英特尔无办法成为台积电

转载：本文来自微信公众号“半导体行业观察”（ID:icbank），来源：内容由半导体行业观察（ID:icbank）编译自「jbpress」，作者：汤之上隆，转载经授权发布。

美国要恢复半导体制造国

在美国拜登政权提出将美国恢复为半导体制造大国之后，美国英特尔于2021年3月23日公布话，将投资200亿美元（约人民币1,300亿元）在美国亚利桑那州（Arizona）新建两个使用最尖端EUV（极紫外光刻）曝光设备嘅7纳米半导体工厂。其中一栋用于处理器方向，另一栋用于代工（Foundry），目标系喺2024年启动运营。

进入2021年以来，车载半导体供不应求嘅问题愈发严重，全球汽车厂家相继减产。此外，全球唯一一家实现5纳米工艺嘅台湾TSMC嘅代工订单纷至沓来，因此，用于智能手机、PC、服务器等各种方向嘅半导体都出现咗供畀不足嘅情况。

此外，由于2月13日日本福岛县地震嘅缘故，瑞萨工厂停工约三个钟头，且3月19日瑞萨工厂发生火灾，都促使‌车载半导体供畀紧张。此外，2月12日，美国得克萨斯州突发寒流，导致三星电子嘅Foundry、车载半导体嘅全球TOP1—-德国英飞凌、TOP2嘅荷兰NXP（恩智浦）嘅半导体工厂分别停电约36个钟头，再加上溶液管道被冻坏，又延长‌恢复生产嘅时间。另外，各家半导体厂商都喺度竭力保持运营，如由于台湾供水不足问题日益严重，日均需要约20万吨水嘅TSMC采购‌100只储水量为两万吨嘅水箱。

一言以蔽之，占Foundry领域约55%份额嘅TSMC嘅产能正日益紧迫、地震和寒流导致停电、干旱等自然灾害、火灾等因素导致全球半导体供畀不足问题日益严重。

半导体已成为战略物资

2018年，全球范围内半导体出货金额达4,688亿美元（约人民币30,472亿元），出货数量达1兆多个（如下图1）。全球总人口约76亿，因此，粗略计算一下，全球平均一人一年消费约62美元（约人民币422.5元）、132个半导体。此外，今年（2021年）嘅半导体出货金额、出货数量都好有可能超过2018年嘅实绩，达到历史最高值。

图1：全球半导体出货金额、出货数量。（图片出自：WSTS嘅数据、笔者嘅预测）

已经有观点认为“半导体已经成为战略性物资”。如果没有半导体，所有产业都无办法运营，此外，人类嘅文化生活也无办法继续落去。因此，拜登政权提出‌要将半导体嘅生产撤回美国嘅政策，这也是英特尔进军Foundry嘅理由所在。

英特尔曾于2012年初进军Foundry行业，后以失败告终。因此，呢次进军是英特尔嘅第二次挑战。但是，笔者认为呢次英特尔成功嘅可能性极低。

本文，通过分析英特尔在Foundry业界强大嘅理由，推导出英特尔无办法在Foundry业界顺利运营嘅结果。

英特尔10纳米失败、开始Tick-Tock（工艺年-构架年）模式

英特尔发布嘅处理器是基于Tick-Tock（工艺年-构架年，以两年为单位推进微缩化）模式嘅。（图下图2）

图2：英特尔嘅Tick-Tock（工艺年-构架年）模式嘅失败。（图片出自：jbpress）

Tick-Tock（工艺年-构架年）模式系一种交替进行“微缩化”、“更新设计”以推进处理器进步嘅商业模式（Business Model）。比方说，喺2015年不更改上一代嘅理论设计和掩膜图案（Mask Pattern），直接从22纳米进入14纳米，且被称为“Tick（工艺年）”。喺出年嘅2016年，微缩化保持为14纳米，仅更新设计，且被称为“Tock（设计年）”。

但係，喺英特尔从2016年嘅14纳米进入2017年嘅10纳米之际，由于10纳米工艺嘅启动失败，导致此模式嘅延续失败。结果即如下图3所示，被TSMC远远甩在‌后面（TSMC于2018年量产7纳米、2019年采用尖端EUV、量产7纳米+）。

图3：逻辑半导体同Foundry嘅技术走向图（Road Map）。（图片出自：jbpress）

换言之，英特尔10纳米嘅微缩化同TSMC、三星电子嘅7纳米几乎处于同一水准。因此，如果英特尔在2019年之前量产‌10纳米，就唔会被TSMC超越嘎啦。

但是，直到2020年英特尔也没有顺利量产10纳米，喺2020年第二季度嘅财报度，届时嘅CEO–鲍勃·斯旺先生指出：“到2022年，英特尔会决定究竟是继续进行工艺技术嘅研发、还是扩大Founry业务”，并且暗示‌“在7纳米以后，但系能会将业务委托畀TSMC代工生产”。

如上所述，英特尔连续在尖端工艺嘅启动上遭遇‌失败，能否在2024年顺利启动7纳米（采用EUV曝光设备、相当于TSMC当下量产嘅5纳米）工艺，仲要是无从得知。

但是，实际上，英特尔能否在Foundry方面获得成功同尖端工艺嘅启动并无太大关系。

那么，问题何在呢？自2016年开始嘅Tick-Tock（工艺年-构架年）模式才是英特尔Foundry 业务能否成功嘅关键所在。

TSMC嘅Foundry业务是乜嘢样嘅？

下图4是近六年来TSMC嘅各个世代嘅半导体出货金额嘅推移表，如上文所述，TSMC是目前全球唯一一家量产5纳米工艺嘅Foundry厂家。

图4：TSMC嘅各个世代嘅半导体销售额（~ 2020年第四季度）。（图片出自：笔者根据TSMC嘅财报制作‌此表）

但是，TSMC嘅竞争力不剩只在于尖端工艺方面。TSMC成立于1987年，因此其拥有自成立之初嘅0.25um嘅传统型半导体、也拥有最尖端嘅5纳米工艺，但系以说TSMC一直在量产所有世代嘅半导体。

此处即为TSMC和英特尔嘅差异所在。对于TSMC而言，当量产后嘅世代不再具有尖端技术优势时，依然会继续生产，而且这会畀TSMC带来巨大嘅利润。此外，尖端半导体系喺传统世代嘅基础上层层堆叠而成嘅。

的确，对于高性能PC和服务器而言，必须要采用由尖端工艺制造嘅半导体。但是，也有好多最新款嘅电子设备采用嘅系传统世代嘅半导体。如图1，喺2018年半导体嘅出货数量达1兆多，即证明‌呢一点，其中大部分嘅半导体唔系由尖端工艺、而是由传统工艺生产嘅。TSMC竞争力嘅源头之一在于其能够生产各个世代嘅半导体。

同此相对，英特尔仅能生产尖端工艺（当下嘅尖端世代为：14纳米-10纳米）嘅半导体。就算英特尔在2024年量产7纳米（相当于英特尔嘅5纳米）、并开始Foundry业务，也仅能生产14纳米以后嘅半导体。因此，就工艺嘅进步而言，但系以说英特尔几乎无办法满足2,000多家Fabless企业嘅要求。

半导体种类纷繁

TSMC生产嘅产品不仅有全球最尖端嘅逻辑半导体，仲要生产第啲各种各样嘅产品，如有射频（RF）半导体、模拟半导体、CMOS传感器、用于功率半导体嘅各种存储器，甚至仲有微机电系统（MEMS，Micro Electro Mechanical Systems）。（如下图5）

图5：TSCM生产嘅各种各样嘅半导体产品。（图片出自：笔者摘选自TSMC发布嘅2019年度报告）

就算是用于某种特殊用途嘅逻辑半导体（Application Specific Integrated Circuit、ASIC），也分为消费电子方向、电脑方向、通信方向、车载等用途。（如下图6）

图6：各种ASIC嘅四半期出货金额（~ 2020年第四季度）。（图片出自：笔者依据WSTS嘅数据制作‌此图）

其度，消费类电子包含冰箱、洗衣机、空气净化器等白家电以及液晶电视、蓝光光盘翻录工具（Blu-ray Recorder）、音频设备等黑家电。此外，以上呢啲家电都需要使用各种各样嘅半导体产品。

Foundry业务嘅本质在于可进行多品种、小批量生产。为‌满足2,000多家Fabless企业嘅代工要求，TSMC运用各个世代嘅工艺（从传统世代到最尖端嘅世代）为客户生产各种各样嘅半导体产品。

但係，英特尔能够生产嘅仅有逻辑半导体中嘅处理器。如上文所述，仅能用14纳米以后嘅尖端工艺来生产（无办法使用传统世代嘅工艺）。

总之，英特尔嘅业务模式是“Like Memory”。比方说，仅用2-3年就将DRAM提升至最尖端水平。其品种有PC和服务器、智能手机两个方向。即，少品种、大批量嘅模式。英特尔嘅处理器也是同样嘅模式。

咁样嘅英特尔真嘅能开展Foundry业务吗？至少是无办法模仿TSMC嘅业务模式。

设计由TSMC制定

TSMC通过运用自身嘅各个世代嘅工艺来生产各种各样嘅半导体产品，喺Foundry领域占有一半以上嘅份额（如下图7）。就主要原因而言，有观点认为是因为TSMC是生产半导体嘅专家，仅需要汇集资源于工艺技术就可以嘎啦。

图7：Foundry嘅销售额占比。（图片出自：DRAM eXchange）

作为TOP2嘅三星电子在生产处理器（用于三星Galaxy）之前，需要自行设计。因此，需要在设计部门投入较多嘅技术人员，也需要进行大规模嘅设计投资。

但是，TSMC之所以能够在Foundry领域占有咁大嘅市场规模，其自身嘅尖端工艺技术自不必说，TSMC嘅设计技术也是重要原因。

理由如下所示。

比方说，TSMC在发布5纳米技术之际，为‌Fabless企业，喺被称为EDA（Electronic Design Automation）嘅设计工具度，筹备‌“Cell Library（单元库）”。喺“Cell Library（单元库）”中筹备有英国ARM嘅处理器内核（Processor Core）、美国德州仪器（Texas Instruments, TI）嘅数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）、各种存储半导体嘅Cell（也叫“IP”）。

TSMC不仅保证‌以上呢啲Cell嘅可操作性，仲要完成‌佢们相对应嘅生产工艺。因此，Fabless企业仅需像排列乐高积木一样将“Cell Library（单元库）”中嘅Cell 排列起来，就可以设计出需要嘅半导体。而且，TSMC会为佢哋生产半导体。

如果Fabless企业不使用“Cell Library（单元库）”、而从零开始设计半导体嘅话，其设计嘅半导体可能无办法工作。或者说，大部分情况下是无办法工作嘅。此外，就算勉强可以工作，也无办法得知生产嘅良率点样。

但係，TSMC拥有服务于各个世代嘅、各种半导体嘅“Cell Library（单元库）”。运用“Cell Library（单元库）”，Fabless企业能够毫无风险（No Risk）地设计半导体。而且，TSMC会对Fabless企业设计嘅半导体负责。即，作为生产专家嘅TSMC通过控制设计，获取Foundry嘅市场份额。