拜登親自站臺(tái)2納米！200億美元地球最大硅制造基地啟動(dòng)，英特爾要逆襲三星臺(tái)積電？
發(fā)布人：傳感器技術(shù)
時(shí)間：2022-09-13
來(lái)源：工程師
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在美國(guó)2800億美元的「芯片與科學(xué)法案」通過(guò)一個(gè)多月之后，英特爾計(jì)劃已久的俄亥俄州200億美元的芯片工廠終于正式破土動(dòng)工。
作為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)回歸美國(guó)本土的標(biāo)志性事件，總統(tǒng)拜登親臨工地現(xiàn)場(chǎng)出席動(dòng)工儀式，并表示祝賀。
此前，由于芯片法案推進(jìn)不順利，英特爾不久前宣布推遲計(jì)劃舉行的動(dòng)工奠基儀式，原計(jì)劃該儀式于7月底舉行。
英特爾稱(chēng)，本次奠基儀式啟動(dòng)了「地球上最大的硅制造基地」的建設(shè)。未來(lái)10年，英特爾計(jì)劃在俄亥俄州投資1000億美元。
該公司表示，建廠計(jì)劃需要7000多名工人，預(yù)計(jì)將容納兩個(gè)獨(dú)立的工廠，一旦完工，將雇用3000名工人。
英特爾之前推遲了該工廠7月的奠基儀式，因?yàn)槠溆?jì)劃主要依賴(lài)于「芯片法案」的資金，而國(guó)會(huì)尚未通過(guò)該法案。
但是，經(jīng)過(guò)一個(gè)夏天的談判，拜登在上個(gè)月簽署了2800億美元的「芯片與科學(xué)法案」，稱(chēng)其為「對(duì)美國(guó)一代人的投資」。
兩黨達(dá)成協(xié)議，以促進(jìn)美國(guó)的創(chuàng)新，希望在全球半導(dǎo)體短缺之后保護(hù)美國(guó)的經(jīng)濟(jì)和國(guó)家安全利益。
始于2020年的新冠大流行使全球芯片供應(yīng)鏈斷裂，使設(shè)備制造商更難以為產(chǎn)品采購(gòu)半導(dǎo)體。與此同時(shí)，由于辦公室關(guān)閉，人們開(kāi)始在家工作，對(duì)這些商品的需求激增。
拜登在開(kāi)工儀式現(xiàn)場(chǎng)表示：
「正如我們?cè)诖罅餍衅陂g看到的那樣，當(dāng)制造這些芯片的工廠關(guān)閉時(shí)，芯片就會(huì)停產(chǎn)。全球經(jīng)濟(jì)就會(huì)停滯不前，我們需要在美國(guó)本土制造這些芯片，以降低日常成本并創(chuàng)造良好的就業(yè)機(jī)會(huì)。」
英特爾CEO帕特·蓋爾辛格與拜登一起參加了這個(gè)儀式，他說(shuō)，這座工廠的動(dòng)工，標(biāo)志著「鐵銹帶」時(shí)代的結(jié)束和「硅心帶」的開(kāi)始。
鐵銹帶是對(duì)美國(guó)自上世紀(jì)80年代起傳統(tǒng)重工業(yè)衰退的一片地區(qū)的非正式稱(chēng)呼。這一地帶始于紐約州中部，向西橫穿賓夕法尼亞州、俄亥俄州、印第安納州，止于伊利諾伊州北部、艾奧瓦州東部和威斯康星州東南。
自20世紀(jì)中葉以來(lái)，由于多種經(jīng)濟(jì)因素，例如制造業(yè)向海外轉(zhuǎn)移、自動(dòng)化程度提高以及美國(guó)鋼鐵和煤炭工業(yè)衰退，這片曾被稱(chēng)為美國(guó)工業(yè)心臟地帶的地區(qū)內(nèi)，工業(yè)比重一直在下降。
在該法案通過(guò)后，其他大型芯片制造商已經(jīng)宣布了在美國(guó)國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體制造廠的建設(shè)計(jì)劃。
本月早些時(shí)候，美國(guó)另一個(gè)主要芯片制造商美光公司表示，將投資150億美元在愛(ài)達(dá)荷州建立一個(gè)新工廠。
最近，電源芯片制造商Wolfspeed也宣布投資50億美元在北卡羅來(lái)納州建立一個(gè)新的半導(dǎo)體工廠，以生產(chǎn)用于為電動(dòng)汽車(chē)等設(shè)備提供動(dòng)力的芯片原材料，以應(yīng)對(duì)需求激增的情況。
「今天，我們?cè)谝粋€(gè)每個(gè)俄亥俄人都可以感到自豪的未來(lái)破土動(dòng)工，這項(xiàng)數(shù)十億美元的投資是聯(lián)邦、州和私營(yíng)部門(mén)領(lǐng)導(dǎo)人之間前所未有的合作的高潮，它將改變俄亥俄州的經(jīng)濟(jì)，并為后代提供機(jī)會(huì)，在這里實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的中產(chǎn)生活?！苟砗ザ碇輩⒆h員候選人Tim Ryan表示。
拜登總統(tǒng)周五在動(dòng)工儀式上表示，英特爾將在俄亥俄州這里建立未來(lái)的勞動(dòng)力。
「現(xiàn)在是埋葬「銹帶」標(biāo)簽的時(shí)候了，俄亥俄制造和美國(guó)制造不再僅僅是一個(gè)口號(hào)。我們需要在美國(guó)本土生產(chǎn)這些芯片。芯片行業(yè)的未來(lái)將是美國(guó)制造。」拜登說(shuō)。
拯救摩爾定律，要靠納米級(jí)芯片？按照摩爾定律，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔兩年便會(huì)增加一倍。然而近年來(lái)，一些業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，摩爾定律將不再適用了。
根據(jù)中國(guó)工程院院刊的資料，目前，普遍采用的晶體管結(jié)構(gòu)，是鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FinFET）。這套工藝也是英特爾此前一直采用的。
雖然，F(xiàn)inFET工藝從22納米制程之后一直到5納米制程，一直是半導(dǎo)體的主流工藝架構(gòu)。但在尺寸上已逼近物理極限，無(wú)法進(jìn)一步縮小。
在FinFET中，當(dāng)晶體管尺寸變小時(shí)，F(xiàn)inFET柵極就無(wú)法完全關(guān)閉電流。即使晶體管處于「關(guān)閉」?fàn)顟B(tài)，電子仍會(huì)繼續(xù)滲入通道，不但浪費(fèi)電能，而且還會(huì)產(chǎn)生熱量。
而納米級(jí)芯片克服了這些障礙，使晶體管能進(jìn)一步縮小，并提高了晶體管的密度。
圖：納米級(jí)芯片晶體管示意圖納米級(jí)芯片還為設(shè)計(jì)提供了更大的靈活空間，讓芯片制造商能夠通過(guò)調(diào)整芯片的寬度來(lái)微調(diào)晶體管的性能和功耗。
而且，納米級(jí)芯片的制程越高，同樣面積所能容納的晶體管數(shù)量越多，芯片性能就越高。
比如，IBM的研究出的2納米制程的芯片，與7納米制程的芯片相比，其運(yùn)算速度快45%，能效可提高75%。
據(jù)業(yè)內(nèi)人士的分析，英特爾新建的兩家晶圓廠，在2025年投入生產(chǎn)時(shí)，工藝水平上可以量產(chǎn)20A及18A兩代工藝。
據(jù)英特爾方面說(shuō)，20A和18A是全球首個(gè)達(dá)到埃米級(jí)的芯片工藝，相當(dāng)于其他芯片制造商的2納米、1.8納米工藝。
這也是為何英特爾躊躇滿(mǎn)志地預(yù)測(cè)，新工藝將會(huì)讓英特爾重新回到半導(dǎo)體領(lǐng)導(dǎo)者地位。
英特爾真能「彎道超車(chē)」嗎？通常來(lái)說(shuō)，納米級(jí)芯片的從研發(fā)到投入使用之間，會(huì)經(jīng)歷很長(zhǎng)的時(shí)間。就拿2納米芯片來(lái)說(shuō)，早在2014年，就有相關(guān)研究論文發(fā)表。到2016年，2納米的技術(shù)路線就開(kāi)始明確了。
2017年，IBM研究院展示了2納米技術(shù)的可行性。
2021年，IBM發(fā)布了全球首顆2納米制程的芯片。
而全球第一家宣布啟動(dòng)2納米工藝研發(fā)的代工廠——臺(tái)積電，預(yù)計(jì)于2025年才能實(shí)現(xiàn)2納米芯片的量產(chǎn)。
而且越是高制程芯片，研發(fā)越艱難，能參與的玩家就越少。
進(jìn)入10納米制程之后，全球半導(dǎo)體代工廠僅剩臺(tái)積電、三星和英特爾三家。
而在7納米制程之后，全球范圍內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)者就剩下臺(tái)積電和三星。
這是不是意味著，英特爾掌握了1.8納米工藝，就可以重回行業(yè)老大的位置呢？這真不一定。
首先，各大廠商所說(shuō)的2納米、3納米的概念，其實(shí)是每個(gè)廠商根據(jù)自身的參數(shù)定義的制程概念。
以驍龍為例，三星用4納米工藝代工了驍龍8，結(jié)果功耗表現(xiàn)不盡如人意。
之后高通切換到了臺(tái)積電4納米工藝，驍龍8+的CPU及GPU能效提升了30%之多，差別很明顯。
所以，同樣是一個(gè)納米級(jí)別的芯片，性能可能差別很大。更何況，很多時(shí)候，先進(jìn)制程是芯片制造商的宣傳手段。
其次，目前半導(dǎo)電制造行業(yè)的老大，在先進(jìn)制程上跑得并不慢。
根據(jù)財(cái)經(jīng)十一人的資料，臺(tái)積電的研發(fā)投入基本在穩(wěn)步上升，研發(fā)增速基本上每2到3年就會(huì)有一個(gè)高點(diǎn)，這與其進(jìn)入下一個(gè)制程的量產(chǎn)有關(guān)。
例如在2020年，臺(tái)積電的研發(fā)增速?gòu)?019年的8.91%一下子上升到27.59%，那一年臺(tái)積電計(jì)劃量產(chǎn)5納米工藝，并全面使用EUV。
最后，就算技術(shù)上領(lǐng)先了，率先量產(chǎn)了，不一定代表未來(lái)發(fā)展得好。在半導(dǎo)體行業(yè)，這一點(diǎn)尤為明顯。
因?yàn)橄冗M(jìn)技術(shù)不是目的，用先進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)出可靠的產(chǎn)品才是目的。
正如很多半導(dǎo)體的業(yè)內(nèi)人士所說(shuō)，「良率是關(guān)鍵」。
制程越先進(jìn)，光罩張數(shù)及工藝復(fù)雜度就越會(huì)顯著升高，良率的提升就越難。
雖然技術(shù)、工藝、設(shè)備的革新，讓預(yù)測(cè)誰(shuí)能笑到最后，變成一件很難的事，但從產(chǎn)業(yè)的趨勢(shì)來(lái)看，擁有最長(zhǎng)代工歷史的臺(tái)積電，其優(yōu)勢(shì)沒(méi)那么容易被顛覆。
因?yàn)樵酵冗M(jìn)制程走，就越不是一家或幾家企業(yè)能完成的，就需要更多全球產(chǎn)業(yè)鏈上下游的協(xié)作與配合才能實(shí)現(xiàn)。
目前，蘋(píng)果、AMD、NVIDIA及高通、聯(lián)發(fā)科等公司依然選擇臺(tái)積電工藝代工，那么，在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里，臺(tái)積電行業(yè)老大的位置，恐怕還能繼續(xù)坐下去。
參考資料：
https://www.theverge.com/2022/9/9/23344834/semiconductor-joe-biden-ohio-intel-gelsinger-chips-science-subsidies
https://www.cnbeta.com/articles/tech/1314921.htm
https://mp.weixin.qq.com/s/stmj2onYa-5PI81CkRHlgQ
http://www.engineering.org.cn/ch/10.1016/j.eng.2021.11.008
來(lái)源：新智元
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