至引發各個晶圓廠之前新一輪競爭。

值得注意的是，這次28nm產能的集體擴充，與當下備受關注的缺芯潮并無太大直接聯系。

代工巨頭臺積電的“轉折點”

依然是在摩爾定律的推動下，芯片工藝制程在2010年左右發展到28nm，彼時的半導體公司受金融危機影響元氣大傷，很多IDM公司或剝離制造業務或將更多的資源投資到芯片設計中，給晶圓代工廠帶來更多發展空間。

在78歲高齡的張忠謀重回歸臺積電后，臺積電在2011年成為首個量產28nm工藝制程的代工廠。當時的報道稱，臺積電推出的第一個版本的是低功耗28nmLP，采用傳統的SiON工藝，引入了多晶硅柵和二氧化硅硝酸鹽，適合低頻環境。

事實上，工藝制程發展到45nm時，核心面積減少導致單位面積密度增高，漏電問題更加嚴重，此時傳統的二氧化硅柵極介電質工藝遇到瓶頸，也就是臺積電所量產的第一代28nm產品，雖然能夠縮小芯片面積但并未解決高功耗的問題，因此業界普遍轉向了能夠降低漏電的HKMG（high-k絕緣層+金屬柵極）疊層技術。

而在選擇HKMG晶體管結構上，業界分成兩大陣營，一家是以IBM為首的Gate-First工藝流派，其支持者還有英飛凌、NEC、GF、三星和意法半導體等芯片制造技術聯盟所屬成員。另一家是以Intel、臺積電為代表的Gate-Last工藝流派。這兩種工藝流派各自都有需要攻克的難點，前者的PMOS管門限電壓難以控制，后者需要設計環節積極配合修改電路來提升管芯密度。盡管雙方都宣稱自己的工藝更適合HKMG晶體管，但未有實際產品出世證明誰更優越。

率先在2012年攻克了28nm HKMG制程的臺積電證明了更少人看好的 Gate-Last更具潛力與優勢，推出適用于高頻的28nm而后繼續向20nm前進。

臺積電工藝節點發展歷程，圖片源自臺積電官網

而這一次在HKMG上的選擇讓臺積電大獲全勝，營收與獲利屢創新高，將彼時最大競爭對手三星、GF遠遠甩在身后。在迅速轉向28nm的2012年，臺積電在第四季度財報會上表示：公司在這一年里實現了創紀錄的營收和利潤，出貨量相比2011年增長了30倍。

到了2013年，三星、GF以及UMC的28nm HKMG才剛剛導入量產，而臺積電則利用先發優勢快速搶占客戶資源、占領市場，28nm出貨量持續攀升，甚至占據了超過80%的細分節點市場份額。

各晶圓廠28nm及以下的量產能力，圖片源自OMDIA

雖然摩爾定律指出，集成電路上可容納的晶體管數目大約每經過18個月便會增加一倍，處理器性能每隔兩年翻一倍，但并不意味著工藝節點發展到下一代時，上一代就失去存在的意義，對28nm而言更是如此。

效益最高、應用廣泛的黃金28nm

臺積電雖然早在2011年就實現了28nm的量產且一直在開發更加先進的工藝，但28nm卻始終是臺積電的核心業務，2016年營收占比26%，2017年和2018年占比23%，直到2020年，28nm的營收也依然占總營收的12.67%，僅次于7nm和16nm，需要用到EUV光刻機才能制造的5nm節點營收也只占全年收入的7.72%。

28nm能夠支撐臺積電核心業務近十年，主要有兩個重要原因。一方面是先進制程中28nm成本效益高，往后需要FinEFT工藝的16/14nm節點，晶圓制造成本將增加至少50%，同時使用壽命比不上28nm節點，更先進的工藝成本更高，只用擁有最大市場的智能手機才能承受如此昂貴成本。

另一方面，隨著28nm工藝的成熟，市場需求呈爆炸性增長，從最開始應用在手機處理器和基帶上，到后來在OOT盒和智能電視等更加廣泛的應用領域。

隨著個人集成電路時代的到來以及物聯網、5G等技術的演進，無論是用來改善手機屏幕的OLED驅動器，還是滿足物聯網設備的各種連接芯片，還是用在混合計算中心、無線基站以及自動駕駛汽車等專有領域的FPGA，高性能低功耗的28nm工藝都是理想的選擇。

放眼于全球，根據TrendForce調查研究，2020年28nm及以上制程的產品線更加廣泛，包括CMOS圖像傳感器、小尺寸面板驅動IC、射頻元件、電視系統單芯片、WiFi及藍牙芯片等眾多需求增長，28nm訂單持續爆滿。

還有一個重要原因是，盡管客戶更愿意使用更加成熟的工藝和更低的成本制造，但8吋晶圓廠隨著設備折舊而數量大幅下降，即200mm晶圓利用率升高且產能增長緩慢，因此原本能夠用更加成熟制程的電子產品也被迫往28nm遷移。

擴產28nm是共識，缺芯潮只是引爆點

晶圓代工廠們相繼宣布擴產28nm，表面上看似乎與當下的缺芯潮密切相關，擴產已經發展成熟、效益最高的28nm產能，能更好更快地解決缺芯問題。

不過產能擴充往往需要較長的時間周期，這些28nm芯片至少明年才能正常生產，短時間內依然無法解決產能短缺的問題。實際上業界和市場早已對28nm做出評估，即使沒有這一次缺芯潮，依然會選擇擴產28nm工藝。

一位半導體行業資深人士告訴雷鋒網，擴產反應了業界對28nm工藝制程的共識，未來半導體行業的整體用量依然會繼續增加，包括車用、電源等方面，就整個晶圓廠目前28nm的產能，也沒有特別大，中芯國際目前28nm月產能大約在8萬片。

“產能遲早都要往前走，這次的缺芯潮是一個誘因，讓各個晶圓廠下定決心一起往前走。”

值得注意的是，去年年底我國國務院也發布《新時期促進集成電路產業和軟件產業高質量發展的若干政策》，政策顯示，國家鼓勵的集成電路線寬小于28納米(含)，且經營期在15年以上的集成電路生產企業或項目，第一年至第十年免征企業所得稅。從某種程度上也證明了28nm的重要性。

或許28nm看上去沒有5nm、2nm高端，但適用范圍確實更加廣泛，人人都在關注更加先進的制程支撐智能手機這塊巨大的市場，但最先進的不一定適合所有，應用范圍最廣泛的不一定最先進。

文章參考鏈接：

https://omdia.tech.informa.com/OM016176/28nm-to-be-a-long-lived-node-for-semiconductor-applications-in-the-next-five-years

https://www.cnbeta.com/articles/tech/106647.htm

http://news.moore.ren/industry/75253.htm

http://pdf.dfcfw.com/pdf/H3_AP201711211053905974_01.pdf

雷鋒網雷鋒網雷鋒網