作者 |MARK LAPEDUS & ANN STEFFORA MUTSCHLER

至少在半導(dǎo)體行業(yè)

很多時候Less is notmore

而More is More才是真諦

不過美國芯片制造業(yè)是否可重登寶座

隨著貿(mào)易緊張局勢的升級以及對國家安全問題關(guān)切的持續(xù)增長，美國正在制定新的戰(zhàn)略，以防止其在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域進(jìn)一步落后于韓國、中國臺灣地區(qū)甚至中國大陸。

多年來，美國一直是 GPU 和微處理器等新芯片產(chǎn)品開發(fā)上的領(lǐng)頭羊。但是，從芯片制造的角度來看，美國正在兩個關(guān)鍵領(lǐng)域失去優(yōu)勢。

首先，以英特爾為首的美國芯片代工廠商在工藝技術(shù)方面落后于其亞洲競爭對手臺積電和三星，甚至中國大陸地區(qū)的芯片制造商也在不斷拉近距離。其次，美國的新晶圓廠開工數(shù)量和產(chǎn)能都在急劇下降。

這是一個涉及到多個方面的復(fù)雜問題。例如，美國本來就已經(jīng)在工藝技術(shù)上落后于競爭對手了，現(xiàn)在，其領(lǐng)頭羊英特爾又推遲了其最新工藝的發(fā)布，導(dǎo)致它進(jìn)一步落后于臺積電和三星。

不僅是工藝水平的落后，芯片制造商在美國建造新晶圓廠的速度也低于其亞洲競爭對手。根據(jù)美國半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會（SIA）和波士頓咨詢集團(tuán)（BCG）的數(shù)據(jù)，美國在全球晶圓廠產(chǎn)能中的份額已從 1990 年的 37％下降到 2020 年的 12％。在同一時期，亞洲的新晶圓廠發(fā)展迅速，目前已占到全球產(chǎn)能的 80％。

特別是中國，其半導(dǎo)體發(fā)展計劃非常雄心勃勃。在 1500 億美元的資金支持下，中國正在發(fā)展其國內(nèi) IC 產(chǎn)業(yè)，并計劃在本土制造更多自己的芯片。更糟的是，包括中國、香港和臺灣在內(nèi)的大中華區(qū)是一個地緣政治熱點(diǎn)，中美貿(mào)易戰(zhàn)加劇了當(dāng)今所有領(lǐng)先工藝技術(shù)所處地區(qū)的緊張局勢。任何變故都將對美國獲得領(lǐng)先的工藝技術(shù)產(chǎn)生重大影響。

全球半導(dǎo)體制造產(chǎn)能份額

美國的政策制定者意識到，有必要在國內(nèi)建造更多的芯片制造廠，但是，這個工作的代價非常高昂。要建設(shè)一家先進(jìn)工藝的晶圓廠，投資規(guī)模在 100 億至 200 億美元之間，而且無法保證投資就能產(chǎn)生回報。另一方面，盡管芯片制造至關(guān)重要，但是，制造本身只是芯片競爭大局中的一小部分?？偛课挥诿绹墓驹谛酒O(shè)計、特殊工藝、EDA 工具和晶圓廠設(shè)備方面仍然處于領(lǐng)先地位。

盡管如此，美國政府依然在采取措施以增強(qiáng)美國在各個方面的競爭力。其中包括：

國會提出了一項(xiàng)激勵在美國本土建造新晶圓廠的計劃；

美國希望建立一個芯片聯(lián)盟；

格羅方德和英特爾正在升級他們的工藝，臺積電則計劃在美國建立一個新的高端工藝晶圓廠。

英特爾已經(jīng)成立了一個新的商業(yè)實(shí)體，以開發(fā)基于 chiplet 的設(shè)計。將芯片集成在高級封裝中的 chiplet 正在成為美國在芯片行業(yè)保持競爭力的另一種方式。

More is More

美國計劃建更多晶圓代工廠

集成電路行業(yè)的競爭一直非常激烈，不僅有多家公司在眾多不同的市場中競爭，同時，國家之間也在幾個不同的技術(shù)領(lǐng)域存在競爭。例如，在技術(shù)上，各個國家都在爭奪 5G、人工智能和量子計算的霸主地位。中國雄心勃勃的芯片發(fā)展規(guī)劃更是點(diǎn)燃了全球半導(dǎo)體競爭的烈火。

圖源| The Verge

幾十年來，IC 行業(yè)的發(fā)展一直遵循摩爾定律，該定律指出，芯片中的晶體管密度每 18 到 24 個月就會翻一番。當(dāng)今的芯片在單個器件中集成了數(shù)十億個晶體管。“晶體管本質(zhì)上是一個開關(guān)，” Lam Research 大學(xué)項(xiàng)目主管 Nerissa Draeger 在博客中解釋道?！皥鲂?yīng)晶體管使用電場來控制通過溝道的電導(dǎo)率?！?/p>

因此，在過去的半個世紀(jì)中，芯片制造商一直遵循摩爾定律，這使他們能夠?qū)⒏喙δ芗傻絾蝹€芯片上。這推動了手機(jī)、計算機(jī)和其他產(chǎn)品的發(fā)展。

但是，在半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的初期，芯片技術(shù)還很初級。1965 年，當(dāng)戈登·摩爾發(fā)表他標(biāo)志性的摩爾定律時，芯片是在 1.25 英寸（30mm）晶圓上生產(chǎn)的。當(dāng)時，建造一家晶圓廠的成本為 100 萬美元。

在隨后的幾十年中，大多數(shù)芯片廠商都在自家的制造工廠中制造芯片，而且，隨著時間的推移，它們也轉(zhuǎn)向了更大的晶圓尺寸。通過轉(zhuǎn)向更大的晶圓尺寸，每片晶圓上生產(chǎn)的芯片數(shù)量提升了 2.2 倍，從而可以幫助降低制造成本。但是，更大的晶圓也意味著需要更大的晶圓廠和更昂貴的設(shè)備。

隨著時間的流逝，半導(dǎo)體需求激增，芯片制造和工藝成本也急劇上升。從 2000 年代開始，芯片制造商從 200 毫米晶圓廠過渡到現(xiàn)代的 300 毫米晶圓廠。最初，建造一家 300 毫米晶圓廠的成本為 20 億美元，而 200 毫米晶圓廠的成本為 7 億至 13 億美元。

根據(jù) IBS 的數(shù)據(jù)，在 2001 年，有 18 家芯片公司擁有可以生產(chǎn) 130nm 芯片的晶圓廠，這在當(dāng)時是最先進(jìn)的工藝。

然后，突然之間，事情發(fā)生了變化。那時，亞洲和其他地區(qū)出現(xiàn)了幾家芯片代工廠，它們專門為外部客戶提供芯片制造服務(wù)。

代工模式是在 2000 年代開始興起的。從那時起，無晶圓廠設(shè)計公司開始委托代工廠生產(chǎn)芯片。SIA 和 BCG 的論文稱：“半導(dǎo)體行業(yè)已經(jīng)看到了無晶圓廠模式的興起?！?/p>

在此期間，美國和其他地區(qū)的許多芯片制造商不再有能力開發(fā)新的晶圓廠和工藝。作為回應(yīng)，一些芯片制造商選擇了 fab-lite 模式。在這種模式下，供應(yīng)商在自己的晶圓廠中生產(chǎn)一些芯片，同時將其他芯片外包給代工廠。有些公司則完全退出了晶圓廠業(yè)務(wù)。

臺灣是全球晶圓廠產(chǎn)能的領(lǐng)導(dǎo)者，到 2020 年將占有 22％的份額，其次是韓國（21％）、日本（15％）、中國大陸（15％）、美國（12％）和歐洲（根據(jù) SIA 和 BCG 的統(tǒng)計，歐洲的數(shù)字為 9％）。

不過，中國大陸是最值得關(guān)注的地區(qū)，它正在以補(bǔ)貼的形式向其國內(nèi)芯片設(shè)計和制造行業(yè)注資數(shù)十億美元。據(jù) SIA 和 BCG 稱，中國晶圓廠產(chǎn)能的份額將從 2000 年的 3％躍升至 2020 年的 15％，超過美國。

中國大陸現(xiàn)在的工藝依然落后，但它正在積極追趕。D2S 首席產(chǎn)品官 Leo Pang 說：“中國正在建設(shè)中的新晶圓廠就多達(dá)十二個。然而，中國仍然面臨許多挑戰(zhàn)，包括半導(dǎo)體制造領(lǐng)域需要更多人才和知識產(chǎn)權(quán)，以及進(jìn)一步縮小與領(lǐng)先工藝技術(shù)之間的差距的需求?！?/p>

在中國持續(xù)擴(kuò)張晶圓廠產(chǎn)能的同時，美國卻陷入了停滯不前。根據(jù) SEMI 的數(shù)據(jù)，到 2020 年，美洲地區(qū)共有 76 個芯片制造工廠，而這一數(shù)字在 2010 年時為 81 個?！斑@包括來自三星、恩智浦、英飛凌、X-Fab、Tower、臺積電和博通等非美國公司在美國的晶圓廠制造能力。SEMI 的分析師 Christian Dieseldorff 說。

Dieseldorff 說，如果不包括非美國公司的晶圓廠，美國的晶圓廠產(chǎn)能份額將下降到 10％。

據(jù) SEMI 稱，美國目前正在建設(shè)中的一些新晶圓廠項(xiàng)目包括：

Cree：碳化硅器件（紐約）；格羅方德：代工廠（紐約）；英特爾：邏輯器件（俄勒岡州）；德州儀器：模擬器件（德州）；臺積電：代工廠（亞利桑那州）

展望未來，美國希望為國家安全和供應(yīng)鏈安全而建造更多的晶圓廠。

美國現(xiàn)在提出了一些解決方案，其中包括美國國會擬議的一條法案。這項(xiàng)名為《為美國半導(dǎo)體制造制定有用的激勵措施》（CHIPS）法案要求為新的聯(lián)邦撥款計劃提供 100 億美元，這將激勵人們在美國本土建造新的晶圓廠，它還包括投資稅收抵免?？偟膩碚f，這是一項(xiàng) 220 億美元的計劃。

不過，時至今日，該法案仍然滯留在國會尚未通過，而且目前尚不清楚該法案是否會通過。另外，資金實(shí)在太少了，太遲了。據(jù) SIA 和 BCG 稱，要提高競爭力，美國半導(dǎo)體行業(yè)需要一項(xiàng) 500 億美元的激勵計劃，即便是這個數(shù)字，可能也不夠。

這些錢建不了幾個晶圓廠。例如，臺積電（TSMC）正在臺灣投資 195 億美元，為其 3nm 工藝建造一個 300mm 晶圓廠。

另外，在美國建造新晶圓廠的成本比亞洲還要昂貴。而其他國家則提供了更好的激勵措施。因此，盡管英特爾正在擴(kuò)大其在亞利桑那州的新 Fab 42 工廠，但由于其它國家能提供更好的激勵措施，它還計劃在愛爾蘭和以色列建立新工廠。

但是，英特爾等公司認(rèn)為 CHIPS 法案是一個良好的開端，并且需要采取一種或多種形式的激勵措施。英特爾政策與技術(shù)事務(wù)組織副總裁格雷格·斯萊特（Greg Slater）說：“目前，我們美國在半導(dǎo)體制造市場的份額為 12％。在未來十年內(nèi)，這一數(shù)字可能會降至 10％以下。除非我們通過政府激勵措施扭轉(zhuǎn)這種局面，否則這種情況將繼續(xù)下去。”

事情沒那么簡單?！懊绹梢酝ㄟ^補(bǔ)貼的方式使其晶圓廠產(chǎn)能份額超過 12％，但這對整個行業(yè)有好處嗎？” Semico Research 的分析師 Adrienne Downey 問?！霸谶^去的 5 至 10 年中，該行業(yè)在產(chǎn)能管理方面一直做得很好。內(nèi)存市場就是一個很好的例子。有效地管理產(chǎn)能意味著更穩(wěn)定的 ASP / 收入。過去，通過補(bǔ)貼建設(shè)的晶圓廠造成了產(chǎn)能失衡?！?/p>

還有一些其他的問題?！爱?dāng)今行業(yè)中，幾乎沒有公司可以投資 200 億美元建設(shè)一座晶圓廠。臺積電能做到這一點(diǎn)，是因?yàn)樗鼈儞碛袛?shù)百個客戶和數(shù)千種產(chǎn)品。僅增加產(chǎn)能并不能保證在該行業(yè)的成功地位。”Downey 說。

無論如何，如果美國在半導(dǎo)體制造中不采取行動，將會帶來經(jīng)濟(jì)層面的后果。

Win or Die

芯片制造工藝競賽

圖源 |bodhable.com

美國的芯片制造商在 III-V，模擬和 RF 等特殊工藝中占有一席之地。美國在 28nm / 22nm 及以上的成熟邏輯工藝中實(shí)力很強(qiáng)。Semico 公司的 Downey 說：“美國仍然有一批仍在美國制造的成熟產(chǎn)品。在大多數(shù)電子設(shè)備中，每一個領(lǐng)先的芯片都需要至少配套 5-10 顆成熟的芯片。Qorvo、安森美、恩智浦、ADI、博通、Skyworks 和 Microchip 等公司都在美國設(shè)有晶圓廠。SkyWater 是代工廠通過提供創(chuàng)新選擇并幫助開發(fā)新解決方案重獲新生的一個例子?！?/p>

但是美國在領(lǐng)先的邏輯 / 制造工藝落后于其它地區(qū)。這是最近十年才發(fā)生的，多年來，英特爾一直是制程技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者。如前所述，在 2001 年，有 18 家芯片制造商可以處理尖端的 130nm 芯片。

隨著時間的流逝，工藝成本不斷上升，越來越少的參與者可以負(fù)擔(dān)得起在高級節(jié)點(diǎn)上開發(fā)先進(jìn)工藝的能力了。

最大的變化發(fā)生在 20nm 時，當(dāng)時的傳統(tǒng)平面晶體管走到了極限。作為回應(yīng)，英特爾在 2011 年在 22nm 上轉(zhuǎn)向了下一代 finFET 晶體管。代工廠轉(zhuǎn)移到 16nm / 14nm 的 finFET。（英特爾的 22 納米相當(dāng)于代工廠的 16 納米 /14 納米。）

FinFET 和平面型工藝

FinFET 以較低的功率提供了更高的性能，但制造起來也更困難，更昂貴。TEL America 副總裁兼副總經(jīng)理 Ben Rathsack 表示：“這是由于制造該設(shè)備所需的工藝步驟數(shù)量較多所致?！?/p>

FinFETs 也縮小了芯片制造公司的圈子只有六家代工廠 / IDM 擁有遷移到 16nm / 14nm 的 finFET 的資源。這些供應(yīng)商包括格羅方德、英特爾、三星、臺積電和聯(lián)電。中國的中芯國際最近進(jìn)入了 14nm finFET 市場。

英特爾希望在 2016 年推出 10nm finFET 工藝來擴(kuò)大其邏輯工藝的領(lǐng)先地位。但是，由于各種原因，英特爾兩次推遲了 10nm 的生產(chǎn)，并最終在 2019 年基于該工藝推出了處理器 - 比預(yù)期晚了大約兩年。

在英特爾 10 納米技術(shù)兩度延遲的同時，臺積電在 2018 年初推出了全球首個 7 納米 finFET 工藝，在工藝上超過了英特爾。后來，三星也推出了 7nm。（英特爾的 10nm 大約相當(dāng)于代工廠的 7nm。）

這種變化很重要，有以下幾個原因。一直以來，英特爾都是芯片制造業(yè)務(wù)中的佼佼者，它并沒有直接與臺積電競爭。但是，臺積電為 AMD 和英偉達(dá)等英特爾的競爭對手們提供代工服務(wù)。因此，英特爾的競爭對手突然在工藝技術(shù)領(lǐng)域把英特爾甩在了身后。

還有一些其他的變化。2018 年，格羅方德和聯(lián)電均停止了各自在 7nm 上的努力。7nm 的開發(fā)需要巨額投資，兩家供應(yīng)商均對能否收回投資表示?，F(xiàn)在，這兩家公司仍活躍于 16nm / 14nm 及以上成熟工藝上。

盡管如此，7 納米技術(shù)將高端制造圈縮小到三家公司：英特爾，三星和臺積電。但是隨后，情況再次發(fā)生了變化。

2020 年初，臺積電和三星開始出貨 5nm，而英特爾推遲了 7 納米制程，使其進(jìn)一步落后于其兩個競爭對手。來自中國的中芯國際正在開發(fā)類似 7nm 的工藝。最近，中芯國際從中國 IP 提供商 Innosilicon 處獲得了首個用于類似 7nm 工藝的流片。

半導(dǎo)體顧問公司的 Maire 說：“現(xiàn)在看來，英特爾的 7 納米至少要延遲六個月甚至是一年。英特爾和臺積電已經(jīng)不是并駕齊驅(qū)了，現(xiàn)在的英特爾顯然落后于臺積電。格羅方德則停留在了 14 納米。因此，我們美國真的沒有可以快速發(fā)展的代工廠或 IDM 了?！?/p>

不過，美國并沒有真的停滯不前。英特爾發(fā)誓將解決工藝問題，并終將發(fā)布 7nm。它還在考慮一項(xiàng)計劃，將其部分 7nm 生產(chǎn)外包給代工廠。

然后，為了重新奪回自己的優(yōu)勢，英特爾希望建立一個美國芯片聯(lián)盟。作為計劃的一部分，英特爾建議在美國政府的支持下運(yùn)營一家美國代工廠。目前尚不清楚該計劃是否會生效。

最近，格羅方德為其位于紐約州的 300 毫米晶圓廠申請到了新土地?！半S著對國家資本投資半導(dǎo)體制造的共識日增，比以往任何時候都更重要的是，我們準(zhǔn)備在格羅方德美國最先進(jìn)的制造工廠中快速實(shí)施我們的增長計劃?！备窳_方德高級副總裁兼總經(jīng)理 Ron Sampson 說。

臺積電可能是美國的真正希望，臺積電計劃在亞利桑那州建立一個新的尖端的 5nm 晶圓廠。該晶圓廠計劃于 2024 年投產(chǎn)。

不過，目前尚不清楚美國是否可以重新獲得其在工藝技術(shù)方面的競爭力，也不清楚哪家公司將成為美國代工業(yè)務(wù)的領(lǐng)導(dǎo)者。

Solution is Unique

chiplet 的時代正在來領(lǐng)

展望未來，來自不同國家的幾家公司將繼續(xù)參與芯片制造工藝競賽。但是，這不是保持競爭力的唯一方法。

通常，為了提高性能，業(yè)界通過芯片尺寸縮減來開發(fā) ASIC，以將不同的功能集成到單個單芯片上。但是，現(xiàn)在的節(jié)點(diǎn)升級正越來越困難且昂貴，而且，僅僅通過工藝升級所獲得的功率和性能收益正在減少。7nm 以下的每一代新節(jié)點(diǎn)可能會把性能提高約 10％至 20％，但是，架構(gòu)更改、專用加速器和硬件軟件協(xié)同設(shè)計帶來的性能提升可能會高達(dá) 10 倍至 1,000 倍。

而且，并非所有芯片類型都受益于工藝尺寸的縮減。數(shù)字邏輯器件當(dāng)然可以，模擬組件則不能。因此，整個行業(yè)正在將復(fù)雜的芯片封裝在高級封裝中，而不是將所有組件都縮減工藝尺寸并放進(jìn)單個裸片上。

如今，來自多個國家的公司、代工廠和 OSAT 都在追求 chiplet 戰(zhàn)略，即芯片制造商可以使用庫中的模塊化芯片或小芯片，并將它們集成到現(xiàn)有的高級封裝或新架構(gòu)中。

AMD、英特爾和其他公司已經(jīng)開發(fā)出類似的芯片設(shè)計，可以以更低的成本追上或超越 ASIC 的功能。但是，隨著第三方開發(fā)出越來越多供銷售的的 chiplet 并跨多個市場銷售，在邊緣計算等新領(lǐng)域爭奪市場主導(dǎo)地位的競爭已迫在眉睫。

chiplet 的發(fā)展勢頭在持續(xù)增強(qiáng)。例如，英特爾已經(jīng)獲得來自美國國防部的 chiplet 研發(fā)新合同，稱為最新異構(gòu)集成原型（SHIP）計劃。根據(jù)該計劃，英特爾圍繞 chiplet 建立了一個新的美國商業(yè)實(shí)體，包括國防部和國防行業(yè)的客戶可以使用英特爾的先進(jìn)封裝能力。

國防部研究與工程副部長辦公室微電子首席總監(jiān)妮可·佩塔（Nicole Petta）表示：“路線圖確定了優(yōu)先事項(xiàng)，并意識到隨著制程規(guī)模的放慢，異構(gòu)組裝技術(shù)對于國防部和我們國家都是至關(guān)重要的投資?！?/p>

寫在最后

芯片行業(yè)競爭力的定義變得越來越復(fù)雜了，工藝的提升將繼續(xù)至關(guān)重要，但是，高級封裝技術(shù)也變得越來越重要。

來自不同國家的公司將需要同時發(fā)展制造工藝和高級封裝技術(shù)。這反過來將推動新的增長。但是，從技術(shù)角度來看，美國仍有一些工作要做，問題是是否有實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的政治意愿，以及公司能否獲得回報，到目前為止，答案尚不清楚。

責(zé)任編輯：PSY

原文標(biāo)題：重回芯片制造之巔，美國最大痛點(diǎn)是什么？

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