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【天富娱乐登陆官方】“难产”的英特尔和落败的芯片制程战争

《【天富娱乐登陆官方】“难产”的英特尔和落败的芯片制程战争》

文丨财经无忌,作者丨月落乌堤

7月24日,英特尔(Intel)发布Q2财报,与营业额及净利润均同比超20%的漂亮相比,7nm制程工艺的一再跳票和推迟,则显得格格不入。

由于7nm制程工艺中仍存在“缺陷”,导致了英特尔生产进度落后于其内部产品路线图一年时间。此前英特尔原计划采用7nm制程的芯片将在2021年底上市,现在看来,这一进度将至少会推迟到2022年的年中。

英特尔7nm制程再一次放了市场的“大鸽子”。

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两天后,《华尔街日报》报道,英特尔考虑将其部分制造业务外包,使用其他企业的生产力,不必所有程序都亲历亲为。

本周一上午,中国台湾《工商时报》称,英特尔已与台积电达成协议,明年将开始采用台积电6nm制程量产18万片处理器或绘图芯片。受这一消息影响,台积电股票在开盘后迅速拉升,到当地时间10点33分,已经上涨超过9%。

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台积电一向不评论单一客户接单及业务发展,英特尔亦表示不评论该市场传言。但是,这并不能阻碍市场的热情。

一路“奔腾”的江湖地位

1993年3月22日,英特尔正式对外发布了奔腾(Pentium)处理器,这是英特尔在品牌和命名上的第一次突破。这打破了此前英特尔发布的四代微处理器均以纯数字如386/486命名的方式,开始真正地建立起属于英特尔的芯片王朝,也是从这一年开始,英特尔成为全球最大的半导体公司,并持续近数十年。

从市值上看,英特尔只被三星短暂地超越过,就很快又重新回到了全球第一的宝座。虽然在今天,英特尔已经被台积电完全超越,在这场处理器制程的战争中,英特尔事实上已经被台积电斩于马下。但在过去几十年中的大部分时间内,英特尔一直是全球最大的芯片制造商。

内部代号为P5的第一代奔腾(第五代x86)微处理器,采用了管线化(Pipe-Lined)的循序(In-Order)超纯量(Superscalar)技术,并以0.8um制程制造;接着推出的是P54,是把P5缩小到0.6um制程;P54之后接著是P54C,使用0.35um制程,这一制程工艺,是全球第一款采用纯粹的CMOS (互补式金属氧化物半导体)技术的微处理器,相对于之前两代奔腾处理器使用的Bipolar CMOS(双极性晶体管和互补式金属氧化物半导体)制程,P54C的集成程度更高、面积更小、晶体管数量更多,而且主频更高,意味着其性能更为强大。
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初代奔腾系列微处理器

在P54C上,英特尔规划了笔记本专用版,至此,英特尔初步在“奔腾”上,完成了台式机及笔记本的全面覆盖布局,在90年代初期,依靠这一战略规划,一举奠定了英特尔的江湖地位。

那么,为什么采用0.8um制程、CMOS技术的P5内核,衍生的处理器成为当时最为优异的微处理器呢,并为英特尔的江山立下汗马功劳,这我们就要回到“摩尔定律(Moore’s Law)”下的制程之争。

制程战争推上桌面

半导体产业是诞生于美国的原创性技术,以IBM在1958年12月推出并量产的全晶体管式 RCA 501 微型计算机为代表,美国独家掌握全球最领先的半导体工艺与知识产权长达六十年之久,产业链上下游都遵循 IBM(及其盟友)的研发节奏,推出新制程、新工艺的半导体产品,如微处理器等。

1965年4月19日,仙童半导体创始人之一、工程师摩尔在《电子学》杂志(Electronics Magazine)发表了题为《让集成电路填满更多的组件》的论文,在文中,摩尔预测:半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量将每年增加一倍。

1968年7月16日,摩尔从仙童半导体辞职,以集成电子 (Integrated Electronics)之名,创建英特尔。三年后,推出了第一款名为i4004的产品,这颗处理器的问世,成为了推动“摩尔定律”前进的开端,即便他仅仅集成了2250个晶体管,采用的是4位、10um制程、每秒仅可处理92000条指令。虽然其频率只有108kHz,但是i4004的出现,代表了英特尔在产品技术上践行创始人摩尔对技术的认识的步伐。

另一方面,英特尔在i4004的设计上,将集成电路划分为RAM、ROM和CPU。i4004微处理器成为了全球第一颗真正意义的CPU,也就是说,他能用于通用计算机。同时,以RAM/ROM为代表的储存器芯片,也成为了英特尔的另一块重要业务,英特尔将半导体产业,分成了储存器与处理器。

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另一个半导体巨头TI(Texas Instruments,德州仪器)在1970年3月推出了第一个单芯片上完整的4位 ALU(算术逻辑单元) —— SN74181集成电路,这是TI在芯片上制造计算机的第一步。1971年7月,TI推出 TMS-0100微控制器,这是世界上第一个MCU(单芯片微控制器)。这种芯片确实是一种“芯片上的计算机”,因为它在一块硅上包含了计算机的所有功能。

不过,他们接下来的项目,和英特尔一样,走向了微处理器的研发。在i4004样品面世的三个月后,TI也推出了一款叫TMX 1795的微处理器,这是全球第一款8位的处理器,当他们将样品交到客户CTC(后改名为Datapoint)手上,以满足他们需要针对设想的产品——可编程桌面终端来开发的8位 MOS 芯片,最终,TMX 1795被拒绝,TI随后放弃了这颗微处理器,也就是说,TMX 1795从来没有进行过商业销售,TI眼睁睁的将一个引领世界的机会,拱手让给了英特尔。

同年11月,创造历史的i4004正式销售,半年后,英特尔的第一颗8位微处理器i8008推出,不过,i8008还是10um,但是集成的晶体管上升到了3500个,最高频率提升到800kHz。

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1975年12月,摩尔在IEEE国际电子组件大会上,根据当时的实际情况对摩尔定律进行了修正,把“每年增加一倍”改为“每两年增加一倍”,后来,摩尔定律更为让人熟知的,是“每十八个月增加一倍”的说法。但1997年9月,摩尔在接受一次采访时表示,他从来没有说过“每18个月增加一倍”,而且SEMATECH路线图跟随24个月的周期。

也就是说,摩尔定律的定义归纳起来,主要有以下三各方面:

一、集成电路上可容纳的晶体管数目,约每隔18个月便增加一倍;

二、微处理器的性能每隔18个月提高一倍,或价格下降一半;

三、相同价格所买的电脑,性能每隔18个月增加一倍。

由于晶体管的排列摆放可以近似于放在正方形之上,要使这个正方形面积缩小一半,晶体管的集成密度要成倍增长,就一定需要考虑到晶体管尺寸和面积的关系,而密度和面积是呈倒数的,晶体管尺寸变为1/sqrt(2)=1/1.414(根号二分之一),这样计算面积平方相乘正好就是二分之一的面积,而根号二分之一≈0.7,≈0.7便成了“摩尔定律”中的一个比较神奇的数字。根据摩尔定律,制程节点将以≈0.7倍递减逼近物理极限,从0.8 μ m、0.5 μ m、0.35 μ m、0.25 μ m、0 .18 μ m、0.13 μ m、90nm、65nm、45nm、32nm、22nm、16nm、10nm、7nm,一直发展到未来的5nm、3nm都是如此。在正常演进节点中间,还出现一些最为常用的半节点制程,如28nm、20nm、14nm。

事实上从0.13um制程演进到90nm制程节点出现了一些针对制程节点定义的争议。在此之前特征尺寸基本上对应制程进展的物理长度,自65nm开始各厂商节点名称的定义越来越模糊,已不能完全对应器件的物理尺寸。

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我们可以这么理解:摩尔定律的核心,是处理器的制程、集成度和价格。

i8008发布后两年,i8080发布,这颗采用6um制程的微处理器,和上代相比,进步了约10um的0.7倍。

之后的i8085、i80186、i80286、i80386,基本上都遵循了这个定律。

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奔腾的出现,将制程战争,真正的推到了桌面,而他最初的竞争对手,除了TI和IBM外,便是1987年成立的台积电。可以说,台积电与英特尔制程之战,从台积电的成立,就已经开始,这是IDM厂商与晶圆代工厂两种形态的竞争。

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“碾压”中成长的台积电与“群山计划”

1987年,《美日半导体协定》生效一年,美国对日本电子产品如电脑征收100%关税,美日贸易战打到顶峰。为承接美国主导下的半导体产业分工转移,台积电在中国台湾工研院的投资下成立,除中国台湾工研院之外,各大半导体巨头中,只有飞利浦(Philips)一家向台积电投资。

之后,借助中国台湾工研院投资1000万美元的“RCA计划(美国无线电公司(RCA)技术移转授权计划)”引入的技术、飞利浦的资金与台积电创始人张忠谋的个人资源,台积电用了一年的时间,从美国、日本及欧洲,买来了设备,搭建了产线。

飞利浦的半导体部门,自然而然成为了台积电最先的客户。

后来,飞利浦半导体部门剥离出来,独立成了两家巨头,一家就是专供光刻机设备的ASML,另一家就是NXP (NXP Semiconductors,恩智浦)。

但飞利浦的订单,怎么能满足台积电的产能呢?虽然“晶圆代工厂”模式在当时的日本和美国都有公司在做,但是这些公司并没有专门只做代工,而是将代工作为业务板块之一,并没有特别重视。包括台积电一直的代工竞争对手联电,也是在1995年前后才转型为“晶圆代工厂”。

转机,来自于美国当时“扶台抑日”的政策,在半导体产业上游的设计、设备、原料无法与日本、美国竞争的情况下,台积电选择了半导体产业链末端的制造。而美国所给予的支持,初期主要便是由英特尔提供,只不过英特尔没有想到的是,自己在30年后,会被台积电在制程上超越。

产线建立后的台积电,制程只有3um和 2.5um两种生产工艺,全年产能不到 7000 片、6吋晶圆,良率也不高,基本接不到大公司的晶圆订单,整个台积电在以亏损的状态运行。

1988年,年轻的格鲁夫接替摩尔成为了英特尔的CEO,张忠谋凭借与格鲁夫的私交,将格鲁夫邀请到了台积电,想让英特尔救救亏损中的台积电。

此时的英特尔,正在进行断臂求生的自救。在东芝(Toshiba)、尼康(Nikon)、日立(HITACHI)等日本半导体公司的竞争下,格鲁夫对英特尔进行了大手术,砍掉了储存器业务,向电脑处理器(CPU)业务转型,集中力量“要做地表最强CPU”。

格鲁夫在参观完台积电工厂后,发现台积电的制程工艺比当时英特尔的落后两代半,但格鲁夫最终还是决定将一部分落后制程的生产任务给了台积电,前提是要通过英特尔的认证。

格鲁夫是个真正的朋友,英特尔是个严格的师傅,他们给台积电制定了魔鬼检测。在当时半导体制程工艺还仅有二百多道环节的情况下,格鲁夫要求英特尔的工程师们至少要在台积电的产线上,找出二百个问题。对于这种命令,英特尔的工程师们对每道工序要带着“放大镜”一个细节一个细节的去抠,而台积电的工程师们,则面临着前一个问题刚刚解决,下一个问题接踵而至。

最终,台积电通过了英特尔的生产认证,这使得台积电终于获得了主流厂商的认可。不过,此后的十余年中,台积电依旧是在英特尔主导的技术进程下生存。

1990年,台积电突破6吋、1um制程,而英特尔的0.8um,在1985年的i80386上已经量产。

1993年,对于台积电来说,是个制程急剧进步的一年,这一年,在英特尔的帮助下,台积电实现了0.8um制程的量产,并逐步解决了0.6um的一些问题,突破了0.6um的重要技术,依附于英特尔技术支持的台积电,不仅通过了英特尔关于ISO 9001的质量体系认证,依靠张忠谋的资源,获得了TI的订单。

1991年成立的博通(Broadcom)和1993年成立的英伟达(NVIDIA),成为了第一代无厂半导体公司的代表,他们借助台积电的工厂,开始生产不同于英特尔CPU的产品,并迅速成长为行业巨头。1994年,台积电获得了刚刚在美股上市的ST(ST Microelectronics,意法半导体)的订单,也是从这个时候开始,台积电真正的成为无厂半导体公司们的“虚拟工厂”。

这一时期,无论是台积电,还是三星,其发展的制程工艺技术,都是委身和依附于以IBM/英特尔为代表的美国公司之下,他们一方面要依靠美国公司的技术支持,另一方面,在半导体产业合并浪潮和2000年互联网泡沫之前,半导体公司大多还在坚持IDM模式来进行发展,台积电的制程,一定程度上会落后于IBM/英特尔,毕竟最新的技术,肯定是要自己优先使用。

1995年11月1日,奔腾Pro发布,与奔腾Pro前后发布的Windows95,与之构建了Win-Tel软硬件联盟,成为了个人电脑时代,最为强大的壁垒。

1997年1月8日,奔腾MMX发布,这颗处理器,成为了奔腾I的绝唱,也是英特尔新制程的试验品,他同时采用了0.6um与0.35um制程,最高频率也飙升到了200MHz,集成的晶体管数量,达到了450万个。

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1997年5月7日,英特尔推出基于全新核心架构“Klamath”的奔腾II,奔腾II的发布,延续了英特尔在制程上的持续领先,全系0.35um制程,并开始导入0.23um制程。

1998年是英特尔全面开花的一年。

首先,英特尔在1月19日发布了基于“Deschutes”核心架构的奔腾II,启用新系列命名,是为了完全的与上一年采用0.35um制程的“Klamath”区分开来,这一系列,全部采用0.25um制程,在131mm2的面积上,集成了750万个晶体管。

其次,在6月29日,英特尔推出了全新的至强(Xeon)品牌,以替代之前的奔腾Pro,其目的是用于服务站,至强的推出,是英特尔进入专业服务器处理器的前奏,在之后的日子里,至强进过数代的迭代,成为了使用最为广泛的服务器处理器。直到今天,在全球主要的超级计算机中,除了中国的之外,几乎都采用了至强的处理器。

8月15日,英特尔推出全新的、面向低端用户的处理器品牌赛扬(Celeron),至此,英特尔围绕处理器,搭建了覆盖低端市场、中高端市场、服务器市场的产品布局,借助这一布局,英特尔进一步扩大了自己的优势。

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随着Windows 98的发布,Win-Tel联盟的优势进一步扩大,而英特尔在制程上对台积电的优势,随着个人电脑的普及,形成了全面的碾压。

受到碾压的,除了台积电,还有台积电的兄弟们,比如英伟达。在这一年的3月,英伟达与台积电达成全面战略合作协议,英伟达将所有的图形加速显示适配器交给台积电生产,这一局面,直到2003年英伟达以IBM签订长期代工合约,才被打破。

这一年,台积电终于实现了0.25um的量产,并将之用到英伟达推出的全新显卡RIVA TNT上。

为了扩大对晶圆代工厂的优势,和缩小与IDM(尤其是与IBM及英特尔)的差距,台积电在1998年开始实施酝酿了长达五年时间、名为“群山计划”的战略:

台积电给5家使用先进制程的IDM厂商制定专属的技术支撑计划,来适应每家企业不同需求。

这一战略实施的本质就是“先做技术服务、辅助技术升级、更新设备产能,然后获取订单”。这五家IDM厂商包含了TI、ST、摩托罗拉、NXP等,都是当时并延续到现在的半导体巨头公司。台积电通过与他们的合作,打磨技术、降低成本、提高良率,让自己成为IDM厂商的备用生产车间。而对于无厂半导体公司来说,台积电本身就是他们的“虚拟工厂”。

这一战略从1998年开始实施后,成为了后期台积电独立体系的基础。

1999年2月26日,英特尔发布奔腾III系列处理器,在最初的四款产品中,英特尔保守的选择了0.25um制程。从奔腾III 500E开始,英特尔导入了0.18um制程。

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同一时期,台积电量产0.18um,这一制程最先用在了英伟达8月推出的GeForce 256,这是全球第一款真正意义上的GPU(Graphics Processing Unit,图形处理器)。

0.18um制程的量产,是台积电第一次与IDM厂商在制程数字上实现同步,不过其产能和良品率一直受到影响。而且,其技术仍旧是来自于IBM/英特尔主导的技术联盟,从一定程度上来说,现阶段的台积电依旧是作为IDM厂商技术的延伸,还不足以成为自身“制程之战”的武器。

不过,这一情况很快会被改变,因为,台积电打造的武器,正在形成。

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