High-NA EUV光刻機或將成為英特爾的轉機

上個月英特爾晶圓代工（Intel Foundry）宣布，已在美國俄勒岡州希爾斯伯勒的英特爾半導體技術研發(fā)基地完成了業(yè)界首臺High-NA EUV光刻機組裝工作。隨后開始在Fab D1X進行校準步驟，為未來工藝路線圖的生產(chǎn)做好準備。

英特爾運營新模式

英特爾是少數(shù)采用IDM模式的芯片廠商，完整覆蓋了芯片從設計到生產(chǎn)再到銷售的全過程，產(chǎn)品絕大部分也都是在內部工廠制造。不同于英偉達、AMD等無工廠模式廠商只做芯片的設計，芯片制造環(huán)節(jié)完全交由代工廠完成；或者以臺積電、格芯為代表的代工廠模式，只負責芯片的代工及封裝環(huán)節(jié)。

從14nm到10nm的艱難量產(chǎn)，讓英特爾在2021年提出IDM2.0戰(zhàn)略，打破“自家芯片自家造”的傳統(tǒng)，將芯片生產(chǎn)獨立運營出來，以契合市場需求。在該戰(zhàn)略中，英特爾對外開放自己的代工服務，同時擴大采用第三方代工產(chǎn)能：不僅可以委托外部芯片代工廠生產(chǎn)自己的芯片，比如預訂臺積電3nm的產(chǎn)能；也需要發(fā)展自己的芯片代工業(yè)務，成立英特爾代工服務IFS業(yè)務，重返芯片代工行業(yè)。

今年2月，英特爾還首次推出面向AI時代的系統(tǒng)級代工 —— 英特爾代工（Intel Foundry），提供了從工廠網(wǎng)絡到軟件的全棧式優(yōu)化。值得注意的是，從2024年第一季度開始，英特爾的財務架構將拆分為兩大板塊：英特爾代工和英特爾產(chǎn)品。英特爾代工將成為一個獨立的運營部門，包括代工技術開發(fā)、代工制造和供應鏈，以及代工服務（原 “英特爾代工服務”），擁有自己的損益表。而英特爾產(chǎn)品則將傳統(tǒng)的客戶端計算事業(yè)部（CCG）、數(shù)據(jù)中心和人工智能事業(yè)部（DCAI）以及網(wǎng)絡與邊緣事業(yè)部（NEX）全面整合。

新的運營模式在英特爾代工（由制造部門組成）和英特爾產(chǎn)品（由產(chǎn)品業(yè)務部門組成）之間建立了代工關系，將按市場定價核算來自外部客戶和英特爾產(chǎn)品的收入以及過往分配給英特爾產(chǎn)品線部門的研發(fā)和制造成本。而通過將代工業(yè)務獨立核算，英特爾能夠更清晰地展示其在半導體制造領域的競爭力和盈利能力，同時也能夠更好地與業(yè)界進行業(yè)績對照，推動各部門做出更好的決策。此外，這一調整還將大幅節(jié)約成本、提高運營效率和資產(chǎn)價值、增強成本競爭力，有助于英特爾在全球半導體市場中重新奪回技術領先地位。

這不僅是一次簡單的結構重組，更是對未來戰(zhàn)略方向的明確宣示，體現(xiàn)了英特爾向代工運營模式即Intel Foundry的轉變，實現(xiàn)到2030年成為全球第二大代工廠的目標。目前英特爾正在不斷加強代工基礎設施建設，計劃未來5年投資1000億美元擴大先進芯片制造能力。

盡管雄心勃勃，但由于四年五個節(jié)點及路線演進、生態(tài)構建和產(chǎn)能擴建等巨額的投入，英特爾披露其代工業(yè)務去年營收同比下降31.2%至189億美元，經(jīng)營虧損70億美元，同比擴大34.6%。對英特爾來說，芯片制造能力是獨有的優(yōu)勢，但也意味著高投入和沉重的負擔，晶圓廠建置成本極高。根據(jù)機構估算，建造一座月產(chǎn)量在5萬片晶圓的2nm工廠需要的成本約為280億美元，而同樣產(chǎn)能的3nm工廠的成本約為200億美元。

2024年有可能將是英特爾芯片制造業(yè)務經(jīng)營虧損最嚴重的一年，從今年一季度財報來看，該業(yè)務運營虧損25億美元，幾乎是上一季度的兩倍?！八哪晡鍌€制程節(jié)點”計劃的啟動成本達到頂峰，而且大部分產(chǎn)量都在EUV之前的工藝節(jié)點上，經(jīng)濟性缺乏競爭力。然而隨著完成“四年五個制程節(jié)點”計劃，實現(xiàn)制程工藝重回領先地位，通過產(chǎn)量組合轉向領先的EUV節(jié)點，運營利潤率預計將得到提升。

去年末，ASML向英特爾交付了首臺High-NA EUV光刻機，型號為TWINSCAN EXE:5000的系統(tǒng)。High-NA EUV光刻技術將在先進芯片開發(fā)和下一代處理器的生產(chǎn)中發(fā)揮關鍵作用，英特爾打算在Intel 14A工藝引入，最快會在2026年到來。

光刻設備中的NA代表數(shù)值孔徑表示光學系統(tǒng)收集和聚光的能力，數(shù)值越高，聚光的能力就越強。相比于當前EUV設備的0.33數(shù)值孔徑，新一代High-NA EUV設備的NA值直接增加到了0.55，擁有1.7倍于目前0.33NA EUV光刻機的一維密度，在二維尺度上可實現(xiàn)190%的密度提升，從而實現(xiàn)更快的處理速度和更高的存儲容量。

此前有報道稱，一臺High-NA EUV光刻機的價格大概為3.8億美元，是EUV（約1.83億美元）的兩倍多，ASML目前收到的訂單數(shù)量在10至20臺之間。目前ASML每年High-NA EUV光刻機的產(chǎn)能大概在5到6臺，今年生產(chǎn)的這些設備將全部運往美國的芯片制造商，而英特爾已經(jīng)獲得了明年上半年之前生產(chǎn)的大部分High-NA EUV光刻機，這很大程度上得益于新設備出現(xiàn)時，英特爾選擇了搶先下單。三星和SK海力士則預計在明年下半年也將得到High-NA EUV光刻機。

2nm正成為關鍵戰(zhàn)場

2011年英特爾首發(fā)了FinFET工藝，22nm FinFET工藝當時遠超臺積電、三星的28nm，技術優(yōu)勢可謂是遙遙領先，然而在14nm節(jié)點之后，英特爾接連遭受了重創(chuàng)，無法跟上臺積電推出10nm、7nm和5nm工藝的節(jié)奏?，F(xiàn)在，英特爾正欲借2nm重返半導體代工領先地位，PC處理器Arrow Lake將第一個采用2nm節(jié)點的芯片，或將成為晶圓代工廠中最快使2nm芯片商業(yè)化的公司。

按照半導體行業(yè)的摩爾定律，集成電路可容納的晶體管數(shù)目，每隔18個月便會增加一倍，性能相應也增加一倍。臺積電董事長劉德音最近在IEEE網(wǎng)站上署名發(fā)表文章，把半導體行業(yè)過去50年縮小芯片尺寸的努力比作“在隧道中行走”。如今距離摩爾定律的極限越來越近，行業(yè)已經(jīng)走到隧道的盡頭，半導體技術將變得更加難以發(fā)展，2nm將會是芯片巨頭搶灘的關鍵一戰(zhàn)。

在芯片制程尺寸不斷縮小的過程中，芯片廠商需要解決的問題更多，因此在新制程方面都需要改革。GAAFET架構全稱全包圍柵場效應晶體管，與突破14nm制程以下沿用的FinFET架構不同，GAAFET利用柵電極覆蓋電流通道的四個側面，而非傳統(tǒng)的三個，能夠讓晶體管繼續(xù)縮小下去而不漏電，從而允許在降低運行功率的情況下顯著提高性能。類似具有里程碑意義的方案還包括晶圓背面供電，相較于傳統(tǒng)供電，這項技術能夠降低電壓，從而減少功耗，顯著提升芯片性能的表現(xiàn)。

為了滿足越來越高、越來越復雜的算力需求，同時提高能效比，先進封裝在芯片制造中的作用正變得越來越關鍵，能夠提升芯片互連密度，在單個封裝中集成更多功能單元。先進封裝也將支持英特爾的產(chǎn)品部門和代工客戶的異構集成需求，讓來自不同供應商、用不同制程節(jié)點打造的芯粒（小型的模塊化芯片）更好地協(xié)同工作，提高靈活性和性能，降低成本和功耗。目前英特爾的先進封裝有兩大支柱，分別是EMIB和Foveros。

· EMIB簡單來說就是把不同的芯片放在同一塊平面上相互連接。傳統(tǒng)的2.5D封裝是在芯片和基板間的硅中介層上進行布線，EMIB則是通過一個嵌入基板內部的單獨的芯片完成互連，從而將芯片互連的凸點間距降低到45微米，改善了設計的簡易性和成本。

· Foveros是英特爾的3D封裝技術，在原理上同樣并不復雜，就是在垂直層面一層一層地堆疊獨立的模塊，就像建高樓大廈一樣。而高樓需要貫通的管道用于供電供水，F(xiàn)overos就是通過復雜的硅通孔技術實現(xiàn)垂直層面的互連。

作為新《芯片法案》的一部分，美國政府將為英特爾提供85億美元的直接撥款（是目前發(fā)放的同類款項中最大的一筆）和110億美元的貸款，以及未來5年25%的稅收減免，用以推進其在亞利桑那州、新墨西哥州、俄亥俄州和俄勒岡州的工廠建設；此外，在歐盟出臺歐洲版“芯片法案”的430億歐元補貼計劃中，英特爾也入選了首批名單，其在德國總投資300億歐元建設的新廠是該法案第一個落地項目。這些都為英特爾加碼晶圓代工注入了新動能。

隨著以GPU為主的AI芯片需求快速膨脹，芯片產(chǎn)能瓶頸日益凸顯，比如英偉達主要通過臺積電代工，但受臺積電CoWoS先進封裝產(chǎn)能限制，2023年下半年，英偉達就出現(xiàn)了高性能計算卡交貨周期普遍延長至12-16個月的情況。這一背景下，英特爾布局芯片代工的重要性顯著。

英特爾加入AI算力戰(zhàn)爭

一直以來，無論是PC市場還是數(shù)據(jù)中心市場，英特爾的優(yōu)勢均集中在CPU（中央處理器）領域。2021年，人工智能技術快速發(fā)展，Al服務器通常搭載以GPU（圖形處理器）為主的加速芯片，GPU開始成為全球數(shù)據(jù)中心增量市場的主角。根據(jù)Verified Market Research的數(shù)據(jù)，2021年全球GPU市場規(guī)模335億元，2028年全球GPU市場規(guī)模有望達到4774億元，數(shù)據(jù)中心市場的主導玩家也成為了英偉達。

現(xiàn)在英特爾需要面對英偉達、AMD等競爭對手，前者有H100萬、A100系列，后者有新的數(shù)據(jù)中心加速器產(chǎn)品MI300X。除此之外，亞馬遜AWS和微軟在內的一些全球最大的科技公司，正在設計自己的處理器，讓數(shù)據(jù)中心市場競爭加劇。從最新布局來看，英特爾仍將加速押注數(shù)據(jù)中心：4月份，發(fā)布性能最強的新一代Gaudi 3 AI 加速芯片，對標英偉達H100。

Gaudi 3 AI芯片采用臺積電5nm工藝，由64個AI定制和可編程TPC和8個MME組成，每個MME都能夠執(zhí)行64000個并行運算，支持128GB HBMe2內存容量、3.7TB內存帶寬和96MB板載靜態(tài)隨機存取內存（SRAM）。相比上代產(chǎn)品，英特爾Gaudi 3帶來4倍（400%）的BF16 AI計算能力提升，1.5倍的內存帶寬以及3倍的網(wǎng)絡帶寬提升。同時，在AI模型算力中，相比于英偉達H100 GPU，Gaudi3 AI芯片的模型訓練速度、推理速度分別提升40%和50%，平均性能提高50%，能效平均提高40%，而成本僅為H100的一小部分。

從整體路線圖來看，AI PC、Edge AI（邊緣）、Data Center AI（數(shù)據(jù)中心）將成為英特爾三大重要的計算生態(tài)系統(tǒng)，比英偉達覆蓋面積更廣，加上其開放、可擴展的軟件和算法特性，廣泛適用于多個AI領域，從而推動英特爾持續(xù)為企業(yè)客戶打造全新AI方案。英特爾正逐步構建AI領域的算力基礎設施生態(tài)，全面挑戰(zhàn)英偉達以及現(xiàn)有AI芯片市場格局，希望利用長期的AI技術積累，通過開放生態(tài)系統(tǒng)的力量，乘上AI熱潮。

· 英特爾宣布將推出下一代酷睿Ultra客戶端處理器家族（代號Lunar Lake），將具備超過100 TOPS平臺算力，以及在神經(jīng)網(wǎng)絡處理單元（NPU）上帶來超過46 TOPS的算力，從而為下一代AI PC提供強大支持。據(jù)悉，英特爾預計將于2024年出貨4000萬臺AI PC設備。

· 英特爾還發(fā)布新的Edge芯片產(chǎn)品，包括酷睿TM Ultra、酷睿TM、凌動處理器以及面向Edge的英特爾ArcTM GPU，預計所有新品將于本季度上市，應用于包括零售、工業(yè)制造、醫(yī)療保健等關鍵領域，并將于今年獲得英特爾Tiber邊緣平臺的支持。另外，英特爾還發(fā)布Tiber業(yè)務解決方案組合，以簡化企業(yè)對生成式AI軟件服務的部署工作，預計Tiber方案將于今年第三季度全面推出。

而最近英偉達基于BlackWell GPU架構發(fā)布的B100又進行了一輪大幅的升級，在性能方面遠勝Gaudi 3。那么，英特爾能以Gaudi 3真正突圍嗎？其實，以英特爾當前的業(yè)績表現(xiàn)來看，不追求前沿配置，而是在控制成本的前提下大幅提升芯片性能，可能是更好的產(chǎn)品策略。若英特爾不惜一切進行追趕，成本壓力勢必會大幅攀升，回正利潤需要更加漫長周期。因此，通過洞察市場痛點，打造差異性產(chǎn)品，或許是更加穩(wěn)妥的選擇?？梢钥吹剑⑻貭栆呀?jīng)成功拿下全球首臺高數(shù)值孔徑的EUV光刻機，隨著時間的推移，這或將持續(xù)降低英特爾的制造成本。

不過，從行業(yè)競爭的持續(xù)以及芯片代工“重資產(chǎn)、長周期”的產(chǎn)業(yè)屬性來看，英特爾還有諸多硬仗要打。按照英特爾制程路線圖上的時間表來看，會在2025年通過Intel 18A“翻盤”，但是制程路線圖上的時間表只是“工藝的時間表”，而不是產(chǎn)品落地的時間表，英特爾的目標能否實現(xiàn)還是要看采用相關工藝的產(chǎn)品何時落地。其次，英特爾代工新模式在服務外部客戶、開拓更大市場上需要一定適應期，才能真正成為尖端芯片代工市場的重要參與者。