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Intel對TSMC逆襲的序曲

美國優先、製程正名、IDM 2.0

近期媒體報導 Intel 將成為 TSMC 3奈米製程大客戶,其實 Intel在 3月發表 IDM 2.0計畫,揭露擴大委外代工策略時,已表示高階資料中心產品委外會是周圍小核心晶片。因此,在 TSMC產能計畫已定之下,反而能擠壓 AMD分配的產能,因此 TSMC 股價不會有反應,也是可以預期的。

本文主要目的在深挖今年以來 Intel 的投書媒體、製程正名、宣示 IDM 2.0的策略,幫助判斷 Intel 是否有機會重返榮耀,以及跟 TSMC的連動關係

2021年5月24日美國商務部長表示,美國 5年520億美元 的半導體扶植計畫,將帶來超過 1500億美元的投資,在美國興建 7到10座先進晶圓廠,其中 390億扶植半導體製造、105億美元激勵研發、建立國家半導體技術中心、先進封裝等。

2021年6月24日知名美國政治媒體Politico.com刊登了由 Intel贊助、CEO Pat Gelsinger的文章 - "Investments in chip production must support U.S. priorities", aka 「投資晶片製造需要支持美國優先」!

2020/6/24 Intel CEO於Politico.com文章標題,資料來源Politico.com

1. 美國優先、劍指台積

Intel Politico文章重點摘要

  • 遊說美國聯邦政府半導體扶植計畫排除非美國公司,TSMC、Samsung因政府補貼,營運成本已較 Intel 低 25%~30%(白宮100天供應鏈報告
  • 拿美國納稅人的錢補貼外國公司,政治不正確
  • 資助外國公司設廠,智慧財產權不屬於美國,無法真正重建美國晶片製造領先地位




文章概述

Politico.com的文章第一段指出,美國戰略需要超越短期晶片短缺問題,認真思考如何重建美國晶片製造領導地位

而且白宮100天供應鏈報告指出

  • 台灣製造了92%的尖端半導體晶片 (10奈米以下製程)
  • 美國迫切需要修正供應鏈偏重台灣的不平衡狀態

補充說明:全球晶圓製造產能依據不同國家、晶片類別占比 (DAO為分離式、類比、光電與感測器晶片):

             10奈米以下製程產能,台灣佔92%、韓國8%,資料來源:BCG x SIA Apr 2021

  • < 10奈米:應用於邏輯晶片佔全球產能 2%,其中台灣 92%、韓國 8%
  • 10~22奈米:美國產能佔 43%、台灣 28%
  • 邏輯晶片指 CPU、GPU、AP (手機應用處理器)、FPGA、高速網路晶片等複雜運算晶片




Gelsinger認為解決先進半導體製造供應鏈問題,已是國家安全、經濟風險的迫切需求,建議依據三個原則:

  • 推動創新、智慧財產權生根於美國
    • 政府應該投資在美國的智慧財產權跟創新能力 👉 TSMC 的智慧財產不屬於美國
    • 美國納稅人的錢應該用在美國公司 👉 TSMC 主要繳稅不在美國
    • 美國公司能更有效的跟政府合作創造營運環境,而非海外公司 👉 TSMC不是自願到美國設廠
  • 連結美國半導體的智慧財產權及製造
    • 實現USICA的經濟、國家安全目標,應該強化美國的智財權 (IPs) 跟製造的連結 👉 即使在美國製造,TSMC 智財權仍不在美國
    • 立法者需要刺激先進半導體製造科技,極大化美國政府投資半導體產業的效益
  • 產業公司的實質行動和承諾
    • Intel 2021年3月承諾投資 200億美金新建兩個 Arizona 晶圓廠時,並沒有任何政府獎勵,因為作為美國公司更能理解美國製造的優勢 👉 白宮100天報告:TSMC 有台灣政府補貼,比 Intel 成本低 25%~30%
    • Intel承諾在 New Mexico 投資 35億美金 於先進封裝技術
    • Intel在美國、歐洲推出 Foundry 2.0 提供晶圓製造、先進封裝服務

最後,聯邦政府計畫的扶植方法,一種是選擇提供在美國生產晶片的補貼激勵(包含TSMC、Samsung),另一種選擇則是培育美國成為全球最好的製造技術基地 (只補助美國公司 )。

補充說明:複雜、“高風險” 的半導體供應鏈(資料來源:白宮 100天供應鏈報告)

複雜、高風險的半導體供應鏈,資料來源:白宮報告、BCG x SEMI Apr 2021

補充說明:Intel全球 10個地區有15座晶圓廠,除了美國本土的Arizona、Massachusetts、New Mexico、Oregon外,還有Ireland、Israel,大連生產NAND Flash工廠已經計畫出售給SK Hynix。

intel 全球製造基地,資料來源:Intel.com




2. 正名製程節點

我們都知道 TSMC 2020年量產 5奈米,2022年計畫量產 3奈米,Intel則仍停留在 10奈米,7奈米預計要到 2022年底才能進入量產,但是兩者的奈米尺寸是同樣的嗎?

2020年10月 Intel 呼籲業界回歸摩爾定律以電晶體密度定義製程節點,因為TSMC在 0.25微米之後就不再按照摩爾定律命名,部分原因可能是商業行銷手段,目前 Intel 的 10奈米的電晶體密度其實超過 TSMC 的 7奈米 (參考下圖)

摩爾定律 = 相同面積上可容納電晶體數每2年增加一倍


Intel、TSMC 製程電晶體密度比較,資料來源:Wikichip

今年3月傳出 Intel 可能將其 7奈米製程改名為 5奈米,因為 Intel 7奈米電晶體密度為 200-250 M/mm2,而 TSMC 的 5奈米才 171 M/mm2。其實 Intel 還是太客氣, 因為TSMC 的 3奈米密度也是 250 M/mm2 (百萬個電晶體/平方毫米面積)。

根據 IC Knowledge在2021年2月的預測Intel 7奈米電晶體密度 ≈ TSMC 的 3奈米Intel 的 5奈米 ≈ TSMC 的 2奈米,當然前提是Intel仍持續按照摩爾定律增進電晶體密度。

製程節點比較實例

過去AMD採用 TSMC 7奈米 跟 Intel 的 14奈米 製程晶片,兩者效能並沒有明顯差異,因此網路上分析 兩者的晶片,以電子顯微鏡放大比對電晶體尺寸結果發現

TSMC的 7奈米、Intel 的14奈米 (加強版) 電晶體閘極寬度分別是 22、24奈米 差異不大:

Intel 14奈米 與 TSMC 7奈米製程 閘極寬度比較,資料來源:TechPowerUp


電晶體閘極高度部分差異也很小:

Intel 14奈米、TSMC 7奈米製程 閘極高度比較,資料來源:TechPowerUp

製程節點時程

如果TSMC 跟 Intel 都能夠按照規劃推進,預估2025年兩者製程將相近,當然無庸置疑目前 TSMC 製程仍處領先地位,優劣也不是只比較相同面積塞入多少電晶體數這麼簡單

TSMC vs Intel 製程節點時程,資料來源 IC Knowledge 2021.02




3. IDM 2.0策略

2020年3月23日 Intel CEO Pat Gelsinger發布了 IDM 2.0 的策略,主要有三點:

1. 強化自有晶圓廠大規模生產競爭優勢

投資 200億美元 在 Arizona 新建兩個先進晶圓廠,主要產品都會在自有晶圓廠大規模生產,透過優化產品組合、增加效益與供應彈性,7奈米製程晶片 “Meteor Lake” 第二季設計定案,採用EUV微影技術的7奈米製程進展順利。

投資 35億美元 強化先進封裝技術 (Intel 3D封裝技術稱為Foveros,已用在第11代 CPU),有興趣深入了解的可以參考Cool3C的文章

Intel 是不可能放棄晶圓製造的,因為在先進技術開發上,Intel 無法像 Apple 掌握下游軟硬體整合優勢,只有掌握晶片設計、製程、封裝核心技術才能有差異化。

Intel 認為其 3D封裝技術領先 AMD/TSMC,根據Anadtech的分析目前 Intel 的封裝技術領先 TSMC,但 TSMC 優點在於有眾多客戶合作開發技術

Intel 3D 封裝技術,資料來源:https://youtu.be/JzbN1IOAcwY

2. 擴大利用晶圓代工廠

從優化成本、性能、時程和供應角度,除原來通訊、繪圖、晶片組的委託晶圓代工外,2023年擴大消費、資料中心產品的部分模組 (tiles)。

Intel的Lakefield晶片就已經堆疊了「1大、4小的核心晶片」不同 tiles,包含 10奈米運算晶片、22奈米系統 I/O晶片、POP封裝的DRAM記憶體。

利用外部晶圓廠生產核心周圍晶片,不消耗自家產能,是合理的策略,近期媒體報導 TSMC 3奈米製程代工 Intel 高階晶片,即使是資料中心產品,也應該是周圍小核心晶片,在 Intel 發表 IDM 2.0時已經宣示,所以 TSMC 股價沒有任何反應。

3. 推出 Intel 代工服務

成立獨立事業單位推出 Intel Foundry Service,目標成為北美、歐洲領先的晶圓代工服務供應商。

目前歐洲並無 10奈米以下晶圓代工廠,美國則只有 Samsung,TSMC如果在美國只提供 5奈米製程服務,Intel的 7奈米 效能有機會超越,因此對於在意地緣政治、軍事、高端技術保密的客戶會有明顯吸引力。

但最大問題在於代工跟自有產品間的競爭問題,除非有明顯區隔,例如手機行動處理器、Google、Microsoft的自研晶片等,否則 Intel 不容易爭取客戶信任。

Intel IDM 2.0 戰略,資料來源:Intel 官網




結語

高階晶圓製造已經成為地緣政治關注的重點,特別是美國面對中國崛起的各種措施,勢必建立本土先進製程產能以滿足其戰略需求、降低風險。

根據Counterpoint今年3月的預估,10奈米以下先進製程產能年複合成長率達 21%,但台灣的產能比重將從今年的 55%下降到 2025年的 44%,2027年則進一步降低到 40%。

TSMC 除了需要持續晶圓製程的領先外,地緣政治造成美、日設廠的真正國際化運營風險、成本增加、營運人力等,面臨更多未知的考驗。

10奈米以下晶圓產能分佈,資料來源:Counterpoint 2021.03

對 Intel 而言則是難逢的天時、地利,真正的考驗在於跟TSMC 3奈米 相當的 7奈米 製程是否能在 2022年底順利開發完成,如果 Gelsinger 能在這關突破,加上收購的 FPGA晶片 在 AI及5G、Mobileye 在無人駕駛、自家的高性能運算等事業,都將有很強的競爭力。

Pat Gelsinger 在40歲就擔任過 Intel CTO,相隔12年後在今年 1月回鍋任職 CEO,是帶領 Intel 重新回到技術為主的好人選,但晶圓製程開發需要一定週期,估計要 12-18個月才能看到成果,近期的高性能伺服器晶片延遲問題,並不能歸咎其責任。

嚴格說起來,TSMC 跟 Intel 是競合關係,TSMC專注代工以台灣為製造中心,Intel 自有產品以美國為製造中心、代工策略以美、歐在地生產為訴求,善用 TSMC代工產能生產核心周圍晶片也是合理策略,如果明年 Intel 7奈米製程開發成功,勢必大幅提升競爭力,接下來就看 Intel 能否掌握契機,重返榮耀!


延伸閱讀:

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