英特尔，比台积电还疯狂

要夺回领导地位，英特尔来势汹汹。英特尔的目标是在本世纪末成为世界第二大晶圆代工厂。最近几年来，英特尔的路线很激进，无论是 ‘四年五个制程节点’ 对先进工艺的追逐，还是在 2030 年实现在单个封装中集成一万亿个晶体管，以及代工服务业务的开展。

台积电的扩产计划

在 2023 年北美技术研讨会上，台积电介绍了其未来的扩产计划。从 2017 年到 2019 年，台积电平均每年建设两期晶圆厂左右。而从 2020 年到 2023 年，平均值将显着增加到 5 左右。近两年，台积电共开工建设 10 期新厂，包括 5 期中国台湾晶圆厂、2 期中国台湾先进封装厂、3 期海外晶圆厂。

具体地区上来看，台积电在中国台湾正在为 N2 的生产建设新的晶圆厂，新竹的 Fab 20 和台中的新工厂。在美国，台积电计划在亚利桑那州建设 2 座晶圆厂，N4 首座晶圆厂已开始设备进场，2024 年量产。第二座工厂正在建设中，计划用于生产 N3。两家晶圆厂的总产能将达到每年 60 万片晶圆。

早在 2021 年，台积电就台积电携手日本索尼在日本设立子公司 JASM，并合作兴建营运晶圆厂，初期采用 22/28 纳米制程提供专业集成电路制造服务，以满足全球市场对特殊技术的强劲需求。日本 JASM 晶圆厂预计 2022 年开始兴建，2024 年底前生产。建成后，月产能达 4.5 万片 12 英寸晶圆。初期预估资本支出约 70 亿美元，并获日本政府承诺支持。

今年 4 月份，据消息人士透露，台积电将与博世以及其他两家与汽车行业相关的欧洲公司合作，意欲在德国建设 28nm 晶圆厂，讨论仍在进行中。这种成熟节点非常适合汽车芯片，而欧洲又是汽车重镇。到 2024 年，28 纳米及以下工艺的海外产能将比 2020 年增长 3 倍。

但相比之下，台积电在国内的 28nm 扩产计划就不那么美好。在上述消息传出之前，台积电在高雄的 28 纳米扩产计划被取消。台积电2021 年 11 月宣布在高雄投资设立 7 纳米、28 纳米二座 12 英寸晶圆厂，7 纳米厂已在今年初宣布暂停，如今又传出台积电原订 1 月开标的高雄厂机电工程标案延后 1 年，相关无尘室、装机作业延后、台积电高雄厂计划采购的 28 纳米机台清单也全数取消。

由于 AI 应用的火爆，台积电的先进封装需求剧增。2023 年 6 月份，台积电宣布新建一个先进封装厂，为 Fab6，来扩展 3D Fabric 封装技术。该晶圆厂于 2020 年开工建设，位于竹南科学园区，基地面积达 14.3 公顷，是台积电迄今为止最大的先进后道晶圆厂，洁净室面积大于台积电其他先进后道晶圆厂的总和。台积电估计，该晶圆厂将具备年产 100 万片以上 12 英寸晶圆等效 3DFabric 制程技术的能力，以及每年超过 1000 万小时的测试服务。台积电3DFabric 包含多种先进的 3D 硅堆叠和先进的封装技术，如 SoIC、InFO、CoWoS 和先进测试，可支持范围广泛的下一代产品。

英特尔来的更猛烈一些？

英特尔目前在全球有 10 个制造厂，在现有的基地中，包括五个晶圆厂和四个装配和测试设施。过去几年，英特尔不断在这些基地的基础上进行扩产建厂。而现在，英特尔正积极推进其制造业务的进一步扩张，以进一步拓展其制造版图。

英特尔在欧洲

作为 IDM 2.0 的战略规划的一部分，英特尔计划在未来十年内沿着整个半导体价值链（从研发到制造和先进封装）在欧盟投资多达 800 亿欧元。英特尔第一阶段在整个欧洲计划初始投资超过 330 亿欧元，具体规划蓝图是，在德国建设领先的半导体芯片制造工厂，在法国建立新的研发 (R&D) 和设计中心，并扩大研发能力、制造、代工服务和在爱尔兰、意大利、波兰和西班牙进行后端生产。英特尔此举也将有助于欧洲实现到 2030 年拿下全球半导体 20% 的制造目标。

• 波兰建设封测厂（新建）

2023 年 6 月 16 日，英特尔计划投资高达 46 亿美元在波兰弗罗茨瓦夫附近新建一个半导体组装和测试工厂。波兰总理Mateusz Morawiecki 称英特尔工厂是 “波兰历史上最大的绿地投资”。该工厂将于 2027 年上线。英特尔表示这个工厂靠近其计划在德国和爱尔兰的工厂，结合起来，这些设施将有助于在整个欧洲创建一个端到端的领先半导体制造价值链。

英特尔在波兰的布局始于 1993 年，彼时其在波兰的首都华沙开设销售办事处；1999 年英特尔通过位于格但斯克（Gdansk）的收购网络设备厂商 Olicom 成立了研发中心；到 2022 年，格但斯克研发办公室成为英特尔在欧洲最大的研发中心。

• 德国建设巨型晶圆厂（新建）

早在 2022 年 3 月 15 日，英特尔在德国已经宣布投资 170 亿欧元建立了一个半导体巨型晶圆厂，原本商定德国政府补贴 68 亿欧元，但由于材料成本和劳动成本的大幅上涨，后来英特尔又抬高到 99 亿欧元（108.3 亿美元）的补贴价格，2023 年 6 月 19 日，双方签署了修订后的意向书。位于德国的这一新的晶圆厂预计将交付采用英特尔最先进的埃时代晶体管技术的芯片。

参加 2023 年 6 月 19 日仪式的代表包括（前排左起）英特尔首席全球运营官 Keyvan Esfarjani；经济、金融和欧洲事务国务秘书 Jörg Kukies；和（后排左起）英特尔首席执行官 Pat Gelsinger；和德国总理奥拉夫·舒尔茨。图片来源：Bundesregierung/Kugler

• 爱尔兰（扩产）

2019 年英特尔对其位于爱尔兰的晶圆厂进行扩建，投资 70 亿美元，新建一个 Fab 34，将于 2023 年上线。该工厂将使英特尔爱尔兰的制造空间扩大一倍，并为 lntel 4 工艺技术的生产铺平道路。

英特尔在以色列

6 月份，据以色列时报报道，英特尔已与以色列政府签署原则性协议，投资 250 亿美元在 Kiryat Gat 建设芯片制造厂。“这是以色列国有史以来最大的投资，” 内塔尼亚胡在周日的每周内阁会议上说。其实早在 2019 年，英特尔已经就投资约 100 亿美元建设 Kiryat Gat 芯片工厂进行了谈判。Kiryat Gat 工厂预计将于 2027 年开业。

以色列对于英特尔的贡献颇大，大约 50 年前，一位在加利福尼亚州为英特尔工作的以色列工程师 Dov Frohman，他在 1972 年发明了 EPROM，即紫外线可擦除只读存储芯片，最终导致了闪存的诞生。1974 年英特尔在以色列开设了第一个以色列办事处（英特尔希望找到更多 Frohmans）。英特尔的第 7 代和第 8 代英特尔酷睿处理器主要在以色列开发。

Dov Frohman发明了 EPROM

英特尔在美国

• 俄勒冈州

2022 年 4 月 11 日，英特尔对其位于俄勒冈州希尔斯伯勒的晶圆厂 D1X 扩建，该项目投资 30 亿美元。并将这个占地 500 亩的园区新命名为 Ronler Acres 的 Gordon Moore Park，以纪念英特尔联合创始人戈登摩尔。英特尔在俄勒冈州的芯片工厂是全球最大的工厂。

• 俄亥俄州（新建）

2022 年 1 月，英特尔已宣布计划初始投资超过 200 亿美元，在俄亥俄州利金县建设两家新的尖端晶圆厂。这是俄亥俄州历史上最大的单一私营部门投资。2023 年 5 月，该芯片厂已经开始浇筑混凝土。

英特尔俄亥俄州的建设近况（图源：英特尔）

• 亚利桑那州（新建）

2021 年 9 月 24 日，英特尔投资 200 亿美元在亚利桑那州钱德勒的 Ocotillo 校区的两家新的晶圆厂破土动工，分别命名为 Fab 52 和 Fab 62。届时英特尔 Ocotillo 园区将共有六个晶圆厂。这两个晶圆厂将于 2024 年开始运营，新晶圆厂将制造英特尔最先进的工艺技术，包括采用全新 RibbonFET 和 PowerVia 技术的英特尔 20A。

• 新墨西哥州（扩产投资）

2021 年 5 月 3 日，英特尔宣布将向其新墨西哥州的业务投资 35 亿美元，发展 Foveros 先进封装技术。位于新墨西哥州的 eRio Rancho 工厂目前开发和制造封装技术、内存和连接技术。

晶圆厂建设的复杂性和成本

据英特尔的信息，一个设备齐全的新工厂耗资约 100 亿美元，需要 7000 名建筑工人大约三年才能完成。一个典型的英特尔晶圆厂包含大约 1,200 种先进工具，其中许多价值数百万美元。晶圆厂的四个级别中有三个支持洁净室级别，即实际芯片生产的地方。

来源：英特尔

- 最上层是插页和风扇甲板，风机甲板上的系统可以保持洁净室中的空气无颗粒，并精确地保持适合生产的温度和湿度。这一层被称为间隙层，是晶圆厂的最高层。

- 接下来是洁净室，工作人员穿着兔子服，以防止绒毛、毛发和皮肤碎片离开硅片。有趣的是，洁净室通常使用黄色灯光照明，这在光刻过程中是必要的，以防止光刻胶受到波长较短的光的影响。

- 再往下一级是洁净车间，其中包含数千台泵、变压器、电源柜和其他支持洁净室的系统。被称为 “分支” 的大型管道将气体、液体、废物和废气输送到生产工具中。在这个层面上，工人不穿兔子服，但他们戴着安全帽、安全眼镜、手套和鞋套。

- 最底层是实用层，支持工厂的电气面板位于这里，还有与清洁子工厂的侧管相连的 “主电源” - 大公用管道和管道系统。此外，这里还设有冷却器和压缩机系统。负责监控这一层设备的工作人员穿着便服，戴着安全帽和安全眼镜。

在晶圆厂的建设过程中，物料更是大的惊人。最重的货物是 55 吨的冷水机，相当于 12 头平均体型的非洲象。此外，将挖掘超过 200 万立方码的土壤和岩石，并在现场进行再利用，这足以填满俄亥俄州立大学的足球场。工程还需要浇筑 50 万立方米的混凝土，以及 10 万吨的钢筋，相当于世界最高建筑迪拜哈利法塔（Burj Khalifa）的两倍以上。此外，还将使用 5.8 万吨的结构钢，重量比埃菲尔铁塔还要大 8 倍。预计将有 7000 名现场技工参与施工，总工时预计将超过 1500 万小时，相当于超过 1700 年的工作时间。另外，还将安装长达 23 米的电缆，这一长度相当于 166 个马拉松的全程。

英特尔重回领导地位的几大 “法宝” 技术

如此大的投资布局，英特尔要重夺领导地位的决心和来势不容小觑。而关于英特尔能否重回领导地位，业界众说纷纭。英特尔在 10nm 工艺节点上大约晚了 5 年，但是根据 Wikichip Fuse 的说法，英特尔可能会在今年晚些时候凭借其即将推出的 Intel 4 节点回到最前沿。在代工领域，根据 TrendForce 的数据，台积电在第三方芯片制造业务中的市场份额约为 59%，其次是三星的 16%，英特尔的份额还相对很小。

要重回领导地位，仅靠建厂是不够的，产能是很重要的一方面，但还需要在芯片微缩方面先进技术上的突破。目前，英特尔有两大重要技术 “法宝”。

其中一大法宝是 RibbonFET，它是基于 Gate All Around (GAA) 晶体管开发的。RibbonFET 是英特尔自 FinFET 以后的首个全新晶体管架构。RibbonFET 革新之处在于它堆叠了多个通道以实现与多个鳍片相同的驱动电流，但占用空间更小（如下图右）。对于给定的封装，更高的驱动电流会导致更快的晶体管开关速度，并最终带来更高的性能。

另外一大法宝是 PowerVia 背面供电：所谓的背面供电简单而言就是通过将电源线移至晶圆背面。数十年来，晶体管架构中的电源线和信号线一直都在 “抢占” 晶圆内的同一块空间。通过在结构上将这两者的布线分开，可以很好地提高芯片性能和能效。

在研发代号为 “Blue Sky Creek” 的测试芯片上，英特尔已经证实了这项技术确实能显著提高芯片的使用效率，单元利用率（cell utilization）超过 90%，平台电压（platform voltage）降低了 30%，并实现了 6% 的频率增益（frequency benefit）。PowerVia 测试芯片也展示了良好的散热特性，符合逻辑微缩预期将实现的更高功率密度。

研发代号为 “Blue Sky Creek” 的测试芯片

背面供电对晶体管微缩而言至关重要，可使芯片设计公司在不牺牲资源的同时提高晶体管密度，进而显著地提高功率和性能。英特尔的 PowerVia 将于 2024 年上半年在 Intel 20A 制程节点上推出。该技术将可以很好的支持英特尔代工服务（IFS）客户在内的芯片设计公司。

目前在台积电、三星和英特尔这三大晶圆厂中，英特尔在背面供电技术领域是率先取得收获的。早在 2012 年，英特尔引入 FinFET 技术，让英特尔独领风骚好多年。英特尔认为 PowerVia 技术将是其新的 FinFET 时刻。如果英特尔能够按照其承诺实现该技术，那么其预计在部署背面供电方面至少比台积电和三星领先两年。

除此之外，英特尔也在 2D 材料等领域不断探索，据悉英特尔和 CEA-Leti 将使用层转移技术在 300 毫米晶圆上开发金属二硫化物 (2D TMD)，例如基于钼和钨的 TMD，目标是将摩尔定律扩展到 2030 年以后。这主要是因为 2D-FET 提供了固有的亚 1nm 晶体管沟道厚度。

虽说还有各种各样新技术、新材料、封装和互联技术等等的支撑，但英特尔折戟 10nm 制程之后，RibbonFET 和 PowerVia 这两大技术将成为英特尔重回正轨的关键，再一次的成败似乎在此一举。或许我们将见证晶体管性能的又一次飞跃。