對抗「摩爾定律已死」傳言,台積電、三星、英特爾端出什麼秘密武器?
專題故事

摩爾定律作為半導體發展依循的腳步,一直被認為已走到盡頭。但業界領頭羊台積電、英特爾等仍投入大量資本發展技術,他們背後有什麼秘密武器?

1 圖解摩爾定律!為何張忠謀預測大轉彎,用「柳暗花明又一村」來比喻

簡永昌攝影
摩爾定律一詞從1965年誕生以來,一直左右著半導體發展,直到近年來包括三星、英特爾、台積等在發展上都遇上瓶頸,摩爾定律極限之說又不脛而走,但真是如此?

2019年台積電的運動會上,久未受訪的台積電創辦人張忠謀被媒體問及摩爾定律(Moore's law)是否已走到盡頭時,他巧妙借用「柳暗花明又一村」這句話,來形容摩爾定律接下來的發展。在此之前,他認為摩爾定律至2018年便會走到盡頭,預測大轉彎的原因是什麼?

台積電面對全球貿易戰,張忠謀為何說:處於地緣策略家必爭之地?

對晶圓代工廠台積電而言,愈能遵循摩爾定律規則、突破半導體製程發展,就愈能透過技術領先搶下更多的客戶跟市場。只是在了解摩爾定律之於台積電,甚至是全球半導體大廠的重要性前,先了解一下何謂摩爾定律。

摩爾定律何時終結這個問題的答案,沒有人知道,因為後面至少還有5奈米、3奈米和2奈米的技術。摩爾定律的未來可以說是山窮水盡疑無路,柳暗花明又一村。
台積電創辦人張忠謀

過去,手機發展自黑金剛縮小到Nokia 3310,後來不僅有彩色螢幕手機,蘋果更端出了iPhone來重新定義手機價值。這些手持裝置的改變,為什麼能從大變小、從小再變成擁有大螢幕、多工處理各種服務,其實背後與半導體在晶片的製程上,提供了最佳「武力支援」有關。

《一本書看懂晶片產業》指出,摩爾定律是當年英特爾的創辦人之一戈登.摩爾(Gordon Moore)在1965年於《電子學》雜誌所提出的一番討論。

他指出,半導體產業將出現電晶體小型化的趨勢,同時也對積體電路上電晶體數量增長做出預測,認為能被集成的電晶體數量,將按照幾何級數快速成長,至少在10年內每一年都能翻一倍。後來,摩爾又根據產業發展修改預測,最後由產業將該定律修正成「電晶體集成數量,每18個月將增加1倍。」

數位時代/沈佑穎製圖

工研院電子與光電系統研究所(電光系統所)所長吳志毅補充,摩爾定律除了單位面積在一定時間內會增加一倍之外,更重要的是 晶片的價格不會因此而大幅增加 。這是因為當投入了相當的研發技術跟設備成本後,晶片在新的應用層面將會比上一代來得更多更廣,例如現在有許多物聯網裝置以及5G基礎建設的布建,都會需要用到最新的奈米製程技術,而當需求變多,價格彈性自然也會增加。

不過,摩爾定律終有一天會遇到物理極限,因此市場一直有摩爾定律已死的聲音,像是NVIDIA執行長黃仁勛就認為摩爾定律已走到盡頭。

如何讓摩爾定律繼續走下去?

對此,吳志毅分析了目前業界對於摩爾定律「續命」主要方式:一個是導入EUV(極紫外光刻),透過高能量、波長短的光源,將電路圖案轉印到晶圓。另一個方式則是透過「異質整合」,將晶體垂直堆疊。

用傳統底片照相的概念來解釋半導體製程,矽晶圓片就如同相紙,之所以晶片可以被大量製造,就是將要做的東西先處理在底片上(光罩),接下來只需要進行翻拍(曝光+顯影)就能複製出大量的晶片。其中類似相機翻拍步驟的「曝光」動作,早年是靠193奈米波長的黃光,將光罩上的圖案刻印到矽材料上面,但是當光罩上的圖案愈來愈小的今日,就必須要導入新的技術,也就是13.5奈米波長的EUV,才能解決線寬愈來愈小的半導體。

目前台積電仍是全球第一個成功導入EUV的企業,量產的製程是7奈米;三星雖也不落人後,但在良率表現欠佳的情況下依舊是輸了一截。

台積電是全球第一個成功導入EUV的企業。
簡永昌攝影

除了EUV的導入可以讓半導體奈米製程再往前推進、繼續跟著摩爾定律走,另一個方式就是 異質整合

吳志毅解釋,當單位面積的晶體數量要增加1倍愈來愈難時,往上堆疊也是一種解決方式: 將兩種不同的晶片,透過半導體製程的技術將它們整合在一起,不論是記憶體搭配邏輯,還是光電搭配電子元件。簡單來說,將不同製程、不同性質的晶片整合在一起,這些都可稱作是異質整合。

異質整合必須將兩個不相關聯的東西整併在一起,最難的是要如何連接、要如何散熱、電路如何設計等,都是異質整合上會遇到的困難。歸功於這1、2年技術愈趨成熟,也才有像是台積電的小晶片(Chiplet)等產品誕生。

至於「材料」是否能引領半導體延續摩爾定律?

吳志毅認為,非矽材料主要是協助半導體產品在某些特定領域上的應用,對於提升單位面積的電晶體數量可能沒有顯著幫助。

目前,半導體仍以矽為主要材料,不僅是因為矽是地球上第三多的元素,容易取得與提煉,目前有將近9成的製作都還是以矽為主。至於近期熱門的氮化鎵等材料,在5G的應用上因為擁有功率高、能負荷高電壓的特性而被採用,但是整體來看其實也僅有5%左右,比率依舊相當低。

台積電、英特爾、三星拚先進製程,為摩爾定律續命

近幾年,隨著奈米製程發展的技術愈來愈困難,包括台積電、三星在七奈米製程的發展,以及英特爾在10奈米製程的時程上都備受考驗,然而這些企業依舊在資本支出上規畫了很大一部分用於技術研發,如曝光、顯影、光罩等在製程步驟中的設備,顯示這些科技大廠對於延續摩爾定律還是有信心的。

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根據英特爾創辦人之一戈登摩爾(Gordon Moore)博士的說法,半導體產業中電晶體小型化的趨勢,將會以每18-24個月的週期,促使電晶體的數量增加1倍,此即為摩爾定律。
摩爾定律
Moore's Law
摩爾定律是由英特爾(Intel)創辦人之一戈登‧摩爾(Gordon Moore)所提出。 其內容為:積體電路上可容納的電晶體數目,每隔24個月便會增加一倍;經常被提及的「18個月」則出自於英特爾的大衛·豪斯,他預測每18個月,晶片效能便會提高一倍。 (來源: 維基百科 )

2 台積電靠2個武器續命摩爾定律,最大的敵人竟然是…

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隨著摩爾定律一直被質疑,張忠謀為何說出柳暗花明又一村的見解?解密台積電的兩個武器。

1998年,台積電創辦人張忠謀跟英特爾前執行長貝瑞特(Barrett)被問及摩爾定律發展能有多久?當時貝瑞特回覆仍有15~20年的壽命,而張忠謀則直指20年、也就是至2018年。

但現在回頭來看,過去預測其實小看了摩爾定律對半導體的影響。至少在2018年,7奈米已經浮出檯面,且延續摩爾定律的EUV(極紫外光刻)技術也開始加入戰局,協助半導體產業繼續循著摩爾定律走。

到了2019年11月的台積電運動會,當張忠謀再度被問及摩爾定律何時終結,他以一句:「柳暗花明又一村」,來形容這個他曾經預測錯誤的定律。

張忠謀認為,摩爾定律何時終結沒人知道,並以「山窮水盡疑無路,柳暗花明又一村」來比喻。
簡永昌攝影

這對台積電來說有什麼意義?除了顯示台積電在半導體製程上擁有一定能量能持續往前推進外,也代表市場應用面夠廣,值得投入發展。

他表示,半導體製程還有5奈米、3奈米、2奈米突破在等著,所以何時會終結,現在也沒有答案。但他也指出,5G、AI還有物聯網等趨勢,有足夠能量讓摩爾定律繼續發展,這也是為什麼現在的他不會像過去一樣,給出明確的摩爾定律結束時間──因為半導體的發展還有很多可能。

資本支出創新高,8成投入先進製程布局

台積電為全球最大晶圓代工廠,可以專心研發技術,協助客戶提升品效能表現,同時因為專注代工事業,不涉及其他如IC設計等業務,客戶也更能安心將產品委由台積電製作。

2020年台積電第四季法說公布了對資本支出的規畫,可一窺半導體代工龍頭對先進製程的看法。

2020年,台積電預計投入150~160億美元(約4,500~4,800億新台幣)資本支出,高出外資法人預期,其中8成會用於先進製程布局,包括7、5、3奈米製程,顯示台積電依舊有信心可以靠技術來延續摩爾定律的壽命。

台積電第四季法說會上宣布資本支出將上看150-160億美金,其中更有8成將投注於7、5、3奈米的佈局,顯見不論是市場的需求以及技術的突破,台積電都依舊很有信心。
台積電

武器一:成功導入EUV,搶下半導體界頭香

從先進製程來看,台積電在2018年以基於FinFET(鰭式場效電晶體)的技術正式步入7奈米製程,並在一年後成功將7奈米導入EUV(極紫外光刻),成為全球第一個成功導入EUV並量產的半導體公司。

根據台積電說法,由於在7奈米發展過程中成功掌握了EUV技術應用,因此未來的先進製程規畫,包括5奈米、6奈米等都會導入EUV。

目前,台積電7奈米家族的營收占比,在2019年來到27%,預計2020年將上看30%以上;而5奈米雖然是在下半年才會加入量產,但台積電預計產能拉升會相當快,有機會衝上10%的營收占比。

台積電先進製程 目前進度
7奈米 於2018年底進入量產,華為、NVIDIA等都是客戶。
N7+ 於2019年下半年進入量產,AMD是N7+的客戶之一。
6奈米 預計2020上半年進入風險試產,年底預計可以進入量產。
5奈米 預計2020上半年進行試產、下半年進入量產。
3奈米 目前研發進度順利,更多技術上的細節將於今年北美技術論壇上揭露。

台積電為何能搶下半導體導入EUV的頭香?

工研院電子與光電系統研究所所長吳志毅認為,這其實可以看得出來台積電的公司治理、管理強度有關。

吳志毅指出,一個先進製程的步驟至少有1,000道程序,要讓良率達到一定的水準,但並不是每一道都達到99.99%就好,因為這樣子到最後可能連4成的良率都不到,也因此,他才會說台積電在公司治理跟管理上有一定的強度,幾乎讓多數步驟的良率達到百分之百的水準,未來在導入EUV技術時,也才能有一定程度的良率表現,受客戶青睞。

另一方面,台積電一開始先採取FinFET技術步入7奈米,是因為當時業界對於EUV的應用尚未成熟,他認為台積電靠著蹲好馬步的技術研發,先確保7奈米可以靠著另一種方式完成、並掌握每個製程步驟的狀況,替未來在某幾道關鍵製程中導入EUV技術做準備。

武器二:端出小晶片產品,解決晶片愈來愈小挑戰

除了靠發展先進製程發展來延續摩爾定律,台積電也在去年端出了小晶片(Chiplet)產品,透過建構系統,而非傳統個別電晶體的方式,來解決晶片愈來愈小的挑戰。

根據台積電說法,要讓小晶片的效能達到與系統單晶片相當的程度,小晶片必須透過密集、高速還有高頻寬的連結進行晶體內部溝通,而這也是執行小晶片異質整合中較為困難的部分。

台積電以自家的先進封裝技術「LIPINCONTM」(Low-voltage-In-Package-INterCONnect)來克服這樣的問題,讓小晶片的資料傳輸速率可以達到8Gb/s/pin,這比其他解決方法的資料傳輸速率2 Gb/s/pin至5.3Gb/s/pin要來得快上許多。

台積電推出小晶片(Chiplet),透過建構出系統而非傳統個別電晶體的方式,來解決晶片愈來愈小的挑戰。
TSMC

台經院研究員劉佩真指出,小晶片將被應用在包括雲端、邊緣運算等領域,其傳輸速度快慢會影響整體效能。

台積電之所以在技術上一直向前衝,除為了維持市場領先地位,也因為終端產品的晶片需求隨著5G發展而有所增加。

研究機構IHS Markit指出,雖然2019年半導體全年營收比起2018下滑了13%,但2020年有5G發展催化,整體市場將上看4,0480億美元(約13.44兆新台幣),其中以5G智慧型手機為主要應用。

這也是為什麼台積電要積極發展製程:因為市場的需求就在眼前。

劉佩真指出,小晶片將被應用在包括雲端、邊緣運算等領域,其傳輸速度快慢會影響整體效能。
劉佩真提供

此外,台積電去年宣布將於2021年量產首顆3D IC封裝晶片,外界認為將用於5奈米以下的先進製程,也是替客製化異質晶片鋪路。

隨著5G、AI應用的普及,HPC(高效能運算)晶片的需求逐漸加劇,因此3D先進封裝可以滿足體積更小、功能更複雜的需求,目前業界認為3D封裝將會整合最先進的處理器、數據晶片、CMOS影像感測器等。

不只是矽!善用材料,讓製程能更符合市場需求

有鑒於先進製程發展會面臨電晶體微縮的挑戰,台積電目前著手於先進材料、二維通道材料研究,目的是希望讓電晶體電子流通的通道短、薄,並有良好的開關閘行為。

目前,台積電發現,有一種極具潛力的二維材料 二硫化鎢(WS2) 正相當符合此一需求。

另外,台積電也宣布與意法半導體合作、加速市場採用 氮化鎵 的產品。

比起過往採用矽為主的半導體,氮化鎵能在更高功率上獲取更大的節能效益,同時也容許更多精簡的元件設計來支援更小的尺寸外觀。

這樣的合作未來將會以汽車、工業、電信以及特定消費性電子應用產品為主,台積電最快將於今年稍晚提供首批氮化鎵的樣品給客戶。

台積電最大敵人是自己

台積電目前的發展看來都相當順利,第四季法說會上也透露3奈米的進度將於今年稍晚的北美技術論壇上,揭露更多細節。

然而《一本書看懂晶片產業》的作者點出,台積電現在最大的敵人就是他自己,因為台積電正走在一條沒有走過的路,所有先進製程的開發他已經走在最前面了,因此更不容許失敗,擔心有任何一點閃失可能就被追兵三星、英特爾給趕過去,

比起其他競爭對手,在技術上還有許多需要克服的地方,台積電在這場摩爾定律的賽跑中,可能更要專注在自己技術的研發跟每個步驟的準確度,才能持續維持領先的地位。

謝志峰認為,台積電目前最大的敵人就是自己,當他們走在一條沒有人走過的路上時,每一個動作都要格外小心,才能持續保持領先的地位。
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鰭式場效電晶體
FinFET
FinFET是一種立體的場效應管,其中Fin就是鰭式的意思,代表說將場效電晶體的閘極作成立體的。 這是由加州大學伯克利分校的胡正明教授所發明,屬於多閘極電晶體。當電晶體的尺寸小於25奈米後,傳統的平面場效應管的尺寸已經無法再縮小,因此FinFET的主要概念就是將場效應管立體化,如此一來也讓半導體的發展不只在平面的尺寸上也越縮越小。 (來源: 國家奈米元件實驗室維基百科 )

3 三星狠砸3兆元,意圖超車台積電!7奈米訂單輸一截,市場怎麼看?

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三星作為半導體營業額全球第二的企業,一直想跟台積電在晶圓代工市場競爭,但在先進製程的表現略輸的情況下,撒錢投資技術真能讓他超車?

三星(Samsung)並不只是個韓國手機品牌。

翻開三星財報,可見其事業體分成:半導體(包含記憶體)、顯示面板(DP)、行動通訊(IM)跟消費性電子事業(CE)。其中,半導體部分在2019年全年營收64.94兆韓元(約1.5兆新台幣),雖並非各事業體中數字最高,但營業利潤14.02兆韓元(約3250億新台幣)卻是居冠,占去年全年度營業利潤過半份額。

根據韓國媒體《BusinessKorea》報導,三星曾在去年4月宣布到2030年要在非記憶體半導體領域上投入至少133兆韓元(約3.08兆新台幣),其中73兆韓元將用於技術開發、60兆韓元則用於興建晶圓廠設施,希望能一舉坐上全球系統半導體的寶座。

不僅如此,在晶圓代工的業務上,三星戰略集中於含汽車在內的物聯網移動應用處理器和記憶儲存晶片,希望在2030年一舉超車台積電,擺脫老二的身分。

不過,三星想要超車還有很多挑戰。據研調機構TrendForce統計,2019年第四季晶圓代工市場的占比,台積電以52.7%過半的表現搶下第一,三星則以17.8%屈居第二;而且跟2019第三季相比,台積電更是從原先的50.5%提升到52.7%、三星則是18.5%下滑到17.8%,兩者的差距正在擴大。

不只做自己的晶片,三星也打入晶圓代工市場

三星作為一個垂直整合型模式(IDM)的半導體公司,不僅自己能針對晶片做設計開發,也同時擁有晶圓廠的生產能力。相對於台積電是專注於晶圓代工的商業模型、三星多了如高通、蘋果等晶圓代工的客戶,獨樹一格。

三星效法台積電晶圓代工的業務形式,除了生產自家用的晶片外,也將先進製程的技術提供給其他客戶,希望能擴大業務範圍。
台積電提供

資策會產業分析師劉智文認為,三星之所以要在先進製程上緊咬台積電不放,除了本身是韓國大企業外,韓國政府的大力支持也是能加入先進製程戰局的原因。

發展成熟製程市場,對三星來說不是有利選擇,因為成熟製程市場有太多競爭對手。相較之下,先進製程雖然困難,卻是藍海市場,設備、技術投資較有效益,因此他們才會與台積電在先進製程上相互競爭。

投入異質整合,靠封裝技術強碰台積電

三星要怎樣追趕上台積電?從延續摩爾定律的方式來看,三星不論在EUV(極紫外光刻)或是異質整合上都有所著墨。封裝技術,是目前業界執行異質整合的一個手法,三星也不例外。

三星過去曾喊出要靠扇出型面板級封裝(FOPLP)來對抗台積電、並搶回蘋果的訂單,日前也終於推出整合APE和電源管理集成電路(PMIC)在同一個封裝裡面的處理器Exynos 9110,應用在Galaxy智慧手錶中。

三星透過自家的封裝技術推出處理器Exynos 9110,並應用在Galaxy智慧手錶裡面。
samsung youtube

產業研究機構Yole指出,扇出型封裝技術是先進封裝技術中較為主流的一種,2018~2024年的整體產業產值營收成長將上看20%以上。

此外,三星近期在系統整合晶片方面也推出了首款整合晶片Exynos 980,集成了5G數據機晶片跟AP晶片,希望能與競爭對手高通抗衡。

大手筆購入EUV機台,三星有何盤算?

「一間公司是否在先進製程上有持續發展的動能,可以從資本支出的金額來觀察。」SEMI國際半導體產業協會研究總監曾瑞榆表示。

三星日前傳出大手筆向艾司摩爾(ASML)購入15台EUV設備,顯示他們依舊看好先進製程發展,認為導入EUV是協助三星可以延續摩爾定律的方式。

曾瑞榆表示,看一間公司是否對於先進製程上仍有佈局,從他們每年資本支出的規劃就能窺知一二。
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2018年年底,三星導入EUV的7奈米進入量產,接著,號稱7奈米精緻版的6奈米產品,也在8個月後的2019年登場。

三星表示,6奈米能帶領10%的電晶體密度提升,並且比7奈米有更低的功耗。此外,5奈米LPE(Low Power Early)預計今年上半年大規模生產,三星表示5奈米的登場對其來說有重要意義,不僅是因為5奈米可以替各種5G、AI等終端應用提供更多的優勢,三星也認為屆時EUV的良率也將會比7奈米時更高。

但真是如此嗎?回到基本面來看三星EUV導入的成效,同樣與台積電都是在7奈米的製程上導入了EUV,但是晶圓代工的市場反應卻不若台積電。

台經院分析師劉佩真點出,台積電幾乎囊括了7奈米製程的訂單,包括AMD、華為、NVIDIA等客戶,三星在7奈米上似乎沒有占到便宜,「三星的先進製程良率與供貨的穩定性依舊有待觀察。」

導入EUV表現不如預期,為什麼?

業界分析師觀察,三星導入EUV的7奈米之所以在良率表現上不如台積電,主要還是因為三星在EUV這個技術尚未成熟之際,就選擇全面採用EUV,而非如台積電,先是推出基於FinFET的7奈米、接著才導入EUV技術的7奈米進階版:N7+。

這讓整個製程的技術難度提升不少,也因此影響了後續量產的良率。

對晶圓代工的客戶來說,若良率無法提高影響的就是成本將會提升,這也解釋了為什麼客戶在需要先進製程加持時,多數都還是往台積電靠攏。

三星在先進製程上緊咬台積電不放,除了希望能用「速度」來爭取一些市場份額外,3奈米的規劃也大轉彎、改用全新架構:GAA環繞柵極,希望能一掃7奈米以來良率不佳的問題。
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此外,資策會產業分析師劉智文則認為,除了EUV技術上的難度外,「材料開發進度的差異」也會讓兩間公司出現良率差異。

不僅如此,三星也在3奈米的製程上決定轉換跑道,採用GAA環繞柵極,他推測其目的是為了要改善FinFET架構漏電流的問題,而持續選擇採用FinFET架構的台積電,是否會在3奈米製程上跟三星強碰,也是後續值得觀察的項目。

因此,三星雖然在「奈米製程」上不斷喊出6奈米、5奈米等先進製程的量產時間,但回歸到根本面,EUV技術的導入是否能提高其良率的表現才最為關鍵。面對台積電一直穩定向前走的步調,三星若沒有把技術做得更確實,即便先進製程一直往前進,但在良率無法提升的情況下,恐怕還是無法在晶圓代工市場搶下一席之地。

編按1:三星預計10年內投入133兆韓元(約3.08兆新台幣),平均每年投入13.3兆韓元(約3082億新台幣),以2020年台積電預計投入150~160億美元(約4500~4800億新台幣)資本支出來看,並沒有比較高。 編按2:系統半導體可以分為基於CPU的微型零組件、基於AP的邏輯IC,模擬IC和光學半導體市場,目前CPU市場是以英特爾領先。

資料來源:AsiaTimesAnandTech

責任編輯:林美欣

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4 摩爾定律競賽!還沒導入EUV就能端出10奈米,英特爾是否真的深不可測?

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英特爾在10奈米的製程上雖未如競爭對手一樣導入EUV技術,但是研發時間過長、量產後遇良率問題導致無法正常供貨,這場摩爾定律的競賽對老大哥來說挑戰重重。

端出處理器「Ice Lake」的那刻起,英特爾(Intel)便正式進入了10奈米製程,時間點落在2019年8月左右。

為半導體設下了摩爾定律的正是英特爾創辦人之一:戈登.摩爾(Gordon Moore),但英特爾自己在研發10奈米的過程中並不如想像中順利,而且Ice Lake在上市後也遭遇到量產的挑戰,被市場質疑是10奈米良率的問題導致產能不足,影響了市場的供貨狀況。

面對愈來愈小的晶片需求,老大哥英特爾是否就快跟不上摩爾定律了?

一張圖告訴你,摩爾定律是什麼

延續摩爾定律方法一:先進製程

財報透露端倪,新年度著重7奈米及5奈米研發

去年在一場在舊金山舉辦的國際電子元件會議(IEEE)上,合作廠商、販售EUV機器的業者艾司摩爾(ASML)意外將英特爾接下來奈米製程的布局公諸於世。

從這張合作夥伴艾司摩爾所公布的簡報中可以發現,英特爾目前的製程規劃已經看到2029年的1.4奈米。
翻攝網路

從簡報中可以發現, 英特爾的先進製程規畫已經布局至2029年的1.4奈米 ,這顯示英特爾依舊相信在電晶體持續微縮的情況下,技術依舊有辦法前進,繼續延續摩爾定律。

縱然,這份簡報的真實性並未得到英特爾的證實,但換個角度,從他們的財務支出布局,或許也能掌握其未來走向。

第四季財報上,英特爾宣布2020年的資本支出預算將上看170億美元(約5,100億新台幣),高於2019年的162億美元(約4,860億新台幣)及2018年的152億美元(約合4,560億新台幣)。

CFO喬治.戴維斯(George Davis)表示,今年資本支出將上看170億美元,將有超過一半的支出用於7奈米跟5奈米的研發、工廠設備等建置成本。
取自intel官網

英特爾財務長喬治.戴維斯(George Davis)表示,170億美元裡將有超過一半的支出用於7奈米跟5奈米的研發、工廠設備等建置成本。

這樣的規畫,或許可以解釋英特爾並沒有因為10奈米的瓶頸而打住了延續摩爾定律的腳步。

為什麼不像競爭對手般,導入EUV技術?

英特爾解釋,10奈米跟7奈米分別是由兩個不同團隊主導,因此10奈米的問題並不會影響7奈米上市。只是當競爭對手都在新製程上導入EUV(極紫外光刻)的時候,為什麼英特爾10奈米卻仍選擇不採用?

業界分析師指出,當台積電、三星都大量投入購買EUV機台時,英特爾仍然持觀望態度。雖然投資了艾斯摩爾這間公司,但在EUV技術未能明確掌握之前,英特爾似乎只購入了1台EUV機器做測試,因此他們的10奈米製程上並未如同期的競爭對手一般,開始導入EUV技術。

英特爾在10奈米的製程上,採用比自家14奈米要高上2.7倍密度的標準,高於業界2倍標準平均。

依照摩爾定律,要在18~24個月內將電晶體的數量增加1倍,已經不容易,更何況是英特爾給自己設下了2.7倍標準。

資策會產業分析師劉智文補充,英特爾在10奈米的瓶頸雖多以「良率」一詞概括目前的狀況,但良率的定義不只是製作出的晶片不能使用,可能是目前製作出的晶片其效能表現上不如原先英特爾的預期,因此會造成終端產品的表現上受影響,因此產能上才會無法滿足市場需求而造成10奈米產品缺貨的現象。

不斷說自己的10奈米等同競爭對手7奈米,英特爾如何解釋?

此外,英特爾一直不甘心在奈米製程上被其他兩家競爭對手用數字吃豆腐,不斷向外界解釋,從定義上來看,自家10奈米其實等同於台積電、三星的7奈米。

工研院電子與光電系統研究所所長吳志毅進一步說明,過去半導體製程中會靠一個閘極長度(Gate Length)來命名奈米製程,但到了20奈米以後,各家的定義就開始分歧、不統一。

也因為國際間並沒有對每個奈米製程的標準有一個固定的規範,因此只要業者在每個新製程上有比前一代達到摩爾定律所說,電晶體數目有要1倍的成長(有些甚至是約1倍),那就可以被認定其技術又往前邁進一步。

所以,現在的先進製程某個層面上已經淪為口號,需要看個企業在奈米製程上的密度究竟是多少,才能知道彼此間是否是在同一個起跑點。

吳志毅表示,之所以英特爾會強調自家的10奈米約等同競爭對手的7奈米,主要還是在於各家先進製程在電晶體密度的表現是否相似,已經無法完全從「數字」來判斷製程的強弱了。
工研院提供

根據英特爾技術及系統架構事業總裁Murthy Renduchintala說法,10奈米與7奈米的研發團隊是分開進行,縱然10奈米在量產上遇到了瓶頸,但並不影響7奈米的進度,且自7奈米以降,英特爾將開始導入EUV,並計畫將7奈米的密度回到業界正常的規範、也就是1倍的提升,預期將在2021年可以看到首代7奈米的亮相。

英特爾延續摩爾定律不只靠先進製程一招,也在異質整合的領域上大力投入3D先進封裝技術。

延續摩爾定律方式二:異質整合

投入3D先進封裝技術

在CES 2019的主題演講中,英特爾就發表了首款採用3D封裝技術Foveros的處理器:Lakefield,這個技術採用的是異質堆疊處理運算方式進行,可以將不同晶片如記憶體跟運算晶片以不同組合進行堆疊,並提升晶片設計的靈活性,同時大幅減少多核處理器所需的晶片空間,讓體積縮小到僅有12mm×12mm。

去年國際半導體產業協會(SEMI)舉辦的異質整合高峰會上,英特爾副總裁Koushik Banerjee也針對此一3D封裝技術做出解釋,他認為透過此一異質整合的技術用於單系統級封裝,將可以透過多個處理技術節點,滿足業界一直以來對於矽智財、晶片功能、低耗能還有高頻低延遲的眾多需求。

雖然,EUV的技術要到2021年才有可能亮相,但是在同一個製程上,英特爾能靠著其他架構與技術達到符合摩爾定律的標準,足見其技術上的純熟。

針對目前產業的方向,台經院研究員劉佩真分析,英特爾在未來先進製程上的發表有所延遲,其實是間接推升了台積電的產業地位,同時也加強了英特爾長期外包產品給其他晶圓代工廠的可能性。

英特爾在先進製程處於落後的態勢,若不加快製程的腳步,恐怕接下來對英特爾來說會是很大的挑戰。
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資策會產業分析師劉智文也表示,英特爾在接下來的先進製程時間表上都比對手略晚,就目前英特爾主攻的處理器晶片來說,其實並不是好的狀況。尤其去年AMD靠著台積電7奈米技術的加持,在整體CPU市場的占比從2018年的15.7%微幅上升至16%。

雖然AMD主要攻下的是目前正在萎縮的桌機市場,英特爾拿手的伺服器市場依舊以超過95%的市占率領先AMD,但是AMD的積極布局與台積電的加持,對英特爾未來的發展依舊有機會帶來威脅。

此外,英特爾技術主攻的是以處理器為主的市場,劉智文說在未來主力發展的物聯網、AI等領域都不見英特爾的佈局,這也會是英特爾在半導體市場上發展的一個隱憂。

自14奈米問世到10奈米的登場,中間相差了近5年之久,英特爾縱然有相當程度的技術背景,但在這一場與技術競賽的半導體產業中,面臨到競爭對手如AMD、NVIDIA等業者相繼投靠到台積電懷抱,推出更具競爭力的產品搶市,英特爾研發腳步若不加快,即便相信摩爾定律還能延續,但後發是否還能制人,就要看後續市場對英特爾的反應了。

摩爾定律競賽!還沒導入EUV就能端出10奈米,英特爾是否真的深不可測?

資料來源:anandtechsemi

責任編輯:林美欣

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