制程战争——英特尔篇_风闻

其实以制程技术的”辈份”而论，英特尔应该要摆在这个系列的第一篇，但考虑到目前制程技术的发展走势以及对整体市场的影响力，在代工行业失利，仅能专注于IDM模式的英特尔，因此还是摆到第二篇的位置。

然而要谈到英特尔，得回头看看半导体产业发展的脉络。

作为科技产业的核心，电子设备的设计与制造最核心的部件，也就是控制开关、逻辑等的元件，从最早期的机械式控制开关逻辑，到后来使用电子管(Vacuum Tube)来控制电子的走向，形成逻辑操作。

但电子管体积大、成本高，且非常不耐用，业界希望能够找出更小更快的解决方案，于是在1947年代，由美国贝尔实验室（The Bell Labs）科学家John Barden与Walter Brattain成功发明第一颗点接触晶体管，成为现今所有半导体技术的始祖。

贝尔实验室后来也研发出一整套，包括氧化、光罩、蚀刻等半导体制程，并且沿用至今。

后来德州仪器(TI)的Jack Kilby在1958年发明集成电路，也就是把多种电阻电容元件配合不同的线路布置做到一块电路片上，从而实现更多元更高效的电子开关模式与应用可能性，并且命名为大型集成电路(VLSI)，而这种设计则是在1960年代开始成功商用。当初的VLSI其实就是固定功能的芯片功能集合体，跟现在的ASIC意思差不多。

而虽然德州仪器和FairChild开创了集成电路，但是现代微处理器是由英特尔Marcian Hoff在1971年所发明，这种处理器和德州仪器推出的ASIC架构不同，是可以通过编程来重新定义其计算逻辑的架构，而英特尔也为了这个处理器创造了计算机，也就是计算机这种概念产品，从此，计算机不再只是大型行业或者是实验室的专利，而是真正进入市场的产品。

虽然英特尔以处理器的发明闻名于世，但真正支撑起英特尔在市场与技术发展动能的，反而是其制造能力。

不过与台积电这类只帮客户做产品的专业代工厂商不同，英特尔的制造只用来帮自己制造产品，而最初让英特尔成功的产品并不是处理器，而是内存。其开创了业界首个商用化的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的SRAM产品，随后也发展出业界首个基于三晶体管器件(three transistor cell)的DRAM。

由于在内存市场的成功，到1990年之前，英特尔的主要业务都是在内存方面，其微处理器产品并非一开始就取得成功，而是在机缘巧合之下的结果。首先，由于日本在DRAM产业的急起直追，利润大幅降低，迫使当初的总裁Andy Grove把重心转往微处理器市场，另一方面，IBM在1981年时推行其个人计算机概念，并且迅速取得成功，从这段时间开始，英特尔也搭上顺风车，成功在IBM的PC以及后来的兼容机器抢下绝大部分的市场。

不过在80486之前，英特尔的制程虽提供相当高的质量，但技术层次其实并没有太突出的地方。事实上，当初联电(UMC)曾用自己的制程推出80486的兼容芯片，不仅功耗更低，性能也更好。

由于英特尔在486之后就没有把处理器技术对外授权，联电是利用逆向工程，一层一层电路、一个一个晶体管的解析英特尔的产品，并从英特尔的设计中加上自己的调整，从而推自己的486处理器。

在当初的时空背景下，逆向工程后加上自己的设计并不算仿冒，而是合法的作法。当初AMD也利用这种方式推出自己的486处理器。

后来的发展大家都知道，AMD和联电都被英特尔告上法院，但因为英特尔自己违反授权协议在先，因此联电和AMD其实在美国的诉讼都赢了英特尔，但当时台湾对这方面的法律规定并不周延，且因为多种软硬件产品受到美国的贸易制裁，自己腿先软了，因此法院判英特尔赢了这场诉讼，联电从此无法再生产兼容芯片，业界也从此少了一个更好的选择。

前面讲了这么久的故事，接下来谈到正题，也就是制程的发展部分。486事件让英特尔认知到自己的制程技术发展仍远远不足帮助其处理器超越兼容产品，因此开始在制程技术方面有更大的投入，另一方面，由于处理器的需求日渐增加，英特尔也需要更高的产能来生产其产品。增加产能除了买厂设置更多生产流水线以外，另一个最有效的方法就是在制程节点上进行微缩，当初节点每一代微缩都可能带来至少两三成，甚至接近倍增的产能。

之前笔者也讨论过，英特尔的制程工艺是属于Gate-Last技术，但实际上，在1um，也就是100nm之前，其实包含英特尔在内的所有的晶圆厂都是采用Gate-last技术。

当初的芯片是基于MOSFET技术，而成依照其通道极性的不同，可分为电子占多数的N通道型与空腔占多数的P通道型，通常被称为N型金氧半场效晶体管（NMOSFET）与P型金氧半场效晶体管（PMOSFET）。

MOSFET的组成有三个部分，分别是也就是Source(源极)、Drain(汲极)和Gate(栅极)，100nm之前，由于当初机台的精度较低，IDM或OEM几乎都采用先做Source和Drain，后做Gate的方式。但微缩到100nm之后，三个极的重叠电容太大，对于性能和漏电控制控制不了，这时候几乎所有晶圆厂都往Gate-First技术转移，也就是先做Gate，然后再做Source和Drain，从而解决三个极的重叠问题。

后来英特尔发展到45nm，又遇到了瓶颈，由于Gate的氧化溅镀难度越来越高，必须在Gate上使用High-K材料，提高绝缘以及电容特性。

K是希腊字母“Kappa”，它就是介电常数，其工程意思指的是材料存储电荷的能力(类似海绵和木材都可以吸收水分，但是能力有差)。

High-K既保证了可以存储足够的电荷，又保证了漏电不会太高。相较于传统材料，High-K材料能确保漏电降低超过100倍，电容提高超过60倍。

不过在High-K材料世代，业界又面临了Gate-First与Gate-last的争议，这主要是在成本与加工难度方面的抉择，一般都认为前者易于后者。

然而实际上Gate-first在Vt电压的控制难度越来越高，28nm之后几乎解决不了，可自由设置和调配Gate材料的功函数值，充分控制Vt电压就成了Gate-last的最大武器。

英特尔是业界最早在纳米世代转移到Gate-last制程的公司，虽然像IBM、联电、Global Foudries以及三星都还坚持Gate-first，但后来还是在功耗与漏电解决方面的工程难度太高，也先后转成Gate-last技术，但英特尔在45nm的制程优势已经拉开来，后续晶圆制造技术也得以持续领先。

台积电在28nm走入Gate-last，算是纯晶圆代工厂最早的，虽然仍落后英特尔一到两代的差距，但已经是晶圆代工厂中最优秀的表现。

不过值得注意的是，英特尔虽然长期在晶圆制造技术方面领先，但英特尔的制造技术只能适用于自家的产品，并没有发展出针对不同客户的服务套件，而在45nm世代之后，其实半导体业界因为智能手机等移动电子产品的热门发展，也开始走向低功耗计算架构，英特尔在这方面的方案也严重缺乏。

为了抢进低功耗计算市场，最早英特尔向Arm授权了指令集，发展出自己的Xscale方案，用来解决手机等移动终端的计算需求。不过由于英特尔缺乏自己的基带技术，无法像高通一样发展出完整的通信SoC，而作为单纯应用处理器，Xscale也算是当初业界数一数二的架构。

但可惜的是，由于当初英特尔还是PC本位主义，在长期耕耘仍无法获得多数市场，甚至市占逐渐衰退的情况之下，英特尔决定放弃Xcale，并转卖给Marvel。

这也造成后来Android带动智能手机兴起时，英特尔手上完全没有武器可以对应的窘况。

虽然后来英特尔利用收购英飞凌(Infineon)发展出自己的基带，但也已经没有处理器可以搭配，因此英特尔推出Atom架构，利用规模缩小的X86架构达到低功耗计算目的，希望重新取得市场。不过擅长做高性能架构的英特尔，在低功耗技术完全比不上当初的Arm架构产品，Atom原本也是为了主流PC市场需求增长减缓，希望能够开辟更广应用的武器，但事与愿违，Atom的表现远不如预期。

在移动方案发展时期，英特尔也开始希望多方向发展，将多余的晶圆产能卖出去。然而前面也提到，英特尔的晶圆厂完全就是英特尔产品的形状，缺乏可以生产当时主流Arm架构的弹性与周边配套需求，因此后来英特尔在中国有推出代工服务，并且先后和展讯等公司合作，但基本上都没有成功。

事实上，英特尔首个晶圆代工业务是来自于Altera的14nm制程技术的FPGA生产。为了生产Altera的产品，布局更广的代工服务，英特尔当初甚至把自家产品的生产排程优先度降低，只为了满足Altera的需求。

不过Altera后来被英特尔收购，其FPGA技术成为英特尔的支柱之一，其他代工客户，如LG、展讯、Achronix、Netronome等，基本上量也小到不行，食之无味，弃之也毫不可惜。事实上，英特尔还曾经坑了LG数百亿美元的研发投入，只因为承诺的10nm技术迟迟无法到位，让LG在相关芯片的布局落了空。

LG原本要投入自有手机处理器的研发，采用Arm架构，并且预定要在英特尔的晶圆厂进行生产，2016年时，英特尔还与Arm联手宣布要提供10nm的Arm处理器代工服务，LG被英特尔和Arm两家公司联手设的坑给坑惨了，其研发投入血本无归，后来也不敢再提自有的Arm架构处理器。

而英特尔也彻底喊停了代工服务。真的是坑人坑己啊。

英特尔早在2014年就已经推出14nm产品，但往后数年，虽然14nm本身仍持续有不小的改进，但技术本身缺乏更大的跨度，导致竞争力逐渐丧失。当然，英特尔之所以放慢制程的演进速度，其实也是肇因于PC市场的衰退，且当时英特尔自行发展的其他计算架构也先后都黄了，带动不了产能需求。另一方面，最大的竞争者AMD也长期积弱不振，Arm虽然想从手机等移动终端前进到PC甚至服务器市场，但缺乏生态，对英特尔也造成不了威胁。

而过去曾一度想进军晶圆代工业务，但英特尔从来就没有在制造服务上下过苦工，且老美无法接受像台积电这种高强度的工作与服务模式，因此客户接受度不高，这方面的业务规划也落得铩羽而归，在各方面都缺乏往下一步推动的助力之下，英特尔放缓制程的发展也是合理决定。

但随着计算产业生态的更迭，当过去被认为只能称霸低功耗计算的Arm也前进高性能计算，且AI成了未来推动计算的主要应用，X86 CPU更在这波计算应用转移的路上被逐渐边缘化，英特尔逼不得已，只好一方面针对未来更广的应用发展架构，另一方面也重新拾起荒废了的制程发展，意图抵抗来自包含晶圆代工厂结合整个计算业界的挑战。

随着产品策略的方向确定，未来AI与视觉计算工作会是英特尔面对市场的两大重点，要维持优势，制程就显得极为重要，若没有制程支撑，即便架构再优秀，也难以面对市场的挑战。

英特尔预计在2021年开始引入7nm制程，该制程推出后也会如同过去14nm般不断进化，并要以优于业界的规格向台积电的5nm正面挑战，毕竟过去英特尔的制程密度定义都要超过业界一个世代以上，14nm晶体管密度已经和对手的10nm大同小异，10nm则是对标对手的7nm，7nm自然就是瞄准对手的5nm了。

通过对制程研发的提速，英特尔也期望能重回领先者的地位，通过制程优势，帮助自家为来的计算产品能以更好、更快，也更省电综合表现的打进市场。