连连亏钱的格罗方德

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有全球顶尖的制造工艺,但除了一些小厂商,或者 像被Intel收购的阿尔特拉这类ic设计公司之外, Intel鲜有大规模为其他厂商代工。虽然具体到高 通、NVIDI、苹果等终端IC企业方面并没有重要 的订单落地,但英特尔在晶圆代工上的态度已经 说明其愿意放下身段赢得更多伙伴的友情,以应 对处理器领域未来可能爆发的激烈竞争。 无论是自用还是代工,制程都是英特尔需要 攻克的关键,Ic厂商会在7nm推出多款产品,还 是仅仅作为向5nm的过渡,取决于该制程的性价 比。台积电和三星积极进入7nm制程时代的同 时,英特尔同样在7nm制程上投入了不少精力。 英特尔在美国亚利桑那州钱德勒市开启的 42号晶圆厂,据说就是为2020年冲击7nm制程准 备的,而在10nm和7nm基本处于研究完毕状态 的情况下,英特尔制程线路图显示,5nm工艺制 程以及3nm工艺制程处于蓝色的前沿研究阶段, 而纳米线晶体管、III-V族晶体管,3D-堆叠、密集 内存、密集互联、EUV团成形、神经元计算以及自 旋电子学等前沿尖端领域也都是英特尔战略布 局的板块,未来半导体晶圆代工领域的争斗必将 异常精彩。

全球第二大晶圆代工厂

盯着全球第二大晶圆代工厂头衔的格罗方 德(Global Foundries)实际上成立于2009年, 在“排资论辈”的半导体领域看似资历尚浅,可其 “创业”历程却一点不简单。 在2008年的时候,AMD当时的CEO鲁毅智 (Ruiz)在企业遭遇连连亏损后决定将晶圆制造 企业剥离出去,而阿布达比创投基金 ( ATIC) 成 为接盘方,一笔涉及84亿美元的交易达成后,一 家全新的晶圆代工企业就于2009年成立了,而 AMD依然持有8.8%的股份。 这样的组合让格罗方德不仅仅获得了AMD 方面的技术和订单,更得到ATIC庞大的资金支 持,这让其成立第二年便收购了新加坡特许半导 体,虽然在2013年时,格罗方德28nm制程客户 已经达到12家,包括超微及中国大陆手机芯片厂 Rockchip等,更在2014年的时候鉴于8英寸晶圆 厂订单饱满决定将旗下新加坡六厂从8吋厂升级 为12英寸晶圆厂进行扩产,可其营利始终为负。 持续的烧钱让财大气粗的阿布达比创投基 金 (ATIC)都有些压力,但出于战略技术布局等多 方面因素考虑,格罗方德依旧在2014年的时候接 盘了IBN旗下亏损的制造工厂,另IBM避免支付更 高额的关闭工厂遣散费与后续争讼的同时,格罗 方德也获得IBM未来3年支付15亿美元的承诺, 外界猜测这样的并购更多源于对IBM晶圆制造技 术的期待。 从格罗方德成长的背景可以看出,其虽然得 到多方巨头的支持,出货量也不错,但似乎在技 术上始终有些不足。2010年~2011年的32nm制 程时代,格罗方德良品率问题一度让AMD不得 不将订单给到台积电才能解决终端出货量不足

的问题,而在2011年的28nm制程大战中,格罗方 德几乎被甩出一个身位,直到2102年才正式量产 28nm制程。 缓慢的研发进度对于专注于代工领域的格 罗方德而言显然是不能忍受的,也是无法在全球 领域同台积电、三星等对手正面较量的,于是乎在 20nm制程工艺后,格罗方德开始尝试借助外力, 并购IBM亏损晶圆代工厂、直接购买三星14NM制 程技术等等,都表现出格罗方德想要弥补技术差 距的努力,不过格罗方德想要真的对得起“全球第 二大晶圆代工厂”的头衔,恐怕要到10nm时代有 大的突破才行。

两条腿走路的格罗方德

即使是近几年半导体行业进入高景气周期, 格罗方德作为全球第二大晶圆代工厂却始终未 能盈利,不排除其成立时间较短,需要持续高投入 才能在主流市场一争高下,不过技术方面的短板 显然需要弥补上。 同其它晶圆代工厂循序渐进的做法有些不 一样,目前多方面得到的消息表明,格罗方德极有 可能跳过10nm制程,直接进入7nm制程时代,这 样的消息另终端市场多少有些诧异。 格罗方德本身14nm制程技术源于三星,自 身研发并没有太大的突破,但格罗方德很可能从 IBM处获得更陷阱的制程技术,如果说自身研发 10nm慢慢悠悠拉开同当前14nm技术的差距,然 后再按部就班地升级到7nm,看似稳健却在追求 规模和效率的半导体领域明显落后于其它几家。 于是乎,格罗方德宣布7nm制程2018 年初推出, 并于当年年底量产。 实际上,通过与合作伙伴IBM和三星的密切 合作,2015年格芯便宣布推出7纳米测试芯片。此 后,格芯又于近日宣布业内首款基于硅纳米片晶 体管的5纳米的样片,而为量产做准备,格罗方德 正在持续投资最新的工艺设备能力,包括在今年 下半年首次购进两个超紫外光(EUV)光刻工具。 除了“跳跃式”的制程更迭外,格罗方德更是 在工艺上下了“重注”。FD-SOI(全耗尽型绝缘层 上硅)可以说是格罗方德的独门秘籍,这是当年 AMD和IBM合作研发的项目,可以将工艺提高半 代水平,其优秀表现也是有目共睹的,不过AMD 在32NM制程后就抛弃了FD-SOI,而独立运营的 格罗方德却一直将其保留并在并购IBM晶圆代工 厂后进行了完善。 格罗方德此前已经全球第一家实现22nm FD-SOI(22FDX),号称性能功耗指标堪比22NM FINFET,但是制造成本与28nmm相当,适用于 物联网、移动芯片、RF射频、网络芯片等,已经拿 下50多家客户,2017年第一季度量产。而目前,格 罗方德又宣布了全新的12NMFD-SOI(12FDX) 工艺,计划2019年投入量产,其表示12FDX工艺 的性能等同于10nmfinfet,但是功耗和成本低 于16nm FINFET,相比现有FINFET工艺性能提升 15%,功耗降低50%,掩膜成本比10nmfinfet减 少40%。 如果说能效和成本真能做到格罗方德预估 的,那FD-SOI的确很有看头,在5G、智能家居、智 能汽车等新兴领域不断崛起的今天,两条腿走路 的格罗方德或许真有希望变革也说不定。

就要缩小一半,缩小一半的话单位面积晶体管数 量不就翻4倍,因而,要保证两倍的成长,那么整代 升级应该乘以0.7。 从14nm到10 nm,以及后面从10nm到 7nm,都是遵循了摩尔定律的整代升级,可前面已 经提到过了,台积电和三星在14nm制程后,本身 工艺的改进以及制程计量方法的改变,制程数值 已经不再遵从0.7的规律了,而晶圆代工厂之间差 异实际上已经很难用单纯的数值来区分了。 制程数值的高低的确能让大众直观感受到 技术的进步,但对于晶圆代工厂而言,制程仅仅是 决定最终产品性能高低的一个重要细节而非全 部,尤其是当制程计量方式出现争议的时候,制程 值的公平性、合理性就值得商榷了。 相对于追求制程值更迭的台积电和三星,英 特尔更倾向以晶体管密度考量晶圆代工整体技术 水平。英特尔认为行业亟需一种标准化的晶体管 密度指标,以便给客户一个正确的选择。客户应能 够随时比较芯片制造商不同的制程,以及各个芯片 制造商的“同代”产品。 而从晶体管密度这个角度看制程就变得非 常有意思了,以10nm制程为例,英特尔10nm制 程的最小栅极间距从70nm缩小至54nm,且最小 金属间距从52nm缩小至36nm。这使得逻辑晶体 管密度可达到每平方毫米1.008亿个晶体管,是 之前英特尔14nm制程的2.7倍,大约是业界其他 “10nm”制程的2倍。 同时,芯片的die area缩小的幅度也超过了 以往。可以看到,22nm之前每代工艺的提升可带 来die area约0.62倍的缩减,14nm以及10nm则 带来了0.46倍和0.43倍的缩减。 如果按照这个思路下去,那英特尔10nm制 程的确优于台积电和三星同样的10nm制程,而 目前英特尔14nm++制程为何生命力如此持久也 就比较好理解了。同时,不停晶圆代工企业使用的 工艺也有所不同,这让“同时代”产品的对比变得 复杂。 很多时候,科技领域技术的进步并不是因为 终端市场刚需又或者技术积淀推动的,而是赤裸 裸的利益。在液晶面板、存储颗粒等领域,更符合 上游半导体企业又或者终端设备企业利益的技 术经常成为市场主流,晶圆代工厂技术的更迭,很 多时候同样是在利益驱使下完成的。 在制造工艺达到14/ 16nm之后,技术的进 步反而会使芯片的成本有所上升,这样的现状很 容易让人猜想上游企业是否有意限制技术发展 节奏。在Intel最先研发出14nm制造工艺时,曾有 消息称其掩膜成本为3亿美元。当然,随着时间的 推移和台积电、三星掌握14/16nm制程,其成本 或许能够大幅降低,但英特尔正在研发的10nm 制程,根据Intel官方估算,掩膜成本至少需要10 亿美元。新制造工艺之所以贵,一方面是贵在新工 艺高昂的研发成本和偏低的成品率,另一方面也 是因为光刻机、刻蚀机等设备的价格异常昂贵。因 此,即便先进制造工艺在技术上成熟了,但由于过 于高昂的掩膜成本,会使客户在选择采用最先进 制造工艺时三思而后行。 回归半导体发展历程,上世纪五六十年代发 明的半导体行业无论是企业还是技术都不甚成 熟,复杂的工艺加上快速更迭的技术,让半导体成 为一个极高门槛且需要持续高投入的存在,这让 不少半导体企业一度是集团企业下属部门的存 在,而随着半导体行业的发展,IDM企业开始从集 团中拆分出来,源自通用仪器的微芯科技、日电拆 分出来的尔必达、从西门子独立出来的英飞凌等 等,都是半导体行业成长过程中从集团巨无霸中 拆分出来的。 而在半导体行业进一步的成长过程中,走专 精路线的“Fabless+foundry模式”快速崛起,以 苹果、高通为代表的Fabless企业凭借灵活的生 产制造、轻资产的运营模式,分享到了大量红利, 而Fabless企业的崛起也推动了台积电、格罗方德 等Foundry模式企业的高成长,但随着半导体产 业整体成熟度的上升,Fabless渐渐出现同质化问 题,产品技术含量逐渐降低,甚至已经有声音喊 出“Fabless+foundry”的模式最终会被改写成 “终端厂商+Foundry”的模式。 作为晶圆代工厂的目标消费群,Fabless企业 如果呈现出一派欣欣向荣的景象,必然带动台积 电、格罗方德等Foundry模式企业发展,而如果在 传统半导体步入成熟期而5G、车载电子等产业体 量规模又成长较缓的情况下,很容易让晶圆代工 厂也触碰到成长天花板。 制程工艺发展的上限在哪?据外媒报道,劳 伦斯伯克利国家实验室的一个团队打破了物理 极限,采用碳纳米管复合材料将现有最精尖的晶 体管制程从14nm缩减到了1nm,不断更迭升级 的制程技术真的能为终端市场带来翻天覆地的 变化吗?相对于制程数值而言,架构、算法恐怕才 是未来处理器芯片进步的核心动力。 大数据、云计算、人工智能等领域从高度动 态、非结构化自然数据中进行收集、分析和决策 的需求越来越高,对计算的需求也超越了经典的 CPU和GPU架构,芯片设计企业需要拿出更先进 的处理器架构、算法设计来满足不断变化的环境 需求,而人工智能( AI)和神经拟态计算的投资和 研发同样决定着未来计算技术发展的方向,这些, 都比单纯将注意力放到制程数值上更能改变终 端市场应用体验。 此外,量子计算的出现和应用,同样能极大 改变当下计算模式和技术发展轨迹,同样也会对 制程及工艺的发展产生深远影响。

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