中文 英语

铸造的战争开始

英特尔的重新进入踢了竞争对手,掌握了高速装备,在设备和新的工厂的巨大支出。

人气

领先的代工厂商正在为一场新的、高风险的支出和技术竞赛做准备,为半导体制造领域可能出现的重组奠定了基础。

3月份,英特尔重新进入铸造厂业务,将自己定位在前沿的三星和台积电,并反对在较旧节点工作的众多铸造。英特尔宣布计划在2021年建造两个具有资本支出预算的新工厂。

本月早些时候,台积电通过提高赌注,将资本支出预算增加至300亿美元,从其先前的预测中提高到30亿美元。总计,台积电计划在未来三年内花1000亿美元。TSMC,三星等人也正在建立新的工厂。这些公告在十多年前让人想起,当时铸造厂家涉及资本支出,工厂和技术竞争,以获得领导地位。正如过去,由于技术挑战和市场不确定性,所有供应商都会讨论所有供应商的所有承诺。

代工市场是一个庞大但分散的行业,大约有二十多家厂商在几个技术领域展开竞争。前沿领域尤其活跃,代工商为外部客户生产世界上最先进的芯片,如fpga和处理器。

十年前,有六家领先的铸造厂商。但随着晶圆厂和技术成本的不断上升,这一领域经历了一次洗盘。如今,三星和台积电是仅有的两家能够提供最先进的逻辑节点(7nm和5nm,研发3nm)工艺的代工供应商。

有一段时间,渴望在市场上拥有更多的前沿供应商,以有竞争力的价格提供更多选择。今天尤其如此,在某些情况下,在某些情况下导致了强劲的需求到能力短缺。晶圆价格在每个节点上都在增加。持续的美国贸易战争更加糟糕,正在进行的美国贸易战争在台湾进行了复杂的紧张局势,其中大多数领先的过程技术都在今天。任何中断都会对技术获得重大影响。

英特尔重新进入代工业务可能会填补空白,但它还有很多需要证明。回到2010年,当英特尔最初进入代工业务时,它未能执行。8年后,它退出了市场。当时,英特尔的10nm制程也遭遇了几次延迟,导致其技术领先地位输给了台积电和三星。

如今,在新的领导下,英特尔誓言将为自己的筹码缩短技术差距,并成为更具竞争力的铸造厂商。然而,它面临着艰难的战斗。“我对一些前面持怀疑态度。第一,他们在tsmc后面。第一阶的业务是赶上台积电,这不是一件容易或保证的事情。台积电几乎必须抓住英特尔以抓住他们,或者英特尔必须花费更多的船载更多的钱,在任何一种情况下都会难以困难,“半导体顾问总裁Robert Maire说。“你肯定希望有三个[前沿铸造厂]。英特尔有潜力。景观不会在接下来的两三年内随时改变。这个问题是路上四到五年。 It’s hard to say if they can execute or not. It’s a very tall order.”

显然,该行业需要关注市场。这只是一些最新活动:

  • 分析师称,英特尔的新代工部门将提供22nm制程,也可能是14nm制程。英特尔可能会提供7nm,但要到2023年才会发货。
  • 台积电继续在台湾建造新的晶圆厂。台积电还计划在美国建立一家新的尖端工厂,但它也在考虑在美国建立一家更大工厂的计划。
  • 三星和其他公司计划建立新的晶圆厂。
  • 所有的铸造厂都在投资先进的封装,这可以提供比单独缩放更好的功率/性能改进。


图1:代工收入和市场份额。来源:TrendForce

铸造洗牌
根据IBS首席执行官的亨德尔·琼斯(IBS)首席执行官的说法,通过对AI,汽车,移动,服务器和其他产品的需求,全球铸造市场预计将从2020年的779亿美元增加到2021美元至917亿美元。

多年来,Foundry供应商为许多不同技术市场的客户提供了第三方制造服务,例如模拟,CMOS图像传感器,复合半导体,逻辑,MEMS和RF。

技术网站wikchip的大卫·肖尔(David Schor)解释说,对于每个市场,铸造厂都会开发出一种工艺技术,这种工艺技术“指的是制造集成电路的一系列步骤”。

GlobalFoundries、三星、中芯国际、台积电和联电等多家厂商都在许多技术领域提供代工服务。大多数人专注于一个或几个领域。

纯粹的代工行业出现于1987年,当时台积电(TSMC)还是一家默默无闻的公司,为外部公司提供芯片制造服务。其他铸造厂也很快跟进。

当时,大多数IC厂商都是集成设备制造商(idm),在自己的晶圆厂生产芯片。在那些日子里,idm淘汰了技术落后的铸造厂。

即使是回来,领先的过程技术市场也是竞争力的。IDMS和滞后原料试图跟上摩尔定律的步伐,每18至24个月加倍晶体管密度。因为芯片由多个晶体管组成,其用作设备中的开关,所以18至24个月的节点或节点需要具有更多晶体管密度的新工艺技术。

在每个节点上,芯片制造商将晶体管规模缩放0.7倍,使行业能够为相同数量的功率提供40%的性能提升和区域减少50%。反过来,这使得IC制造商能够在设备上打包更多晶体管,使新的电子产品具有更低的成本。

根据IBS的数据,2001年,有18家芯片制造商拥有能够加工130nm芯片的晶圆厂,这在当时是最先进的工艺。当时,有几家代工厂主要在晶圆厂的成熟节点为其他公司生产芯片。代工厂也为无晶圆厂设计公司生产芯片。

到2010年,Fab和流程成本升级。无法负担成本,许多idms移动到“fab-lite”模型。他们在自己的工厂生产了一些芯片,同时将一些生产用于铸造厂。许多idms继续在自己的工厂中生产设备,而一些idms则展示或退出业务。

当传统的平面晶体管耗尽蒸汽时,20nm节点发生了下一个大变化。平面晶体管仍然在28nm / 22nm及以上的芯片中使用,但该行业需要新的解决方案。

这就是为什么英特尔2011年引入22nm的finfet。三年后,铸造厂生产了16nm/14nm的finfet。


图2:FinFET与平面。资料来源:林研究

FinFETs提供比平面晶体管更好的性能和更低的静态泄漏。“与之前的平面晶体管相比,通过栅极在三面接触的鳍片提供了对鳍片内形成的通道的更好控制,”美国麻省理工学院的大学项目主任Nerissa Draeger说林的研究

但是FinFET也很难在每个节点上制造和缩放。因此,过程研发成本飙升。因此,现在,完全缩放节点的Cadence已从18个月到30个月或更长时间延伸。

尽管如此,随着finfet的引入,英特尔扩大了其在微处理器市场和工艺技术的领先地位。为了利用这项技术进入新的市场,英特尔在2010/2011年进入了代工业务。

该公司取得了一些成功。当时,英特尔基于其22nm finFET工艺生产了多家厂商的fpga。后来,英特尔生产了Altera的14nm fpga。(2015年,英特尔收购了Altera。)

TSMC当时仍然主导了铸造市场,而GlobalFoundries,三星,中小型,UMC和其他人仍然是一股力量。英特尔的铸造份额很小,但它由于其技术领导而呈现了真正的威胁。

这种情况在2016年发生了改变,当时英特尔首次推出了10nm finFET工艺。该公司在10nm技术上遭遇了几次延迟,最终在2019年发布了基于该技术的芯片——比预期晚了两年多。

“该公司试图设计其10nm制造过程(a)的目标,试图同时定制IDM的过程,并使流程通用支持更加异构的产品路线图和刚刚铸造的铸造业务,”Matthew Ramsay说,“在最近的一份报告中,Cowen的分析师。“简而言之,这有助于创造10nm混乱。”

然后,在2018年,TSMC发布了世界上第一个7nm FinFET过程。后来,三星发货7nm。(英特尔的10nm相当于铸造厂的7米。)

这有几个原因很重要。铸造件为英特尔的芯片竞争对手提供7nm,现在的5nm流程。因此,英特尔的竞争对手突然在工艺技术中突然出现。

2018年是关键的一年,还有其他原因。芯片制造成本持续上升,但回报令人怀疑。因此,GlobalFoundries和联电在2018年停止了各自的7nm研发工作。这两家公司仍活跃于16nm/14nm市场。

同样在2018年前后,英特尔或多或少退出了代工业务。半导体顾问公司的Maire说:“他们失败的原因是他们没有成为代工企业的心态。”“他们是IDM,也许他们有点傲慢。它们的目标不是以客户服务为导向。在铸造行业,你需要一种不同的心态。”

英特尔会怎么做?
与此同时,今天的铸造市场充满了新的挑战。例如,从2021年开始,汽车芯片就出现了短缺。汽车芯片的短缺主要涉及在老的200mm和300mm晶圆厂中采用成熟工艺生产的器件。

目前,200mm Fab容量紧张。“总的来说,200毫米的短缺拖延了比预期要长得多,”Gartner分析师塞缪尔王说。“铸造厂将在自3季度自3Q20以来的第三次增加晶圆价格。如今,无晶圆厂公司与铸造厂进行谈判,以确保其2022颗晶圆拨款。“

这是一幅处于前沿的混合图景。“自20年第三季度以来,7nm和5nm芯片从未出现过短缺。也就是在这个时候,苹果将晶圆的使用从7nm提高到了5nm。三星的8nm节点短缺,给英伟达和高通带来了问题。”

然后,在地缘政治方面,美中贸易战没有缓和的迹象,亚太地区的局势仍然紧张,特别是台湾地区。

这是一个复杂的情况。台湾是一个自治实体,与中国没有政治联系。然而,中国声称台湾是其领土的一部分,并希望有一天能与台湾统一。外界对台湾政治事务的任何干涉都被视为对北京的威胁。

最近,中国加强了在台湾周边的军事演习,尽管没有迹象表明中国即将对台湾发动攻击。如果出现这种情况,美国应该保卫台湾。这些情况都是假设的。

这些和其他因素促使许多人重新检查芯片供应链。根据美国半导体行业协会(SIA)的说法,TSMC在世界领先的领先芯片的92%的领先芯片中拥有其所有先进的工厂。

因此SIA敦促美国政府为在美国发展先进晶圆厂提供资金。"晶圆厂产能不足和对过度依赖亚洲的担忧是扩大美国晶圆厂产能的两大主要驱动力," IBS的Jones称。

台积电将在台湾留下大部分土木工业。根据IC见解的说法,在2020年,TSMC开设了台湾台南市台南新Fab综合体的前两个阶段。根据IC Insights,新Fab 18复合物的阶段1和2的批量生产和阶段3-6的设施进行了建设。根据TSMC,各相1-3针对5nm的生产,而第4-6阶段齿轮4-6。

台积电最近宣布,计划在美国亚利桑那州建立一座新的中型5nm晶圆厂,预计2024年投产。不过,有报道称,台积电可能会在亚利桑那州建造更大的工厂,而不是建造中型工厂。半导体顾问公司的Maire表示:“有传言称,他们可能想建造一个大型晶圆厂,这是一个可以供应大量零部件的全尺寸晶圆厂。”与此同时,三星还计划在美国建立一家新的工厂。

在混乱中,英特尔看到了一个机会,促使它重新进入代工业务,建立了一个新的独立代工部门。为了解决供应链问题,英特尔将向欧洲和美国的晶圆厂提供代工能力

“每个行业的数字化正在加快Torrid Pace的全球对半导体需求,”英特尔的新首席执行官在最近的活动中,Pat Gelsinger说。“但一个关键挑战是获得制造能力。英特尔是一个独特的地位,以抵达赛事,符合这种不断增长的需求,同时确保世界上可持续和安全的半导体供应。“

英特尔计划在内部拥有自己的大部分筹码,并提供铸造服务。对于这种英特尔,将利用其现有的工厂,计划以亚利桑那州建造两种新的工厂,费用为20亿美元。

不过,英特尔的铸造策略很复杂。由于它升起了自己的铸造业务,该公司将继续将其一些芯片生产外包给竞争性成果,包括成熟和先进的设备。

英特尔重新进入铸造厂业务促进了英特尔·铸造厂之一和现在竞争对手的TSMC的酷回复。“英特尔是一个重要的客户,我们将在一些地区合作并在其他领域竞争,”C.C。TSMC总裁兼首席执行官魏先生在最近的会议中。

与此同时,在其新的代工业务中,英特尔提供了一种较老的22nm finFET工艺,以及其先进的封装技术。除此之外,英特尔还没有披露其代工计划。在一份研究报告中,Cowen的Ramsay推测英特尔将为代工市场重新定位其现有的14nm工艺。7nm也是一种可能。

22nm是28nm的延伸,28nm是十多年前推出的。尽管如此,28nm平面节点仍然是一个巨大的市场,有多种应用,包括AI、物联网/edge、射频和可穿戴设备。

22nm比28nm性能更好,但比14nm便宜。22nm也是一个拥挤的市场,几家代工厂商正在与不同的技术进行竞争。台积电和联华电子提供22nm的大尺寸平面工艺。GlobalFoundries正在出货22nm FD-SOI。英特尔正在与22nm finfet竞争。

22nm和28nm在许多相同的应用领域,包括汽车领域。该公司业务发展副总裁Walter Ng表示:“我们看到汽车电子产品的大量增长,涵盖了从0.35微米分立MOSFET器件到28nm/22nm ADAS产品的所有工艺技术,以及车身和底盘控制、信息娱乐和WiFi等所有介于两者之间的产品。

除了22nm之外,英特尔可能会以其现有的14nm技术加入代工阵营。Cowen的Ramsay称:"英特尔的14nm制程可以说是其历史上最成熟的制程,这令其产量极高。"“英特尔最具政治吸引力的选择是逐步成为规模化的代工企业,利用其现有的14nm产能,将自己的产量转移到7nm/5nm的EUV节点。”

Cowen的说法,14nm工艺的潜在客户是利用16nm和65nm之间的产品的铸造。据Gartner称,总共16米至65nm代代收入为350亿美元的市场,占2020年的46%的铸造厂收入。

领先的战争
如果英特尔将提供14nm,则尚不清楚。它可能会把它的帽子扔进前沿铸造戒指,涉及7nm / 5nm及更远的帽子。“由智能手机和HPC(高性能计算)应用驱动,我们的N5需求持续强劲,我们预计N5在2021年的晶圆收入的达到20%的20%,”TSMC的Wei表示。

前沿芯片需求巨大。“芯片行业存在分叉,包括超级计算的需求,包括深度学习和其他应用,正在推动对来自3nm,2nm,超越的更多计算能力的需求,”首席执行官Aki Fujimura说d2

然而,在7nm及以下,静电泄漏再次成为问题,功率和性能优势开始在每个节点下降。该公司综合解决方案规划副总裁Kazuya Okubo表示:“缩放面临挑战,比如EPE利润率、成本和高纵横比图形化电话,在最近的演示中。

另一个问题是,铸造客户在前沿只有几个选择。三星和台积电是唯一的两个供应商。

中国最大的代工供应商中芯国际(SMIC)正在研究类似7nm的工艺,以及其他更多的节点。但最近,美国政府将中芯国际列入了实体名单,这意味着设备供应商必须获得特殊许可证才能向先进节点的铸造厂供应商销售工具。因此,中芯国际的7nm研发工作停滞不前。

最终,英特尔有望在尖端的代工领域展开竞争。这取决于英特尔提供7nm及以上技术的能力。(英特尔的7nm在代工工厂相当于5nm。)

然而,英特尔的7nm技术已关闭摇摇欲坠的开始。当公司最初开发7nm时,它限制了极端紫外线(EUV)光刻,这是一种使用13.5nm波长的芯片上的微小功能的下一代技术。这意味着该公司正在尝试使用传统的193nm光学光刻与多个图案化,创造覆盖层和缺陷挑战的许多困难功能。反过来,延迟了英特尔的7nm过程。

EUV最近成熟了。因此,在7nm波长下,英特尔使用EUV绘制更多的层,这简化了流程,使英特尔的技术重回正轨。现在,根据KeyBanc Capital Markets的数据,英特尔计划在2021年推出7nm产品,尽管批量生产计划要到2023年上半年。

Cowen的Ramsay称,"修正这一路线图绝非必然之事,可能需要时间,因英特尔多年来一直在努力获得稳定的执行节奏。"

简单地说,英特尔仍然落后。三星和台积电两到三年前就在7nm芯片上植入了EUV芯片,他们已经积累了相关技术经验。两家厂商也都在推出各自的5nm finFET工艺,3nm即将推出。

IBS的琼斯表示:“台积电计划在2022年第三季度为苹果生产3nm finfet。”“三星正在按计划推出第一代3nm芯片gate(GAA)初始生产晶体管Q4 2022.“

在其路线图中,台积电计划将finfet扩展到3nm,然后在2023/2024年转向下一代2nm的GAA晶体管结构。相比之下,三星正在从5nm的finfet转向3nm的GAA。

三星和台积电都正在开发一种称为A的GAA架构nanosheet场效应晶体管。作为finFET的一个进化步骤,纳米片基本上是一个侧面有栅极环绕的finFET。纳米片fet比finfet具有更好的性能,但它们更难制造。


图3:平面晶体管与Finfets Vs.Tourt-Alrious源:LAM研究

英特尔也正在开发纳米片FET,可能适用于其5nm节点。虽然令人疑问,但是当公司会尽快关闭流程差距时,虽然令人疑问,但虽然令人疑虑,但仍然不清楚。“至少在未来三年中,三星和台积电的共同支出每年超过500亿美元,任何公司都将赶上这两个在领先的逻辑流程技术中非常困难,”总裁Bill McClean说IC见解。

先进的包装战争
不过,英特尔可以通过其他方式缩小差距。通常,为了推进设计,业界会开发一种专用集成电路(ASIC),利用芯片缩放将不同的功能贴合到单个单片晶片上。但是在每个节点上,伸缩变得越来越困难和昂贵,而伸缩带来的能量/性能好处正在减少。

因此,消费者正在寻找替代方案。开发系统级设计的另一种可行方法是将复杂的模具组装在一个先进的封装中,这允许更多定制的加速器、各种类型的加工元素和不同的互连策略。

集成电路供应商、铸造厂和sat正在以一种或另一种形式开发先进的封装。例如,据Cowen称,英特尔正在为一款代号为Sapphire Rapids的新设备开发一款芯片策略。Sapphire Rapids是一款基于10nm芯片和其他设备的服务器处理器,预计于2022年推出。

高级封装是未来设计的一个可行选择。传统的芯片缩放也是如此。没有一种技术可以满足所有的需求。因此,至少目前,该行业可能会接受所有这些技术。

有关的故事

美国芯片制造业重夺优势

新的晶体管结构为3nm / 2nm



1评论

Mangesh Malgi 说:

非常全面。完美地捕捉到了GIST。

留下一个回复


(注意:此名称将公开显示)