晶圆代工帝国的崛起之路

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功耗工艺,而LPP(LOW Power Plus)指成熟的低 功耗工艺,而适用于移动设备的LP系列其实还包 含LPC、LPU。需要注意的是,具体落地到Intel、 三星、台积电等巨头后,工艺又会有新的细分,比 如台积电就将FINFET工艺分为了FINFET Plus、 FINFET Compact等几种。 当制程工艺一起出现的时候,准确的写法 就应该是制程数值+工艺名,这样才能让终端市 场用户直观了解产品。而制程工艺之外,封装技 术也是IC芯片设计的重要一环,双排直立式封装 (Dual Inline Package;dip)作为最早采用的 IC 封装技术,具有成本低廉的优势,适合小型且不需 接太多线的芯片,造型较为直观。 而后在个人消费PC处理器领域,至于球格阵 列(Ball Grid Array,bga)封装开始出现并成为 主流,人们平时拿到的Intel/amd处理器在很长 一段时间里就是用的是这种封装。 随着移动设备的举起,Soc(system On Chip)以及 Sip(system In Packet)开始走上舞 台,高度整合的前者应用起来十分方便,不过要设 计一颗 SOC 需要相当多的技术配合。IC芯片各自 封装时,各有封装外部保护,且IC与IC间的距离较 远,比较不会发生交互干扰的情形,加上其他厂商 的 Ip(intellectual property)授权的复杂化,让 SIP 跃上整合芯片的舞台。

三十而立的台积电

成立于1987年的台积电 ( TSMC) 在整个 半导体领域拥有举足轻重的地位,其商业模式 一定程度上加速了全球半导体芯片领域技术更 迭与发展。早期,半导体公司多是从IC设计、制 造、封装、测试到销售都一手包办的整合元件 制造商( Integrated Device Manufacturer, 俗称I DM ),如英特尔、德州仪器、三星、东芝 ( Toshiba),以及国内的华邦、旺宏。 然而,由于摩尔定律的关系,半导体晶片的 设计和制作越来越複杂、花费越来越高,单独一 家半导体公司往往无法负担从上游到下游的高 额研发与制作费用,因此到了1980年代末期,半 导体产业逐渐走向专业分工的模式─ ─有些公 司专门设计、再交由其他公司做晶圆代工和封装 测试。 台积电本身没有出售晶片、纯粹做晶圆代 工,更能替各家晶片商设立特殊的生产线,并 严格保有客户隐私,这让IC设计公司“解放” 出来,将制造、封装、测试外包给第三方、以专 心投入资金与人力研发,故被称为无厂半导 体 (Fabless Semiconductor Company),包 括高通 ( Qualcomm)、博通 ( Broadcom)、联 发科 ( Mediatek),与中国紫光集团下的展讯 (Spreadtrum)。 源源不断地资金、技术海量投入渐渐让台 积电在半导体晶圆代工领域具备了先行优势,大 产能下专业代工厂能够出色地将良品率控制好, 让台积电得到英特尔、苹果、高通等一众大佬青 睐。无论是2001年前后12英寸晶圆厂的扩张还 是2009年全力冲刺28nm制程,不计成本的投入 以及坚持让台积电渐渐甩开其它对手,赢得客户 的同时以越来越大的规模获得更多话语权,IT产 业的“幕后统治者”成为人们对台积电的赞誉。

7nm技术大翻身

专注于晶圆代工的台积电在制程方面的布

如果说专注晶圆代工的台积电走的是专精 路线,那三星帝国则是在以舰队群作战了。从芯片、 面板、存储等半导体产业到终端IT硬件、家电乃至 系统、软件……庞大的三星帝国已经完成了整个硬 件产业生态的闭环,大而多的产业布局并未影响 到三星在每个领域的竞争力,其在2018年初,宣 布已占据世界半导体芯片市场14.6%的份额,一 举夺下英特尔把持25年的市场“老大”地位。

在面对台积电的时候,似乎整体处于弱势地位,但 需要注意的是三星半导体中,存储近年来为三星 赚取了大笔钞票,足够让其将自杀式扩张战略维 持下去,这对于需要资金、技术持续支持的晶圆 代工领域而言至关重要。 虽然在7nm制程开局上有些不顺,但有内 部人士表示,三星已经开始计划在2019年使用 6nm工艺制造移动芯片,而并且将逐渐大幅减 少7nm工艺生产线的投资。据悉,三星计划在 今年安装两款全新的光刻机,并且计划在2018 年继续追加投资7台,这样就将为未来制造工 艺的提升提供了支持,同时还能大幅提高产品 的生产效率。 在近乎胜负手的7nm制程上,三星连失苹 果和高通两大客户,只能在这场制程较量中将注 意力放到未来上。日前,在Samsung Foundr y Forum论坛上,三星更是直接宣布了5/4/ 3nm 工艺技术。其中,5nm LPE工艺相较于7NM LPP, 会进一步缩小芯片核心面积,带来更低的功耗; 4nm LPE/ LPP将会成为三星最后一次在芯片 上使用FINFET技术,进步压缩芯片面积。3nm GAAE/GAAP则采用了全新的GAA(GATE-ALL- Around,环绕栅极)纳米技术,需要重新设计晶 体管底层结构,克服当前技术的物理、性能极限, 增强栅极控制,性能大大提升。

见证半导体领域成长的巨头

半导体领域对于“排资论辈”有着特别的坚 持与看重,除对前辈的尊重外,更在于能够在残酷 的半导体行业竞争下生存下来的企业,无疑不是 用于雄厚技术实力之辈,漫长的时间不仅仅让一 些历史悠久的企业赚足了利润,更另其积累下丰 厚的技术研发资源,而年过半百的英特尔无疑是 其中的代表,其不但长时间把持着半导体龙头宝 座,更见证了整个半导体领域的成长。 英特尔的两位创始人,一位是发明了集成电 路的罗伯特·诺伊斯(Robert Noyce),另一位是 提出“摩尔定律”的戈登·摩尔(Gordon Moore), 而公司的第三位员工安迪·格鲁夫(A n d y Grove)后来则成为全球最优秀的企业管理大师

团参与竞争时,英特尔在存储器芯片领域节节败 退,甚至让公司到了存亡的关键时候。而这时,英 特尔做了一个重要决定,专供微处理器业务。 1985年,英特尔推出了386微处理器,并宣 布不会将该技术特许权授予其他制造商,并用性 能折服了竞争对手IBM,让其386芯片进入IBM 终端设备中,并进一步改变了整个计算技术领域 格局。技术也成为专攻微处理器领域的英特尔最 大依靠,从10微米到45nm,再到后面的32nm、 28nm……每一次技术的更迭,英特尔总能走在市 场的前面,其微处理器产品凭借出色的性能一步 步让英特尔坐上半导体霸主的宝座。 英特尔和三星都是IDM厂商的代表,集晶圆 厂,集芯片设计、制造、封装、测试、投向消费者市场 五个环节于一身的做法或许在效率和资源利润 率上不如将设计、生产、销售分开的做法,但类似 “帝国制”的存在更利于内部资源的调配,整体竞 争力帮助Intel在八九十年代迅速成长。 “45nm— 32nm—22nm—14nm”的发 展规律其实是非常符合摩尔定律的,不过当技 术远远领先于其它竞争对手时,英特尔一次性将 自己最先进的产品推给终端市场显然也是不符 合商业规律的,于是乎大约十年前,英特尔宣布 了著名的“嘀嗒”(Tick-tock)战略模式。“嘀嗒” 意为钟摆的一个周期,“嘀”代表芯片工艺提升、 晶体管变小,而“嗒”代表工艺不变,芯片核心架 构的升级。一个“嘀嗒”代表完整的芯片发展周 期,耗时两年。 Tick-tock战略机会用十年时间让消费者 适应“制程-架构”的钟摆节奏,英特尔也牢牢控 制了市场芯片性能的更迭,这种由芯片厂商决定 的性能更迭被终端市场消费者调侃为“挤牙膏”, 但在2014年推出14nm Broadwell架构,整个 14nm工艺时代intel不仅换了ceo,工艺也延期 了,Fab 42晶圆厂取消工艺升级,这让Haswell之 后,Intel的tick-tock战略已经是事实上失效状 态,只不过Intel官方一直强调14nm性能很强,并 不断用“+”后缀来表示产品制程的更迭。 相对于复杂的工艺技术,用数字表示的制程 显然更容易被市场理解和关注,不过台积电、三 星和英特尔三家对于不同的制程计量方式,却很 难进行横向对比。对于台积电和三星在7nm制程 上的大战,英特尔这边火药味更浓的实际上是 10nm制程。单看数值似乎英特尔才是弱者,可实 际上,英特尔表示,其10nm工艺拥有世界上最密 集的晶体管和最小的金属间距,同时实现了业内 最高的晶体管密度,领先其他竞争对手的10nm 整整一代。 从英特尔在各种场合下的表态看,其自身对 10nm制程具有相当的信心,只不过具体到生产 和产品上市上,时间点却一拖再拖,一再食言的英 特尔让终端市场多少有些失望,不过面对尚能一 战的14NM,英特尔老对手AMD也无法在具体终 端产品也无法实现全面压制,这让整个市场也无 法多说什么。 有意思的是在市场都已经失望了的时候,英 特尔10nm产品却悄然在今年5月底登场,一款原 本在2016年就应该推出的10nm工艺终于开始 试产,而首颗基于该工艺设计的酷睿i3-8121u处 理器也已经量产上市。不过从各方收集到的消息 看,英特尔大规模量产10nm制程处理器恐怕依 旧要2019年,无论是性能还是市场策略,先发的 酷睿i3-8121u都显得太低调了,低调到其更像是 一款试水产品。 当年英特尔决定孤注一掷走微处理器道路 的时候,或多或少受到环境的影响,但在制程更迭 上,英特尔大方向上却非常“固执”于走自己的路, 当台积电和三星在制程数值上争得面红耳赤时, 英特尔才慢慢悠悠地推出了自己的10nm产品,尽 管这在2018年这更像是“实验”、“试水”,但作为 IDM厂商,英特尔在制程发展上的确有底气走自 己的路。 当然,在半导体这个需要资金、规模堆积 才有望生存的领域,英特尔显然也不会“闭关自 守”。早在2017年初, Intel公开表示将为arm阵 营IC设计厂商代工生产芯片,且称Intel的10nm 工艺比三星、台积电的10nm工艺更具优势, Arm方面表示很期待与英特尔合作。虽然intel

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