【新智元导读】英特尔200亿美元晶圆厂终于正式开工，拜登亲自出席道贺。面对三星和台积电的制程优势，英特尔真能「弯道超车」吗？在美国2800亿美元的「芯片与科学法案」通过一个多月之后，英特尔计划已久的俄亥俄州200亿美元的芯片工厂终于正式破土动工。作为半导体产业回归美国本土的标志性事件，总统拜登亲临工地现场出席动工仪式，并表示祝贺。
此前，由于芯片法案推进不顺利，英特尔不久前宣布推迟计划举行的动工奠基仪式，原计划该仪式于7月底举行。英特尔称，本次奠基仪式启动了「地球上最大的硅制造基地」的建设。未来10年，英特尔计划在俄亥俄州投资1000亿美元。该公司表示，建厂计划需要7000多名工人，预计将容纳两个独立的工厂，一旦完工，将雇用3000名工人。英特尔之前推迟了该工厂7月的奠基仪式，因为其计划主要依赖于「芯片法案」的资金，而国会尚未通过该法案。但是，经过一个夏天的谈判，拜登在上个月签署了2800亿美元的「芯片与科学法案」，称其为「对美国一代人的投资」。两党达成协议，以促进美国的创新，希望在全球半导体短缺之后保护美国的经济和国家安全利益。始于2020年的新冠大流行使全球芯片供应链断裂，使设备制造商更难以为产品采购半导体。与此同时，由于办公室关闭，人们开始在家工作，对这些商品的需求激增。拜登在开工仪式现场表示：「正如我们在大流行期间看到的那样，当制造这些芯片的工厂关闭时，芯片就会停产。全球经济就会停滞不前，我们需要在美国本土制造这些芯片，以降低日常成本并创造良好的就业机会。」
英特尔CEO帕特·盖尔辛格与拜登一起参加了这个仪式，他说，这座工厂的动工，标志着「铁锈带」时代的结束和「硅心带」的开始。铁锈带是对美国自上世纪80年代起传统重工业衰退的一片地区的非正式称呼。这一地带始于纽约州中部，向西横穿宾夕法尼亚州、俄亥俄州、印第安纳州，止于伊利诺伊州北部、艾奥瓦州东部和威斯康星州东南。自20世纪中叶以来，由于多种经济因素，例如制造业向海外转移、自动化程度提高以及美国钢铁和煤炭工业衰退，这片曾被称为美国工业心脏地带的地区内，工业比重一直在下降。
在该法案通过后，其他大型芯片制造商已经宣布了在美国国内半导体制造厂的建设计划。本月早些时候，美国另一个主要芯片制造商美光公司表示，将投资150亿美元在爱达荷州建立一个新工厂。
最近，电源芯片制造商Wolfspeed也宣布投资50亿美元在北卡罗来纳州建立一个新的半导体工厂，以生产用于为电动汽车等设备提供动力的芯片原材料，以应对需求激增的情况。
「今天，我们在一个每个俄亥俄人都可以感到自豪的未来破土动工，这项数十亿美元的投资是联邦、州和私营部门领导人之间前所未有的合作的高潮，它将改变俄亥俄州的经济，并为后代提供机会，在这里实现稳定的中产生活。」俄亥俄州参议员候选人Tim Ryan表示。
拜登总统周五在动工仪式上表示，英特尔将在俄亥俄州这里建立未来的劳动力。「现在是埋葬「锈带」标签的时候了，俄亥俄制造和美国制造不再仅仅是一个口号。我们需要在美国本土生产这些芯片。芯片行业的未来将是美国制造。」拜登说。拯救摩尔定律，要靠纳米级芯片？按照摩尔定律，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔两年便会增加一倍。然而近年来，一些业内人士认为，摩尔定律将不再适用了。根据中国工程院院刊的资料，目前，普遍采用的晶体管结构，是鳍式场效应晶体管（FinFET）。这套工艺也是英特尔此前一直采用的。虽然，FinFET工艺从22纳米制程之后一直到5纳米制程，一直是半导体的主流工艺架构。但在尺寸上已逼近物理极限，无法进一步缩小。在FinFET中，当晶体管尺寸变小时，FinFET栅极就无法完全关闭电流。即使晶体管处于「关闭」状态，电子仍会继续渗入通道，不但浪费电能，而且还会产生热量。而纳米级芯片克服了这些障碍，使晶体管能进一步缩小，并提高了晶体管的密度。
图：纳米级芯片晶体管示意图纳米级芯片还为设计提供了更大的灵活空间，让芯片制造商能够通过调整芯片的宽度来微调晶体管的性能和功耗。而且，纳米级芯片的制程越高，同样面积所能容纳的晶体管数量越多，芯片性能就越高。比如，IBM的研究出的2纳米制程的芯片，与7纳米制程的芯片相比，其运算速度快45%，能效可提高75%。据业内人士的分析，英特尔新建的两家晶圆厂，在2025年投入生产时，工艺水平上可以量产20A及18A两代工艺。据英特尔方面说，20A和18A是全球首个达到埃米级的芯片工艺，相当于其他芯片制造商的2纳米、1.8纳米工艺。这也是为何英特尔踌躇满志地预测，新工艺将会让英特尔重新回到半导体领导者地位。英特尔真能「弯道超车」吗？通常来说，纳米级芯片的从研发到投入使用之间，会经历很长的时间。就拿2纳米芯片来说，早在2014年，就有相关研究论文发表。到2016年，2纳米的技术路线就开始明确了。2017年，IBM研究院展示了2纳米技术的可行性。2021年，IBM发布了全球首颗2纳米制程的芯片。
而全球第一家宣布启动2纳米工艺研发的代工厂——台积电，预计于2025年才能实现2纳米芯片的量产。而且越是高制程芯片，研发越艰难，能参与的玩家就越少。进入10纳米制程之后，全球半导体代工厂仅剩台积电、三星和英特尔三家。而在7纳米制程之后，全球范围内的竞争者就剩下台积电和三星。这是不是意味着，英特尔掌握了1.8纳米工艺，就可以重回行业老大的位置呢？这真不一定。首先，各大厂商所说的2纳米、3纳米的概念，其实是每个厂商根据自身的参数定义的制程概念。以骁龙为例，三星用4纳米工艺代工了骁龙8，结果功耗表现不尽如人意。
之后高通切换到了台积电4纳米工艺，骁龙8+的CPU及GPU能效提升了30%之多，差别很明显。所以，同样是一个纳米级别的芯片，性能可能差别很大。更何况，很多时候，先进制程是芯片制造商的宣传手段。其次，目前半导电制造行业的老大，在先进制程上跑得并不慢。根据财经十一人的资料，台积电的研发投入基本在稳步上升，研发增速基本上每2到3年就会有一个高点，这与其进入下一个制程的量产有关。例如在2020年，台积电的研发增速从2019年的8.91%一下子上升到27.59%，那一年台积电计划量产5纳米工艺，并全面使用EUV。
最后，就算技术上领先了，率先量产了，不一定代表未来发展得好。在半导体行业，这一点尤为明显。因为先进技术不是目的，用先进技术生产出可靠的产品才是目的。正如很多半导体的业内人士所说，「良率是关键」。制程越先进，光罩张数及工艺复杂度就越会显著升高，良率的提升就越难。虽然技术、工艺、设备的革新，让预测谁能笑到最后，变成一件很难的事，但从产业的趋势来看，拥有最长代工历史的台积电，其优势没那么容易被颠覆。因为越往先进制程走，就越不是一家或几家企业能完成的，就需要更多全球产业链上下游的协作与配合才能实现。目前，苹果、AMD、NVIDIA及高通、联发科等公司依然选择台积电工艺代工，那么，在未来相当长的时间里，台积电行业老大的位置，恐怕还能继续坐下去。参考资料：
https://www.theverge.com/2022/9/9/23344834/semiconductor-joe-biden-ohio-intel-gelsinger-chips-science-subsidies
https://www.cnbeta.com/articles/tech/1314921.htm
https://mp.weixin.qq.com/s/stmj2onYa-5PI81CkRHlgQ
http://www.engineering.org.cn/ch/10.1016/j.eng.2021.11.008
来源：新智元
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