薤白

2023年2月20日 星期一

2023-02-20 英特爾本來遙遙領先,為何現在落後台積電?問題出在14奈米:彎道超車會翻車

晶圓雙雄,兩次拉開製程技術

在2000 年左右,因隨電晶體愈做愈小,線寬也愈來愈小,這麼一來就產生了電阻跟電容之間的時間差,造成處理效率上的延遲。正當台積電準備自行開發 0.13 微米製程技術來克服問題時,IBM 同時找上了聯電和台積電,詢問合作開發的意願。不過,IBM 強勢要求合作方把製程拉到美國。

曾繁城在接受媒體訪問時形容,「IBM 要求台積放棄自己的研發,這不公平、不合理,等於全部掐住我的脖子,要我把自己的命脈交到你手裡。」曾繁城向張忠謀報告,要開發 0.13 微米自主製程時,張忠謀問過他,「有沒有信心、有沒有把握?」曾繁城回答,「有」。

這一聲「有」,決定了台積電走向「銅製程」發展的方向,而聯電則選擇成為 IBM 的合作夥伴,停掉了台北的研發團隊。從此,台積與聯電在製程技術上,走向完全不同的道路。聯電偏向商業性整合,例如找一些 IC 公司入股,結合成一個大聯盟;而台積電則是在自主研發上堅持。日後,輝達創辦人黃仁勳曾公開表示,「0.13 微米改造了台積電。」


兩家公司在製程技術上的第二次拉開,是在 28 奈米製程上。原本宣布退休的張忠謀在 2009 年 6 月回任台積電執行長。回任後他做了一個很重要的決策——將 2010 年資本支出上調一倍,增加到 59 億美元,帶領台積電創造 28 奈米製程傳奇。當時,另一陣營 IBM 和三星,也正在聯手研究 28 奈米。


28 奈米製程的關鍵技術在於:先閘極(Gate-first)與後閘極(Gate-last)。其他大廠格羅方德跟三星選擇先閘極,只有台積電用後閘極,後閘極技術難度和成本較高,但效率較高,技術應用較佳。為了 28 奈米的後閘極技術,台積電花五年時間突破,此後不僅在技術上拉高競爭障礙,也拉近與三星的差距,最後更在 18 奈米的 iPhone A10 Fusion 戰役中打敗三星,一舉吃下大單。

在不斷砸錢,看不到曙光與盡頭的五年研發路上,堅定方向往前走是很難的。2011 年下半年台積電 28 奈米製程開始量產,反觀聯電到 2014 年才量產,足足落後近三年。比起 0.13 微米的競爭,28 奈米是一個更大的勝出。(相關報導:為何賣台積電?蒙格說法透端倪 靜待巴菲特股東信|更多文章)


28 奈米是台積電企業發展史上非常重要的里程碑,也樹立了台積電鼓勵員工不怕犯錯、勇於提出想法的企業文化。在研發 28 奈米時碰到很多困難,每個小組在上午把問題丟出來;到了下午,主管開會找出癥結,再丟回去。下面的人根據管理階層的互動,找出問題後再把答案送上去;管理階層再考慮所有條件和限制,排除某些可能再拋回去。就這樣,反覆來回,一直不斷突破,先不論技術上的突破,光是工作態度,就讓台積電在 28 奈米拉開了實力。

在製程上彎道超車的危險性

技術和製程的突破,是一個長期累積的過程。中芯或三星一直強調「彎道超車」,這是非常大的錯誤。首先,這個世界沒有這麼多彎道給你超車,而且彎道超車是最危險的,萬一對向來的是大卡車呢?我們先來看一個「前車之鑑」。


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從早期的晶圓製程一直到 22 奈米,英特爾的技術都是領先的,而且是無可撼動的龍頭地位。大概在 2016 年進入 14 奈米的時候,開始被台積電超車。台積電從 22 奈米到 14 奈米,是循序漸進的,但英特爾竟然是從 22 奈米,直接跳到 14 奈米。為什麼要提這件事?因為到 20 奈米以後,製程技術的突破就非常困難了。


怎麼說呢?奈米遠遠小於人類視覺可觀察的範圍,我們看不到也摸不到奈米。通常,肉眼可見的在 1 毫米到 100 公尺之間,光學顯微鏡可見範圍大約是 1 毫米到 100 奈米,細菌大約是 2 到 3 微米,病毒更小,大約只有幾十奈米,要靠電子顯微鏡才能看見。以 1 奈米等於 10 億分之 1 公尺來計算,如果把地球縮小為奈米尺寸的話,那麼地球大約只有一顆玻璃彈珠那麼大。


進入 20 奈米以下的製程技術,代表要製作出只有五分之一病毒大小的電晶體結構。電晶體愈做愈小,也使得閘極與通道之間的接觸面積過小,結構容易漏電。直到美國加州大學柏克萊分校的微電子學家胡正明、Tsu-Jae KingLiu、Jeffrey Bokor 等三位教授發明了 FinFET(Fin Field Effect Transistor,鰭式場效電晶體),才解決問題。


中國大陸這幾年掀起芯片熱,某電視節目主持人問主講者,「為什麼我們原子彈做得出來,晶片做不出來?」主講者回答:「因為台灣有兩個人,一個是張忠謀,一個是胡正明。」胡正明曾任台積電技術長,而 FinFET 正是閘極長度縮小到 10 奈米以下的關鍵。過去幾年台積電與三星的技術競爭中,台積電幾乎完勝三星,這和台積電擁有成熟的 FinFET 製程與專利密不可分。(相關報導:為何賣台積電?蒙格說法透端倪 靜待巴菲特股東信|更多文章)


另一方面,台積電在 20 奈米以下先進製程追上後,英特爾決意「彎道超車」,從 22 奈米直接切入 14 奈米。然而,因為跳躍幅度太大,讓一向在製程上領先的英特爾,也在 2020 年第二季財報上透露, 7 奈米製程技術存在「嚴重缺陷」,只能延後量產,預計要到2022下半年才能亮相。

相較於台積電 5 奈米製程已於 2020 年第二季量產,英特爾財務長喬治 · 戴維斯(George Davis)在摩根士丹利(Morgan Stanley)會議向投資者坦承,在技術上已落後競爭對手至少兩年。縱然,英特爾 10 奈米和台積電 7 奈米的晶圓密度相當,但半導體的技術競爭不只是在密度上,還有良率等諸多因素考量。可以說到目前為止,台積電在先進製程上的技術,算是把英特爾「稍微」拉開了一些。

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