英特爾，比台積電還瘋狂

要奪回領導地位，英特爾來勢洶洶。英特爾的目標是在本世紀末成為世界第二大晶圓代工廠。最近幾年來，英特爾的路線很激進，無論是 ‘四年五個製程節點’ 對先進工藝的追逐，還是在 2030 年實現在單個封裝中集成一萬億個晶體管，以及代工服務業務的開展。

台積電的擴產計劃

在 2023 年北美技術研討會上，台積電介紹了其未來的擴產計劃。從 2017 年到 2019 年，台積電平均每年建設兩期晶圓廠左右。而從 2020 年到 2023 年，平均值將顯着增加到 5 左右。近兩年，台積電共開工建設 10 期新廠，包括 5 期中國台灣晶圓廠、2 期中國台灣先進封裝廠、3 期海外晶圓廠。

具體地區上來看，台積電在中國台灣正在為 N2 的生產建設新的晶圓廠，新竹的 Fab 20 和台中的新工廠。在美國，台積電計劃在亞利桑那州建設 2 座晶圓廠，N4 首座晶圓廠已開始設備進場，2024 年量產。第二座工廠正在建設中，計劃用於生產 N3。兩家晶圓廠的總產能將達到每年 60 萬片晶圓。

早在 2021 年，台積電就台積電攜手日本索尼在日本設立子公司 JASM，併合作興建營運晶圓廠，初期採用 22/28 納米制程提供專業集成電路製造服務，以滿足全球市場對特殊技術的強勁需求。日本 JASM 晶圓廠預計 2022 年開始興建，2024 年底前生產。建成後，月產能達 4.5 萬片 12 英寸晶圓。初期預估資本支出約 70 億美元，並獲日本政府承諾支持。

今年 4 月份，據消息人士透露，台積電將與博世以及其他兩家與汽車行業相關的歐洲公司合作，意欲在德國建設 28nm 晶圓廠，討論仍在進行中。這種成熟節點非常適合汽車芯片，而歐洲又是汽車重鎮。到 2024 年，28 納米及以下工藝的海外產能將比 2020 年增長 3 倍。

但相比之下，台積電在國內的 28nm 擴產計劃就不那麼美好。在上述消息傳出之前，台積電在高雄的 28 納米擴產計劃被取消。台積電2021 年 11 月宣佈在高雄投資設立 7 納米、28 納米二座 12 英寸晶圓廠，7 納米廠已在今年初宣佈暫停，如今又傳出台積電原訂 1 月開標的高雄廠機電工程標案延後 1 年，相關無塵室、裝機作業延後、台積電高雄廠計劃採購的 28 納米機台清單也全數取消。

由於 AI 應用的火爆，台積電的先進封裝需求劇增。2023 年 6 月份，台積電宣佈新建一個先進封裝廠，為 Fab6，來擴展 3D Fabric 封裝技術。該晶圓廠於 2020 年開工建設，位於竹南科學園區，基地面積達 14.3 公頃，是台積電迄今為止最大的先進後道晶圓廠，潔淨室面積大於台積電其他先進後道晶圓廠的總和。台積電估計，該晶圓廠將具備年產 100 萬片以上 12 英寸晶圓等效 3DFabric 製程技術的能力，以及每年超過 1000 萬小時的測試服務。台積電3DFabric 包含多種先進的 3D 硅堆疊和先進的封裝技術，如 SoIC、InFO、CoWoS 和先進測試，可支持範圍廣泛的下一代產品。

英特爾來的更猛烈一些？

英特爾目前在全球有 10 個製造廠，在現有的基地中，包括五個晶圓廠和四個裝配和測試設施。過去幾年，英特爾不斷在這些基地的基礎上進行擴產建廠。而現在，英特爾正積極推進其製造業務的進一步擴張，以進一步拓展其製造版圖。

英特爾在歐洲

作為 IDM 2.0 的戰略規劃的一部分，英特爾計劃在未來十年內沿着整個半導體價值鏈（從研發到製造和先進封裝）在歐盟投資多達 800 億歐元。英特爾第一階段在整個歐洲計劃初始投資超過 330 億歐元，具體規劃藍圖是，在德國建設領先的半導體芯片製造工廠，在法國建立新的研發 (R&D) 和設計中心，並擴大研發能力、製造、代工服務和在愛爾蘭、意大利、波蘭和西班牙進行後端生產。英特爾此舉也將有助於歐洲實現到 2030 年拿下全球半導體 20% 的製造目標。

• 波蘭建設封測廠（新建）

2023 年 6 月 16 日，英特爾計劃投資高達 46 億美元在波蘭弗羅茨瓦夫附近新建一個半導體組裝和測試工廠。波蘭總理Mateusz Morawiecki 稱英特爾工廠是 “波蘭歷史上最大的綠地投資”。該工廠將於 2027 年上線。英特爾表示這個工廠靠近其計劃在德國和愛爾蘭的工廠，結合起來，這些設施將有助於在整個歐洲創建一個端到端的領先半導體制造價值鏈。

英特爾在波蘭的佈局始於 1993 年，彼時其在波蘭的首都華沙開設銷售辦事處；1999 年英特爾通過位於格但斯克（Gdansk）的收購網絡設備廠商 Olicom 成立了研發中心；到 2022 年，格但斯克研發辦公室成為英特爾在歐洲最大的研發中心。

• 德國建設巨型晶圓廠（新建）

早在 2022 年 3 月 15 日，英特爾在德國已經宣佈投資 170 億歐元建立了一個半導體巨型晶圓廠，原本商定德國政府補貼 68 億歐元，但由於材料成本和勞動成本的大幅上漲，後來英特爾又抬高到 99 億歐元（108.3 億美元）的補貼價格，2023 年 6 月 19 日，雙方簽署了修訂後的意向書。位於德國的這一新的晶圓廠預計將交付採用英特爾最先進的埃時代晶體管技術的芯片。

參加 2023 年 6 月 19 日儀式的代表包括（前排左起）英特爾首席全球運營官 Keyvan Esfarjani；經濟、金融和歐洲事務國務秘書 Jörg Kukies；和（後排左起）英特爾首席執行官 Pat Gelsinger；和德國總理奧拉夫·舒爾茨。圖片來源：Bundesregierung/Kugler

• 愛爾蘭（擴產）

2019 年英特爾對其位於愛爾蘭的晶圓廠進行擴建，投資 70 億美元，新建一個 Fab 34，將於 2023 年上線。該工廠將使英特爾愛爾蘭的製造空間擴大一倍，併為 lntel 4 工藝技術的生產鋪平道路。

英特爾在以色列

6 月份，據以色列時報報道，英特爾已與以色列政府簽署原則性協議，投資 250 億美元在 Kiryat Gat 建設芯片製造廠。“這是以色列國有史以來最大的投資，” 內塔尼亞胡在週日的每週內閣會議上説。其實早在 2019 年，英特爾已經就投資約 100 億美元建設 Kiryat Gat 芯片工廠進行了談判。Kiryat Gat 工廠預計將於 2027 年開業。

以色列對於英特爾的貢獻頗大，大約 50 年前，一位在加利福尼亞州為英特爾工作的以色列工程師 Dov Frohman，他在 1972 年發明了 EPROM，即紫外線可擦除只讀存儲芯片，最終導致了閃存的誕生。1974 年英特爾在以色列開設了第一個以色列辦事處（英特爾希望找到更多 Frohmans）。英特爾的第 7 代和第 8 代英特爾酷睿處理器主要在以色列開發。

Dov Frohman發明了 EPROM

英特爾在美國

• 俄勒岡州

2022 年 4 月 11 日，英特爾對其位於俄勒岡州希爾斯伯勒的晶圓廠 D1X 擴建，該項目投資 30 億美元。並將這個佔地 500 畝的園區新命名為 Ronler Acres 的 Gordon Moore Park，以紀念英特爾聯合創始人戈登摩爾。英特爾在俄勒岡州的芯片工廠是全球最大的工廠。

• 俄亥俄州（新建）

2022 年 1 月，英特爾已宣佈計劃初始投資超過 200 億美元，在俄亥俄州利金縣建設兩家新的尖端晶圓廠。這是俄亥俄州歷史上最大的單一私營部門投資。2023 年 5 月，該芯片廠已經開始澆築混凝土。

英特爾俄亥俄州的建設近況（圖源：英特爾）

• 亞利桑那州（新建）

2021 年 9 月 24 日，英特爾投資 200 億美元在亞利桑那州錢德勒的 Ocotillo 校區的兩家新的晶圓廠破土動工，分別命名為 Fab 52 和 Fab 62。屆時英特爾 Ocotillo 園區將共有六個晶圓廠。這兩個晶圓廠將於 2024 年開始運營，新晶圓廠將製造英特爾最先進的工藝技術，包括採用全新 RibbonFET 和 PowerVia 技術的英特爾 20A。

• 新墨西哥州（擴產投資）

2021 年 5 月 3 日，英特爾宣佈將向其新墨西哥州的業務投資 35 億美元，發展 Foveros 先進封裝技術。位於新墨西哥州的 eRio Rancho 工廠目前開發和製造封裝技術、內存和連接技術。

晶圓廠建設的複雜性和成本

據英特爾的信息，一個設備齊全的新工廠耗資約 100 億美元，需要 7000 名建築工人大約三年才能完成。一個典型的英特爾晶圓廠包含大約 1,200 種先進工具，其中許多價值數百萬美元。晶圓廠的四個級別中有三個支持潔淨室級別，即實際芯片生產的地方。

來源：英特爾

- 最上層是插頁和風扇甲板，風機甲板上的系統可以保持潔淨室中的空氣無顆粒，並精確地保持適合生產的温度和濕度。這一層被稱為間隙層，是晶圓廠的最高層。

- 接下來是潔淨室，工作人員穿着兔子服，以防止絨毛、毛髮和皮膚碎片離開硅片。有趣的是，潔淨室通常使用黃色燈光照明，這在光刻過程中是必要的，以防止光刻膠受到波長較短的光的影響。

- 再往下一級是潔淨車間，其中包含數千台泵、變壓器、電源櫃和其他支持潔淨室的系統。被稱為 “分支” 的大型管道將氣體、液體、廢物和廢氣輸送到生產工具中。在這個層面上，工人不穿兔子服，但他們戴着安全帽、安全眼鏡、手套和鞋套。

- 最底層是實用層，支持工廠的電氣面板位於這裏，還有與清潔子工廠的側管相連的 “主電源” - 大公用管道和管道系統。此外，這裏還設有冷卻器和壓縮機系統。負責監控這一層設備的工作人員穿着便服，戴着安全帽和安全眼鏡。

在晶圓廠的建設過程中，物料更是大的驚人。最重的貨物是 55 噸的冷水機，相當於 12 頭平均體型的非洲象。此外，將挖掘超過 200 萬立方碼的土壤和岩石，並在現場進行再利用，這足以填滿俄亥俄州立大學的足球場。工程還需要澆築 50 萬立方米的混凝土，以及 10 萬噸的鋼筋，相當於世界最高建築迪拜哈利法塔（Burj Khalifa）的兩倍以上。此外，還將使用 5.8 萬噸的結構鋼，重量比埃菲爾鐵塔還要大 8 倍。預計將有 7000 名現場技工參與施工，總工時預計將超過 1500 萬小時，相當於超過 1700 年的工作時間。另外，還將安裝長達 23 米的電纜，這一長度相當於 166 個馬拉松的全程。

英特爾重回領導地位的幾大 “法寶” 技術

如此大的投資佈局，英特爾要重奪領導地位的決心和來勢不容小覷。而關於英特爾能否重回領導地位，業界眾説紛紜。英特爾在 10nm 工藝節點上大約晚了 5 年，但是根據 Wikichip Fuse 的説法，英特爾可能會在今年晚些時候憑藉其即將推出的 Intel 4 節點回到最前沿。在代工領域，根據 TrendForce 的數據，台積電在第三方芯片製造業務中的市場份額約為 59%，其次是三星的 16%，英特爾的份額還相對很小。

要重回領導地位，僅靠建廠是不夠的，產能是很重要的一方面，但還需要在芯片微縮方面先進技術上的突破。目前，英特爾有兩大重要技術 “法寶”。

其中一大法寶是 RibbonFET，它是基於 Gate All Around (GAA) 晶體管開發的。RibbonFET 是英特爾自 FinFET 以後的首個全新晶體管架構。RibbonFET 革新之處在於它堆疊了多個通道以實現與多個鰭片相同的驅動電流，但佔用空間更小（如下圖右）。對於給定的封裝，更高的驅動電流會導致更快的晶體管開關速度，並最終帶來更高的性能。

另外一大法寶是 PowerVia 背面供電：所謂的背面供電簡單而言就是通過將電源線移至晶圓背面。數十年來，晶體管架構中的電源線和信號線一直都在 “搶佔” 晶圓內的同一塊空間。通過在結構上將這兩者的佈線分開，可以很好地提高芯片性能和能效。

在研發代號為 “Blue Sky Creek” 的測試芯片上，英特爾已經證實了這項技術確實能顯著提高芯片的使用效率，單元利用率（cell utilization）超過 90%，平台電壓（platform voltage）降低了 30%，並實現了 6% 的頻率增益（frequency benefit）。PowerVia 測試芯片也展示了良好的散熱特性，符合邏輯微縮預期將實現的更高功率密度。

研發代號為 “Blue Sky Creek” 的測試芯片

背面供電對晶體管微縮而言至關重要，可使芯片設計公司在不犧牲資源的同時提高晶體管密度，進而顯著地提高功率和性能。英特爾的 PowerVia 將於 2024 年上半年在 Intel 20A 製程節點上推出。該技術將可以很好的支持英特爾代工服務（IFS）客户在內的芯片設計公司。

目前在台積電、三星和英特爾這三大晶圓廠中，英特爾在背面供電技術領域是率先取得收穫的。早在 2012 年，英特爾引入 FinFET 技術，讓英特爾獨領風騷好多年。英特爾認為 PowerVia 技術將是其新的 FinFET 時刻。如果英特爾能夠按照其承諾實現該技術，那麼其預計在部署背面供電方面至少比台積電和三星領先兩年。

除此之外，英特爾也在 2D 材料等領域不斷探索，據悉英特爾和 CEA-Leti 將使用層轉移技術在 300 毫米晶圓上開發金屬二硫化物 (2D TMD)，例如基於鉬和鎢的 TMD，目標是將摩爾定律擴展到 2030 年以後。這主要是因為 2D-FET 提供了固有的亞 1nm 晶體管溝道厚度。

雖説還有各種各樣新技術、新材料、封裝和互聯技術等等的支撐，但英特爾折戟 10nm 製程之後，RibbonFET 和 PowerVia 這兩大技術將成為英特爾重回正軌的關鍵，再一次的成敗似乎在此一舉。或許我們將見證晶體管性能的又一次飛躍。