要奪回領(lǐng)導(dǎo)地位，英特爾來(lái)勢(shì)洶洶。英特爾的目標(biāo)是在2030年前成為世界第二大晶圓代工廠。最近幾年來(lái)，英特爾的路線(xiàn)很激進(jìn)，無(wú)論是‘四年五個(gè)制程節(jié)點(diǎn)’對(duì)先進(jìn)工藝的追逐，還是在2030年實(shí)現(xiàn)在單個(gè)封裝中集成一萬(wàn)億個(gè)晶體管，以及代工服務(wù)業(yè)務(wù)的開(kāi)展。

臺(tái)積電的擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃

在2023年北美技術(shù)研討會(huì)上，臺(tái)積電介紹了其未來(lái)的擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃。從2017年到2019年，臺(tái)積電平均每年建設(shè)兩期晶圓廠左右。而從2020年到2023年，平均值將顯著增加到5左右。近兩年，臺(tái)積電共開(kāi)工建設(shè)10期新廠，包括5期中國(guó)臺(tái)灣晶圓廠、2期中國(guó)臺(tái)灣先進(jìn)封裝廠、3期海外晶圓廠。

具體地區(qū)上來(lái)看，臺(tái)積電在臺(tái)灣正在為N2的生產(chǎn)建設(shè)新的晶圓廠，新竹的Fab 20和臺(tái)中的新工廠。在美國(guó)，臺(tái)積電計(jì)劃在亞利桑那州建設(shè) 2 座晶圓廠，N4首座晶圓廠已開(kāi)始設(shè)備進(jìn)場(chǎng)，2024年量產(chǎn)。第二座工廠正在建設(shè)中，計(jì)劃用于生產(chǎn) N3。兩家晶圓廠的總產(chǎn)能將達(dá)到每年 60 萬(wàn)片晶圓。

早在2021年，臺(tái)積電就臺(tái)積電攜手日本索尼在日本設(shè)立子公司JASM，并合作興建營(yíng)運(yùn)晶圓廠，初期采用22/28納米制程提供專(zhuān)業(yè)集成電路制造服務(wù)，以滿(mǎn)足全球市場(chǎng)對(duì)特殊技術(shù)的強(qiáng)勁需求。日本JASM晶圓廠預(yù)計(jì)2022年開(kāi)始興建，2024年底前生產(chǎn)。建成后，月產(chǎn)能達(dá)4.5萬(wàn)片12英寸晶圓。初期預(yù)估資本支出約70億美元，并獲日本政府承諾支持。

今年4月份，據(jù)消息人士透露，臺(tái)積電將與博世以及其他兩家與汽車(chē)行業(yè)相關(guān)的歐洲公司合作，意欲在德國(guó)建設(shè)28nm晶圓廠，討論仍在進(jìn)行中。這種成熟節(jié)點(diǎn)非常適合汽車(chē)芯片，而歐洲又是汽車(chē)重鎮(zhèn)。到2024年，28納米及以下工藝的海外產(chǎn)能將比2020年增長(zhǎng)3倍。

但相比之下，臺(tái)積電在臺(tái)灣的28nm擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃就不那么美好。在上述消息傳出之前，臺(tái)積電在高雄的28納米擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃被取消。臺(tái)積電2021年11月宣布在高雄投資設(shè)立7納米、28納米二座12英寸晶圓廠，7納米廠已在今年初宣布暫停，如今又傳出臺(tái)積電原訂1月開(kāi)標(biāo)的高雄廠機(jī)電工程標(biāo)案延后1年，相關(guān)無(wú)塵室、裝機(jī)作業(yè)延后、臺(tái)積電高雄廠計(jì)劃采購(gòu)的28納米機(jī)臺(tái)清單也全數(shù)取消。

由于AI應(yīng)用的火爆，臺(tái)積電的先進(jìn)封裝需求劇增。2023年6月份，臺(tái)積電宣布新建一個(gè)先進(jìn)封裝廠，為Fab6，來(lái)擴(kuò)展3D Fabric封裝技術(shù)。該晶圓廠于2020年開(kāi)工建設(shè)，位于竹南科學(xué)園區(qū)，基地面積達(dá)14.3公頃，是臺(tái)積電迄今為止最大的先進(jìn)后道晶圓廠，潔凈室面積大于臺(tái)積電其他先進(jìn)后道晶圓廠的總和。臺(tái)積電估計(jì)，該晶圓廠將具備年產(chǎn)100萬(wàn)片以上12英寸晶圓等效3DFabric制程技術(shù)的能力，以及每年超過(guò)1000萬(wàn)小時(shí)的測(cè)試服務(wù)。臺(tái)積電3DFabric包含多種先進(jìn)的 3D 硅堆疊和先進(jìn)的封裝技術(shù)，如SoIC、InFO、CoWoS和先進(jìn)測(cè)試，可支持范圍廣泛的下一代產(chǎn)品。

英特爾來(lái)的更猛烈一些？

英特爾目前在全球有10個(gè)制造廠，在現(xiàn)有的基地中，包括五個(gè)晶圓廠和四個(gè)裝配和測(cè)試設(shè)施。過(guò)去幾年，英特爾不斷在這些基地的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)產(chǎn)建廠。而現(xiàn)在，英特爾正積極推進(jìn)其制造業(yè)務(wù)的進(jìn)一步擴(kuò)張，以進(jìn)一步拓展其制造版圖。

英特爾目前的整個(gè)制造版圖（圖源：英特爾）

英特爾在歐洲

作為IDM 2.0的戰(zhàn)略規(guī)劃的一部分，英特爾計(jì)劃在未來(lái)十年內(nèi)沿著整個(gè)半導(dǎo)體價(jià)值鏈（從研發(fā)到制造和先進(jìn)封裝）在歐盟投資多達(dá) 800億歐元。英特爾第一階段在整個(gè)歐洲計(jì)劃初始投資超過(guò)330億歐元，具體規(guī)劃藍(lán)圖是，在德國(guó)建設(shè)領(lǐng)先的半導(dǎo)體芯片制造工廠，在法國(guó)建立新的研發(fā) (R&D) 和設(shè)計(jì)中心，并擴(kuò)大研發(fā)能力、制造、代工服務(wù)和在愛(ài)爾蘭、意大利、波蘭和西班牙進(jìn)行后端生產(chǎn)。英特爾此舉也將有助于歐洲實(shí)現(xiàn)到2030年拿下全球半導(dǎo)體20%的制造目標(biāo)。

波蘭建設(shè)封測(cè)廠（新建）

2023年6月16日，英特爾計(jì)劃投資高達(dá)46億美元在波蘭弗羅茨瓦夫附近新建一個(gè)半導(dǎo)體組裝和測(cè)試工廠。波蘭總理Mateusz Morawiecki稱(chēng)英特爾工廠是“波蘭歷史上最大的綠地投資”。該工廠將于2027年上線(xiàn)。英特爾表示這個(gè)工廠靠近其計(jì)劃在德國(guó)和愛(ài)爾蘭的工廠，結(jié)合起來(lái)，這些設(shè)施將有助于在整個(gè)歐洲創(chuàng)建一個(gè)端到端的領(lǐng)先半導(dǎo)體制造價(jià)值鏈。

英特爾在波蘭的布局始于1993年，彼時(shí)其在波蘭的首都華沙開(kāi)設(shè)銷(xiāo)售辦事處；1999年英特爾通過(guò)位于格但斯克（Gdansk）的收購(gòu)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商O(píng)licom成立了研發(fā)中心；到2022年，格但斯克研發(fā)辦公室成為英特爾在歐洲最大的研發(fā)中心。

德國(guó)建設(shè)巨型晶圓廠（新建）

早在2022年3月15日，英特爾在德國(guó)已經(jīng)宣布投資170億歐元建立了一個(gè)半導(dǎo)體巨型晶圓廠，原本商定德國(guó)政府補(bǔ)貼68億歐元，但由于材料成本和勞動(dòng)成本的大幅上漲，后來(lái)英特爾又抬高到99億歐元（108.3 億美元）的補(bǔ)貼價(jià)格，2023年6月19日，雙方簽署了修訂后的意向書(shū)。位于德國(guó)的這一新的晶圓廠預(yù)計(jì)將交付采用英特爾最先進(jìn)的埃時(shí)代晶體管技術(shù)的芯片。

愛(ài)爾蘭（擴(kuò)產(chǎn)）

2019年英特爾對(duì)其位于愛(ài)爾蘭的晶圓廠進(jìn)行擴(kuò)建，投資70億美元，新建一個(gè)Fab 34，將于2023年上線(xiàn)。該工廠將使英特爾愛(ài)爾蘭的制造空間擴(kuò)大一倍，并為lntel 4工藝技術(shù)的生產(chǎn)鋪平道路。

英特爾在以色列

6月份，據(jù)以色列時(shí)報(bào)報(bào)道，英特爾已與以色列政府簽署原則性協(xié)議，投資250億美元在Kiryat Gat建設(shè)芯片制造廠。“這是以色列國(guó)有史以來(lái)最大的投資，”內(nèi)塔尼亞胡在周日的每周內(nèi)閣會(huì)議上說(shuō)。其實(shí)早在2019 年，英特爾已經(jīng)就投資約100億美元建設(shè) Kiryat Gat 芯片工廠進(jìn)行了談判。Kiryat Gat工廠預(yù)計(jì)將于2027年開(kāi)業(yè)。

以色列對(duì)于英特爾的貢獻(xiàn)頗大，大約50年前，一位在加利福尼亞州為英特爾工作的以色列工程師Dov Frohman，他在1972年發(fā)明了EPROM，即紫外線(xiàn)可擦除只讀存儲(chǔ)芯片，最終導(dǎo)致了閃存的誕生。1974年英特爾在以色列開(kāi)設(shè)了第一個(gè)以色列辦事處（英特爾希望找到更多Frohmans）。英特爾的第 7代和第8代英特爾酷睿處理器主要在以色列開(kāi)發(fā)。

英特爾在美國(guó)

俄勒岡州

2022年4月11日，英特爾對(duì)其位于俄勒岡州希爾斯伯勒的晶圓廠D1X擴(kuò)建，該項(xiàng)目投資30億美元。并將這個(gè)占地500畝的園區(qū)新命名為Ronler Acres的Gordon Moore Park，以紀(jì)念英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登摩爾。英特爾在俄勒岡州的芯片工廠是全球最大的工廠。

俄亥俄州（新建）

2022年1月，英特爾已宣布計(jì)劃初始投資超過(guò)200億美元，在俄亥俄州利金縣建設(shè)兩家新的尖端晶圓廠。這是俄亥俄州歷史上最大的單一私營(yíng)部門(mén)投資。2023年5月，該芯片廠已經(jīng)開(kāi)始澆筑混凝土。

亞利桑那州（新建）

2021年9月24日，英特爾投資200億美元在亞利桑那州錢(qián)德勒的Ocotillo校區(qū)的兩家新的晶圓廠破土動(dòng)工，分別命名為Fab 52和Fab 62。屆時(shí)英特爾Ocotillo園區(qū)將共有六個(gè)晶圓廠。這兩個(gè)晶圓廠將于2024年開(kāi)始運(yùn)營(yíng)，新晶圓廠將制造英特爾最先進(jìn)的工藝技術(shù)，包括采用全新RibbonFET和PowerVia技術(shù)的英特爾20A。

新墨西哥州（擴(kuò)產(chǎn)投資）

2021年5月3日，英特爾宣布將向其新墨西哥州的業(yè)務(wù)投資35億美元，發(fā)展Foveros先進(jìn)封裝技術(shù)。位于新墨西哥州的eRio Rancho 工廠目前開(kāi)發(fā)和制造封裝技術(shù)、內(nèi)存和連接技術(shù)。

晶圓廠建設(shè)的復(fù)雜性和成本

據(jù)英特爾的信息，一個(gè)設(shè)備齊全的新工廠耗資約100億美元，需要7000名建筑工人大約三年才能完成。一個(gè)典型的英特爾晶圓廠包含大約1,200種先進(jìn)工具，其中許多價(jià)值數(shù)百萬(wàn)美元。晶圓廠的四個(gè)級(jí)別中有三個(gè)支持潔凈室級(jí)別，即實(shí)際芯片生產(chǎn)的地方。

來(lái)源：英特爾

- 最上層是插頁(yè)和風(fēng)扇甲板，風(fēng)機(jī)甲板上的系統(tǒng)可以保持潔凈室中的空氣無(wú)顆粒，并精確地保持適合生產(chǎn)的溫度和濕度。這一層被稱(chēng)為間隙層，是晶圓廠的最高層。

- 接下來(lái)是潔凈室，工作人員穿著兔子服，以防止絨毛、毛發(fā)和皮膚碎片離開(kāi)硅片。有趣的是，潔凈室通常使用黃色燈光照明，這在光刻過(guò)程中是必要的，以防止光刻膠受到波長(zhǎng)較短的光的影響。

- 再往下一級(jí)是潔凈車(chē)間，其中包含數(shù)千臺(tái)泵、變壓器、電源柜和其他支持潔凈室的系統(tǒng)。被稱(chēng)為“分支”的大型管道將氣體、液體、廢物和廢氣輸送到生產(chǎn)工具中。在這個(gè)層面上，工人不穿兔子服，但他們戴著安全帽、安全眼鏡、手套和鞋套。

- 最底層是實(shí)用層，支持工廠的電氣面板位于這里，還有與清潔子工廠的側(cè)管相連的“主電源”-大公用管道和管道系統(tǒng)。此外，這里還設(shè)有冷卻器和壓縮機(jī)系統(tǒng)。負(fù)責(zé)監(jiān)控這一層設(shè)備的工作人員穿著便服，戴著安全帽和安全眼鏡。

在晶圓廠的建設(shè)過(guò)程中，物料更是大的驚人。最重的貨物是55噸的冷水機(jī)，相當(dāng)于12頭平均體型的非洲象。此外，將挖掘超過(guò)200萬(wàn)立方碼的土壤和巖石，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行再利用，這足以填滿(mǎn)俄亥俄州立大學(xué)的足球場(chǎng)。工程還需要澆筑50萬(wàn)立方米的混凝土，以及10萬(wàn)噸的鋼筋，相當(dāng)于世界最高建筑迪拜哈利法塔（Burj Khalifa）所用的兩倍以上。此外，還將使用3.5萬(wàn)噸的結(jié)構(gòu)鋼，重量比埃菲爾鐵塔還要大5倍。預(yù)計(jì)將有7000名現(xiàn)場(chǎng)技工參與施工，總工時(shí)預(yù)計(jì)將超過(guò)1500萬(wàn)小時(shí)，相當(dāng)于超過(guò)1700年的工作時(shí)間。另外，還將安裝長(zhǎng)達(dá)900萬(wàn)米的電纜，這一長(zhǎng)度相當(dāng)于214個(gè)馬拉松的全程。

英特爾重回領(lǐng)導(dǎo)地位的幾大“法寶”技術(shù)

如此大的投資布局，英特爾要重奪領(lǐng)導(dǎo)地位的決心和來(lái)勢(shì)不容小覷。而關(guān)于英特爾能否重回領(lǐng)導(dǎo)地位，業(yè)界眾說(shuō)紛紜。英特爾在10nm工藝節(jié)點(diǎn)上大約晚了5年，但是根據(jù)Wikichip Fuse的說(shuō)法，英特爾可能會(huì)在今年晚些時(shí)候憑借其即將推出的Intel 4節(jié)點(diǎn)回到最前沿。在代工領(lǐng)域，根據(jù)TrendForce的數(shù)據(jù)，臺(tái)積電在第三方芯片制造業(yè)務(wù)中的市場(chǎng)份額約為59%，其次是三星的16%，英特爾的份額還相對(duì)很小。

要重回領(lǐng)導(dǎo)地位，僅靠建廠是不夠的，產(chǎn)能是很重要的一方面，但還需要在芯片微縮方面先進(jìn)技術(shù)上的突破。目前，英特爾有兩大重要技術(shù)“法寶”。

其中一大法寶是RibbonFET，它是基于Gate All Around (GAA) 晶體管開(kāi)發(fā)的。RibbonFET是英特爾自FinFET以后的首個(gè)全新晶體管架構(gòu)。RibbonFET革新之處在于它堆疊了多個(gè)通道以實(shí)現(xiàn)與多個(gè)鰭片相同的驅(qū)動(dòng)電流，但占用空間更小（如下圖右）。對(duì)于給定的封裝，更高的驅(qū)動(dòng)電流會(huì)導(dǎo)致更快的晶體管開(kāi)關(guān)速度，并最終帶來(lái)更高的性能。

另外一大法寶是PowerVia背面供電：所謂的背面供電簡(jiǎn)單而言就是通過(guò)將電源線(xiàn)移至晶圓背面。數(shù)十年來(lái)，晶體管架構(gòu)中的電源線(xiàn)和信號(hào)線(xiàn)一直都在“搶占”晶圓內(nèi)的同一塊空間。通過(guò)在結(jié)構(gòu)上將這兩者的布線(xiàn)分開(kāi)，可以很好地提高芯片性能和能效。

在研發(fā)代號(hào)為“Blue Sky Creek”的測(cè)試芯片上，英特爾已經(jīng)證實(shí)了這項(xiàng)技術(shù)確實(shí)能顯著提高芯片的使用效率，單元利用率（cell utilization）超過(guò)90%，平臺(tái)電壓（platform voltage）降低了30%，并實(shí)現(xiàn)了6%的頻率增益（frequency benefit）。PowerVia測(cè)試芯片也展示了良好的散熱特性，符合邏輯微縮預(yù)期將實(shí)現(xiàn)的更高功率密度。

背面供電對(duì)晶體管微縮而言至關(guān)重要，可使芯片設(shè)計(jì)公司在不犧牲資源的同時(shí)提高晶體管密度，進(jìn)而顯著地提高功率和性能。英特爾的PowerVia將于2024年上半年在Intel 20A制程節(jié)點(diǎn)上推出。該技術(shù)將可以很好的支持英特爾代工服務(wù)（IFS）客戶(hù)在內(nèi)的芯片設(shè)計(jì)公司。

目前在臺(tái)積電、三星和英特爾這三大晶圓廠中，英特爾在背面供電技術(shù)領(lǐng)域是率先取得收獲的。早在2012年，英特爾引入FinFET技術(shù)，讓英特爾獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷好多年。英特爾認(rèn)為PowerVia技術(shù)將是其新的FinFET時(shí)刻。如果英特爾能夠按照其承諾實(shí)現(xiàn)該技術(shù)，那么其預(yù)計(jì)在部署背面供電方面至少比臺(tái)積電和三星領(lǐng)先兩年。

除此之外，英特爾也在2D材料等領(lǐng)域不斷探索，據(jù)悉英特爾和CEA-Leti將使用層轉(zhuǎn)移技術(shù)在300毫米晶圓上開(kāi)發(fā)金屬二硫化物 (2D TMD)，例如基于鉬和鎢的TMD，目標(biāo)是將摩爾定律擴(kuò)展到2030年以后。這主要是因?yàn)?D-FET提供了固有的亞1nm晶體管溝道厚度。

雖說(shuō)還有各種各樣新技術(shù)、新材料、封裝和互聯(lián)技術(shù)等等的支撐，但英特爾折戟10nm制程之后，RibbonFET和PowerVia這兩大技術(shù)將成為英特爾重回正軌的關(guān)鍵，再一次的成敗似乎在此一舉。或許我們將見(jiàn)證晶體管性能的又一次飛躍。