制程之争背后有玄机：英特尔真的较AMD失去创新力了吗？

劾隼

近期，随着AMD芯片出货量的增加、7nm节点芯片的发布以及股价的上涨，英特尔承受了较大的舆论压力。其中最典型的评论就是英特尔在AMD面前，失去了创新力（例如制程上，10nm屡屡推迟，不及AMD的7nm等），并开始失去市场份额。事实真的如此吗？

制程数字游戏早是业内共识，台积电也不例外

既然业内多数的评论集中在AMD率先采用7nm节点，并以此认为英特尔相较AMD已经失去创新力，那咱们就从制程的角度看看，英特尔是何时被业内视为制程不再领先对手的？对！就是在 14nm FinFET 这一节点上。

众所周知，在 22nm 节点上英特尔是全球第一家量产 FinFET 3D 晶体管工艺的，彼时台积电、三星还是 28nm、32nm Bulk 工艺，英特尔遥遥领先，不过 2015 年，三星、台积电也开始量产 14nm FinFET 及 16nm FinFET 工艺，看起来好像是追平了英特尔的 14nm 工艺，也是“英特尔工艺落后”这一说法的起源。

但实际情况并非如此，英特尔在制程上，一直严格遵守半导体工艺微缩定律（不论是国际组织 ITRS 《国际半导体技术蓝图》还是光刻机巨头 ASML 都是有严格标准）。

以此衡量，英特尔的 14nm 工艺在栅极距 (Gate Pitch)、鳍片间距 (Fin pPitch)、金属栅距 (Metal Pitch) 等与半导体工艺微缩定律密切相关的关键指标都遥遥领先于其他厂商，并最终导致在决定性能的晶体管密度上，其14nm 工艺可以达到每平方毫米 3750 万个晶体管，而三星、台积电的工艺只有 2900 万、3050 万个晶体管/平方毫米，只比 20nm 工艺略好。



以此考量，三星的 14nm 工艺实际上应该是 17nm 工艺，台积电的 16nm 也仅是19nm，英特尔的 14nm 工艺密度是这两家的 1.3 倍多，优势相当明显。此时，制程工艺的命名已经变成了数字游戏。

对此，英特尔高级院士、技术与制造事业部制程架构与集成总监马博(Mark Bohr)在2017年就不点名批评了竞争对手的做法，认为制程进一步的微缩越来越难，一些公司背离了摩尔定律的法则，即尽管晶体管密度增加很少，或者根本没有增加，但他们仍继续为制程工艺节点命新名，结果导致这些新的制节点名称根本无法体现位于摩尔定律曲线的正确位置。

其实，就连目前被业内认为制程领先的台积电研发负责人、技术研究副总经理黄汉森在今年的Hotchips会议上也坦诚，尽管摩尔定律未来还会继续有效，但现在描述工艺水平的XXnm说法已经不科学，因为它与晶体管栅极已经不是绝对相关，制程节点已经变成了一种营销游戏，与科技本身的特性没什么关系。这是台积电首次公开承认制程衡量芯片水平的片面性。

此外，英特尔基于14nm 节点一直在演进，已经从 2015 年到 2017 年已经发展出了三代 14nm 工艺——14nm、14nm+ 及 14nm++，性能及功耗一直在改良，性能提升了 26%，功耗降低了 52%，这也是为什么从 Skylake 处理器以来，英特尔酷睿处理器频率一直在提升。

例如第一代 14nm 工艺的 Skylake 处理器酷睿 i7-6700K 的加速频率不过 4.2GHz，最多 4 核 8 线程，而到了 14nm++ 工艺的 Coffee Lake 处理器中，CPU 核心数提升到了 6 核、8 核，酷睿 i9-9900K 的单核、双核加速频率甚至达到了 5.0GHz，这个提升幅度在改良版工艺中是无出其右的。这也很好地解释了，AMD采用台积电7nm节点之前，面对英特尔14nm节点，其芯片一直没有起色的主要原因。

英特尔10nm不输对手7nm，过度追求创新效率致推迟

按照上述半导体工艺微缩定律，英特尔14nm约等于台积电、三星“12nm”（即略逊于 10nm）；英特尔10nm等于三星 7nm和台积电 7nm+（2019 EUV）（略高于台积电第一代 7nm）。

到了10nm节点，英特人的晶体管密度为每平方毫米1.008 亿个，三星 7nm 节点为每平方毫米 1.0123 亿，二者基本持平；而台积电初代 7nm 节点晶体管密度为16nm 节点的约3倍、10nm 节点的1.6 倍，由此推算其每平方毫米约 8000 万个晶体管，略低于英特尔10nm的节点水平；而 2019 年台积电采用 EUV 工艺的 N7+节点，披露晶体管密度提升 20%，由此计算晶体管密度达到每平方毫米1亿个左右水平，与英特尔、三星2019年量产工艺基本一致。



这里，英特尔10nm的制程与台积电和三星的7nm相当，甚至有所超越，而且英特尔10nm处理器已经开始出货。为此，TechInsight通过分析该处理器，还直接证实了上述英特尔10nm的先进性。

该分析发现，英特尔10nm工艺使用了第三代FinFET立体晶体管技术，晶体管密度达到了每平方毫米1.008亿个（符合官方宣称），是目前14nm的足足2.7倍。

相比之下，三星7nm工艺晶体管密度则是每平方毫米1.0123亿个，勉强高过英特尔的10nm，至于台积电的7nm，晶体管密度比三星还要低一些。换言之，仅晶体管集成度而言，英特尔10nm的确和对手的7nm站在同一档次，甚至更好。

另外，英特尔10nm的最小栅极间距（Gate Pitch）从70nm缩小到54nm，最小金属间距（Metal Pitch）从52nm缩小到36nm，同样远胜对手。事实上与现有其他10nm以及未来的7nm相比，英特尔 10nm拥有最好的间距缩小指标。

由此可见，目前台积电相较于英特尔，仅是在量产时间上略占上风，而实际技术储备差别不大。

随之而来的问题是，英特尔的10nm节点缘何屡屡被推迟呢？

从目前看，在 7nm 节点出现了两种技术路径，既可以采用 193nm 波长+SAQP 四重图案化达到所需分辨率，也可采用 EUV+单次图案化。

众所周知，英特尔在 10nm 节点尽管特征尺寸等同于台积电、三星 7nm 节点，但未采用波长 13nm 的极紫外（EUV）光刻技术，而是继续采用波长 193nm 的深紫外（DUV）结合多重曝光进行光刻。相比之下，台积电和三星选择的是EUV+单次图案化。而据业内分析，英特尔 10nm 节点一再推迟，与其工艺后段采用多重四图案曝光（SAQP）良率较低有关。



既然如此，英特尔为何还要选择此种技术路径呢？

首先是英特尔10nm项目开始较早，原计划2016量产，当时EUV 尚未成熟，故英特尔选择了 SAQP 的技术路径。

其次是采用此种技术路径，最小金属间距可以达到 36nm，等同于三星采用 EUV 方法达到的效果，并明显小于台积电多重双图案曝光（SADP）方法达到的40nm。换言之，英特尔运用后段的 SAQP 方法，实现了同 EUV一样的效果。

此处需要说明的是，最小金属间距意味着容纳更多的晶体管，这也是上述为何业内认为英特尔10nm等于三星 7nm和台积电 7nm+（2019 EUV）（略高于台积电初代 7nm））的主要原因。

最后从成本的角度考量，193i 多重图案化在某些场景仍然是最为经济的选择。根据东京电子测算的不同曝光工艺标准化晶圆成本，EUV 单次曝光的成本是 193i（DUV）单次曝光的4倍，而193i 四重图案曝光 SAQP 是3倍，EUV 单次曝光技术的晶圆成本高于自对准四图案曝光（193i SAQP）。以此可以看出，采用 193i SAQP 仍然具有成本优势。



对此，英特尔首席执行官鲍勃•斯旺（Bob Swan）在参加日前召开的瑞士信贷技术年度会议上也做了解释：由于半导体工艺是逐步成熟的，一旦制造工艺不是最成熟状态，那么良率就会偏低，对成本产生不利影响，那么频繁升级新工艺就无法维持当前业务的盈利能力。除此之外，新一代制程工艺开发需要越来越多的资金投入，这也使得回报率下降。

至此，我们不难看出，英特尔颇受创新诟病的10nm节点的一再推迟，并非像外界所言的英特尔在制程创新技术上的落后，而是其寻求创新与成本之间的最佳平衡，即英特尔站在创新ROI的角度，选择了一种更具创新挑战性的技术路径，试图将原有的技术通过创新再造价值，而这无论是对于整个产业的创新效率，还是自身获取更大的商业价值都是大有裨益的。

其实提及创新效率，由于台积电是独立的开放性的代工模式，其客户来源广泛，且需求不同，尤其是在最新制程技术的采用上，有的客户更是不遗余力，这使得台积电在制程上完全不像英特尔那样设计、制造、封装、测试等均自己来做而必须考虑创新效率。

AMD仍以低价打市场，英特尔战略放弃份额争夺

首先看去年开始出货量大增的AMD。尽管看似AMD取得了巨大的进步，但英特尔仍然是微处理器市场无可置疑的领导者。看看他们的CPU收入部分，英特尔的绝对规模优势变得非常明显。

据Seeking Alpha分析师Khaveen Jeyaratnam称，虽然AMD之前发布的销量数据令人印象深刻，但也有一些误导。如果将市场份额作为营收的百分比来衡量，英特尔的主导地位似乎更强，即英特尔95.64%的市场份额远远高于其90.41%的销售份额。原因很简单，尽管它的单位市场份额可能已被AMD夺走，但它通过推高CPU价格维持了收入增长。例如英特尔的台式电脑CPU销量同比下降了6%，但11%的价格涨幅缓解了这一趋势。





与此同时，该分析师还分析了英特尔和AMD的137个处理器，确定了这两家公司的平均售价(“ASP”)。其中英特尔的产品平均售价高出228%。虽然AMD的低价开始是为了进入英特尔控制的CPU市场的需要，但现在它已经成为公司的竞争优势，也是其单位市场份额大幅增长的主要原因。这种定价差异也解释了，尽管销量下滑，英特尔仍保住了很大一部分收入份额。



究其原因，在于英特尔致力于通过不断创新来提供高产品性能。例如英特尔酷睿i9-9980XE和i9-9900K的性能超过了AMD的Ryzen芯片以及许多Threadripper第二代芯片。

提及创新，魁北克大学（TELUQ）计算机科学教授Daniel Lemire曾经对比过AMD的Zen 2与英特尔2015年发布的Skylake的IPC性能。根据他的测试，在两个阶段的测试中，AMD的Zen2架构在IPC性能上依然比Skylake弱，差距在10-15%左右。



除了上面的测试，他还测试了位集解码（bitset decoding）的IPC性能，结果差距更为明显，Zen2的IPC性能大概是Skylake的2/3，也就是67%左右的IPC性能。



从这些测试来看，单论微内核架构的话，英特尔在这方面依然有很强的实力，AMD的Zen2现在并不能说是超越了Skylake微内核，而后者是2015年推出的架构了。可见英特尔在架构创新的实力。

进入到2019年，Mercury Research 提供的项数据显示了 AMD 在三个关键领域的市场份额。如果单独观察2019 年第一季度的数据，就会发现 AMD 的前景远非业内评价的那般乐观，英特尔的销售额是 AMD CPU 销售额的33倍，是 AMD 台式机芯片销售额的6倍，是 AMD 笔记本处理器的近8倍。



由此看，虽然AMD采用了所谓更先进的7nm制程，但在真实的市场竞争中依然在采用低价抢市场份额。

除了低价外，英特尔首席执行官鲍勃•斯旺（Bob Swan）在日前召开的瑞士信贷技术年度会议上坦承（在公开场合应该是首次）不再片面地追逐CPU市场占有率，因为这样做会损害公司的发展。斯旺提出了让英特尔不再局限于“CPU公司”的发展计划，即今后英特尔的目标不再是成为最大的CPU市场规模（Total Available Market，TAM），而是只要30%的全硅（all-silicon） TAM。

由此可以看出，英特尔未来的战略定位是成为一个超越 CPU 的公司，即以CPU为核心，但同时充分利用目前手中已经和即将推出的GPU、FPGA、AI加速器等提升在全硅领域的竞争力，这点与目前依然单纯定位在纯CPU与自己竞争的AMD形成了鲜明的对比和优势。

除了战略定位的变化，联想到英特尔曾在世纪之交和本世纪头十年中期依靠出色的创新及营销策略终结过类似的竞争局面。目前AMD增长的势头颇有英特尔战略转变主动“放水”的意味。

还有一点不容忽略的是，鉴于英特尔在PC和服务器芯片领域市场份额不断扩大，且领先AMD已接近15年的时间，期间经历过AMD的反垄断诉讼，以及近期欧盟又开始以反垄断之名针对包括谷歌、Facebook和亚马逊等科技企业，英特尔阶段型“放水”AMD，似乎也有希望借此规避这一轮欧盟可能启动的针对美国大科技企业的反垄断调查之意。