多次面臨致命局面，英特爾能否涅槃重回芯片王者地位？

2020年，這家世界級(jí)的龍頭廠商——英特爾，成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)，自英特爾宣布將其7nm工藝制程的時(shí)間推遲后，又面臨首席技術(shù)工程師離職、被訴侵權(quán)技術(shù)專利、市場(chǎng)分額被英偉達(dá)反超等熱聞。

這對(duì)于一家偉大的芯片設(shè)計(jì)、制造和銷售公司來說無疑是巨大的失敗。最近，英特爾發(fā)布的一項(xiàng)新技術(shù)震驚業(yè)界，此舉大有虎賁龍鑲、飛燕還巢之勢(shì)，也讓我們看到了英特爾重登“王座”的希望。

這家擁有世界級(jí)影響的“藍(lán)色巨獸”，在跨越了一個(gè)世紀(jì)之久的發(fā)展歷程中，也有著諸多跌宕起伏的故事。一切，要從一則影響信息產(chǎn)業(yè)近百年的“金科玉律”說起”。..。..

戈登·摩爾與摩爾定律

在IT行業(yè)，有一則“神話”般的定律。整個(gè)信息產(chǎn)業(yè)幾乎都在按照此定律，以指數(shù)方式領(lǐng)導(dǎo)著整個(gè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的步伐。這個(gè)定律就是“摩爾定律”，而定律的發(fā)現(xiàn)者正是世界頭號(hào)CPU生產(chǎn)商Intel公司的創(chuàng)始人之一——戈登·摩爾。

摩爾定律是指，當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18-24個(gè)月增加一倍，性能提升一倍。換言之，每一美元所能買到的電腦性能，將每隔18-24個(gè)月翻一倍以上。這一定律揭示了信息技術(shù)進(jìn)步的速度 。

隨著PC在全球范圍內(nèi)獲得的巨大成功，提供PC核心部件的Intel從一個(gè)存儲(chǔ)器制造商成長(zhǎng)為一個(gè)更加輝煌的芯片制造商。戈登·摩爾正是這場(chǎng)變革和進(jìn)步的最大推動(dòng)者和勝利者。

行業(yè)的“金科玉律”遭遇瓶頸

相關(guān)報(bào)道顯示，2004年后，這套幾十年來半導(dǎo)體行業(yè)遵循的金科玉律，越來越凸顯其局限性，最突出的表現(xiàn)便是各廠商近年來被用戶吐槽的“擠牙膏”行為。

行業(yè)專家曾指出，摩爾定律成就了各種技術(shù)變革，讓計(jì)算機(jī)的底層元件遵從此定律整整50年。然而，近年來業(yè)界對(duì)摩爾定律的懷疑聲連綿不斷，摩爾定律節(jié)奏放緩是不置可否的事實(shí)，其變化給半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)帶來了諸多不確定性。曾有業(yè)界人士斷言到，未來的摩爾定律會(huì)愈發(fā)衰敗，繼而逐漸消失。

救命稻草——FINFET技術(shù)

相關(guān)文獻(xiàn)顯示，F(xiàn)inFET是一種稱之為鰭式場(chǎng)效晶體管的互補(bǔ)式金氧半導(dǎo)體晶體管。閘長(zhǎng)已可小于25奈米。該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)明人是加州大學(xué)伯克利分校的胡正明教授。Fin是魚鰭的意思，F(xiàn)inFET命名根據(jù)晶體管的形狀與魚鰭的相似性。

胡正明教授1968年在臺(tái)灣國立大學(xué)獲電子工程學(xué)士學(xué)位，1970年和1973年在伯克利大學(xué)獲得電子工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)碩士和博士學(xué)位?，F(xiàn)為美國工程院院士。2000年憑借FinFET獲得美國國防部高級(jí)研究項(xiàng)目局最杰出技術(shù)成就獎(jiǎng)。他研究的BSIM模型已成為晶體管模型的唯一國際標(biāo)準(zhǔn)，培養(yǎng)了100多名學(xué)生，許多學(xué)生已經(jīng)成為這個(gè)領(lǐng)域的大牛，曾獲Berkeley的最高教學(xué)獎(jiǎng);于2001~2004年擔(dān)任臺(tái)積電的CTO。

為了讓摩爾定律延續(xù)到更小的器件尺度，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界在不同的材料、器件結(jié)構(gòu)和工作原理方面的探索一直在進(jìn)行中。探索的問題之一是晶體管的閘極設(shè)計(jì)。隨著器件尺寸越來越小，能否有效的控制晶體管中的電流變得越來越重要。

從亞微米工藝， 到后來的90nm工藝所代表的深亞微米時(shí)代，業(yè)內(nèi)一直按照摩爾定律，穩(wěn)步的發(fā)展。在65nm工藝的晶體管中的二氧化硅層已經(jīng)縮小僅有5個(gè)氧原子的厚度了。作為阻隔柵極和下層的絕緣體，二氧化硅層已經(jīng)不能再進(jìn)一步縮小了，否則產(chǎn)生的漏電流會(huì)讓晶體管無法正常工作。

然而在28nm之后，人們發(fā)現(xiàn)，如果繼續(xù)采用傳統(tǒng)的Planar結(jié)構(gòu)，摩爾定律難以為繼。

這時(shí)候，重要到了必須采用一種新結(jié)構(gòu)的時(shí)刻了，繼而目光便放到了這種非常有前途的結(jié)構(gòu)上，也就是現(xiàn)在赫赫有名的FinFET結(jié)構(gòu)。

在FinFET工藝現(xiàn)實(shí)之后，英特爾便成為了這項(xiàng)工藝的推廣者并從中獲得巨大收益，一路高歌猛進(jìn)之后，英特爾的半導(dǎo)體芯片工藝已經(jīng)達(dá)到了世界頂尖級(jí)別的存在，但在近幾年，隨著物理極限的逼近和部分商業(yè)摩擦，讓英特爾在工藝推進(jìn)方面出現(xiàn)了頻繁“擠牙膏”的現(xiàn)象。

英特爾遭遇“中年危機(jī)”

英特爾在工藝方面的延緩問題，近幾年頻繁發(fā)生。相關(guān)資料顯示，2014年，英特爾發(fā)布Core M系列處理器。采用全新14nm工藝和第二代3D晶體管技術(shù)的處理器。2015年第三季度，英特爾發(fā)布了采用成熟14nm工藝、Skylake架構(gòu)的第六代酷睿系列處理器。此后，制程工藝的數(shù)字似乎停止了，直到現(xiàn)在，英特爾在主流桌面處理器市場(chǎng)上再也沒有推出過更小數(shù)字的工藝。

雷蒙德詹姆斯金融的分析師Chris Caso宣稱“英特爾10nm延期為競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手打開了一個(gè)窗口，這個(gè)窗口可能永遠(yuǎn)都不會(huì)關(guān)閉，很可能意味著英特爾在計(jì)算領(lǐng)域主導(dǎo)地位的終結(jié)?！币坏┻@樣的言論成為市場(chǎng)主流，將徹底動(dòng)搖英特爾在產(chǎn)業(yè)界的領(lǐng)先地位和形象，并進(jìn)一步拖累股價(jià)。

2018年，英特爾宣布，10nm工藝良率、頻率表現(xiàn)不夠理想，無法完成大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)，并且計(jì)劃將10nm工藝拆分成10nm、10nm+和10nm++三代，分別在2019年、2020年、2021年推出。

2019年底，英特爾終于正式發(fā)布了10nm制程的移動(dòng)平臺(tái)產(chǎn)品，但2020年上半年英特爾主打的產(chǎn)品依舊采用14nm工藝，并且整個(gè)桌面市場(chǎng)和服務(wù)器市場(chǎng)都是如此。真正工藝成熟、彰顯高性能的10nm桌面版本處理器產(chǎn)品依舊遙遙無期，有消息稱，英特爾可能在2021年底才會(huì)推出10nm+的桌面處理器，到2022年再推出10nm++的版本。

此外，今年7月，英特爾發(fā)布消息，曾一度宣稱的7nm工藝遭遇嚴(yán)重困難，將延期6~12個(gè)月，預(yù)計(jì)直到2022年下半年或2023年初才會(huì)在市場(chǎng)上首次亮相。

屋漏偏逢連夜雨，英特爾被訴侵權(quán)

我們知道，最早使用FinFET工藝的是英特爾，他們?cè)?2納米的第三代酷睿處理器上使用FinFET工藝，隨后各大半導(dǎo)體廠商也開始轉(zhuǎn)進(jìn)到FinFET工藝之中，其中包括了臺(tái)積電16nm、10nm、三星14nm、10nm以及格羅方德的14nm。

然而盡管英特爾最早使用了FinFET工藝，但這并不意味著該工藝的相關(guān)技術(shù)及專利可以任由英特爾隨意使用。近日，國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利復(fù)審委員會(huì)消息，其審理了201110240931.5（“FinFET專利”）發(fā)明專利的無效申請(qǐng)。無效申請(qǐng)的請(qǐng)求人是英特爾（中國）有限公司，而專利權(quán)人為中國科學(xué)院微電子研究所。

據(jù)悉，這是英特爾為應(yīng)對(duì)微電子所2018年發(fā)起的專利侵權(quán)訴訟而采取的措施。在此之前，英特爾已經(jīng)先后5次在中美兩地對(duì)涉案專利及其美國同族專利發(fā)起無效申請(qǐng)，均以失敗告終。微電子所訴稱，英特爾酷睿系列處理器侵犯了其名為“半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)及其制作方法、及半導(dǎo)體鰭制作方法”的FinFET專利，要求英特爾停止侵權(quán)，賠償至少2億元人民幣，并承擔(dān)訴訟費(fèi)用，同時(shí)申請(qǐng)法院下達(dá)禁令。

或放棄IDM模式

華爾街見聞相關(guān)消息，如果7納米工藝制程中存在的缺陷遲遲不能解決，則將考慮將芯片制造業(yè)務(wù)外包。

英特爾多年以來一直采用IDM模式，IDM是指集芯片設(shè)計(jì)、芯片制造、芯片封裝、測(cè)試到銷售的一條龍式產(chǎn)業(yè)鏈模式。目前，世界上采用這種模式的企業(yè)主要有：英特爾、三星、德州儀器（TI）。其中，在規(guī)模上，英特爾位居榜首，主宰行業(yè)至今。

一旦英特爾采用外包模式，那么就意味英特爾苦心經(jīng)營多年的的IDM模式將付之一炬。

涅槃之緣，英特爾重構(gòu)版FINFET

英特爾在2020年架構(gòu)日活動(dòng)上，正式公布了全新的SuperFin晶體管技術(shù)、“混合結(jié)合”封裝技術(shù)，進(jìn)一步展示了英特爾半導(dǎo)體工藝上的持續(xù)創(chuàng)新。

作為摩爾定律的提出者和踐行者，英特爾一直以來在晶體管技術(shù)上不斷變革創(chuàng)新，比如90nm時(shí)代的應(yīng)變硅、45nm時(shí)代的高K金屬柵極、22nm時(shí)代的FinFET立體晶體管。

即便是飽受爭(zhēng)議的14nm工藝，Intel也在一直不斷改進(jìn)，通過各種技術(shù)的加入，如今的加強(qiáng)版14nm在性能上相比第一代已經(jīng)提升了超過20%，堪比完全的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換。

SuperFin在技術(shù)層面相當(dāng)復(fù)雜的，主要技術(shù)特性有：

增強(qiáng)源極和漏極上晶體結(jié)構(gòu)的外延長(zhǎng)度，從而增加應(yīng)變并減小電阻，以允許更多電流通過通道。

改進(jìn)柵極工藝，以實(shí)現(xiàn)更高的通道遷移率，從而使電荷載流子更快地移動(dòng)。

提供額外的柵極間距選項(xiàng)，可為需要最高性能的芯片功能提供更高的驅(qū)動(dòng)電流。

使用新型薄壁阻隔將過孔電阻降低了30%，從而提升了互連性能表現(xiàn)。

與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相比，在同等的占位面積內(nèi)電容增加了5倍，從而減少了電壓下降，顯著提高了產(chǎn)品性能。

結(jié)語

筆者認(rèn)為，關(guān)于此次英特爾重構(gòu)FinFET工藝，或許是與英特爾和中科院的侵權(quán)案有關(guān)，英特爾對(duì)于FINFET工藝的重構(gòu)，或是為繞開中科院的專利技術(shù)，從而繼續(xù)將工藝制成向前推進(jìn)。但筆者在看到SuperFin的工藝提升后，不得不驚嘆，英特爾正充分利用其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，提供標(biāo)量、矢量、矩陣和空間架構(gòu)結(jié)合的解決方案，廣泛部署于CPU、GPU、加速器和FPGA中。

此次英特爾新工藝帶來的性能提升，可以一掃英特爾多日制程迭代不利消息的陰霾，我們也從中看到了7nm的曙光。但是盡管如此，專利侵權(quán)問題依舊要重視起來，以和諧共贏的形式共同發(fā)展，求得雙贏。